聚合物材料的力学性能(70)

第第 九九 章章聚合物材料的力学性能聚合物材料的力学性能聚合物材料的力学性能 第一节 聚合物材料的结构 第二节 线型非晶态聚合物的变形 第三节 结晶聚合物的变形 第四节 聚合物的粘弹性 第五节 聚合物的强度与断裂 第六节 聚合物的疲劳强度第一节 聚合物材料的结构 概述 高分子链的近程结构构型 高分子链的远程结构构象 聚合物聚集态结构晶态非晶态及取向 聚合物定义聚合物定义 相对分子质量大于10000以上的有机 化合物称为高分子材料，它是由许多小分子聚合而得到的，故又称为聚合物或高聚物。聚合物的结合键聚合物的结合键聚合物的原子之间由共价键结合，称为主价键；而分子之间由范德瓦尔键连接，称为次价键。分子间次价键力之和远远超过单个分子中原子间主价键的结合力，因此，聚合物在拉伸时常常先发生原子键的断裂，而不是分子链之间的滑脱。这是聚合物具有较高强度，并可以作为结构材料使用的根本原因。聚合度：聚合度：聚合度：聚合度：聚合物的小分子化合物称为单体，组成聚合物长链的基本结构单元则称为链节。例如，聚乙烯的单体为乙烯(CH2CH2)，其链节为CH2CH2。聚合物长链的重复链节数目，称为聚合度。天然聚合物：天然聚合物：天然聚合物：天然聚合物：天然的聚合物有木材、橡胶、黄麻、棉花、丝、毛、发和角等。本章主要讨论人工合成聚合物(工程塑料、合成纤维、合成橡胶等)的变形和断裂行为。由于聚合物具有许多优点，在工业和日常生活中已获得广泛应用。现在，人工合成聚合物产品的生产规模，在体积上早已超过金属产量的总和。它在材料科学领域中占有重要地位。聚合物的结构与性能聚合物的结构与性能聚合物的结构与性能聚合物的结构与性能 聚合物的性能主要取决于其巨型分子的组成与结构。聚合物的结构是多层次的，包括高分子链的近程结构、远程结构、聚集态结构和织态结构、液晶结构。织态结构和液晶结构也是聚集态结构。前者是高分子材料的高层次结构，是指不同高分子之间或高分子与添加剂分子之间的排列和堆砌结构；后者是高分子长链的主链或侧链有液晶原并与柔性链联接的结构。限于篇幅，本书不介绍这两种结构。一、高分子链的近程结构一、高分子链的近程结构构型构型 高分子链的近程结构是指由化学键所固定的几何形状高分子构型，即指高分子链的化学组成、键接方式和立体构型等。上述的聚乙烯是由一种结构单体合成的，故该类聚合物又称为均聚物。均聚物中的分子链之间若不发生联接，则为线型均聚物或支链型均聚物，低密度聚乙烯分子链及支化(指高分子长链上有一些长短不一的支链)见图91。图9l 低密度聚乙烯分子链及支化 若分子链由化学键联接，则为交联均聚物或网络型均聚物(三维交联分子链)(图92)。图92 聚合物的三种典型结构a)线状非交联的纤维分子 b)三维交联的分子链 c)部分晶化非交联分子链的配置 工程上的热塑性塑料，即为含添加剂的线型均聚物；热固性塑料如环氧树脂为交联均 聚物。由两种以上结构单体聚合而成的聚合物称为共聚物。大部分共聚物中链节是无规则排列的。有多种结构单体的共聚物比只有一种结构单体的均聚物难以结晶。同理，聚合物链的结构单体配置越不规律，越有利于形成非晶态，而有规立构的聚合物则大部分能结晶。由于聚合物中只有微弱的范德瓦尔力使分子成线型排列，而结晶结构要求把大量原子输送到固定有利位置，所以聚合物的结晶很难完全。共聚物的几种形式如图93所示。图93 共聚物的几种形式 a)无规共聚物 b)交替共聚物 c)嵌段共聚物 d)接枝共聚物代表一种重复单元；代表另一种重复单元二二、高高分分子子链链的的远远程程结结构构构象构象 高分子链的远程结构是指一根巨分子长链在空间的排布形象，称为巨分子链的构象。由于单键内旋转动，巨分子长链的构象是在不断变化的。分子链中的碳碳键的键角保109028不变。由图94可见，C2C3单键围绕C1 C2键自由旋转，键角为；同样，C4C3绕轴旋转，键角也为，依次类推。图94 单键内旋转示意图 实际聚合物巨分子链的运动单元不是一个个单键，而是由数个、几十甚至几百个链节组成的链段。外在条件(温度、拉伸载荷等)变化时，巨分子链的构象除呈无规则线团链外，还可以呈伸展链、折叠链、螺旋链等构象(图95)。图95 单个高分子的几种构象示意图 通常，高分子链是卷曲的、具有柔性的，因而聚合物具有极好的弹性。若主链不能内旋转，或结构单体之间有强烈相互作用、氢键作用、极性基团的相互作用，则会影响分子链的柔性，形成刚性链。三、聚合物聚集态结构三、聚合物聚集态结构晶态、非晶态及取向晶态、非晶态及取向 聚合物的聚集态结构包括晶态结构、非晶态结构及取向。前已述及，聚合物不能得到完全的晶体结构，实际上是晶区与非晶区同时存在。聚合物的结晶程度用晶体所占总体的质量分数表示，称为结晶度。聚合物的结晶度通常小于98，其微小晶粒的尺寸在100埃左右。电子显微镜观察表明，高分子单晶为折叠链结构(图9-6)。分子链折叠排列整齐有序，致密度较高，分子间作用力较大。图9-6 图96 聚合物结晶态结构示意图a)缨状胶束模型 b)球晶 c)近邻规则折叠链模型 非晶态结构的高分子链多呈无规则线团形态，为分子链近程有序，其中局部可以存在高分子链折叠区。在外力作用下，聚合物的长链沿外力方向排列的形态称为聚合物的取向。取向可促进聚合物的结晶，使沿链长方向排列的有序性增大，同时也使聚合物成为各向异性。归纳起来，高分子材料的结构特征归纳起来，高分子材料的结构特征:聚合物长链的重复链节数目(聚合度)可以不一样，因而聚合物中各个巨分子的相对分子质量不一定相同。聚合物实际上是一个复合物。其相对分子质量只能用平均相对分子质量表达；聚合物长链可以有构型、构象的变化，加之可以是几种单体的聚合，从而形成共聚、嵌段、接枝、交联等结构上的变化；分子之间可以有各种相互排列，如取向、结晶等。这些结构上的多重性，以及聚合物分子链运动单元的多样性，使聚合物显示出各种特殊的性能。聚合物与低分子材料的特点聚合物与低分子材料的特点(区别区别)见表见表9191。表91 高分子材料与低分子材料的特点 材料特点高分子材料低分子材料相对分子质量分子可否分割热运动单元结晶程度分子间力熔点物理状态104106可分割成短链链节，链段，整链等多重热运动单元非结晶态或部分结晶态加合后可大于主键力软化温度区间只有液态和固态（包括高弹态）500不可分割整个分子或原子大部分或完全结晶较小固定气，液，固三态 与金属材料相比，聚合物在外力或能量载荷作用下强烈地受温度和载荷作用时间的影响，因此其力学性能变化幅度较大。聚合物的主要物理、力学性能特点有：聚合物的主要物理、力学性能特点有：(1)密度小 聚合物是密度最小的工程材料，其密度一般在1020g之间，仅为钢的1814，为工程陶瓷的12以下。重量轻、强重比大是聚合物的突出优点。(2)高弹性 高弹态的聚合物其弹性变形量可达到1001000，一般金属材料只有0110。(3)弹性模量小 聚合物的弹性模量约为044OGPa，一般金属材料则为50300GPa，因此聚合物的刚度差。(4)粘弹性明显 聚合物的高弹性对时间有强烈的依赖性，应变落后于应力，室温下即会产生明显的蠕变变形及应力松弛。第二节 线型非晶态聚合物的变形概述聚合物在玻璃态下的变形聚合物在高弹态下的变形聚合物在粘流态下的变形 三种状态下聚合物的变形能力不同，弹性模量也同。图中tg是聚合物的重要特性温度，称为玻璃化温度。当聚合物处在tg温度时，其力学行为有重大变化，因此研究聚合物的力学性能就要了解tg值。线型非晶态聚合物是指结构上无交联、聚集态无结晶的高分子材料。这类聚合物的力学行为随温度不同而变化，可处于玻璃态、高弹态和粘流态三种力学状态(图97)。概述概述概述概述(图97)图97 聚合物在恒载荷作用下的变形温度曲线(恒作用速率）A-玻璃态 B-过渡态 C-高弹态 D-过渡态 E-粘流态 tb-脆化温度 tg-玻璃化温度 tf-粘流温度 图98为非晶态聚合物在不同温度下的应力应变曲线，可见在不同力学状态下的应力应变关系差别很大。图98 非晶态聚合物在不同温度下的，曲线 tatbtctd 一一、聚聚合合物物在在玻玻璃璃态态下下的的变形变形 由图97可知，温度在tg以下时，聚合物的分子链或链段不能运动，分子被“冻结”，聚合物处于无定型的玻璃态。此时，聚合物在外力作用下，靠主键键长的微量伸缩和微小的键角变化来实现弹性变形，其应变与应力成正比；去除外力，弹性变形立即消失.温度低于脆化温度tb，聚合物处于硬玻璃态，其拉伸应力应变曲线(图98曲线)只有弹性变形段，且伸长率很小，断口与拉力方向垂直，弹性模量比其它状态下的大，无弹性滞后。由于弹性变形量很小，故为普弹性变形。当温度在tb与tg之间时，聚合物处于软玻璃态，其拉伸应力应变曲线如图98曲线tb,a点以下为普弹性变形，as段对应的变形是由于外力作用迫使链段运动所引起的，是为受迫高弹性变形。去除外力后，因温度在tg以下，缺少链段运动的能量，故受迫高弹性变形被保留下来，其量可达3001000。但如将聚合物加热到温度tg以上，这种变形可以消除。在s点屈服后，应力一般会有所下降，试样截面积同时减小 随后的塑性变形使分子链沿外力方向取向。由于塑性变形抗力增大，应力-应变曲线复又上升，直至断裂。图9-9为长链聚合物的变形方式，可以较好地解释上述变形特征。图99 长链聚合物变形方式示意图 a)主键伸长 b)长链伸长及取向 c)长链间的滑动 二、聚合物在高弹态下的变形二、聚合物在高弹态下的变形 聚合物在图9-7所示的与之间温度范围内，处于高弹态。所有在室温下处于高弹态的聚合物都称为橡胶。高弹态聚合物的拉伸应力应变曲线如图98曲线tc所示。随温度升高，高弹态聚合物的弹性模量增加。高弹态聚合物的力学性能特点是具有高弹性，其弹性变形量可达1000，而其弹性模量E值却只有011GPa，约为钢的1106。聚合物具备高弹性的条件是在室温下为非晶体，且其玻璃化转变温度远低于室温.在聚合物链结构上应具有下列特征：在聚合物链结构上应具有下列特征：链非常长，并有很多弯；室温下链段在不停地运动；每二、三百个原子就有一处交联连接。在受外力作用时，长链通过链段调整构象使原卷曲的链沿拉力方向伸长，宏观上表现为很大的弹性变形。去除外力后，接点及扭结的趋势使聚合物链又回复至卷曲状态，宏观变形消失(回复过程需要一定时间)。如果聚合物链没有这些交联接点，就会通过分子链间的滑动而产生塑性变形。但若交联接点过多，会使交联点间的链段变短，从而降低链段的活动性(柔性)，使弹性下降以至消失，此时，弹性模量和硬度增加。聚合物在高弹态时，整个分子链处于被“冻结”状态(受力变形时，分子链的质量重心并未产生移动)，只是链段的运动，引起分子构象的变化。当温度进一步升高，分子链作为一个整体进行相对滑动时，聚合物进入粘流状态。三、聚合物在粘流态下的变形三、聚合物在粘流态下的变形 温度高于粘流温度tf(图9-7)时，聚合物分子链在外力作用下可进行整体相对滑动，呈粘性流动，导致不可逆永久变形。此时，聚合物处于粘流状态。通常把无屈服应力出现的流动变形称为粘性，而将粘流态下的永久变形称为粘性变形(或塑性变形)。聚合物在粘流态下可具有部分弹性，其弹性变形符合虎克定律，呈线性粘弹性行为。这是因为卷曲的分子链在受载时可暂时伸长，卸载后又重新卷曲之故。图9-10为线型非晶态聚合物有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)在不同温度下的拉伸应力-应变曲线。这种聚合物的玻璃化温度tg为100左右，在86以下拉伸时变形是弹性的；在104拉伸时有少量塑性变形；更高的温度下，则表现出较大的弹塑性变形和较低的强度。从应力-应变曲线斜率的变化可见，随温度增加，弹性模量减小。图9-10 线型非晶态聚合物在上述温度范围(ttg,ttf)内的力学三状态及与之有关的线弹性、滞弹性、粘弹性和粘流性是描述聚合物力学性能的基础。图910 有机玻璃(PMMA)在不同 温度下的拉伸应力应变曲线 聚合物的力学性能除了与温度、时间和应力等外部因素有关外，还与其微观结构及分子量等因素有关。例如，完全交联的聚合物加热到开始化学分解的温度时，仍然为玻璃态，没有高弹态。热塑性聚合物在室温下表现出明显的粘弹性，其力学性能对时间有强烈的依存关系。由图9-11可见，随相对分子质量增大，tg升高，tgtf温度区间也增大。图9-11图911 非晶态聚合物的力学状态与相对分子质量和温度的关系第三节第三节第三节第三节 结晶聚合物的变形结晶聚合物的变形结晶聚合物的变形结晶聚合物的变形 结晶态聚合物由于晶区内的链段无法运动，因此结晶度高的聚合物不存在高弹性，但具有较高的强度和硬度。结晶态聚合物的力学状态与相对分子质量和温度有关。由图912可见，在tgttm（为晶体熔点)温度范围内，结晶态聚合物形成强韧(晶区与非晶区复合作用)的皮革态。当ttm适合晶体相熔化，聚合物全部由非晶区组成，转化成为高弹性的橡胶态。图912图912 结晶态聚合物的力学状态 与相对分子质量和温度的关系 未取向的结晶聚合物，其变形过程是复杂的。受载时，结晶区先被破坏，随后再重新组成新的微纤维束定向排列的结构(图913)，其拉伸应力应变曲线示于图914。当结晶聚合物出现屈服(曲线最高点)后，原有的结构开始破坏，试样上出现缩颈，并沿长度方向不断扩展。此种现象在玻璃态聚合物拉伸变形时也有，但与金属材料的拉伸缩颈现象不同。金属材料的缩颈不扩展，是试样上局部塑性变形集中区。(图913)图914 与此同时载荷下降。曲线的最低点表示原有结构完全破坏。如果在缩颈开始后不迅速发生断裂，则随应变增加，被破坏的晶体结构又重新组成方向性好、强度高的微纤维新结构。每个微纤维都有很高的强度，再加上微纤维间的联系分子进一步伸展，新结构聚合物的抗变形能力增大。由于应变硬化，应力应变曲线再度上升，直至达到断裂应力。在拉伸试验中，可观察到试样标距部分颜色的变化，屈服后随变形度增大分子取向程度增加，在变形最剧烈的区域试样变白，光学透明性好。具有取向的聚合物呈各向异性。图913 结晶聚合物的变形模型示意图a)由一堆平行薄片转变为一束密实的整齐排列的微纤维束的模型 b)微纤维中定向排列的晶体块A处是纤维内伸开的联系分子 B处是纤维间伸开的联系分子图914 结晶聚合物的应力应变曲线第四节 聚合物的粘弹性概述静态粘弹性蠕变与应力松弛动态粘弹性内耗 概述 聚合物材料除个别种类是线弹性体以外，大多数不能认为是线弹性体。前已述及，聚合物的普弹性变形是依靠主键键长的微量伸缩和键角的微小变化来实现的，其余的变形是通过巨分子链构象的变化实现的。改变分子链构象需要时间，由此而产生的变形就与时间有关，表现为应变落后于应力。聚合物在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为称为粘弹性。聚合物的粘弹性分静态粘弹性和动态粘弹性两类。一一一一 静态粘弹性蠕变与应力松弛静态粘弹性蠕变与应力松弛静态粘弹性蠕变与应力松弛静态粘弹性蠕变与应力松弛 当应力或应变完全恒定，不是时间的函数时，聚合物所表现的粘弹性称为静态粘弹性。一般有两种表现形式：蠕变与应力松弛。大多数聚合物的tg和tm比室温稍高，而粘弹性在tg温度以上30左右最容易产生，所以在室温下聚合物就已有明显的蠕变与应力松弛行为。金属的蠕变变形，是通过位错滑移形成亚晶，以及晶界滑动和空位扩散迁移实现的不可逆塑性变形，当环境温度超过0.3Tm(Tm为金属熔点)时才较显著。聚合物的蠕变变形除不可回复的粘性变形外，还包含普弹性变形和高弹性变形。在外力去除后，普弹性变形迅速回复，而高弹性变形则缓慢地部分回复，这是聚合物蠕变与金属蠕变的明显区别。聚合物的蠕变与应力松弛，都是大分子在外力长时间作用下，逐渐发生了构象改变或位移变化的结果。其过程常用粘壶与弹簧联接的组合模型来模拟(图915)。聚合物的蠕变变形是指在室温下，承受力的长期作用时产生的不可回复的塑性变形。它是由于分子间粘性阻力使应变和应力不能瞬间达到平衡的结果。图915 粘弹性模型a)麦克斯韦尔模型 在图中，粘壶与弹簧串联的模型(图915a)是麦克斯韦尔模型。当模型快速受拉力作用并迅及将两端固定时，初始应变由弹簧产生，而粘壶由于粘性作用还来不及动作，于是两元件间产生了初始应力，形成了初始应变0 随后粘壶被慢慢拉开，弹簧回缩，总应力下降，直至完全消除。该模型模拟了线型聚合物的应力松弛过程，但不能模拟交联聚合物的应力松弛。图915 粘弹性模型 b)开尔文模型 图915b是粘壶与弹簧并联的开尔文模型。当施加一外力，并令其不变时，由于粘壶的粘滞作用，并联的弹簧也不能立即拉开，只能随着粘壶缓慢地被拉开，其应变是随时间逐渐发展的。这个模型基本上能模拟交联聚合物的蠕变过程，但不能模拟线型非晶态聚合物的蠕变行为。为了考察聚合物粘弹性的非线性特点，需要用几个不同应力水平的蠕变曲线(图916a)，或几个不同应变水平的松弛曲线(图916b)来进行研究。由图可见，应力增大聚合物的蠕变也增大；而应变增加松弛时间减少。在恒定时间下的应力-应变曲线如图916c所示，曲线的斜率称为蠕变模量，其值与时间有关。图9-16d即为在恒应变条件下的蠕变模量与时间的关系曲线。同样，应力松弛模量也与时间有关。图916 蠕变模量和应力松弛模量是表征聚合物粘弹性的力学性能指标。蠕变模量是在给定温度与时间下施加的应力与蠕变应变量之比，表示为 c（）；应力松弛模量是在一定时间后，瞬时应力与应变之比，表示为Er()，在小应变范围内，松弛模量通常为常数，但其值强烈地依赖于时间。c（）和 Er()的表达式如下：c（）蠕变模量，时间的函数恒应力；与时间有关的应变。Er()应力松弛模量，时间的函数；（）与时间有关的应力；0恒应变。聚合物的抗蠕变能力对温度很敏感，在某些情况下对湿度也敏感。温度每变化一度(K)或相对湿度每变化l，某些聚合物的蠕变模量能改变4。温度对应力松弛也有很大影响：温度升高，应力松弛速度加快；反之，温度降低，松弛速度减慢。温度低于玻璃化温度 tg 时，应力松弛速度大大下降，甚至看不到应力松弛现象。生产上对于塑料制品中存在的内应力，常利用“退火”办法使其松弛，以防止制品在贮存或使用中产生变形或开裂。“退火”温度高于tg并保温一定时间。聚合物分子结构对其抗蠕变和应力松弛能力的影响是相同的：凡是能增加分子间作用力和链段运动阻力的结构因素，均能提高聚合物抗蠕变和应力松弛能力。如：主链刚性大；相对分子质量高；分子极性强，分子间作用力大；聚合物交联等。聚四氟乙烯分子链虽然刚性大，但分子间作用力小，所以抗蠕变松弛能力弱。聚合物在工程上作为结构材料使用时，要考虑其抗蠕变性。聚氨脂橡胶由于分子极性强，分子间作用力大，所以抗蠕变性能好，可以制造各种机械密封圈。其它如聚砜、聚苯醚、聚碳酸酯等也是抗蠕变性能很好的工程塑料，可用于制造机械零部件。而聚氯乙烯塑料电缆管或水管，由于材料抗蠕变性能差，在架空时会因蠕变而逐渐弯曲，须加保护支架，以防变形加大。图916 聚合物的蠕变与应力松弛特性a)恒应力条件下的蠕变曲线 b)恒应变条件下的应力松弛 图916 聚合物的蠕变与应力松弛特性c)不同试验速度下的应力应变曲线 d)蠕变模量随时间和应变的变化二二二二.动态粘弹性内耗动态粘弹性内耗动态粘弹性内耗动态粘弹性内耗 聚合物材料所受应力(交变应力)为时间的函数。且应变随时间的变化始终落后于应力的变化，这一滞后效应称为动态粘弹性现象。聚合物的滞后现象与第一章中介绍的金属滞弹性现象很相似，只是两者本质不同。由于存在滞后效应，使聚合物在交变应力作用下，当上次应变还未恢复时又施加了下次应力，以致总有部分弹性能没有释放，而消耗于克服分子间的内摩擦上，即产生了内耗。这种内耗可以转化为热能，使聚合物温度升高。由于聚合物是热的不良导体，故温升数值较大。如高速行驶的轮胎，因为内耗可使温度升高达80100，致橡胶加速老化。因此，在此类服役条件下，为预防失效应选用内耗小的聚合物。但在工程上用聚合物制作减振机件时，却应选用高内耗的聚合物。第五节 聚合物的强度与断裂 一、强度 二、银纹与断裂过程 三、硬度与耐磨性一、强度一、强度一、强度一、强度 聚合物的抗拉强度与抗压强度比金属低得多，但其比强度较金属的高。聚合物的抗拉强度一般为2080MPa，表92为几种聚合物的抗拉强度值。表92 几种聚合物材料的抗拉强度 名 称 抗拉强度MPa 名 称 抗拉强度MPa低压聚乙烯(PE)聚氯乙烯(PVC)尼龙610尼龙-66聚碳酸酯PC 20 50 60 83 67聚对苯二甲酸乙二醇酯PET聚苯醚PPO聚砜PSU芳香尼龙 80 85 85 120 影响聚合物实际强度的因素仍然是其自身的结构。主要的结构因素有：主要的结构因素有：1)高分子链极性大或形成氢键能显著提高强度，如聚氯乙烯极性比聚乙烯大，所以前者强度高。尼龙有氢键，其强度又比聚氯乙烯高。2)主链刚性大，强度高，但是链刚性太大，会使材料变脆。3)分子链支化程度增加，降低抗拉强度。4)分子间适度进行交联，提高抗拉强度，如辐射交联的PE比未交联PE的抗拉强度提高一倍；但交联过多，因影响分子链取向，反而降低强度等。二、银纹与断裂过程二、银纹与断裂过程 在拉应力作用下，非晶态聚合物的某些薄弱地区，因应力集中产生局部塑性变形，结果在其表面和内部会出现闪亮的、细长形的“类裂纹”，称为银纹(Craze)。银纹与裂纹(Crack)不同：前者除其中有空洞外，还有称为银纹质的聚合物；后者则不含聚合物。银纹区仍有力学强度，但其密度较低，如聚苯乙烯的银纹区密度仅为本体密度的40。此外，银纹具有可逆性，在压应力作用下或经玻璃化温度以上退火处理，银纹将会减少和消失。银纹是非晶态聚合物塑性变形的一种特殊形式，它实际上是垂直于外加主应力的椭圆型空楔，用显微镜可以观察到有取向的微纤维(高分子链束)充填其中(图9-17)，微纤维的取向平行于主应力方向。图9-17图917 聚苯乙烯板中的银纹 a)图中箭头指主应力方向b)是a图中的一段放大照片 银纹的形成增加聚合物的韧性，因为它使聚合物的应力得到松弛；同时，银纹中的微纤维表面积大，可吸收能量，对增加韧性也有作用。在外力作用下，银纹质因其内部存在非均匀性而产生开裂并逐渐发展成微裂纹。因此，在工程上非晶态聚合物的断裂过程，包括外力作用下银纹和非均匀区的形成、银纹质的断裂、微裂纹的形成、裂纹扩展和最后断裂等几个阶段。与金属材料相比，聚合物形成银纹类似于金属韧性断裂前产生的微孔。三、硬度与耐磨性三、硬度与耐磨性 聚合物的硬度与其强度一样也比金属低得多。测定聚合物的硬度选用专用洛氏硬度标尺。表9-3为聚合物使用的洛氏硬度标尺、试验规范及应用材料范围。表9-3 聚合物使用的洛氏硬度标尺、试验规范及应用 标尺初始试验力N 主试验力N 钢球直径 应用材料 R 490 12700 聚酰胺，氟塑料，塞璐珞等 L 490 06350 聚酰胺等 M 98 882 06350 酚醛，脲醛，环氧树脂、聚酯树脂，聚苯乙烯，硬聚氯乙烯等 E 882 031 75 由于聚合物具有较大的柔性和弹性，故在不少场合下显示出较高的抗划伤能力。聚合物的化学组成和结构与金属相差很大，因此两者的粘着倾向很小。对于磨粒磨损而言，聚合物对磨粒具有较好的适应性、就范性和埋嵌性。其特有的高弹性，可使接触表面产生变形而不是切削犁沟损伤，如同用细锉刀锉削一块橡皮一样，故具有较好的抗磨粒磨损能力。但在凿削式磨粒磨损情况下，聚合物的耐磨性比较差，不及普通钢的耐磨性能好；而且聚合物相互对比时，它们的耐磨粒磨损性能与它们的硬度之间没有什么关系。在干摩擦条件下，聚合物金属摩擦副的耐磨性通常优于大多数金属与金属配对 的摩擦副。由于摩擦热对聚合物的性能有明显的影响，因此，载荷、速度和温度、环境和接触面精度等均对聚合物摩擦特性有影响。图918为温度对几种聚合物摩擦因数的影响试验结果。由图可见，尼龙PA66随温度升高，摩擦因数增加最显著；聚四氟乙烯PTFE的摩擦因数小而且几乎不受温度的影响；高密度聚乙烯的摩擦因数也比较小。将上述聚合物与钢配对在滑动摩擦条件下进行不同温度下的磨损试验，结果发现：聚四氟乙烯滑动磨损率最大；尼龙低于聚甲醛的居中；聚酰亚胺的次之；高密度聚乙烯的磨损率在一定温度以下最小。塑料是加入各种添加剂的聚合物。大多数液体对塑料具有润滑减摩作用。在聚合物中加入二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯作润滑填料，同样可起到减摩作用，提高其耐磨性。需要注意的是，塑料的热膨胀系数约比金属大10倍，因此，在塑料轴承与钢座配合时，应视具体服役条件仔细考虑合适的转动间隙，以避免塑料轴承的非正常失效。第六节 聚合物的疲劳强度 聚合物的疲劳强度低于金属。多数聚合物的疲劳强度约为其抗拉强度的0.20.3。但增强热固性聚合物的疲劳强度与抗拉强度的比值比较高，如聚甲醛(POM)和聚四氟乙烯(PTFE)的比值为0.40.5.聚合物的疲劳强度随相对分子质量增大而提高，随结晶度增加而降低。聚合物及工程塑料的疲劳强度数据比较少。图919为一些工程聚合物在室温下的疲劳性能曲线，其疲劳极限值在740MPa范围内，某些聚合物(如环氧树脂、尼龙)的SN疲劳曲线无水平部分。图919图919 几种聚合物的室温疲劳性能曲线 聚合物在拉伸和压缩交变载荷作用下产生的弹性滞后效应将使聚合物变热。不同的聚合物在疲劳载荷作用下，温度升高的倾向差别很大。聚合物的疲劳破坏过程有两种方式：因大范围滞后能累加产生的热量使其软化，丧失承载能力，是为热疲劳破坏(它与金属热疲劳破坏是有区别的)。粘性流动是热疲劳破坏的主要原因；在疲劳载荷作用下裂纹萌生、扩展引起的机械疲劳断裂。聚合物的热疲劳通常是在较高应力水平和试验频率条件下，因产生的热量难以散失所引起的，因此，限制外加应力、降低试验频率、允许周期的停歇或冷却试样，以及增加试样表面积对体积的比值，均可抑制热疲劳破坏。前已述及，银纹是聚合物的特殊塑性变形方式。在循环载荷作用下，银纹仍然是聚合物最普遍的塑性变形方式之一，而且它往往是控制聚合物疲劳裂纹萌生和亚临界扩展的重要因素。银纹实际上起着与金属材料中驻留滑移带相同的作用。研究表明，聚合物疲劳裂纹扩展速率同样取决于应力强度因子范围 ，与金属疲劳裂纹扩展一样也可用Paris公式来描述。图920即为几种聚合物的 关系曲线，图中只有直线段一个区段，但有些聚合物的 .曲线也呈现由三个不同区段组成的“S”形，与金属材料相同。金属材料Paris公式中指数n24，而对聚合物n420。可见，聚合物的 较大，其抗疲劳裂纹扩展能力较金属低。聚合物疲劳断口也有特殊的形貌。疲 劳裂纹不是每个循环都向前扩展，而是经过几十或 几百次循环后才向前跃迁一次。聚合物中疲劳裂纹 不连续扩展是裂纹尖端银纹化所致，其模型如图9 21所示。在循环加载过程中，由于疲劳损伤累积，使裂纹尖端的银纹最大张开位移逐渐加大，当银纹最大张开位移达到临界值时，疲劳裂纹就向前跃迁一次；继续循环加载将形成新的银纹，并重复上述过程。图92l 疲劳裂纹 不连续扩展模型 思考题与习题1解释下列名词：(1)玻璃态；(2)高弹态；(3)粘流态；(4)粘性；(5)粘性变形；(6)粘弹性；(7)银纹。2试述聚合物材料的结构特征与性能特点。3线型非晶态聚合物力学性能的三态是什么?各有何特点?4试述非晶态聚合物和结晶态聚合物应力应变曲线的区别 5聚合物为什么会产生粘弹性?6试述银纹与裂纹的区别。