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1、1,第5章 聚合物的力学性能,高分子材料在外力作用下的形变和破坏特性,2,高分子材料的特点:易加工成型;适应面广;塑料和纤维的比强度高;橡胶的弹性形变大;对外力的响应有时间、温度依赖性；,描述高分子材料力学行为的参数：应力、应变、时间、温度,3,5.1 力学性质的基本物理量,1 应力与应变,应力:定义单位面积上的附加内力(单位面积受的外力),单位为牛顿米。,受力方式与形变的形式:拉伸、剪切和压缩,简单拉伸,4,均匀压缩,简单剪切,5,2 理想弹性体的模量,A 简单拉伸与杨氏模量,张力:垂直于截面的力F,杨氏模量E:,6,B 简单剪切与剪切模量,泊松比：在拉伸中，材料横向单位宽度的减小与纵向单位
2、长度的增加之比值.,剪切力:平行于截面的力F,剪切应力:,剪切应变:,剪切模量G:,橡胶和液体的泊松比接近于0.5其它材料在0.20.5之间,7,C 均匀压缩与本体模量,流体静压力:P,单位体积的体积减小:,本体模量:,8,5.2 高分子材料的拉伸破坏,1 线形非晶态高分子材料拉伸应力-应变典型曲线,o,5.2.1 线形非晶态高分子材料拉伸,9,三点 三段 形变类型 典型应力 弹性极限点 a o-a 弹性形变 弹性极限应力ay屈服点 y a-y 强迫高弹形变 屈服应力y断裂点 t y以后 塑性形变 断裂应力t,典型伸长率:弹性极限伸长率ay屈服伸长率y断裂伸长率t,10,2 强迫高弹形变特点,
3、(1)强迫高弹形变的温度在Tg和脆点温度Tb之间.,(2)强迫高弹形变发生后不能自动恢复,当温度升高到 Tg以上可以自动恢复.,(3)大分子链的柔性、分子量、外力作用时间都影响 强迫高弹形变的发生。,11,3 温度对PMMA的拉伸应力-应变行为的影响,12,5.2.2 结晶高聚物拉伸过程的应力-应变曲线及试样外型变化,13,均匀伸长,均匀伸长,出现细颈,细颈发展，链段取向,见图5-8,14,5.2.3 聚合物拉声应力-应变曲线类型,硬而脆,软而弱,软而韧,硬而强,硬而韧,15,5.2.4 高分子材料的断裂,1 脆性断裂和韧性断裂,脆性断裂和韧性断裂的判别:脆性断裂:屈服之前的断裂;断裂面光滑;
4、缺口冲击强度小于2kJ/m2 韧性断裂:屈服之后的断裂;断裂面粗糙且有外延形变;缺口冲击强度大于2kJ/m2,脆性断裂是材料使用中的不希望情况！,16,17,2 影响脆性断裂和韧性断裂的因素,A 拉伸条件的影响,温度:低温下易发生脆性断裂，提高温度 可转变为韧性断裂.,18,b 形变速率:低形变速率下易发生韧性断裂.,c 应力方式:受冲击可能引起脆性破坏;低速拉伸、剪切和压缩力作用 易引起韧性破坏。,d 缺口敏感性:缺口可使材料从韧性断裂转变为脆性断裂（缺口顶部产生了应力集中）。,19,B 分子结构的影响,脆性断裂应力随着分子量的增加而增大，有利于韧性断裂。,聚合物在分子取向方向，脆性断裂应力
5、提高较快，使材料在取向方向变韧，但是在与取向垂直的方向上易发生脆性断裂。,刚性侧基使屈服应力和脆性断裂应力都提高，而柔性侧基则使屈服应力和脆性断裂应力都降低。,20,交联可使屈服应力提高，但对脆性断裂应力增加并不大因此，随着交联密度的增加，高分子材料的脆性也增加。,增塑可以提高高分子材料的韧性。,21,3 银纹和剪切带,玻璃态聚合物在发生约0.5程度的形变时，开始呈现局部塑性形变，或者形成银纹，继而发展成裂缝后导致脆性断裂，或者形成剪切带，发生韧性断裂；,a 银纹 非晶态聚合物，受拉仲应力的作用后，在与应力垂直的平面上出现许多微细孔，形成类似于玻璃、陶瓷材料中裂缝的龟裂纹路外表，肉眼可见银光闪
6、闪，被称为银纹。,22,23,银纹与裂缝的不同：,裂缝的两个张开面之间是完全空的，在银纹中除空穴外还含有取向的聚合物(40。60v)，,银纹中高度取向聚合物形成的微纤束，阻止微孔进一步增大。,银纹在压缩或退火热处理的可以收缩以致消失。,24,银纹具有高度的反射性，但银纹是透明的。,银纹的产生与应力大小与速度、聚合物材料中的分子取向、热历史以及液体介质等因素有关。,25,b 剪切带,聚合物在剪切力作用下发生局部应变软化时，使材料内部形成与应力方向倾斜一定角度的剪切带。,26,剪切带的形成和发展不仅与聚合物的化学组成有关，而且与应力和温度等因素有关，随应力和温度的增高，剪切带增长速度也随之增大，这
7、表明剪切带的增长是一个应力活化和温度活化的过程。,27,5.4 高分子材料的强度,5.4.1 聚合物的理论强度,聚合物的理论强度为1520GPa，实际强度值在0.020.1GPa。,聚乙烯的理论强度估计为19cPa，而一般的聚乙烯的强度仅为0.03GPa左右,缺陷引起的应力集中及分子链的无序程度,28,5.4.2 聚合物的主要力学强度,拉伸强度(断裂强度):将试片在拉力机上施 以静态拉伸 负荷,使其破坏(断裂)时的载荷t.,t=p/bd kg/cm2,断裂伸长率:t=(l-l0)/l0,29,30,弯曲强度:用简支法将试样放在两支点上,在 两支点间的试样上试加集中载荷,使之变形 直至破坏时的载
8、荷.是材料韧性、脆性的量度.,简支梁式弯曲试验示意图,31,冲击强度：是材 料在 高速冲击 状态下的韧性或 抗断裂的度量，指 标准试样在断裂 时单位面积上所 需的能量。,Charpy冲击试验示意图,32,5 压缩强度：,疲劳强度：在试样上施加交变循环外力，试样承受循环应力而产生循环应变，以致 试样力学性能减弱或破坏。疲劳强度反映高聚物抵抗产生裂缝的能力。,33,5.4.3 聚合物结构对强度的影响,主链的刚性增加、链间作用力增强、分子链结构规整性提高，均有利于提高强度和模量。,分子量小于有效链段的分子量时，增大分子量，使强度提高；当分子量已足够大并超过有效链段的分子量时强度与分子量基本无关。,分
9、子量分布变宽时，使强度降低，断裂伸长率有增加。,34,丁基橡胶的强度与分子量的关系,35,交联:适度的交联可以有效地增加分子链间的联系，使分子链不易发生相对滑移强度和弹性模量增高。,丁苯橡胶的拉伸强度与交链剂含量的关系,36,结晶能提高聚合物强度,单轴取向时，在与分子取向平行的方向，拉伸强度和模量都增加、断裂伸长率也增加，取向的材料可从脆性材料转变为韧性材料，具有屈服点,但是在与取向垂直的方向上拉伸强度和弹性模量都比取向前低.,双轴取向 使脆性的聚合物变成韧性材料，拉伸强度和断裂伸长率都提高.,结晶区相当于物理交联,取向可导致结晶,37,双轴取向和未取向塑料薄膜力学性能的比较,38,5.4.4
10、 材料组成和结构对强度的影响,填料:在聚合物中适当添加填料，可以提高强度。,塑料中称为增强剂(纤维)，橡胶中称为补强剂(碳黑),有玻璃纤维、碳纤维硼纤维、碳化硅纤维、单晶纤维(晶须)及聚酯、尼龙、芳纶等有机纤维,炭黑粒子表面的许多活性基团与橡胶分子形成化学交联和物理吸附,39,各种纤维增强的环氧树脂的性能,40,又如将橡胶粒子分散到脆性塑料聚苯乙烯中，由于橡胶微粒能吸收应力，阻止银纹和裂缝的产生，使共混物具有很好的韧性。,共聚与共混 是提高高分子材料冲击强度的重要途径。,如聚苯乙烯是脆性的，若在苯乙烯中引入丙烯晴和丁二烯单体进行接枝共聚所得ABS，大幅度提高了聚苯乙烯的冲击强度。,41,应力集
11、中:高分子材料中常常存在缺陷(杂质、空隙、银纹、裂缝、嵌件、缺口)等，受力时在缺陷区域内的应力往往大大超过应力平均值，这种现象称为应力集中。,应力集中都会使材料强度降低.,42,温度和形变速率:,提高温度对断裂过程的影响与降低形变速率是等效的.,聚合物的破坏过程是一个松弛过程在较低的形变速率或较高的温度下由于链段的运动能跟上外力作用的速率，使材料在较低的外力下屈服，断裂强度较低材料变得软韧。,43,材料断裂包络线,应力降低脆性断裂到韧性断裂,A,B,C,AB是蠕变,AC是应力松弛,44,习题：1 对照非晶态高聚物应力-应变曲线，说明 在拉伸过程中高分子链运动的特点。2 典型的断裂形式有哪些？各自的特点是什么？3 图示5种应力-应变曲线类型。4 图示晶态高聚物应力-应变曲线。5 简述结晶和分子取向对聚合物强度的影响。,
