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1、第九章 聚合物的机械强度,一、机械性能参数,二、塑性与屈服,三、强度与破坏,力学性能是聚合物优异物理性能的基础如：某聚合物磨擦、磨耗性能优良，但力学性能不好，很脆。不能用它作减摩材料。 如：作电线绝缘材料的高分子材料，也要求它们有一定的力学性能：强度和韧性。如果折叠几次就破裂，那么这种材料的电绝缘性虽好，也不能用作电线。,高分子材料具有所有已知材料可变性范围最宽的力学性质，包括从液体、软橡皮到很硬的固体，各种高聚物对于机械应力的反应相差很大，例如： 1.PS制品很脆，一敲就碎（脆性） 2. 尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性） 3. 轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几倍，力解 除 后基本
2、恢复原状（弹性） 4.胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性）,一、机械性能参数,1. 广义虎克定律, = E,xy= yx yz= zy zx= xz,(xx, yy, zz, xy, yz, zx),一、机械性能参数,1. 广义虎克定律,(x, y, z),(x+dx, y+dy, z+dz),(x+u, y+v, z+w),(x+dx+u+du, y+dy+v+dv, z+dz+w+dw),du= (u/x)dx (u/y)dy(u/z)dz dv= (v/x)dx (v/y)dy (v/z)dz dw=(w/x)dx(w/y)dy(w/z)dz,x,y,z,一、机械性能参数,1. 广义虎
3、克定律,重组 9 个偏微商参量：,xx=u/x yy=v/y zz=w/z zx=u/zw/x yz=w/yv/z xy=v/xu/y 2x=w/yv/z 2y=u/zw/x 2z=v/xu/y,yz= tg1tg2= w/yv/z,(xx, yy, zz, zx, yz, xy),切应变(yz平面),一、机械性能参数,1. 广义虎克定律,广义虎克定律：应力分量是各应变分量的线性组合；应变分量是各应力分量的线性组合。,xx= s11xxs12yys13zzs14zxs15yzs16xy yy= s21xxs22yys23zzs24zxs25yzs26xy zz= s31xxs32yys33zz
4、s34zxs35yzs36xy zx= s41xxs42yys43zzs44zxs45yzs46xy yz= s51xxs52yys53zzs54zxs55yzs56xy xy= s61xxs62yys63zzs64zxs65yzs66xy,共有 36 个柔量常数，但是sij=sji ，独立参数共 21 个。,一、机械性能参数,1. 广义虎克定律,正交对称材料，选择合适的坐标系，恒有x=x, y=y, z=z,xx=s11xxs12yys13zz yy=s12xxs22yys23zz zz=s13xxs23yys33zz zx=s44zx yz=s55yz xy=s66xy,Ex=1/s11
5、Ey=1/s22 Ez=1/s33,Gzx=1/s44 Gyz=1/s55 Gxy=1/s66,xy=s12/s11 xz=s13/s11 yx=s12/s22 yz=s23/s22 zx=s13/s33 zy=s23/s33,9 个独立参量,一、机械性能参数,1. 广义虎克定律,单轴取向材料，选择 z 轴为取向方向； 等比双轴取向材料，选择 xoy 面为取向面；则，任意旋转 z 轴，应力 应变关系不变, 得：,s22= s11 s55= s44 s66=2(s11s12) s23= s13,独立参量减至 5 个,Ex= Ey=1/s11 Ez=1/s33,Gzx= Gyz=1/s44 Gxy
6、=1/2(s11s12),xy= yx=s12/s11 xz= yz=s13/s11 zx= zy=s13/s33,一、机械性能参数,1. 广义虎克定律,单轴取向材料,一、机械性能参数,1. 广义虎克定律,双轴取向材料,一、机械性能参数,1. 广义虎克定律,各向同性材料，任意旋转各坐标轴，应力应变关系均不变, 得：,s33= s11 s44=s55=s66=2(s11s12) s13= s12,独立参量减至 2 个,E=1/s11 G=1/2(s11s12) =s12/s11,三个参量之间满足：E=2G(1),围压力压缩应变，由体积模量描述。 对于各向同性材料：,xx= yy= zz=3(s1
7、12s12)P,= V/V0 = xxyyzz= 3(s112s12)P = (3P/E)(12),K = P/ = E/3(12),一、机械性能参数,2. 极限强度,拉伸、压缩强度,t = fmax/A0,max=(l断l0)/l0,一、机械性能参数,2. 极限强度,弯曲强度,一、机械性能参数,2. 极限强度,冲击强度,疲劳,硬度,二、塑性与屈服,1. 屈服现象,屈服应力 成颈 冷拉,应力-应变曲线,二、塑性与屈服,1. 屈服现象,应力-应变曲线,(1)软而弱；(2)硬而脆；(3)硬而强；(4)软而韧；(5)硬而韧,二、塑性与屈服,1. 屈服现象,A = A0/ = A0/(1) t = f
8、/A = (1),(d/d)y=0,tg=ty/(1+y)= ty/y,屈服判据,真应力应变曲线与屈服点,二、塑性与屈服,1. 屈服现象,屈服判据,聚合物真应力应变曲线的三种类型,情况1：dt/dt/；情况2：在曲线的某一点上dt/dt/；情况3：于曲线的两个点上dt/dt/,二、塑性与屈服,1. 屈服现象,屈服判据,聚对苯二甲酸乙二酯的剪切带,二、塑性与屈服,2. 拉伸过程中的结构变化,=0exp(EA)/RT),强迫高弹形变！,非晶聚合物,结晶聚合物,片晶由于沿分子轴的滑移而伸长变薄,冷拉,非晶：Tb T Tg 结晶：Tg T Tm,回复,非晶： T Tg 结晶： T Tm,二、塑性与屈服
9、,2. 拉伸过程中的结构变化,多相体系,SBS嵌段共聚物(S:B1:1)的拉伸行为,1第一次拉伸,2第二次拉伸,二、塑性与屈服,2. 拉伸过程中的结构变化,SBS树脂,=0,=80%,=500%,多相体系,二、塑性与屈服,2. 拉伸过程中的结构变化,=600%,回复后室温放置数日,回复后100C退火2小时,多相体系,二、塑性与屈服,3. 屈服行为的影响因素,=0exp(EA)/RT),屈服应力温度,冷拉应力温度,温度、应变速率,PMMA,二、塑性与屈服,3. 屈服行为的影响因素,应变速率-温度倒数图,温度、应变速率,屈服应力,冷拉应力,二、塑性与屈服,3. 屈服行为的影响因素,取向,取向 PE
10、T 膜拉伸曲线,二、塑性与屈服,3. 屈服行为的影响因素,屈服应力-剪切力方向关系,取向,取向 PET 膜剪切屈服应力,二、塑性与屈服,3. 屈服行为的影响因素,取向,简单剪切作用的应力分析,二、塑性与屈服,3. 屈服行为的影响因素,流体静压力,不同压力下聚丙烯的应力应变曲线(拉伸),二、塑性与屈服,3. 屈服行为的影响因素,流体静压力,拉伸聚丙烯试样的形状变化,二、塑性与屈服,3. 屈服行为的影响因素,结晶,屈服应力与密度的关系,高密度聚乙烯,屈服应力的温度依赖性,不同结晶度的PET,三、强度与破坏,1. 脆性断裂与韧性断裂,判别：A 、应力-应变曲线；B、断裂能量；C 、断面形态,三、强度
11、与破坏,1. 脆性断裂与韧性断裂,PMMA 拉伸速率：5mm/min,三、强度与破坏,1. 脆性断裂与韧性断裂,PMMA 断裂（屈服）强度-温度图,三、强度与破坏,1. 脆性断裂与韧性断裂,增韧 PS 拉伸曲线,拉伸速率,增加,三、强度与破坏,1. 脆性断裂与韧性断裂,脆点,Ludwik等关于脆性韧性转变理论的图解说明,三、强度与破坏,1. 脆性断裂与韧性断裂,B Y,Y B 3Y,B Y,各种聚合物在-180下的B对-20()和+20()下y的作图,三、强度与破坏,2. 银纹现象,三、强度与破坏,2. 银纹现象,银纹发展成裂缝示意图,三、强度与破坏,2. 银纹现象,增韧改性PS 冲击强度-温
12、度图,脆性,韧性,脆性,韧性,三、强度与破坏,3. 橡/塑共混体系的脆-韧转变,尼龙/改性橡胶共混体系的冲击强度同分散相粒间距的关系,三、强度与破坏,3. 橡/塑共混体系的脆-韧转变,应力集中微区示意图,三、强度与破坏,3. 橡/塑共混体系的脆-韧转变,共混体系的IDc同温度的关系,共混体系的IDc同约化温度的关系,尼龙6/三元乙丙橡胶,聚丙烯/三元乙丙橡胶,三、强度与破坏,4. 理论强度,断裂方式分析,(a)化学键破坏 1010 Pa,(c)范德华力或氢键破坏 108 Pa,(b)分子间滑脱,三、强度与破坏,4. 理论强度,断裂临界条件：,dU/dC=dA/dC,临界拉伸强度：,B=(2E/
13、C)1/2,材料断裂时间：,=0exp(U0B)/RT),PMMA拉伸强度(B) -裂缝长度(C) 的关系,Griffith 理论,活化能理论,三、强度与破坏,5. 实际强度的影响因素,凡是有利于提高弹性模量、增加断裂过程的表面功、增强高分子热稳定性的因素，都使材料的强度提高。 凡是使材料形成弱点而增加应力不均匀分布的因素，都使材料强度下降。,聚合物结构特征,极性,链刚性,链规整性,交联,PDMS双模交联网的正应力对伸长比作图,短链的摩尔百分数,三、强度与破坏,5. 实际强度的影响因素,聚合物结构特征,分子量,数均分子量对脆性断裂强度的影响,破坏表面能与分子量倒数的关系,(a) PE,(b)
14、PMMA,(c) PS,PMMA,三、强度与破坏,5. 实际强度的影响因素,聚合物结构特征,材料缺陷,三、强度与破坏,5. 实际强度的影响因素,添加剂,增塑剂,固体填料,高分子液晶,PEEK/LCP,三、强度与破坏,5. 实际强度的影响因素,添加剂,高分子液晶,PEEK/LCP,三、强度与破坏,5. 实际强度的影响因素,受力环境,断裂应变与折合应变速率T的关系(Ts= 263K ),丁苯橡胶,三、强度与破坏,5. 实际强度的影响因素,受力环境,拉伸强度与折合应变速率T的关系(Ts= 263K),丁苯橡胶,三、强度与破坏,5. 实际强度的影响因素,受力环境,lgT值与WLF方程计算值的比较, 按抗张强度 按断裂伸长率 按WLF方程计算 Tg263K,三、强度与破坏,5. 实际强度的影响因素,受力环境,应力应变曲线随温度和形变速率变化,主要概念：拉伸（压缩）强度、断裂伸长率、弹性模量、弯曲强度、冲击强度、屈服、脆化温度、冷拉、银纹、泊松比 主要原理 广义胡克定律 屈服与冷拉的分子运动机理 影响材料强度的因素,
