高分子物理讲义-第三章 高聚物的力学性能

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 高聚物的力学性能,强度,在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料发生形变直至宏观破坏或断裂，对此破坏或断裂的抵抗能力。,断裂,韧性断裂，屈服（高分子的塑性形变）后的断裂,脆性断裂，缺陷快速扩展,1,材料的力学性能指标,杨氏模量,（,E=,tg,=/，,弹性阶段）,屈服强度,屈服伸长（,l,y,）,断裂强度,断裂伸长（,l,B,）,断裂能（,E,B,）,屈服和断裂过程的物理本质,2,3.1,聚合物的塑性和屈服,应力,=,F,/,A,0,应变,=,l,/,l,0,F,拉力,A,0,试样的初始截面积,l,试样拉伸后长度变化量,l,0,试样初始长度,3,l,0,沿纵轴方向,匀速拉伸,恒定温度,应力应变曲线,条件：,4,非晶态聚合物应力应变曲线,Y,B,B,y,B,y,O,OY,弹性,YB,塑性,Yyield point,B break point,弹性屈服颈缩取向硬化断裂,5,温度对应力-应变曲线的影响,tt,g,，,B,10%,tt,g,， ,B,20%,tt,g,， ,B,20%,tt,g,， ,B,20%,6,应变速率对应力-应变曲线的影响,7,0.05,0.02,0.003,0.004,1,应变速率单位：,ms,-1,应变速率提高,E,增大,y,增大,l,B,减小,增加应变速率与降低温度是等效的。,7,流体静压力对应力-应变曲线的影响,流体静压力：,Pa,流体静压力提高,E,增大,y,增大,l,B,减小,增加流体静压力减少链段的活动性，松弛转变温度提高。,在给定温度下增压与给定压力下降温等效。,8,晶态聚合物应力-应变曲线,Y,B,晶态聚合物,晶区,非晶区,成颈范围宽（,T,g,T,m,）,结晶度增加,屈服应力、强度、模量、硬度增加,断裂伸长率、抗冲性能下降,9,取向聚合物应力-应变曲线,单轴取向取向方向上强度大,双轴取向改善材料性能,单轴取向,双轴取向,取向方向,非取向方向,10,聚合物应力-应变曲线的类型,硬而脆,PS，PMMA，,酚醛树脂，,l,B,2%,硬而强,UPVC，,l,B,5%,强而韧,NYLON-66，PC，POM，,l,B,5%,软而韧橡胶，增塑,PVC，,l,B,=20%,1000%,软而弱凝胶，不用作材料,11,细颈（,NECK）,成颈冷拉（,COLD DRAWING），,材料塑性形变的不稳定性。,形成原因,（1）几何因素：材料试片尺寸在各处的细微差别,（2）试样在屈服点后的应变软化,判断能否形成细颈的方法,Considere,作图法,12,Considere,作图法,-1,0,y,真,真,真,真应力，,真,真,=,F/A,A A,0,A = A,0,l,0,/,l,= A,0,/（1+）,tg,= ,真,/,（1+）,13,Considere,作图法,在,Y,点，,d/ d =0,真,= （1+ ）,则，,d,真,/ d = ,真,/,（1+ ）= ,真,/,屈服点为真应力-应变曲线上由应变轴,=-1,处向曲线作切线的切点。,14,Considere,作图法,从,应变轴,=-1,处向曲线作切线的切点应当有第二个，即极小值。,当,d,真,/ d ,真,/,（1+ ）= ,真,/,时，不能形成细颈。,真,不能成颈,不能稳定成颈,能稳定成颈,0,0,0,15,材料的屈服判据,屈服判据（,yield criterion）,组合应力状态下，材料的屈服条件。,3个正应力（,xx,yy,zz,），3,个切应力（,xy,yz,zx,）,1、单参数屈服判据,最大切应力理论（,Tresca,）,最大变形能理论（,Von,Mises,）,2、双参数屈服判据,Coulomb（MC）,MC,更适用于高分子材料,16,MC,屈服判据,在某平面出现屈服行为的临界应力,s,与垂直于该平面的正压力,N,成正比：,s,=K +,N,内摩擦系数,s,随着,N,增加而增加,17,剪切带的结构形态,剪切滑移变形带（,Shear band）45,0,角，剪切应力起重要作用。,18,F,F,A,剪切带的结构形态,A,0,F,F,F,s,F,n,F,沿平面切线分力,F,s,=,Fsin,沿平面法线分力,F,n,=,Fcos,法应力, n,= F,n,/ A,= ,0,cos,2,切应力, s,= F,s,/ A,= ,0,sin2/2,=0,0,， , n,=0,=45,0,， , n,= , s,=,0,/2,=90,0,，, n,= , s,=,0,19,剪切带的结构形态,切应力双生互等定律,两个互相垂直的斜截面上的剪应力的数值相等，方向相反，他们时不能单独存在的，总是同时出现。,切拉伸时，最大切应力首先达到材料的抗剪强度，剪切滑移变形带与拉伸方向成45,0,夹角。,一般夹角大于45,0,，因材料形变时伴随体积变化。,20,银纹（,crazing,）,聚合物（主要为非晶态聚合物）在张应力作用下，于材料的薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向。,应力发白,在银纹和本体聚合物之间的界面上对光线产生全反射。,银纹仍然具有强度,银纹对聚合物的宏观形变贡献不大,银纹化是玻璃态聚合物断裂的先决条件河屈服的机理,21,银纹（,crazing,）,环境银纹,聚合物载环境介质与应力的共同作用形成,银纹化的临界应变,随环境介质对聚合物的溶解度的增加而降低，随溶剂化聚合物的,T,g,的降低而降低。,22,3.2,聚合物的断裂与强度,在,T,g,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。,脆性断裂,在材料出现屈服之前发生的断裂,。由张应力分量引起。,一般材料在发生脆性断裂之前只发生很小的形变。,韧性断裂,在材料屈服之后的断裂,。由切应力分量引起。,脆性,和,韧性,依赖于温度和测试速率,23,聚合物的断裂,屈服应力随温度增加而降低，随应变速率增加而增加,脆韧转变随应变速率增加而移向高温，即：在低应变速率时为韧性的材料，在高应变速率时为脆性材料。,尖锐的缺口,使聚合物的断裂从韧性变为脆性,24,聚合物的强度,强度材料抵抗外力破坏的能力,拉伸强度,在规定的温度、湿度、试验速率下，标准试样沿轴向拉伸直到断裂，试样承受的最大载荷,P,与试样横截面的比值：,t,=,P,/,bd,（,单位：,Pa ）,杨氏模量,应力与应变不呈线性关系：,25,聚合物的强度,抗弯强度,规定试验条件下，静弯曲力矩使材料断裂时的最大载荷：,挠度，试样着力处的位移,26,聚合物的强度,硬度,衡量材料表面抵抗机械压力的能力的指标。,与材料的拉伸强度的弹性模量有关。,硬度,布氏硬度,洛氏硬度,邵氏硬度,HBS,HRS,HS,27,聚合物的破坏,聚合物的破坏,高分子主链的化学键断裂，高分子链间相互作用力的破坏。,防止应力集中,几何不连续缺口，裂纹,材质不连续,载荷不连续,温度分布不连续,28,断裂理论,有裂缝的材料易开裂应力集中,1、Griffith,线弹性断裂理论,断裂产生新的表面所需要的表面能由材料的内部弹性储能减少来补偿；,弹性储能在材料中的分布不均匀，裂缝附近集中大量的弹性储能，易于补偿而成为新的表面。,本质上是热力学理论,29,2、非线性断裂理论,非线性断裂产生的应变能大于撕裂能时，材料失去稳定性。,断裂理论,3、断裂的分子理论,材料的断裂是松弛过程；,原子热运动的无规热涨落能量超过束缚原子的势垒时，化学键裂解，断裂。,30,影响聚合物强度的因素与增强,影响聚合物强度的因素,内因（结构因素）,化学键力,分子链间的作用力,外因,温度,拉伸速率,31,影响聚合物强度的内因,1、极性增大强度提高，脆性增大,2、主链含芳杂环结构强度提高,3、分子链的支化程度增加拉伸强度降低,4、交联强度提高,5、分子量提高强度提高,6、结晶度提高强度提高,7、晶体结构纤维晶体，抗拉伸,8、取向强度提高；,9、材料缺陷强度降低,10、增塑剂强度降低,32,影响聚合物强度的外因,低温、高应变速率强度提高，脆性增大,双向土工格栅,33,聚合物增强途径,填料,粉状填料,木粉,碳黑,碳酸镁,氧化锌,轻质二氧化硅,纤维状填料,天然纤维,玻璃纤维,碳纤维,石墨纤维,硼纤维,单晶纤维,34,聚合物增强途径,共混液晶（热致性主链液晶）聚合物与热塑性聚合物的共混。,微纤增强原位（在共混过程中形成，类似于原位聚合）复合增强,结晶（性）,/,非晶（性）聚合物共混体系,35,聚合物增韧,冲击强度在冲击载荷的作用下折断或折裂单位截面积所吸收的能量：,W,冲断试样需要的功,冲击强度单位,美国材料协会（,ASTM）,悬臂梁式，,KJ/m,国标（,GB）,简支梁式，,KJ/m,2,36,F,F,简支梁（,Charpy,）,式,聚合物增韧,悬臂梁（,Izod,）,式,37,聚合物增韧途径,1、银纹机理脆性高分子（,PS，PMMA），,海岛型弹性体微粒作为应力集中物与基体间引发大量银纹，吸收冲击能。,2、银纹-剪切带机理橡胶（,PVC/CPE）,粒子作为应力集中物，在外力诱发下产生银纹和剪切带。,3、三轴应力空化机理,PC/MBS,等合金，基体与分散相界面呈脱离状态，在外力下发生三轴应力使分散相周围空化。,4、刚性粒子增韧机理刚性有机填料增韧（,ROF）；,刚性无机（超细）填料增韧（,RIF）；,刚性、弹性填料混杂,38,影响聚合物冲击强度的因素,影响聚合物冲击强度的因素,内因（结构因素）,化学键力,分子链间的作用力,外因,温度,外力作用速率,39,1、极性增大脆性增大，强度降低,2、分子链的支化程度增加冲击强度提高,3、交联强度提高,4、结晶度提高强度降低,5、晶体结构球晶小，抗冲击,6、取向强度提高；,7、材料缺陷强度降低,8、增塑剂强度提高,影响聚合物冲击强度的因素,40,影响聚合物冲击强度的因素,温度增加冲击强度冲击强度增加,外力作用时间长相当于温度增加，冲击强度增加,41,疲劳,疲劳材料或构件在周期应力作用下断裂或失效的现象,PVC,的,S-N,曲线：,S,承受应力的极大值,N ,达到破坏的应力循环次数,裂纹引发,裂纹传播,最后破坏,N,42,疲劳,疲劳极限,热塑性聚合物：为静态极限强度的1/5,增强塑料：为静态极限强度的1/2,43,