固体聚合物的力学性质.PPT

第七章 高聚物的力学性质 本章学习目的 1、熟悉聚合物应力-应变曲线、从该曲线所能获得的重要信息，以及各种因素对应力-应变曲线的影响。 2、熟悉屈服现象和机理，银纹、剪切带的概念，了解屈服判据。 3、熟悉聚合物的强度、韧性和疲劳等概念。 4、掌握聚合物强度的影响因素、增强方法和增强机理。 5、掌握聚合物韧性的影响因素、增韧方法和增韧机理。了解断裂理论。 8.1 聚合物的塑性和屈服 8.1.1 聚合物的应力-应变行为 应力－应变试验是使用最广泛、非常重要而又实用的力学实验。应力－应变试验在拉力F的作用下，试样沿纵轴方向以均匀的速率被拉伸，直到试样断裂为止（见图7-6） 。 试验时, 测量加于试样上的载荷和相应标线间长度的改变(Δl=l-l0)。若试样的初始截面积为A0，标距的原长为l0，则应力σ=F/A0 应变ε=Δl/l0 从实验测得的应力、应变数据可绘制出应力－应变曲线，见图8-2。 应力－应变曲线反映的材料的力学性质 力 学 参 量 力 学 性 质 弹性 刚性 屈服点 弹性（强弱、硬软和脆韧） 断裂伸长 延性 屈服应力 强度 （或断裂强度、抗拉强度） 应力应变曲线下部的面积（断裂能）韧性 弹性线下部的面积 回弹性 “软”和“硬”用于区分模量的低或高。 “弱”和“强”是指强度的大小。 “脆”是指无屈服现象且断裂伸长很小。 “韧”是指用一定的负荷就可克服链段运动或分子位移所需的能量，使运动发生，且形变大，材料就韧。此时断裂伸长、断裂应力和断裂功都较高。 应力－应变曲线中： A点：弹性极限点 A点时对应的模量—拉伸模量E Y点：屈服点 Y点时对应的应力—屈服应力（屈服强度）σy Y点时对应的应变—屈服应变（屈服伸长率）εy B点：断裂点 B点对应的应力—断裂应力（断裂强度）σB—抗拉强度 B点对应的应变—断裂伸长率εB 以Y点为界分为二部分： （1）Y点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形。斜率 即为扬氏模量。 （2）Y点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢复原样，而留有永久变形，我们称材料“屈服”了，Y点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多。 应变软化 从应力—应变曲线还可获得的信息 发生脆性断裂时，断裂表面较光滑或略有粗糙，断裂面垂直于主拉伸方向，试样断裂后，其截面积基本不变，残余形变很小。 韧性断裂 材料发生屈服，超过屈服后发生断裂的现象。 韧性断裂时，断裂面与主拉伸方向多成45度角，断裂表面粗糙，有明显的屈服（塑性变形、流动等）痕迹，形变不能立即恢复。 脆性断裂和韧性断裂的区别 从拉伸应力-应变曲线的形状和破坏是断面形状来区分： 脆性断裂:①试样在出现屈服点之前断裂； ②断裂表面光滑，断裂能小。 韧性断裂:①试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象； ②短裂表面粗糙，断裂能大。 韧性表示在外力作用下材料变形破坏时外力所作的功，可用图8.2中曲线下的面积大小表示。相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为J?m-3，称断裂能或断裂功。它是表征拉伸材料断裂韧性的一个物理量。 面积大的为断裂韧性大的材料，反之为断裂韧性小的材料。延伸率（断裂时的应变）越大，断裂能越高。 主要有温度、外力和外力作用速率。 （1）温度 温度不同，同一聚合物的应力-应变曲线形状也不同，如图8-3所示。 当温度很低时（TTg），应力随应变成正比，称弹性形变区（可求出弹性模量E——直线的斜率）。应变不到10%就发生断裂，如曲线1所示。从分子机理来看，该阶段的普弹性是由于高分子的键长、键角和小运动单元的变化引起。 当温度略升高后，应力-应变曲线出现一个转折点Y，即屈服点。应力在Y点处达到最大值σy ，过了Y点，应力反而降低，试样应变继续增大，因温度仍低，继续拉伸，试样发生断裂，总应变不超过20%，如曲线2所示。 从没有屈服点到出现屈服点之间存在一个特征温度，称为脆化温度Tb。玻璃态高聚物只有处在Tb到Tg的温度范围内，才能在外力的作用下实现强迫高弹形变。只要温度＜Tb，玻璃态高聚物就不能发生强迫高弹形变，必定发生脆性断裂。强迫高弹形变是塑料具有韧性的原因，因此Tb是塑料使用的最低温度。 从分子机理来说，Tb相应于链节等较小运动单元开始运动的温度。影响Tb的结构因素主要是分子链的柔顺性，刚性越大，Tb降低，同时Tg升高，因而塑料的使用温区△T(= Tg -Tb ）增加。典型例子列于表9-1。 如温