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1、第八章 聚合物的力学性能 2 外力 指牛顿力 即对材料所施加的使材料发生形变的力 通常称为负荷 外力包括以下两类 a 按施力方向分 拉伸力 压缩力 剪切力 弯曲力 摩擦力 扭转力等 b 按施力方式分 以恒定外力长期持续的作用 以一定 速度缓慢短期作用的 突然的力冲击作用的 继续反复作用的 1 第八章 聚合物的力学性能 3 内力 应力 材料在外力作用下发生形变的同时 在其内部还会产生对抗 外力的附加内力 以使材料保持原状 当外力消除后 内力 就会使材料回复原状并自行逐步消除 当外力与内力达到平 衡时 内力与外力大小相等 方向相反 单位面积上的内力 定义为应力 2 第八章 聚合物的力学性能 4 形
2、变 材料在外力作用下 其几何形状和尺寸所发生的变 化 5 应变 在应力作用下 单位长度 面积 体积 所发 生的形变来表征 6 弹性模量 是引起单位应变所需要的应力 是材料刚硬度的 一种表征 模量的倒数称为柔量 是材料容易形变程度的一种 表征 以J表示 7 强度 在一定条件下 材料断裂前所能忍受的最大应力 称为强度 常用单位Pa 3 材料的大形变 破坏过程 厚度d 宽 度 b P 图1 Instron 5569电子万能材料试验机 electronic material testing system 实验条件 一定拉伸速率和温度 在实验和应用中 必须标明温度和施力 速率 或形变速率 切勿将正常形变
3、速率下 测得数据用于持久力作 用或冲击力作用下的场 合下 切勿将正常温度 下得到的数据用于低温 或高温下 8 2 聚合物的应力应变特性 聚合物的力学性能 4 A Y B Yielding point 屈服点 Point of elastic limit 弹性极限点 Breaking point 断裂点 Strain softening 应变软化 plastic deformation 塑性形变 Strain hardening 应变硬化 图2 非晶态聚合物在玻璃态的应力 应变曲线 y O N D 聚合物的力学性能 非晶态聚合物 5 聚合物的力学性能 6 Molecular motion dur
4、ing tensile test 拉伸过程中高分子链的运动 从分子运动解释非结晶聚合物应力 应变曲线 图3 非晶态聚合物的应力 应变曲线 玻璃态 I Elastic deformation 普弹形变 小尺寸运动单元的运动引起键长 键角变化 形变小可回复 II Forced rubber like deformation 强迫高弹形变 在大外力作用下冻结的链 段沿外力方向取向 III Viscous flow 粘流形变 在分子链伸展后继续拉伸整 链取向排列 使材料的强度 进一步提高 形变不可回复 聚合物的力学性能 7 强迫高弹形变产生的原因 也就是在外力的作用下 非晶聚合物中本来被冻结的链段被强
5、迫运动 使高分子链发生伸展 产生大的形变 但由于聚合物仍处于玻璃态 当 外力移去后 链段不能再运动 形变也就得不到回复 只有当温度升至Tg 附近 使链段运动解冻 形变才能复原 松弛时间与应力的关系 由上式可见 越大 越小 即外力降低了链段在外力作用方向上的 运动活化能 因而缩短了沿力场方向的松弛时间 当应力增加致使链段 运动松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时 链段开始由蜷曲变 为伸展 产生强迫高弹变形 聚合物的力学性能 8 处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中屈服点后产生 的较大应变 移去外力后形变不能回复 若将试样温度 升到其Tg附近 该形变则可完全回复 因此它在本质上 仍属高弹形变 并
6、非粘流形变 是由高分子的链段运动 所引起的 这种形变称为强迫高弹形变 强迫高弹形变的定义 聚合物的力学性能 9 强迫高弹形变产生的条件 施力 y b当应力增加到一定值 屈服应力 时 相应链段运动的松弛时间降到与外力的作用时间相当 被冻结的高分子链段即能响应产生大的形变 可见 增加应力与升高温度对松弛时间的影响是相同的 温度 Tb Tg 聚合物的力学性能 10 Conclusion 非结晶聚合物形变经历了普弹形变 应变软化 屈服 塑 性形变 plastic deformation 强迫高弹形变 应变硬化四 个阶段 聚合物的力学性能 11 材料在屈服点之间发生的断裂称为脆性断裂 在屈服点后发 生的
7、断裂称为韧性断裂 第八章 聚合物的力学性能 0 y B Y B B 12 第八章 聚合物的力学性能 脆性断裂 与材料的弹性响应相联系 在断裂前试样断裂均匀 断裂时 裂纹迅速垂直于应力方向 断裂面不显出明显的推 迟形变 曲线是线性的 5 由剪切 应力引起的 链段运动的结果 13 第八章 聚合物的力学性能 根据材料的力学性能及其应力 应变曲线特征 可将非晶态 聚合物的应力 应变曲线大致分为五类 附 强与弱从断裂强度 b比较 硬与软从模量E 比较 脆与韧则可从断裂伸长率比较 14 第八章 聚合物的力学性能 2 材料硬而脆 在较大应力作用下 材料仅发生较小的应 变 并在屈服点之前发生断裂 具有高的模量
8、和抗张强度 但 受力呈脆性断裂 冲击强度较差 2 1 材料软而弱 模量低 屈服强度低 中等断裂伸长率 如未硫化的天然橡胶 1 15 第八章 聚合物的力学性能 4 4 材料软而韧 模量低 屈服强度低 断裂伸长率大 断 裂强度较高 可用于要求形变较大的材料 3 材料硬而强 在较大应力作用下 材料发生较小的应 变 在屈服点附近断裂 具高模量和抗张强度 3 16 第八章 聚合物的力学性能 5 材料强而韧 具高模量和抗张强度 断裂伸长率较大 材料受力时 属韧性断裂 5 17 冷拉Cold drawing 图7 Necking and cold drawing 脆性聚合物在断裂前试样并 没有明显变化 断裂
9、面一般与拉 伸方向垂直 而且很光洁 韧性聚合物在屈服后产生细颈 neck 之后细颈逐渐扩展 应变增加而应 力不变 这种现象称为冷拉 cold drawing 直至细颈扩展到整个试样 应力才重新增加并使试样断裂 冷拉是强迫高弹形变 对于非晶 聚合物 主要是链段取向 第八章 聚合物的力学性能 18 8 3 3 8 3 3 外界条件对聚合物的拉伸破坏行为的影响外界条件对聚合物的拉伸破坏行为的影响 T Tb 硬玻璃态 脆性断裂 1 Tb T Tg 软玻璃态 韧性断裂 2 3 Tg TTf 粘流态 5 非晶聚合物在不同温度下的 曲线如图8 1 温度的影响 1 2 3 4 5 图8 非晶聚合物不同温度下的
10、 曲线 T 第八章 聚合物的力学性能 19 曲线1 在玻璃态 T Tb 直线关系 形变小 高模量 原因是由侧基等运动单 元引起键长键角的变化引起 曲线4 处于高弹态 无缩颈 不出现屈服 点 形变大 原因是在不大外力作用下的 高分子链沿外力取向 产生高弹形变 曲线5 粘流态 熔体 模量很小 不可逆形变 分析 曲线2 3 Tb T Tg 软玻璃态 出现 一个大的形变 强迫高弹形变 外力除 去后 形变不能回复 但是温度升高到 玻璃化温度时 形变回复 1 2 3 4 5 图8 非晶聚合物不同温度下的 曲线 T 第八章 聚合物的力学性能 20 总之 总之 温度升高 材料逐步变软变韧 断裂强度 下降 断裂
11、伸长率增加 温度下降 材料逐步变硬变脆 断裂强 度增加 断裂伸长率减小 第八章 聚合物的力学性能 21 Strain rate 2 应变速率的影响 Stress strain curve of PS 拉伸速率 不同应变速率下聚合物的断裂模式 第八章 聚合物的力学性能 22 因为链段运动是松弛过程 外力的作用使松弛时间下降 若链段运动的松弛时间与外力作用速率相适应 材料在断裂前 可发生屈服 出现强迫高弹性 表现为韧性断裂 若外力作用时间越短 链段的松弛跟不上外力作用速率 为使 材料屈服需要更大的外力 材料的屈服强度提高 材料在断裂前 不发生屈服 表现为脆性断裂 解释原因解释原因 所以 降低温度与
12、提高外力作用速率有同样的效果 这是时 温等效原理在高分子力学行为中的体现 第八章 聚合物的力学性能 23 第八章 聚合物的力学性能 8 4 2 断裂的裂缝理论 实验证明目前的工艺水平不能保证材料的表面和结构中不存在 裂缝和缺陷基于此断裂理论认为 这些裂缝和缺陷会使应力集 中于裂缝的尖端处 而远远高于试样所受的平均应力 当它达 到和超过它的某一个临界条件时 裂缝失去稳定性而发生扩展 最终在低的名义应力下引起材料的断裂 雨衣的断裂 24 第八章 聚合物的力学性能 1 银纹 聚合物在张应力作用下 在材料的薄弱环节 应力 集中产生局部应力塑性形变 而在材料表面或者内部出现垂 直于应力方向长度约100
13、m 宽度约为10 m 厚度约1 m的 微细凹槽或裂纹的现象 裂纹处的折光指数低于聚合物体的 折光指数 在两者的界面上发生全反射现象 看上去呈发亮 的银色条纹 因此称为银纹 25 第八章 聚合物的力学性能 2 银纹与裂缝的区别 裂缝是空的 内部无聚合物 而裂纹内 部并不是完全空的 含有40 左右的聚合物仍然具有强度和粘 弹现象 称为银纹质 联系起两银纹面的树状或者片状高度取 向聚合物 银纹处的密度低 折光指数低 故在界面上出现全 反射现象 26 第八章 聚合物的力学性能 银纹具有可逆性 在压力或者玻璃化温度以上退火时可回缩 或者愈合 再拉伸时 它会出现 如果再受到拉伸作用 会 变成裂缝 最后整个
14、材料断裂 3 银纹产生的机理 张应力作用下的聚合物局部区域的塑性形变 在应力集中的区域 分子链将受到较大的应力 导致沿应力方向高度取向 产生局部 的冷拉 由于局部的高度拉伸应变 1000 造成了很大的横 向收缩 这种局部的收缩要大于材料整体的横向收缩 结果在局 部性的取向链束或片层间形成一定的空的体积 并在表面上出现 凹槽 也可以发生在材料内部形成内银纹 27 第八章 聚合物的力学性能 3 产生银纹的结果 银纹可发展成裂缝 使材料的使用性能降低 银纹的产生可以改善聚合物的力学性能 它在产生时吸收 能量 提高了冲击强度 28 第八章 聚合物的力学性能 举例 抗冲击塑料 在塑料中引入橡胶分散相 T
15、g低 形成两相体 系且边界黏着性好 橡胶颗粒在应力的作用下除了本身的 形变外 还可以引起颗粒周围的塑料相产生很多银纹 银纹 的产生和塑性形变 消耗了大量的冲击能量同时由一个微区 边缘产生的银纹可为附近的另一个微区中止 防止了银纹发 展成裂缝从而抑制了材料破坏起到增韧的作用 29 第八章 聚合物的力学性能 凡是有利于提高材料的弹性模量 有利于增加断裂过程的表面 功和增加分子稳定性的因素 都使材料的强度提高 凡是使材 料形成弱点而增加应力分布的不均匀性的因素 都使材料的强 度下降 影响聚合物材料强度因素有内因和外因两个因素 8 6影响聚合物实际强度的因素 30 第八章 聚合物的力学性能 一 内因
16、主链结构 链节含有强极性基团或氢键的基团使得分子间作用力增大 强度提高 聚合物PEPVCN 610N 66 强度Pa20506183 链的刚性增加 强度增加 韧性下降 象主链含有方 杂环结构的聚合物其强度和模量比脂肪族主链高 主链 上含有大的侧基 刚性大 如PE 24 5N m2 PS 35 2 60N m2 31 第八章 聚合物的力学性能 交联 适当交联 总是提高聚合物的强度 但如果交 联度太大 会使其脆性太大而失去应用价值 32 第八章 聚合物的力学性能 分子量与分子量分布 当分子量很小时 强度随着分子 量增加而增加 当分子量大到一定值 强度与分子量无关 强 度 分子量 33 第八章 聚合物的力学性能 取向与结晶的影响 结晶度增加 强度增加韧性下降以PE为例 聚乙烯强度与结晶度的关系 结晶度657585 断裂强度14 41825 断裂伸长500300100 结晶形态 同一类聚合物 伸直链强度最大 串晶次之 球 晶最小 34 第八章 聚合物的力学性能 取向 可使材料强度提高几倍 几十倍 对纤维和薄膜 取向是提高性能必不可少的措施 原因 取向后分子沿外力的方向有序排列 断裂时主价键比
