高分子材料性能及測試

1、高分子材料性能學(xué)及測試高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 2一、材料分類一、材料分類金屬材料金屬材料無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料高分子材料高分子材料復(fù)合材料復(fù)合材料緒緒 論論高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 31.塑料塑料熱固性塑料熱固性塑料(酚醛、脲醛等酚醛、脲醛等)熱塑性塑料熱塑性塑料(PE,PP,PVC,PS,PMMA等等) 塑料的彈性模量介于橡膠和纖塑料的彈性模量介于橡膠和纖維之間，約維之間，約107108Pa；受力形；受力形變可達(dá)百分之幾至幾百。變可達(dá)百分之幾至幾百。 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 42.橡膠：橡膠：天然橡膠天然橡膠(聚異戊二烯聚異戊二烯)合成橡膠合成橡膠( 順丁順

2、丁,丁苯丁苯,丁腈丁腈,氯丁橡膠氯丁橡膠)室溫彈性高；形變大（可達(dá)室溫彈性高；形變大（可達(dá)1000%1000%），外力去除后，能），外力去除后，能迅速恢復(fù)原狀；彈性模量小，約迅速恢復(fù)原狀；彈性模量小，約10105 510104 4PaPa。高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 53.纖維纖維聚酯纖維聚酯纖維(滌綸，如滌綸，如PET)聚酰胺纖維（如尼龍，錦綸）聚酰胺纖維（如尼龍，錦綸）腈綸腈綸(PAN)丙綸丙綸(PP)維綸（維綸（PVA）彈性模量較大，約彈性模量較大，約1091010Pa。形變小，機(jī)械性能隨溫度變化不大形變小，機(jī)械性能隨溫度變化不大 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 6二、二、 材料

3、的四要素材料的四要素成分成分/ /結(jié)構(gòu)、制備結(jié)構(gòu)、制備/ /工藝、性質(zhì)和使用性能工藝、性質(zhì)和使用性能成分成分/ /結(jié)構(gòu)、制備結(jié)構(gòu)、制備/ /工藝工藝決定固有性質(zhì)決定固有性質(zhì)性質(zhì)決定使用性能性質(zhì)決定使用性能使用性能決定材料使用性能決定材料的用途的用途高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 7高分子科學(xué)各課程間的聯(lián)系成分成分/結(jié)構(gòu)、制備結(jié)構(gòu)、制備高分子化學(xué)聚合反應(yīng)工程聚合反應(yīng)工程加工工藝、成型加工工藝、成型高分子成型與加工結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系高分子物理材料的使用性能材料的使用性能高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué)材料的分類與應(yīng)用材料的分類與應(yīng)用高分子材料理論理論和物質(zhì)和物質(zhì)基礎(chǔ)基礎(chǔ)實用價值實際應(yīng)用

4、高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 8三、材料性能的概念三、材料性能的概念1.1.材料在給定外界物理刺激下產(chǎn)生的響應(yīng)行為或材料在給定外界物理刺激下產(chǎn)生的響應(yīng)行為或表現(xiàn)表現(xiàn)2.2.表征材料響應(yīng)行為發(fā)生程度的參數(shù)，即性能表征材料響應(yīng)行為發(fā)生程度的參數(shù)，即性能指標(biāo)（如模量、強(qiáng)度等）指標(biāo)（如模量、強(qiáng)度等）高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 9力學(xué)性能力學(xué)性能：彈性、塑性、硬度、韌度、強(qiáng)度：彈性、塑性、硬度、韌度、強(qiáng)度耐環(huán)境性能耐環(huán)境性能：耐腐蝕性、老化、抗輻照性：耐腐蝕性、老化、抗輻照性性能劃分性能劃分物理性能物理性能：熱學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、光學(xué)：熱學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、光學(xué)四、材料性能的劃分四、材料性能的劃分高分

5、子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 10力學(xué)性能：力學(xué)性能：材料在外加載荷作用下或載荷與環(huán)境材料在外加載荷作用下或載荷與環(huán)境聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為變形和斷裂。即材料變形和斷裂。即材料抵抗外載引起變形和斷裂的能力。抵抗外載引起變形和斷裂的能力。力學(xué)性能力學(xué)性能表征力學(xué)性能表征材料軟硬程度材料軟硬程度變形能力變形能力彈性、塑性彈性、塑性材料脆性材料脆性硬度硬度韌性韌性材料抵抗外力能力材料抵抗外力能力強(qiáng)度強(qiáng)度高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 11高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 12五、材料性能的四個方面五、材料性能的四個方面宏觀表征宏觀表征：表征材料性能的參數(shù)，如強(qiáng)度、硬度：表征材

6、料性能的參數(shù)，如強(qiáng)度、硬度 微觀本質(zhì)微觀本質(zhì)：材料的性能是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素在一定：材料的性能是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素在一定 外界作用下的綜合反映外界作用下的綜合反映 影響因素影響因素：內(nèi)因（材料結(jié)構(gòu)），外因（溫度等）：內(nèi)因（材料結(jié)構(gòu)），外因（溫度等） 性能測試性能測試：測試原理、設(shè)備、方法：測試原理、設(shè)備、方法高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 13六、高分子材料性能學(xué)的主要內(nèi)容六、高分子材料性能學(xué)的主要內(nèi)容高分子材料的常規(guī)力學(xué)性能高分子材料的常規(guī)力學(xué)性能 （6課時）課時）高分子材料的高彈性與粘彈性高分子材料的高彈性與粘彈性 （5課時）課時）高分子材料的斷裂高分子材料的斷裂 （5課時）課時）高分子材料

7、的力學(xué)強(qiáng)度高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度 （5課時）課時）高分子材料的疲勞性能高分子材料的疲勞性能 （3課時）課時）高分子材料的磨損性能高分子材料的磨損性能 （3課時）課時）高分子材料的熱、電、磁、光學(xué)性能高分子材料的熱、電、磁、光學(xué)性能 （15課時）課時）高分子材料的老化性能高分子材料的老化性能 （4課時）課時）高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 14七、本課程的主要學(xué)習(xí)任務(wù)七、本課程的主要學(xué)習(xí)任務(wù)1.掌握高分子材料各種主要性能的宏觀規(guī)律、物理掌握高分子材料各種主要性能的宏觀規(guī)律、物理本質(zhì)和工程意義本質(zhì)和工程意義2.了解影響高分子材料性能的主要因素了解影響高分子材料性能的主要因素3.掌握改善或提高高分子

8、材料性能指標(biāo)主要途徑掌握改善或提高高分子材料性能指標(biāo)主要途徑4.了解高分子材料性能測試的原理、方法及相關(guān)儀了解高分子材料性能測試的原理、方法及相關(guān)儀器設(shè)備器設(shè)備5.初步具備選用高分子材料、開發(fā)新型高分子材料初步具備選用高分子材料、開發(fā)新型高分子材料的必備基礎(chǔ)知識與基本技能的必備基礎(chǔ)知識與基本技能高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 15八、本課程的學(xué)習(xí)方法八、本課程的學(xué)習(xí)方法預(yù)備知識預(yù)備知識：材料力學(xué)、高分子材料科學(xué)基礎(chǔ)、：材料力學(xué)、高分子材料科學(xué)基礎(chǔ)、 高分子物理高分子物理學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)方法：性能的基本概念：性能的基本概念物理本質(zhì)物理本質(zhì) 影響因素影響因素性能指標(biāo)的工程意義性能指標(biāo)的工程意義 指標(biāo)

9、的測試與評價指標(biāo)的測試與評價 理論聯(lián)系實際、重視實驗理論聯(lián)系實際、重視實驗高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 16八、參考書目八、參考書目1.材料性能學(xué)材料性能學(xué)王從曾主編，北京工業(yè)大學(xué)出版社，王從曾主編，北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001年年2.材料性能學(xué)材料性能學(xué)張帆等主編，上海交通大學(xué)出版社，張帆等主編，上海交通大學(xué)出版社，2009年年3.高分子物理高分子物理何曼君等主編，復(fù)旦大學(xué)出版社，何曼君等主編，復(fù)旦大學(xué)出版社，2001年年4.高分子物理高分子物理金日光等主編，化學(xué)工業(yè)出版社，金日光等主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2007年年5.高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能何平笙編著，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，

10、何平笙編著，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008年年6.高分子材料強(qiáng)度及破壞行為高分子材料強(qiáng)度及破壞行為傅政編，化學(xué)工業(yè)出版社，傅政編，化學(xué)工業(yè)出版社，2005年年7.高分子材料強(qiáng)度學(xué)高分子材料強(qiáng)度學(xué)朱錫熊等編，浙江大學(xué)出版社，朱錫熊等編，浙江大學(xué)出版社，1992 年年8.高分子概論高分子概論代麗君等主編，化學(xué)工業(yè)出版社，代麗君等主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2006年年9.高分子材料概論高分子材料概論吳奇曄等編，機(jī)械工業(yè)出版社，吳奇曄等編，機(jī)械工業(yè)出版社，2004年年10. 近代高分子科學(xué)近代高分子科學(xué)張邦華等編，化學(xué)工業(yè)出版社，張邦華等編，化學(xué)工業(yè)出版社，2006年年 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué)

11、 17第1章 高分子材料的常規(guī)力學(xué)性能高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 18力學(xué)性能：高分子材料抵抗變形和斷裂的能力力學(xué)性能：高分子材料抵抗變形和斷裂的能力彈性彈性: :材料在外力作用下保持和恢復(fù)固有形狀和尺寸的能力材料在外力作用下保持和恢復(fù)固有形狀和尺寸的能力 塑性塑性: :是材料在外力作用下發(fā)生不可逆的永久變形的能力是材料在外力作用下發(fā)生不可逆的永久變形的能力強(qiáng)度強(qiáng)度: :是材料對變形和斷裂的抗力是材料對變形和斷裂的抗力 壽命壽命: :是指材料在外力的長期或重復(fù)作用下抵抗損傷和失效是指材料在外力的長期或重復(fù)作用下抵抗損傷和失效 的能力的能力失效：失效：材料在載荷與環(huán)境作用下服役，無法抵抗變

12、形和斷裂，材料在載荷與環(huán)境作用下服役，無法抵抗變形和斷裂，失去其預(yù)定的效能而損壞。失去其預(yù)定的效能而損壞。 常見的三大失效形式：常見的三大失效形式：磨損、腐蝕、斷裂磨損、腐蝕、斷裂高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 191.1 1.1 力學(xué)性能的基本指標(biāo)力學(xué)性能的基本指標(biāo)1.1.1 1.1.1 應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力與應(yīng)變 當(dāng)材料受到外力作用，它所處的條件又不能產(chǎn)生當(dāng)材料受到外力作用，它所處的條件又不能產(chǎn)生慣性移動時，其幾何形狀和尺寸會發(fā)生變化，這種變慣性移動時，其幾何形狀和尺寸會發(fā)生變化，這種變化就稱為化就稱為應(yīng)變應(yīng)變，亦可稱為，亦可稱為形變形變。 定義單位面積上的附加內(nèi)力為定義單位面積上的附加內(nèi)力為

13、應(yīng)力應(yīng)力。 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 20（1 1）簡單拉伸）簡單拉伸 外力外力F F是垂直于截面積的大小相等、方向相反并是垂直于截面積的大小相等、方向相反并作用于同一直線上的兩個力作用于同一直線上的兩個力. .拉伸應(yīng)變：拉伸應(yīng)變：000lllll拉伸應(yīng)力：拉伸應(yīng)力：0AFA0l0l lAFF高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 21真應(yīng)力真應(yīng)力-真應(yīng)變真應(yīng)變真應(yīng)力：真應(yīng)力： 真應(yīng)變真應(yīng)變: : 證明？AF真00ln0llldldll真)1ln(lnln000lllll真)1 (真真,真,真應(yīng)力真應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線工程應(yīng)力工程應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線高分子材料性能學(xué)高分子材料性能

14、學(xué) 22（2 2）簡單切變）簡單切變 材料受到的力材料受到的力F F是與截面相平行、大小相等、方是與截面相平行、大小相等、方向相反的兩個力。這時材料將發(fā)生偏斜，偏斜角的向相反的兩個力。這時材料將發(fā)生偏斜，偏斜角的正切值定義為切應(yīng)變正切值定義為切應(yīng)變 剪切應(yīng)變：剪切應(yīng)變：剪切應(yīng)力：剪切應(yīng)力：tan0AFA0FF 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 23（3 3）均勻壓縮）均勻壓縮 材料受到的是圍壓力（流體靜壓力）材料受到的是圍壓力（流體靜壓力）P。發(fā)生體積形。發(fā)生體積形變，體積由變，體積由V0縮小至縮小至V。 壓縮應(yīng)變：壓縮應(yīng)變：000VVVVVVA0高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 241.1.

15、2 1.1.2 彈性模量彈性模量單位應(yīng)變所需應(yīng)力的大小，是材料剛性的表征。模量單位應(yīng)變所需應(yīng)力的大小，是材料剛性的表征。模量的倒數(shù)稱為柔量，是材料容易形變程度的一種表征。的倒數(shù)稱為柔量，是材料容易形變程度的一種表征。 拉伸模量（楊氏模量）拉伸模量（楊氏模量）E E： 剪切模量（剛性模量）剪切模量（剛性模量）G G： 壓縮模量（本體模量）壓縮模量（本體模量）K K： EGVPK高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 25泊松比泊松比 材料在拉伸時，不僅有軸向伸長，同時有橫向收縮。材料在拉伸時，不僅有軸向伸長，同時有橫向收縮。橫向應(yīng)變對軸向應(yīng)變之比稱為泊松比，以橫向應(yīng)變對軸向應(yīng)變之比稱為泊松比，以 表示

16、表示 00llmm軸向應(yīng)變橫向應(yīng)變 可以證明沒有體積變化時，可以證明沒有體積變化時，0.50.5，橡膠拉伸時，橡膠拉伸時就是這種情況。其他材料拉伸時，就是這種情況。其他材料拉伸時，0.5.0.5.高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 26與與E和和G之間有如下關(guān)系式：之間有如下關(guān)系式：E = 2G(1+ )因為因為00.5，所以，所以2GG，即拉伸比剪切困難即拉伸比剪切困難. 這是因為在拉伸時高分子鏈要斷鍵，需要這是因為在拉伸時高分子鏈要斷鍵，需要較大的力；剪切時是層間錯動，較容易實現(xiàn)。較大的力；剪切時是層間錯動，較容易實現(xiàn)。高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 27單軸取向高分子材料單軸取向高分子材

17、料2 2個楊氏模量：個楊氏模量： El為縱向楊氏模量為縱向楊氏模量 Et為橫向楊氏模量為橫向楊氏模量2 2個切變模量：個切變模量： Gtt為橫向切變模量為橫向切變模量 Glt為縱向切變模量為縱向切變模量1 1個本體模量個本體模量K K2 2個泊松比：個泊松比： 對縱向力為對縱向力為Vtt 對橫向力為對橫向力為Vtl 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 28雙軸取向高分子材料雙軸取向高分子材料5 5個獨立的彈性模量：個獨立的彈性模量： Ep為面向楊氏模量為面向楊氏模量 Et為側(cè)向楊氏模量為側(cè)向楊氏模量 Gp為面向切變模量為面向切變模量 Gt為側(cè)向切變模量。為側(cè)向切變模量。2 2個泊松比：個泊松比：

18、 對面向力為對面向力為Vpt 對側(cè)向力為對側(cè)向力為Vtp 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 291.2 1.2 高分子材料的分子運動和力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變高分子材料的分子運動和力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變 1.2.1 1.2.1 高分子材料的分子運動特點高分子材料的分子運動特點（1 1）運動單元和模式的多重性）運動單元和模式的多重性 （2 2）分子運動的時間依賴性）分子運動的時間依賴性 /0textx（3 3）分子運動的溫度依賴性）分子運動的溫度依賴性RTEoe/高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 301.2.2 1.2.2 高分子材料的力學(xué)狀態(tài)及轉(zhuǎn)變高分子材料的力學(xué)狀態(tài)及轉(zhuǎn)變線型非晶態(tài)高聚物的形變線型非晶態(tài)高聚物的形

19、變- -溫度曲線溫度曲線ABCD ETbTgTfT/ 形變形變%A-玻璃態(tài)玻璃態(tài)B-過渡區(qū)過渡區(qū)C-高彈態(tài)高彈態(tài)D-過渡區(qū)過渡區(qū)E-黏流態(tài)黏流態(tài)Tb-脆化溫度；脆化溫度；Tg-玻璃化溫度；玻璃化溫度；Tf-黏流溫度黏流溫度高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 31線型非晶態(tài)高聚物的三種物理狀態(tài)的對比線型非晶態(tài)高聚物的三種物理狀態(tài)的對比三種物理三種物理狀態(tài)狀態(tài)運動單元運動單元力學(xué)行為特征力學(xué)行為特征應(yīng)用應(yīng)用玻璃態(tài)玻璃態(tài)TbTg鍵長、鍵角鍵長、鍵角基團(tuán)基團(tuán)形變小，并且形變可逆，形變小，并且形變可逆，屬于普彈性能。結(jié)構(gòu)類似屬于普彈性能。結(jié)構(gòu)類似玻璃，彈性模量大。玻璃，彈性模量大。塑料、纖維塑料、纖維高彈

20、態(tài)高彈態(tài)TgTf鏈段鏈段形變大，形變可逆，彈性形變大，形變可逆，彈性模量較小。模量較小。橡膠橡膠黏流態(tài)黏流態(tài)TfTd鏈段、大分鏈段、大分子鏈子鏈形變?yōu)椴豢赡?，屬于永久形變?yōu)椴豢赡妫瑢儆谟谰眯巫?，無強(qiáng)度。流動取決形變，無強(qiáng)度。流動取決于相對分子質(zhì)量大小。于相對分子質(zhì)量大小。成型加工、油漆、成型加工、油漆、黏合劑黏合劑高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 32結(jié)晶態(tài)高聚物的形變結(jié)晶態(tài)高聚物的形變- -溫度曲線溫度曲線12形變形變% %TgTmTfT/ 1-1-相對分子質(zhì)量較小相對分子質(zhì)量較小2-2-相對分子質(zhì)量很大相對分子質(zhì)量很大Tg T Tf 粘流態(tài)粘流態(tài)高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 33交聯(lián)高

21、聚物的溫度交聯(lián)高聚物的溫度- -形變曲線形變曲線T交聯(lián)度增加交聯(lián)度增加l 交聯(lián)度較小時：交聯(lián)度較小時：有有Tg ，根據(jù)環(huán)境溫度高或低于，根據(jù)環(huán)境溫度高或低于Tg，可判斷材料處于高彈態(tài)或玻璃態(tài)。可判斷材料處于高彈態(tài)或玻璃態(tài)。 l交聯(lián)度大時：交聯(lián)度大時：鏈段運動困難，玻璃化轉(zhuǎn)變難以發(fā)鏈段運動困難，玻璃化轉(zhuǎn)變難以發(fā)生，材料始終處于玻璃態(tài)生，材料始終處于玻璃態(tài) 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 341.3 高分子材料的拉伸行為高分子材料的拉伸行為啞鈴狀試件啞鈴狀試件 L0=5.65A01/2或或11.3A0 1/2 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 35y -y -屈服點屈服點e-e-彈性極限點彈性極

22、限點冷拉冷拉應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化 e b y e b yp-比例極限比例極限 p pb -b -斷裂點斷裂點p-比例極限比例極限1.3.1 線型非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力線型非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 36拉伸過程高分子鏈的三種運動情況：拉伸過程高分子鏈的三種運動情況：彈性形變（開始彈性形變（開始e e點）點）強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變塑性變形塑性變形ey（屈服點）（屈服點）高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 37動畫引自九江學(xué)院杜大明材料科學(xué)基礎(chǔ)ppt彈性變形與塑性變形彈性變形與塑性變形高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 38l彈性變形 材料產(chǎn)生彈性變

23、形的本質(zhì)是構(gòu)成材料的原子（離子）或分子材料產(chǎn)生彈性變形的本質(zhì)是構(gòu)成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。橡膠類材料則是呈卷曲狀自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。橡膠類材料則是呈卷曲狀的分子鏈在力的作用下通過鏈段運動沿受力方向產(chǎn)生的伸展。的分子鏈在力的作用下通過鏈段運動沿受力方向產(chǎn)生的伸展。 VTVTlSlUf,材料在等溫、等容條件下發(fā)生彈性回復(fù)的驅(qū)動力由內(nèi)能變材料在等溫、等容條件下發(fā)生彈性回復(fù)的驅(qū)動力由內(nèi)能變化和熵變兩部分組成。化和熵變兩部分組成。 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 39l彈性變形的特點彈性變形的特點1)1)可逆性可逆性：去掉外力后變形消失：去掉外力后變形消失 彈性

24、變形都是可逆變形彈性變形都是可逆變形2).2).金屬、陶瓷或結(jié)晶態(tài)高聚物：應(yīng)力金屬、陶瓷或結(jié)晶態(tài)高聚物：應(yīng)力- -應(yīng)變線性應(yīng)變線性關(guān)系，彈性變形量都較小關(guān)系，彈性變形量都較小3).3).橡膠態(tài)的高聚物：應(yīng)力橡膠態(tài)的高聚物：應(yīng)力- -應(yīng)變不呈線性關(guān)系，應(yīng)變不呈線性關(guān)系，且變形量較大且變形量較大 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 40l彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo)彈性變形的力學(xué)性能指標(biāo) （1）彈性模量：）彈性模量：是單位應(yīng)變所需應(yīng)力的大小，物理意義是是單位應(yīng)變所需應(yīng)力的大小，物理意義是產(chǎn)生產(chǎn)生100 %彈性變形所需的應(yīng)力。彈性變形所需的應(yīng)力。（2）比例極限）比例極限p：是保持應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)

25、力，是保持應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力，即在應(yīng)力即在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上剛開始偏離直線時的應(yīng)力應(yīng)變曲線上剛開始偏離直線時的應(yīng)力 0AFpp（3）彈性極限）彈性極限e： 是材料發(fā)生可逆的彈性變形的上限應(yīng)力值，是材料發(fā)生可逆的彈性變形的上限應(yīng)力值，應(yīng)力超過此值，則材料發(fā)生塑性變形應(yīng)力超過此值，則材料發(fā)生塑性變形 。0AFee高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 41（4）彈性比功：）彈性比功： 是材料開始塑性變形前單位體積所能吸收的是材料開始塑性變形前單位體積所能吸收的彈性變形功，又稱彈性比能或應(yīng)變比能，用彈性變形功，又稱彈性比能或應(yīng)變比能，用e表示，它在數(shù)值表示，它在數(shù)值上等于應(yīng)力上等于應(yīng)力-應(yīng)變曲線

26、彈性段以下所包圍的面積應(yīng)變曲線彈性段以下所包圍的面積 eeeoEaeeee2212提高彈性比功的方法：提高彈性比功的方法： 提高提高e 降低降低E（提高彈性極限應(yīng)變（提高彈性極限應(yīng)變e）橡膠低橡膠低E和高彈性應(yīng)變和高彈性應(yīng)變高彈性高彈性比功比功高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 42l非理想彈性非理想彈性理想彈性行為：理想彈性行為：E（1）.應(yīng)變應(yīng)變-應(yīng)力線性應(yīng)力線性（2）.應(yīng)力和應(yīng)變同相位應(yīng)力和應(yīng)變同相位（3）.應(yīng)變是應(yīng)力的單值函數(shù)應(yīng)變是應(yīng)力的單值函數(shù)高分子材料的非理想彈性行為：高分子材料的非理想彈性行為：滯彈性、粘彈性、內(nèi)耗滯彈性、粘彈性、內(nèi)耗高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 43（1）滯彈

27、性）滯彈性 材料在快速加載或卸載后，隨時間的延長材料在快速加載或卸載后，隨時間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的性能，又稱而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的性能，又稱彈性后效。彈性后效。彈簧彈簧薄膜傳感器薄膜傳感器動畫引自九江學(xué)院杜大明材料科學(xué)基礎(chǔ)ppt非理想彈性變形非理想彈性變形 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 44滯彈性示意圖滯彈性示意圖ABabcedOH正彈性后效正彈性后效加載時應(yīng)變落后于應(yīng)力加載時應(yīng)變落后于應(yīng)力反彈性后效反彈性后效卸載時應(yīng)變落后于應(yīng)力卸載時應(yīng)變落后于應(yīng)力高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 45定義定義：材料在外力作用下彈性和粘性兩種變形機(jī)理：材料在外力作用下彈性和粘性兩種變形機(jī)理同時存在

28、的一種力學(xué)行為同時存在的一種力學(xué)行為粘性粘性：液體或溶體內(nèi)質(zhì)點間或流層間因相對運動而：液體或溶體內(nèi)質(zhì)點間或流層間因相對運動而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力以反抗相對運動的性質(zhì)。產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力以反抗相對運動的性質(zhì)。（2 2） 粘彈性粘彈性特征：特征：應(yīng)變對應(yīng)力的響應(yīng)不是瞬時完成的，需要通過應(yīng)變對應(yīng)力的響應(yīng)不是瞬時完成的，需要通過一個馳豫過程，卸載不留殘余變形；應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系與一個馳豫過程，卸載不留殘余變形；應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系與時間有關(guān)。時間有關(guān)。高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 46（3 3） 內(nèi)耗內(nèi)耗理想彈性行為理想彈性行為高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 4711 01 1ACDBE橡膠拉伸和回縮的應(yīng)力-應(yīng)

29、變曲線內(nèi)耗也稱為材料循環(huán)韌性，表示材料在交變載荷下吸收不可逆變內(nèi)耗也稱為材料循環(huán)韌性，表示材料在交變載荷下吸收不可逆變形供的能力，又稱消振性形供的能力，又稱消振性高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 48l塑性變形塑性變形 是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，而不引起是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，而不引起材料斷裂的現(xiàn)象。材料斷裂的現(xiàn)象。塑性變形是一種不可逆變形塑性變形是一種不可逆變形. .塑性變形主要是由于塑性變形主要是由于切應(yīng)力切應(yīng)力引起的。材料塑性變形引起的。材料塑性變形過程中仍然保留著彈性變形，所以整個變形過程是過程中仍然保留著彈性變形，所以整個變形過程是彈性加塑性變形過程，可稱為彈塑

30、性變形。彈性加塑性變形過程，可稱為彈塑性變形。高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 49l高分子材料的塑性變形高分子材料的塑性變形結(jié)晶態(tài)高分子材料結(jié)晶態(tài)高分子材料: :塑變機(jī)制：塑變機(jī)制： 塑性變形是由薄晶塑性變形是由薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)檠貞?yīng)力方向排列轉(zhuǎn)變?yōu)檠貞?yīng)力方向排列的微纖維束的過程的微纖維束的過程高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 50非晶態(tài)高分子材料：非晶態(tài)高分子材料：塑變機(jī)制：在正應(yīng)力作用下形成銀紋和塑變機(jī)制：在正應(yīng)力作用下形成銀紋和切應(yīng)力作用切應(yīng)力作用下無取向分子鏈局部轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕械睦w維束下無取向分子鏈局部轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕械睦w維束銀紋的產(chǎn)生銀紋的產(chǎn)生高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 51（1）屈服極限：）

31、屈服極限：材料的屈服極限定義為應(yīng)力材料的屈服極限定義為應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線上屈服平臺的應(yīng)力上屈服平臺的應(yīng)力 0AFyy（2）抗拉強(qiáng)度）抗拉強(qiáng)度b ：是試樣拉斷前所承受的最大應(yīng)力，即：是試樣拉斷前所承受的最大應(yīng)力，即試樣所能承受的最大載荷試樣所能承受的最大載荷Fb與其原始截面積的比值與其原始截面積的比值 0AFbbl塑性變形的力學(xué)性能指標(biāo) 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 52（3）伸長率和斷面收縮率伸長率和斷面收縮率%10000lllk%10000AAAk高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 53硬而脆硬而脆酚醛塑料酚醛塑料硬而強(qiáng)硬而強(qiáng)硬硬PVCPVC強(qiáng)而韌強(qiáng)而韌PCPC軟而韌軟而韌HPPEHP

32、PE軟而弱軟而弱天然橡膠天然橡膠1.3.2 1.3.2 幾種典型的高聚物應(yīng)力幾種典型的高聚物應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線弱而脆弱而脆低聚物低聚物高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 541.3.3 1.3.3 晶態(tài)高聚物的應(yīng)力晶態(tài)高聚物的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線第一階段第一階段OY段：段：出現(xiàn)出現(xiàn)“細(xì)細(xì)頸頸”。第二階段，第二階段，細(xì)頸的發(fā)展階段。細(xì)頸的發(fā)展階段。第三階段（第三階段（DB）：）：成頸變細(xì)成頸變細(xì)的試樣重新被均勻拉伸，直的試樣重新被均勻拉伸，直到斷裂點到斷裂點B。 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 551.3.4 1.3.4 特殊的應(yīng)力應(yīng)變曲線特殊的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖圖1-16 SBS的應(yīng)

33、力的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 圖圖1-17 硬彈性聚丙烯的應(yīng)力硬彈性聚丙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 561.3.5 1.3.5 影響拉伸行為的外部因素影響拉伸行為的外部因素1、溫度的影響、溫度的影響123456 789l非晶態(tài)高聚物不同溫度下的應(yīng)力非晶態(tài)高聚物不同溫度下的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線1，2-溫度低于脆性溫度，材料處于硬玻璃溫度低于脆性溫度，材料處于硬玻璃態(tài)，無強(qiáng)迫高彈性態(tài)，無強(qiáng)迫高彈性3，4，5-溫度處于脆性溫度與玻璃化溫度溫度處于脆性溫度與玻璃化溫度之間，為軟玻璃態(tài)之間，為軟玻璃態(tài)6，7，8-溫度處于玻璃化溫度與黏流溫度溫度處于玻璃化溫度與黏流溫

34、度之間，為高彈態(tài)之間，為高彈態(tài)9-溫度處于黏流溫度以上，為黏流態(tài)溫度處于黏流溫度以上，為黏流態(tài)高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 571234567l晶態(tài)高聚物不同溫度下的應(yīng)力晶態(tài)高聚物不同溫度下的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線1 1，2-2-溫度低于脆性溫度，拉伸行為溫度低于脆性溫度，拉伸行為類似彈性固體類似彈性固體3 3，4 4，5-5-溫度介于脆性溫度與玻璃溫度介于脆性溫度與玻璃溫度之間，為軟玻璃態(tài)溫度之間，為軟玻璃態(tài)7-7-溫度介于溫度介于T Tb b與與T Tg g之間，為軟玻璃態(tài)，之間，為軟玻璃態(tài)，行為類似強(qiáng)迫高彈性行為類似強(qiáng)迫高彈性6-6-溫度較高，低于熔點，拉伸行為類似溫度較高，低于

35、熔點，拉伸行為類似非晶態(tài)橡膠非晶態(tài)橡膠高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 58圖圖1-19 斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢 虛線虛線高拉伸速率高拉伸速率 實線實線低拉伸速率低拉伸速率 材料的拉伸斷裂強(qiáng)度材料的拉伸斷裂強(qiáng)度 和屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度 隨環(huán)境溫度而發(fā)生隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化，屈服強(qiáng)度受溫度變化的影響更大些。變化，屈服強(qiáng)度受溫度變化的影響更大些。 by 在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆- -韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點對韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點對應(yīng)的溫度稱脆應(yīng)的溫度稱脆- -韌轉(zhuǎn)變溫度韌轉(zhuǎn)變溫度 。 bTT Tb， ，受外力作用，受外力作用時，材

36、料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和時，材料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。裂特征。 by yTb2 TTb1 b高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 592 2、拉伸速率的影響、拉伸速率的影響 減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對材料拉伸行為有相似的影響，對材料拉伸行為有相似的影響，這是時這是時- -溫等效原理在高分子力溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。學(xué)行為中的體現(xiàn)。 與脆與脆- -韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線交點，可以定義脆中兩曲線交點，可以定義脆- -韌轉(zhuǎn)韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率變（拉伸）速率 。拉伸速率高。拉伸速率高于于

37、 時，材料呈脆性斷裂特征；時，材料呈脆性斷裂特征；低于低于 時，呈韌性斷裂特征。時，呈韌性斷裂特征。 t. y t2 t1 b.tt高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 603 3、環(huán)境壓力的影響、環(huán)境壓力的影響圖圖1-21 聚苯乙烯的應(yīng)力聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線隨環(huán)境壓力的變化（隨環(huán)境壓力的變化（T=31） 右圖可見，右圖可見，PS在低環(huán)境壓力在低環(huán)境壓力（常壓）下呈脆性斷裂特點，（常壓）下呈脆性斷裂特點，強(qiáng)度與斷裂伸長率都很低。隨強(qiáng)度與斷裂伸長率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料強(qiáng)度增著環(huán)境壓力升高，材料強(qiáng)度增高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆服現(xiàn)象，材

38、料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。韌轉(zhuǎn)變。 對許多非晶聚合物，如對許多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韌轉(zhuǎn)變行為還韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。與環(huán)境壓力有關(guān)。高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 61材料增韌改性并非一定要以犧牲強(qiáng)度為代價。設(shè)計恰當(dāng)材料增韌改性并非一定要以犧牲強(qiáng)度為代價。設(shè)計恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ陀锌赡茉谠鲰g的同時，保持或提高材料的強(qiáng)的方法，就有可能在增韌的同時，保持或提高材料的強(qiáng)度，實現(xiàn)既增韌又增強(qiáng)。度，實現(xiàn)既增韌又增強(qiáng)。兩種脆兩種脆- -韌轉(zhuǎn)變方式韌轉(zhuǎn)變方式 升高溫度使材料變韌，升高溫度使材料變韌，但其拉伸強(qiáng)度明顯下降。但其拉伸強(qiáng)度明顯下降。 升高環(huán)境壓力則在使升高環(huán)境壓力則在使材料變韌

39、的同時，強(qiáng)度材料變韌的同時，強(qiáng)度也得到提高，材料變得也得到提高，材料變得強(qiáng)而韌。強(qiáng)而韌。高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 621.4 1.4 高分子材料的屈服與銀紋化高分子材料的屈服與銀紋化1.4.1 1.4.1 高聚物的屈服行為高聚物的屈服行為脆性斷裂時，試樣沒有明顯的變化，斷裂面一般與拉伸方脆性斷裂時，試樣沒有明顯的變化，斷裂面一般與拉伸方向垂直（圖向垂直（圖a），斷裂面很光潔；），斷裂面很光潔；韌性破壞過程中，當(dāng)拉伸至屈服點時，試樣常出現(xiàn)與拉伸韌性破壞過程中，當(dāng)拉伸至屈服點時，試樣常出現(xiàn)與拉伸方向呈約方向呈約45角傾斜的剪切滑移變形帶角傾斜的剪切滑移變形帶 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能

40、學(xué) 631真真dduConsidere法確定屈服點法確定屈服點 （1 1）拉伸形變中的屈服）拉伸形變中的屈服高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 64（2 2）壓縮形變中的屈服點）壓縮形變中的屈服點非晶高聚物壓縮變形中的屈服點的確定：非晶高聚物壓縮變形中的屈服點的確定： 真應(yīng)力應(yīng)變曲線的極大點或應(yīng)力開始變平坦的點真應(yīng)力應(yīng)變曲線的極大點或應(yīng)力開始變平坦的點可做為屈服點。可做為屈服點。 在真應(yīng)力應(yīng)變曲線中直線段部分發(fā)生偏折的點可在真應(yīng)力應(yīng)變曲線中直線段部分發(fā)生偏折的點可做為屈服點。做為屈服點。結(jié)晶高聚物壓縮變形中的屈服點的確定：結(jié)晶高聚物壓縮變形中的屈服點的確定： 由真應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率發(fā)生急劇變化的

41、點確定，或由真應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率發(fā)生急劇變化的點確定，或者沿應(yīng)力應(yīng)變曲線的起始部分和最終部分作二條切線的者沿應(yīng)力應(yīng)變曲線的起始部分和最終部分作二條切線的交點確定。交點確定。 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 651.4.2 1.4.2 高聚物屈服點的特征高聚物屈服點的特征（1 1）屈服應(yīng)變大）屈服應(yīng)變大 （2 2）屈服后出現(xiàn)應(yīng)變軟化）屈服后出現(xiàn)應(yīng)變軟化 （3 3）屈服應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而增大）屈服應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而增大 圖圖1-26 PMMA的壓縮屈服應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系的壓縮屈服應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系 圖圖1-27 PMMA拉伸屈服應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系拉伸屈服應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系 高分子

42、材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 66（4 4）屈服應(yīng)力的溫度依賴性強(qiáng)）屈服應(yīng)力的溫度依賴性強(qiáng) 圖圖1-28 PMMA屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 67（5 5）屈服應(yīng)力隨流體靜壓力的增加而迅速提高）屈服應(yīng)力隨流體靜壓力的增加而迅速提高 圖圖1-29 壓力下壓力下PE的應(yīng)力的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 68（6 6）屈服應(yīng)力對高聚物材料的淬火處理很敏感）屈服應(yīng)力對高聚物材料的淬火處理很敏感 （7 7）高聚物屈服時體積略有縮小，試驗表明非晶態(tài)高聚物的）高聚物屈服時體積略有縮小，試驗表明非晶態(tài)高聚物的屈服無論在拉伸或壓縮試驗時，都使

43、材料的密度增加約屈服無論在拉伸或壓縮試驗時，都使材料的密度增加約0.25%0.25%。 （8 8）壓縮屈服應(yīng)力比拉伸屈服應(yīng)力大，高分子材料的壓縮）壓縮屈服應(yīng)力比拉伸屈服應(yīng)力大，高分子材料的壓縮屈服應(yīng)力大于拉伸屈服應(yīng)力的現(xiàn)象叫做鮑辛格屈服應(yīng)力大于拉伸屈服應(yīng)力的現(xiàn)象叫做鮑辛格（BauschingerBauschinger）效應(yīng)）效應(yīng) 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 691.4.3 1.4.3 屈服行為的理論解析屈服行為的理論解析（1 1）TrescaTresca屈服判據(jù)屈服判據(jù)y231對于單軸拉伸，對于單軸拉伸，y13, 0 yy2屈服判據(jù)是屈服判據(jù)是 y31123高分子材料性能學(xué)高分子材料性能

44、學(xué) 70（2 2）Von MisesVon Mises屈服判據(jù)屈服判據(jù)yy1032yyy200002121222213232221對簡單拉伸試驗，發(fā)生屈服時的屈服應(yīng)力為對簡單拉伸試驗，發(fā)生屈服時的屈服應(yīng)力為拉伸中發(fā)生屈服時各正應(yīng)力的均方根為拉伸中發(fā)生屈服時各正應(yīng)力的均方根為其正應(yīng)力為其正應(yīng)力為 屈服判據(jù)式為屈服判據(jù)式為 22132322212y高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 71（3 3）CoulombCoulomb屈服判據(jù)屈服判據(jù)發(fā)生屈服的平面上的臨界剪切應(yīng)力（發(fā)生屈服的平面上的臨界剪切應(yīng)力（）與該平面上的正應(yīng)力）與該平面上的正應(yīng)力（n）呈一定的線性關(guān)系）呈一定的線性關(guān)系 n0021cos

45、tansincos24111212212,yy高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 721.4.4 1.4.4 應(yīng)變軟化現(xiàn)象應(yīng)變軟化現(xiàn)象應(yīng)變軟化現(xiàn)象是指在高分子材料屈服以后，為使材料繼續(xù)形應(yīng)變軟化現(xiàn)象是指在高分子材料屈服以后，為使材料繼續(xù)形變的真應(yīng)力就有一個不大的下跌變的真應(yīng)力就有一個不大的下跌 ，相應(yīng)于應(yīng)力，相應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)變曲線中的的YC段段 。a.聚甲基丙烯酸甲酯；b.聚碳酸酯；c.聚苯乙烯；d.聚氯乙烯圖圖1-34 四種高聚物的壓縮應(yīng)力四種高聚物的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 731.4.5 1.4.5 冷拉和成頸冷拉和成頸圖圖1-35 高聚物冷拉過程

46、中的應(yīng)力高聚物冷拉過程中的應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變曲線及試樣形狀變化曲線及試樣形狀變化玻璃態(tài)高聚物在玻璃態(tài)高聚物在TbTg之間之間部分結(jié)晶高聚物在部分結(jié)晶高聚物在TbTm之間之間 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 741 1、玻璃態(tài)高聚物的強(qiáng)迫高彈形變、玻璃態(tài)高聚物的強(qiáng)迫高彈形變 聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下） 對于玻璃態(tài)高聚物，當(dāng)環(huán)境溫對于玻璃態(tài)高聚物，當(dāng)環(huán)境溫度處于度處于 Tb T Tg時，雖然材料時，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)

47、生百分之幾百的大變形（參見圖中分之幾百的大變形（參見圖中T = 80，60的情形），這種變形的情形），這種變形稱強(qiáng)迫高彈形變。稱強(qiáng)迫高彈形變。 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 75（2 2）強(qiáng)迫高彈形變的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈）強(qiáng)迫高彈形變的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈段被強(qiáng)迫發(fā)生運動、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的段被強(qiáng)迫發(fā)生運動、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強(qiáng)迫高彈形變在外力撤消后，通過適當(dāng)升溫（情形。這種強(qiáng)迫高彈形變在外力撤消后，通過適當(dāng)升溫（T T T Tg g）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。 （1 1）既不同于高彈態(tài)下的高彈形變，也

48、不同于粘流態(tài)下的）既不同于高彈態(tài)下的高彈形變，也不同于粘流態(tài)下的粘性流動，是一種獨特的力學(xué)行為。粘性流動，是一種獨特的力學(xué)行為。（3 3）強(qiáng)迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說明提高應(yīng)力可以促進(jìn)分子鏈）強(qiáng)迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說明提高應(yīng)力可以促進(jìn)分子鏈段在作用力方向上的運動，如同升高溫度一樣，起到某種段在作用力方向上的運動，如同升高溫度一樣，起到某種“活化活化”作用。作用。l玻璃態(tài)高聚物強(qiáng)迫高彈形變的特點玻璃態(tài)高聚物強(qiáng)迫高彈形變的特點高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 76RTEexp0 越大，越大， 越小，應(yīng)力降低了鏈段運動活化能。當(dāng)應(yīng)力越小，應(yīng)力降低了鏈段運動活化能。當(dāng)應(yīng)力增加致使鏈段運動松弛時間減小到與外

49、力作用時間同一數(shù)量增加致使鏈段運動松弛時間減小到與外力作用時間同一數(shù)量級時，就可能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形。級時，就可能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形。（4 4）鏈段松弛時間）鏈段松弛時間 與外應(yīng)力與外應(yīng)力 之間有如下關(guān)系：之間有如下關(guān)系： 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 77強(qiáng)迫高彈形變是產(chǎn)生在強(qiáng)迫高彈形變是產(chǎn)生在Tg與與Tb之間的，而之間的，而Tb則是塑料則是塑料使用的最低溫度使用的最低溫度 剛性高分子，剛性高分子，Tb遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離Tg柔性很大的橡膠，柔性很大的橡膠，Tb值非常接近值非常接近Tg值值 高聚物分子量的影響高聚物分子量的影響拉伸速度的影響拉伸速度的影響l 強(qiáng)迫高彈形變和強(qiáng)迫高彈形變和T Tb b的影響

50、因素的影響因素高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 78 2 2、結(jié)晶態(tài)高聚物的、結(jié)晶態(tài)高聚物的“冷拉伸冷拉伸” 結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形，這種結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形，這種在較低的溫度下出在較低的溫度下出現(xiàn)細(xì)頸的不均勻拉伸現(xiàn)細(xì)頸的不均勻拉伸形變稱形變稱“冷拉伸冷拉伸”。影響冷拉伸的因素影響冷拉伸的因素: : 當(dāng)溫度過低、拉伸速率過快，產(chǎn)生斷裂；當(dāng)溫度過低、拉伸速率過快，產(chǎn)生斷裂； 當(dāng)溫度過高、分子量過低，拉伸時產(chǎn)生流動斷裂當(dāng)溫度過高、分子量過低，拉伸時產(chǎn)生流動斷裂冷拉伸的應(yīng)用冷拉伸的應(yīng)用: :塑料薄膜塑料薄膜; ;纖維絲纖維絲; ;中空制品中空制品實現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變和冷拉伸需要的條件實

51、現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變和冷拉伸需要的條件: （1）材料有由屈服點表現(xiàn)出來的軟化作用）材料有由屈服點表現(xiàn)出來的軟化作用 （2）有應(yīng)力硬化過程）有應(yīng)力硬化過程高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 79（a）冷拉前；（b）晶片滑移與分子鏈伸展；（c）晶片傾斜與轉(zhuǎn)動；（d）晶片分段與滑移；（e）晶片和分子鏈高度取向形成頸縮圖圖1-36 部分結(jié)晶高聚物冷拉中球晶內(nèi)部晶區(qū)與非晶區(qū)取向過程示意部分結(jié)晶高聚物冷拉中球晶內(nèi)部晶區(qū)與非晶區(qū)取向過程示意 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 80l成頸的成頸的ConsidereConsidere作圖判據(jù)作圖判據(jù)0 1 2 30 1 2 30 1 2 3AB由由 = 0 無法作無法作

52、切線，不能成頸切線，不能成頸由由 = 0 可作兩可作兩條切線，有兩個條切線，有兩個點滿足屈服條件，點滿足屈服條件，A點時屈服點，點時屈服點，B點開始冷拉點開始冷拉由由 = 0 可作一條可作一條切線，曲線上有切線，曲線上有一個點滿足一個點滿足 ，此點為屈服點，此點為屈服點，在此點高聚物成在此點高聚物成頸頸0dd高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 81l結(jié)晶聚合物與非晶聚合物拉伸行為的比較結(jié)晶聚合物與非晶聚合物拉伸行為的比較（1 1）拉伸產(chǎn)生的高彈性變機(jī)理）拉伸產(chǎn)生的高彈性變機(jī)理 非晶聚合物：分子鏈及鏈段的纏結(jié)解開，沿外力方向取向。非晶聚合物：分子鏈及鏈段的纏結(jié)解開，沿外力方向取向。 結(jié)晶聚合物：非

53、晶區(qū)的鏈段取向，晶區(qū)晶體的滑移和破碎，結(jié)晶聚合物：非晶區(qū)的鏈段取向，晶區(qū)晶體的滑移和破碎， 新晶體的產(chǎn)生并沿拉什方向取向，裂紋的形成。新晶體的產(chǎn)生并沿拉什方向取向，裂紋的形成。（2 2）拉伸產(chǎn)生的高彈性變對材料的力學(xué)性能和熱性能的差異）拉伸產(chǎn)生的高彈性變對材料的力學(xué)性能和熱性能的差異 非晶聚合物：受迫高彈態(tài)產(chǎn)生在非晶聚合物：受迫高彈態(tài)產(chǎn)生在TgTg以下溫度，以下溫度， 拉伸取向后強(qiáng)度較低，拉伸取向后強(qiáng)度較低， 取向后熱穩(wěn)定性差，解取向容易。取向后熱穩(wěn)定性差，解取向容易。 結(jié)晶聚合物：受迫高彈態(tài)產(chǎn)生在結(jié)晶聚合物：受迫高彈態(tài)產(chǎn)生在TgTg以上溫度。以上溫度。 拉伸取向后強(qiáng)度較高，拉伸取向后強(qiáng)度較高

54、， 取向后熱穩(wěn)定性好，解取向難。取向后熱穩(wěn)定性好，解取向難。 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 821.4.6 1.4.6 高聚物大變形的熱效應(yīng)高聚物大變形的熱效應(yīng))()(2101TTxkATTVAs高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 831.4.7 1.4.7 取向硬化取向硬化表1-4 不同高聚物的細(xì)頸應(yīng)變高聚物高聚物細(xì)頸應(yīng)變細(xì)頸應(yīng)變聚氯乙烯聚氯乙烯0.4 1.5聚碳酸酯聚碳酸酯2.24聚酰胺聚酰胺2.8 3.5聚苯乙烯聚苯乙烯(100 )3.5線形聚乙烯線形聚乙烯8 100 1 2 3AB高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 841.4.8 1.4.8 剪切帶和銀紋化剪切帶和銀紋化在單向拉伸到屈

55、服點時出現(xiàn)與拉伸方向成450的剪切帶 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 85l銀紋銀紋 銀紋是高聚物所特有的一種現(xiàn)象，脆性材料拉伸中的微觀銀紋是高聚物所特有的一種現(xiàn)象，脆性材料拉伸中的微觀屈服現(xiàn)象主要是銀紋屈服現(xiàn)象主要是銀紋 （a）有序銀紋）有序銀紋 （b）無序銀紋）無序銀紋 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 86 圖圖1-44 1-44 銀紋的結(jié)構(gòu)示意銀紋的結(jié)構(gòu)示意圖圖1-45 1-45 銀紋內(nèi)自尖至底幾個銀紋內(nèi)自尖至底幾個部位的結(jié)構(gòu)示意圖部位的結(jié)構(gòu)示意圖 銀紋面之間是由維系兩銀紋面的銀紋質(zhì)銀紋面之間是由維系兩銀紋面的銀紋質(zhì) 高度取向的微纖束和空穴組成的高度取向的微纖束和空穴組成的 l銀紋的

56、內(nèi)部結(jié)構(gòu)銀紋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 87l銀紋產(chǎn)生的原因：銀紋產(chǎn)生的原因： 高聚物受到張應(yīng)力作用時，在材料某些薄弱環(huán)節(jié)上應(yīng)力集高聚物受到張應(yīng)力作用時，在材料某些薄弱環(huán)節(jié)上應(yīng)力集中，而產(chǎn)生局部塑性形變，而在材料表面或內(nèi)部出現(xiàn)垂直中，而產(chǎn)生局部塑性形變，而在材料表面或內(nèi)部出現(xiàn)垂直于應(yīng)力方向的微細(xì)凹槽或于應(yīng)力方向的微細(xì)凹槽或“裂紋裂紋”的現(xiàn)象的現(xiàn)象環(huán)境因素也會促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散到高聚物中，環(huán)境因素也會促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散到高聚物中，使微觀表面溶脹或增塑，增加分子鏈段的活動性，玻璃化使微觀表面溶脹或增塑，增加分子鏈段的活動性，玻璃化溫度下降促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，另外，試樣表面

57、的缺陷和擦傷處溫度下降促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，另外，試樣表面的缺陷和擦傷處也易產(chǎn)生銀紋，或起始于試樣內(nèi)部空穴或夾雜物的邊界處，也易產(chǎn)生銀紋，或起始于試樣內(nèi)部空穴或夾雜物的邊界處，這些缺陷造成應(yīng)力集中，有利于銀紋產(chǎn)生這些缺陷造成應(yīng)力集中，有利于銀紋產(chǎn)生高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 88銀銀紋紋的的擴(kuò)擴(kuò)展展中間分子鏈中間分子鏈斷裂斷裂擴(kuò)展擴(kuò)展形成裂紋形成裂紋高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 89銀紋對斷裂的影響銀紋對斷裂的影響裂縫從某個銀紋中發(fā)展，該銀紋稱主銀紋裂縫增長前鋒發(fā)生大量銀紋，稱次級銀紋分子量越高，引發(fā)的銀紋越多裂縫裂縫銀紋銀紋高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 90銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，

58、吸收能量，呈現(xiàn)銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服主要區(qū)別主要區(qū)別剪切屈服剪切屈服銀紋屈服銀紋屈服形變形變形變大幾十形變大幾十幾百幾百%形變小形變小 maxmax。 幾乎所有材料都會產(chǎn)生塑性變形。幾乎所有材料都會產(chǎn)生塑性變形。(2)(2)設(shè)備簡單，操作方便快捷，故被廣泛應(yīng)用。設(shè)備簡單，操作方便快捷，故被廣泛應(yīng)用。(3)(3)可視為無損檢測?？梢暈闊o損檢測。高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 114錘擊法錘擊法-（錘擊）布氏硬度（錘擊）布氏硬度壓入法壓入法刻劃法刻劃法動態(tài)壓入動態(tài)壓入靜態(tài)壓入靜態(tài)壓

59、入回跳法回跳法-肖氏硬度肖氏硬度球體壓入球體壓入錐體壓入錐體壓入布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度維氏硬度維氏硬度顯微硬度顯微硬度莫氏硬度順序法莫氏硬度順序法銼刀法銼刀法硬度試驗方法高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 115二、二、 硬度試驗方法硬度試驗方法1布氏硬度布氏硬度淬火鋼球或硬質(zhì)合金球淬火鋼球或硬質(zhì)合金球D(mm)壓入試樣表面壓入試樣表面 測量圓形壓痕測量圓形壓痕d, d, 圓形壓痕表面積圓形壓痕表面積S S Brinell,1900年年高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 116 (1) (1)布氏硬度布氏硬度HBHB：)(222dDDDFSFHB 淬火鋼球：淬火鋼球： HBS450 硬質(zhì)

60、合金球：硬質(zhì)合金球：HBW=450650。 高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 117(2)HB表示方法：表示方法： 數(shù)字?jǐn)?shù)字 + 硬度符號硬度符號 + 數(shù)字?jǐn)?shù)字 / 數(shù)字?jǐn)?shù)字 / 數(shù)字?jǐn)?shù)字 硬度值硬度值 (HBW或或HBS) 鋼球直徑鋼球直徑 載荷載荷 定時定時 280 HBS10/3000/30； 50 HBW5/750。高分子材料性能學(xué)高分子材料性能學(xué) 1182/sinDd (3)(3)壓痕幾何相似原理壓痕幾何相似原理2/sin11 (222DFHB兩個條件：兩個條件：1.1.為常數(shù)；為常數(shù)；2.F/D2.F/D2 2為常數(shù)為常數(shù)=2874od=（0.240.6）D高分子材料性能學(xué)高分子材