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1、第十八章 塑料材料性能表征与测试1第十八章 塑料材料性能表征与测试1一、聚合物材料拉伸时的力学性能一、聚合物材料拉伸时的力学性能特点特点l 力学性能的数值很宽：力学性能的数值很宽：包括从熔体、软橡皮到包括从熔体、软橡皮到很硬的固体，各种聚合物对于机械应力的反应很硬的固体，各种聚合物对于机械应力的反应相差很大。相差很大。l l高聚物由长链分子组成，运动单元具有多重性，高聚物由长链分子组成，运动单元具有多重性，高聚物由长链分子组成，运动单元具有多重性，高聚物由长链分子组成，运动单元具有多重性，分子运动对温度和时间有强烈的依赖性分子运动对温度和时间有强烈的依赖性分子运动对温度和时间有强烈的依赖性分子
2、运动对温度和时间有强烈的依赖性松松松松弛特性。弛特性。弛特性。弛特性。力学性能也有松弛特性。力学性能也有松弛特性。力学性能也有松弛特性。力学性能也有松弛特性。表现为表现为表现为表现为粘弹粘弹粘弹粘弹性行为，性行为，性行为，性行为，同时具有粘性液体和纯粹弹性固体的同时具有粘性液体和纯粹弹性固体的同时具有粘性液体和纯粹弹性固体的同时具有粘性液体和纯粹弹性固体的行为行为行为行为 l l 强度低，模量低强度低，模量低强度低，模量低强度低，模量低Rubber 在低温下变硬在低温下变硬PMMA, T100 C, 变变软软尽管结构无变化，但对于不同温度或外力，尽管结构无变化，但对于不同温度或外力，分子运动是
3、不同的，物理性质也不同分子运动是不同的，物理性质也不同2一、聚合物材料拉伸时的力学性能特点 力学性能的数值很宽：包括形变形变温度温度TgTf玻璃态玻璃态高弹态高弹态橡胶态橡胶态粘流态粘流态玻璃化转变区域玻璃化转变区域粘流转变区域粘流转变区域非晶态聚合物非晶态聚合物玻璃态转变为高弹态，转变温度称为玻璃化温度玻璃态转变为高弹态，转变温度称为玻璃化温度Tg高弹态转变为粘流态，转变温度称为粘流温度高弹态转变为粘流态，转变温度称为粘流温度Tf3形变温度TgTf玻璃态高弹态粘流态玻璃化转变区域粘流转变区域哑铃型标准试样哑铃型标准试样哑铃型标准试样哑铃型标准试样 常用的哑铃型标准试样，试样中部常用的哑铃型标
4、准试样，试样中部常用的哑铃型标准试样，试样中部常用的哑铃型标准试样，试样中部为测试部分，标距长度为为测试部分，标距长度为为测试部分，标距长度为为测试部分，标距长度为l l l l0 0 0 0，初始，初始，初始，初始截面积为截面积为截面积为截面积为A A A A0 0 0 0。 1. 1. 典型聚合物应力典型聚合物应力- -应变曲线应变曲线实验条件：一定拉伸速率和温度实验条件：一定拉伸速率和温度4哑铃型标准试样 常用的哑铃型标准试样，试样中部为测试部分，标ABOCD明显的四个阶段明显的四个阶段1 1、普弹形变阶段、普弹形变阶段OAOA2 2、屈服阶段、屈服阶段ACAC（应变软化阶段）（应变软化
5、阶段）3 3、强迫高弹形变阶段、强迫高弹形变阶段CDCD4 4、应变硬化阶段、应变硬化阶段DBDB5ABOCD明显的四个阶段1、普弹形变阶段OA2、屈服阶段ACABPoint of elastic limit 弹性极限点弹性极限点OCD（1 1 1 1）OAOAOAOA段，段，段，段，为为为为普弹形变普弹形变普弹形变普弹形变区，应力应变呈直线区，应力应变呈直线区，应力应变呈直线区，应力应变呈直线关系变化，符合虎克定律，直线斜率为弹性模关系变化，符合虎克定律，直线斜率为弹性模关系变化，符合虎克定律，直线斜率为弹性模关系变化，符合虎克定律，直线斜率为弹性模量。量。量。量。 6ABPoint of
6、elastic limit 弹性极限点AYBYielding point 屈服点屈服点Strain softening 应变软化应变软化 y yOCD（2 2 2 2）屈服阶段）屈服阶段）屈服阶段）屈服阶段ACACACAC：越过越过越过越过A A A A点，应力应变曲线偏离直线，点，应力应变曲线偏离直线，点，应力应变曲线偏离直线，点，应力应变曲线偏离直线，材料开始发生塑性形变，极大值材料开始发生塑性形变，极大值材料开始发生塑性形变，极大值材料开始发生塑性形变，极大值Y Y Y Y点称材料的屈服点，其对点称材料的屈服点，其对点称材料的屈服点，其对点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力
7、（或屈服强度）应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）y y y y 和屈服和屈服和屈服和屈服应变应变应变应变y y y y 。发生屈服时，试样上某一局部会出现。发生屈服时，试样上某一局部会出现。发生屈服时，试样上某一局部会出现。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈细颈细颈细颈”现现现现象，材料应力略有下降，象，材料应力略有下降，象，材料应力略有下降，象，材料应力略有下降， “ “ “ “应变软化应变软化应变软化应变软化”。 7AYBYielding point 屈服点Strain so（3 3）强迫高弹形
8、变阶段）强迫高弹形变阶段CDCD：随着应变增随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，加，在很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈细颈”区越来越大，发生区越来越大，发生“强迫高弹形变强迫高弹形变”。AYB强迫高弹形变强迫高弹形变 y yOCD8（3）强迫高弹形变阶段CD：随着应变增加，在很长一个范围内曲AYB y yOCD（4 4 4 4）应变硬化）应变硬化）应变硬化）应变硬化DBDBDBDB：拉伸应变很大时，材料应力又急剧拉伸应变很大时，材料应力又急剧拉伸应变很大时，材料应力又急剧拉伸应变很大时，材料应力又急剧上升（上升（上升（上升（应变硬化应变硬化应变硬化应变硬化），到达），到达），到达），
9、到达B B B B点发生断裂。与点发生断裂。与点发生断裂。与点发生断裂。与B B B B点对应的应点对应的应点对应的应点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度） b b 和断和断和断和断裂伸长率裂伸长率裂伸长率裂伸长率 b b ，是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。，是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。，是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。，是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。 Breaking point 断裂点断裂点Strain hardening
10、 应变硬化应变硬化9AYByOCD（4）应变硬化DB：拉伸应变很大时，材料应力AYBOCD（5 5 5 5）曲线下的面积等于）曲线下的面积等于）曲线下的面积等于）曲线下的面积等于相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，称断裂能相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，称断裂能相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，称断裂能相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，称断裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。 10AYBOCD（5）曲线下的面积等于相当于拉伸试样直至断裂所消拉伸过程中高分子链的
11、运动拉伸过程中高分子链的运动非晶态聚合物的应力非晶态聚合物的应力- -应变曲线（玻璃态）应变曲线（玻璃态）I I 普弹形变普弹形变小尺寸运动单元小尺寸运动单元的运动引的运动引起键长键角变化。形变小起键长键角变化。形变小可回复可回复11拉伸过程中高分子链的运动非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态拉伸过程中高分子链的运动拉伸过程中高分子链的运动II II 强迫高弹形变强迫高弹形变 在大外力作用下在大外力作用下冻结的冻结的链段链段沿外力方向沿外力方向取向取向12拉伸过程中高分子链的运动II 强迫高弹形变 在大外力作用下冻拉伸过程中高分子链的运动拉伸过程中高分子链的运动III III 粘流形变粘流形变
12、 在在分子链分子链伸展后继续拉伸伸展后继续拉伸整链整链取向取向排列，使材料的排列，使材料的强度进一步提高。形变不强度进一步提高。形变不可回复。可回复。13拉伸过程中高分子链的运动III 粘流形变 在分子链伸展后继续处于玻璃态的处于玻璃态的非晶聚合物非晶聚合物在拉伸过程中在拉伸过程中屈屈服点后服点后产生的较大应变，移去外力后形变产生的较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试样温度升到其不能回复。若将试样温度升到其T Tg g附近，附近，该形变则可完全回复，是由高分子的该形变则可完全回复，是由高分子的链段链段运动运动所引起的。所引起的。 这种形变称为这种形变称为强迫高弹强迫高弹形变。形变。强迫高弹
13、形变（冷拉）强迫高弹形变（冷拉）14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T(a) Different temperature温度温度a: TTg 脆断脆断b: TTg 屈服后断屈服后断c: TTg 几十度几十度 韧断韧断d: Tg以上以上 无屈服无屈服 Example-PVC2. 2. 影响聚合物拉伸行为的因素影响聚合物拉伸行为的因素15T(a) Different temperature温度a:特征温度特征温度Tb：T17(b) Different strain rate应变速率Sa: 脆性材料脆性材料 c: 韧性材料韧性材料d: 橡胶橡胶b: 半脆性材料半脆性材料酚
14、醛或环氧树脂酚醛或环氧树脂PP, PE, PCPS, PMMANature rubber, PI(c) Composition of Polymers 物质结构组成物质结构组成18a: 脆性材料 c: 韧性材料d: 橡胶b: 半脆性材料酚醛由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类 。高分子材料应力高分子
15、材料应力高分子材料应力高分子材料应力- - - -应变曲线的类型应变曲线的类型应变曲线的类型应变曲线的类型3. 3. 聚合物应力聚合物应力- -应变曲线的类型应变曲线的类型19由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应变曲线具有多种说明说明p “软软”和和“硬硬”用于区分模量的低或高用于区分模量的低或高p “弱弱”和和“强强”是指强度的大小是指强度的大小p “脆脆”是指无屈服现象而且断裂伸长率很是指无屈服现象而且断裂伸长率很小小p “韧韧”是指其断裂伸长率和断裂应力都较是指其断裂伸长率和断裂应力都较高的情况，可将断裂功作为高的情况，可将断裂功作为“韧性韧性”的标志。的标志。20说明 “软”和
16、“硬”用于区分模量的低或高20（2 2）硬而强型）硬而强型）硬而强型）硬而强型 此类材料弹性模此类材料弹性模此类材料弹性模此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长率量高，断裂强度高，断裂伸长率量高，断裂强度高，断裂伸长率量高，断裂强度高，断裂伸长率小。通常材料拉伸到屈服点附近小。通常材料拉伸到屈服点附近小。通常材料拉伸到屈服点附近小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为就发生破坏（大约为就发生破坏（大约为就发生破坏（大约为5%5%）。硬质）。硬质）。硬质）。硬质PVCPVC制品属于这种类型。制品属于这种类型。制品属于这种类型。制品属于这种类型。（1 1）硬而脆型）硬而脆型）硬而脆型）硬而
17、脆型 此类材料弹性模此类材料弹性模此类材料弹性模此类材料弹性模量高（量高（量高（量高（OAOA段斜率大）而断裂伸长段斜率大）而断裂伸长段斜率大）而断裂伸长段斜率大）而断裂伸长率很小。在很小应变下，材料尚未率很小。在很小应变下，材料尚未率很小。在很小应变下，材料尚未率很小。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。出现屈服已经断裂，断裂强度较高。出现屈服已经断裂，断裂强度较高。出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温或室温之下，在室温或室温之下，在室温或室温之下，在室温或室温之下，PSPS、PMMAPMMA、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行酚醛树脂等表现出硬
18、而脆的拉伸行酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。为。为。为。21（2）硬而强型 此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、细颈现象，细颈部分可产生非常大的屈服、细颈现象，细颈部分可产生非常大的屈服、细颈现象，细颈部分可产生非常大的屈服、细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区
19、都变成细颈。端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、很多工程塑料如聚酰胺、很多工程塑料如聚酰胺、很多工程塑料如聚酰胺、PCPC及醋酸纤维素、及醋酸纤维素、及醋酸纤维素、及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。硝酸纤维素等属于这种材料。硝酸纤维素等属于这种材料。硝酸纤维素等属于这种材料。（3 3 3 3）硬而韧型）硬而韧型）硬而韧型）硬而韧型 弹性模量、屈服弹性模量、屈服弹性模量、屈服弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸应力及断裂强度都很高，断裂伸应力及断裂强度都很高，断裂伸应力及断裂强度都很高
20、，断裂伸长率也很大，应力应变曲线下长率也很大，应力应变曲线下长率也很大，应力应变曲线下长率也很大，应力应变曲线下的面积很大，说明材料韧性好，的面积很大，说明材料韧性好，的面积很大，说明材料韧性好，的面积很大，说明材料韧性好，是优良的工程材料。是优良的工程材料。是优良的工程材料。是优良的工程材料。22硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、细颈现象，细颈部（4）软而韧型）软而韧型 此类材料弹性此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长模量和屈服应力较低，断裂伸长率大（率大（20%1000%），断裂），断裂强度可能较高，应力应变曲线强度可能较高，应力应变曲线下的面积大。各种橡胶制品和增下的面积大
21、。各种橡胶制品和增塑塑PVC具有这种应力应变特征。具有这种应力应变特征。（5）软而弱型）软而弱型 此类材料弹性此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。干酪状材料具有这种特性。23（4）软而韧型 此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长注意注意l l 实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典型性，或是几种类型可能不具备上述典型性，或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显的组合。例如有的材料拉伸时存在明显的屈服和的屈服和“颈缩颈缩”，有的则没
22、有；有的，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈服强度，有的则屈材料断裂强度高于屈服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。服强度高于断裂强度等。24注意 实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典型性l l 材料拉伸过程还明显地受环境条件材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件（如拉伸速率）（如温度）和测试条件（如拉伸速率）的影响，的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也会发生大于在很慢速率下拉伸也会发生大于100%100%的的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。l l 因此规定标准的实验环境温度和标准因此规定标准的
23、实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。拉伸速率是很重要的。25 材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件（如拉伸（1）拉伸强度）拉伸强度 ： 4. 拉伸性能指标拉伸性能指标b 拉伸强度，拉伸强度，MPa P 最大载荷，最大载荷，N b 试样宽度，试样宽度，cm h 试样厚度，试样厚度，cm26（1）拉伸强度 ： 4. 拉伸性能指标b 拉（2）断裂伸长率）断裂伸长率 ： 断裂伸长率，断裂伸长率，% Lb 试样破坏时标距内的伸长量，试样破坏时标距内的伸长量，cm L0 测量的标距，测量的标距，cm27（2）断裂伸长率 ： 断裂伸长（3）拉伸弹性模量）拉伸弹性模量 ： P 载荷载荷-形变曲
24、线上，初始直线段的载荷形变曲线上，初始直线段的载荷增量，增量，N L 与载荷增量对应的标距与载荷增量对应的标距L0内的变形增内的变形增量，量，cm 28（3）拉伸弹性模量 ： P 载荷-形变曲（4）泊松比）泊松比 ： 1 、2 分别为载荷增量分别为载荷增量P对应的纵向应变对应的纵向应变和横向应变和横向应变 L1 、L2 分别与载荷增量分别与载荷增量P对应的标距对应的标距L1和和L2的变形增量，的变形增量，cm 29（4）泊松比 ： 1 、2 分别为载荷1.2.4 材料的断裂材料的断裂固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为为断裂断裂材料的断裂是力对材料
25、作用的最终结果，它意材料的断裂是力对材料作用的最终结果，它意味着材料的彻底失效。味着材料的彻底失效。 与其他失效方式相比（磨损、腐蚀），危害与其他失效方式相比（磨损、腐蚀），危害性最大，并可能出现性最大，并可能出现灾难性的后果灾难性的后果。 按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度分为形的程度分为韧性断裂韧性断裂和和脆性断裂脆性断裂301.2.4 材料的断裂固体材料在力的作用下分成若干部分的现象脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂断裂前及过程中产生明显的宏观塑性变断裂前及过程中产生明显的宏观塑性变断裂前及过程中产生明显
26、的宏观塑性变断裂前及过程中产生明显的宏观塑性变形。裂纹扩展较慢，消耗大量的塑性变形。裂纹扩展较慢，消耗大量的塑性变形。裂纹扩展较慢，消耗大量的塑性变形。裂纹扩展较慢，消耗大量的塑性变形能。断口呈暗灰色、纤维状。一些形能。断口呈暗灰色、纤维状。一些形能。断口呈暗灰色、纤维状。一些形能。断口呈暗灰色、纤维状。一些金金金金属材料和高分子材料属材料和高分子材料属材料和高分子材料属材料和高分子材料的静拉伸断裂。的静拉伸断裂。的静拉伸断裂。的静拉伸断裂。韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，断裂前基本不产
27、生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，表现为突然发生的快速没有明显预兆，表现为突然发生的快速没有明显预兆，表现为突然发生的快速没有明显预兆，表现为突然发生的快速断裂过程，具有很大的危险性。断口齐断裂过程，具有很大的危险性。断口齐断裂过程，具有很大的危险性。断口齐断裂过程，具有很大的危险性。断口齐平光亮，呈放射状或结晶状。平光亮，呈放射状或结晶状。平光亮，呈放射状或结晶状。平光亮，呈放射状或结晶状。淬火钢、淬火钢、淬火钢、淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃灰铸铁、陶瓷、玻璃灰铸铁、陶瓷、玻璃灰铸铁、陶瓷、玻璃。31脆性断裂与韧性断裂脆性断裂断裂前及过程中产生明显的宏观塑性变金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显
28、的界限金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限 规定：规定：规定：规定：5%5%5%5% 5% 5% 5%，韧断，韧断，韧断，韧断 金属的脆性和韧性是根据一定条件下的塑性变金属的脆性和韧性是根据一定条件下的塑性变金属的脆性和韧性是根据一定条件下的塑性变金属的脆性和韧性是根据一定条件下的塑性变形量来决定的形量来决定的形量来决定的形量来决定的32金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限32如何区分如何区分断裂形式？断裂形式？关键看屈服关键看屈服屈服前断屈服前断屈服前断屈服前断脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂屈服后断屈服后断屈服
29、后断屈服后断韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂屈服前屈服前屈服前屈服前断裂断裂断裂断裂无塑性无塑性无塑性无塑性流动流动流动流动表面光滑表面光滑表面光滑表面光滑韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂屈服后屈服后屈服后屈服后断裂断裂断裂断裂有塑性有塑性有塑性有塑性流动流动流动流动表面粗糙表面粗糙表面粗糙表面粗糙聚合物材料聚合物材料33如何区分关键看屈服屈服前断脆性断裂屈服后断韧性断裂脆性断裂屈pp 试样发生脆性或者韧性断裂与试样发生脆性或者韧性断裂与材料组材料组成成有关，除此之外，同一材料是发生脆有关，除此之外，同一材料是发生脆性或韧性断裂还与性或韧性断裂还与温度温度T 和和拉伸速度拉伸速度 有有关关pp 相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为粗糙，较为粗糙， 断裂伸长率较大断裂伸长率较大注意注意34 试样发生脆性或者韧性断裂与材料组成有关，除此之外，同一材料PSPS试样脆性断裂表面的试样脆性断裂表面的电镜照片电镜照片增韧改性增韧改性PVCPVC韧性断韧性断裂表面的裂表面的SEMSEM照片照片 脆性断裂和韧性断裂断口形貌脆性断裂和韧性断裂断口形貌 35PS试样脆性断裂表面的电镜照片增韧改性PVC韧性断裂表面的S
