第八章高聚物的力学性能详解

第八章高聚物的力学性能第八章高聚物的力学性能第一节描述力学行为的基本物理量•力学行为：施加一个外力在材料上，材料所发生的形变（响应）。•内力、应力：材料为反抗外力，力求使自己保持原状而产生的一种与外力相平衡的力，是内力。与外力大小相等，方向相反，单位面积上的这种平衡力为应力。第八章高聚物的力学性能第一节描述力学行为的基本物理量•形变：材料的变形值。•应变：在应力作用下，单位长度（面积、体积）所发生的形变。•弹性模量：简称模量。是引起单位应变所需的应力。是材料刚硬度的一种表示。用E表示。E=σ/ε•柔量：模量的倒数。是材料容易形变程度的一种表征。用J表示。J=1/E•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。第八章高聚物的力学性能第一节描述力学行为的基本物理量第八章高聚物的力学性能第二节聚合物的应力应变特性•应力一应变实验是最广泛的，重要、实用的实验。•在应力-应变试验中，以某一给定的应变速率对试样施加负荷，直到试样断裂为止。实验大多采用拉伸方式。第八章高聚物的力学性能第二节聚合物的应力应变特性典型高聚物的拉伸应力-应变曲线A：弹性极限(pointofelasticlimit)σA：弹性强度极限εA：弹性伸长极限Y：屈服点(yieldingpoint)σY：屈服强度εY：屈服伸长率B：断裂点σB：断裂强度εB：断裂伸长率典型高聚物的拉伸应力-应变曲线第八章高聚物的力学性能第二节聚合物的应力应变特性•脆性断裂：材料在屈服点之前发生断裂，称为脆性断裂。这种情况下材料在断裂前只发生很小的形变。•韧性断裂：材料在屈服点之后发生断裂，称为韧性断裂。材料在屈服后产生较大的形变。第八章高聚物的力学性能第二节聚合物的应力应变特性应力-应变曲线的类型和脆韧性“软”和“硬”用于区分模量的低或高，“弱”和“强”是指强度的大小，“脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很小，“韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况，有时可将断裂功作为“韧性”的标志。第八章高聚物的力学性能第二节聚合物的应力应变特性应力-应变曲线的类型和脆韧性第八章高聚物的力学性能第二节聚合物的应力应变特性应力-应变曲线的类型和脆韧性1硬而脆弹性模量较高，断裂强度中等，不出现屈服点，拉伸度较小时断裂。低相对分子质量PS、PMMA、酚醛树脂在室温及室温以下表现此种状态。2硬而强弹性模量高，断裂强度大，断裂伸长率约5%，破坏出现在屈服点附近。高相对分子质量的PS、PMMA或硬PVC属此类。3强而韧弹性模量、屈服应力及断裂伸长率都很高，伸长率也大，曲线下覆盖的面积也大。尼龙、PC、POM、醋酸纤维属此类。第八章高聚物的力学性能第二节聚合物的应力应变特性应力-应变曲线的类型和脆韧性4软而韧弹性模量高，屈服应力低，断裂伸长大，约20%—1000%，断裂强度高。软PVC及硫化橡胶属此类。5软而弱弹性模量低，断裂强度也低，断裂伸长中等。高聚物的软凝胶、低相对分子质量聚合物属此类。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为玻璃态聚合物的应力-应变曲线AYBCεσ玻璃态聚合物典型的应力-应变曲线•Tg以下进行的拉伸第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为10-A段形变为弹性形变（普弹形变），应力-应变成正比。符合虎克定律σ=Eε。此高模量、小形变的弹性行为由高分子的键长、键角的变化引起。AYBCεσ玻璃态聚合物的应力-应变曲线第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为AYBCεσ玻璃态聚合物的应力-应变曲线2A-B段形变为强迫高弹形变。这段明显展示了高分子在Tg以下不该有的链段运动行为，但由于外力不断增大的作用，达到了链段运动的能量，所以玻璃态被冻结的链段开始运动，当链段运动的松弛时间与应变速率在同一个数量级时，使材料产生了大的形变。形变完全由于外力作用下导致链段运动，称强迫高弹形变。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为玻璃态聚合物的应力-应变曲线AYBCεσ强迫高弹形变在Tb-Tg之间才能在外力作用下产生。去除外力形变不能自行恢复。因为在Tg以下，缺少链段运动的能量，但加热到Tg以上形变又可恢复，因为Tg以上链段又可以运动了。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为玻璃态聚合物的应力-应变曲线AYBCεσ屈服点产生的原因：上升是因为材料内部的分子间作用力保持着固定的内部结构，当外力作用时，只要没达到一个确定的值，材料内部的分子间作用力及结构都不会变化，但一旦外力超过了这一确定值时，材料内部的分子间作用力及结构就无法再支撑了，开始解体。形成屈服点。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为玻璃态聚合物的应力-应变曲线AYBCεσ应变软化（Strainsoftening）：高聚物在Tb-Tg之间进行拉伸时，在屈服点之前曲线先上升，到了高点后又下降。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为玻璃态聚合物的应力-应变曲线AYBCεσ应变软化产生的原因：•拉伸时截面积变小，所施加的外力减小；•拉伸时由于分子运动的摩擦力所导致的放热，使分子运动方便，所用的应力会减小；•由于Tg以下，物理交联点多，拉伸后交联点破坏了许多，到了屈服点这种破坏达到一定程度，致使应力下降。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为玻璃态聚合物的应力-应变曲线平稳区：•应力变化不大，形变变化很大。•因为材料内部的结构还在继续破坏，同时分子链段又在顺着外力方向运动或逐步排列取向。AYBCεσ第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为AYBCεσ玻璃态聚合物的应力-应变曲线3B-C段应变硬化(Strainhardening)阶段：主要形成原因是大量的分子链段不断伸展排列后继续拉伸，导致了整个分子链的取向排列，使材料强度进一步提高，需要更大外力进行拉伸，应力迅速上升，直到断裂。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为玻璃态聚合物的应力-应变曲线•应变硬化主要由整个大分子的运动所致，形变不可逆，是永久性的。由于它是在强力作用下发生的大分子链的相对滑脱，又称冷流。AYBCεσ•若在试样断裂前停止拉伸，除去外力，则试样已发生的大形变无法完全恢复；只有让试样的温度升到Tg附近，形变方可回复，因此，这种大形变在本质上是一种高弹形变，而不是粘流形变，其分子机理主要是高分子的链段运动，它只是在大外力的作用下的一种链段运动。为区别于普通的高弹形变，可称之为强迫高弹性。•在Tg以下，由于聚合物处于玻璃态，即使外力除去，已发生的大形变也不能自发回复。在材料出现屈服之前发生的断裂称为脆性断裂，一般材料在发生脆性断裂之前只发生很小的形变。而在材料屈服之后的断裂，则称为韧性断裂。存在一个特征温度Tb，只要温度低于Tb，玻璃态高聚物就不能发生强迫高弹形变，而必定发生脆性断裂，这个温度称为脆化温度Tb。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为晶态聚合物的应力-应变曲线10-Y段应力随应变线性增加，符合虎克定律，为普弹形变。试样被均匀拉长，到达Y点后，试样突然出现一个或几个“细颈”。NDC晶态聚合物的应力-应变曲线.swf第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为NDC晶态聚合物的应力-应变曲线2N-D段细颈发展阶段。伸长不断增加，应力几乎不变。拉伸应变值可达100%-1000%，直到整个试样变细。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为晶态聚合物的应力-应变曲线NDC3D-C段已被细颈化的试样重新被均匀拉伸，应力随应变增加，直到断裂。力学拉伸.swf第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为晶态聚合物的应力-应变曲线NDC冷拉（Colddrawing）：本质上是受迫高弹形变。主要原因是链段受晶格的束缚，只有在一定的拉力下才能有助于大分子链段克服这种束缚而进行运动产生很大的形变。当去掉外力，加热到接近熔点的温度，可以恢复原状。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为晶态聚合物的应力-应变曲线NDC平台区产生的原因：1）破坏晶格，减少强度；2）分子取向，增加强度；二者抵消。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为晶态聚合物的应力-应变曲线NDC应变硬化：在更强的外力下已经取向的分子又高度取向，形成新的晶体，更高一级的晶体，所以强度更高，直到断裂。各种情况下的应力-应变曲线(a)Differenttemperaturea:TTg脆断b:TTg屈服后断c:TTg几十度韧断d:Tg以上无屈服TTExample-PVC第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为(b)Differentstrainrate.4.3.2.1Strainrate时温等效原理：拉伸速度快=时间短温度低速度各种情况下的应力-应变曲线第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为a:脆性材料c:韧性材料d:橡胶b:半脆性材料酚醛或环氧树脂PP,PE,PCPS,PMMANaturerubber,PI(c)CompositionofPolymers物质结构组成各种情况下的应力-应变曲线第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为(d)Crystallization结晶应变软化更明显冷拉时晶片的倾斜、滑移、转动，形成微晶或微纤束各种情况下的应力-应变曲线第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为各种情况下的应力-应变曲线(e)TheSizeofSpherulites球晶大小第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为各种情况下的应力-应变曲线(f)TheDegreeofCrystallization结晶度第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为影响应力-应变曲线的因素1温度的影响•温度上升，断裂强度下降。•随温度上升材料由硬而脆转为软而韧。•温度低，链段运动困难，形变小；温度高，链段运动容易，形变大，断裂伸长加大。TT第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为影响应力-应变曲线的因素TgTTbσσyσb0•温度越低，屈服应力越高，断裂应力越高，但屈服应力比断裂应力曲线上升得快。•当σb=σy时，T=Tb(脆化温度）•Tb以下晶态和非晶态都不能产生强迫高弹形变。•当σb〉σy时，拉伸中出现强迫高弹形变。•当σb〈σy时，拉伸中不出现强迫高弹形变。脆韧转变温度TbTbisalsocalledbrittletemperature.Brittleductiletransition脆韧转变在一定速率下（不同温度）测定的断裂应力和屈服应力，作断裂应力和屈服应力随温度的变化曲线——脆化温度，脆化点第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为影响应力-应变曲线的因素第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为影响应力-应变曲线的因素脆性断裂和韧性断裂判断TTb,先达到b，脆性断裂TTb,先达到y，韧性断裂第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为影响应力-应变曲线的因素—TTbTb越低材料韧性越好差对材料一般使用温度为哪一段？第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为影响应力-应变曲线的因素Tg=150°CTb=-20°C室温下易不易碎？PC聚碳酸酯PMMA聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100°C室温下脆还是韧？第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为影响应力-应变曲线的因素Tb=90°C第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为影响应力-应变曲线的因素2形变速率的影响•1）形变速率上升（相当于温度下降）被拉伸材料会从软而韧趋向于硬而脆。即外力作用时间短，链段来不及运动，应力就要增加，断裂伸长及韧性减小。•2）形变速率下降（相当于温度上升）外力作用时间增大到与松弛时间同一个数量级时，拉伸时表现出较大的形变和较低的温度。第八章高聚物的力学性能第三节聚合物的拉伸破坏行为影响应力-应变曲线的因素HDPE(1)和LDPE(2)拉伸的应力应变曲线第八章高聚物的力学性能第三节