第一章高聚物的力學(xué)性能-精簡版2

1、高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能n概述概述n高彈性高彈性n粘彈性（高聚物的力學(xué)松弛現(xiàn)象）粘彈性（高聚物的力學(xué)松弛現(xiàn)象）n蠕變?nèi)渥僴應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛n滯后滯后n力學(xué)損耗力學(xué)損耗n測定高聚物粘彈性的實(shí)驗(yàn)方法測定高聚物粘彈性的實(shí)驗(yàn)方法n極限力學(xué)行為（屈服、破壞與強(qiáng)度）極限力學(xué)行為（屈服、破壞與強(qiáng)度）n塑料常規(guī)力學(xué)性能的測試塑料常規(guī)力學(xué)性能的測試概述概述n力學(xué)性能分類力學(xué)性能分類n表征力學(xué)性能的基本物理量表征力學(xué)性能的基本物理量n高聚物力學(xué)性能的特點(diǎn)高聚物力學(xué)性能的特點(diǎn)常常 見見 材材 料料 的的 泊泊 松松 比比泊松比數(shù)值泊松比數(shù)值解解 釋釋0.5不可壓縮或拉伸中無體積變化不可壓縮或拉伸中無體積變化

2、0.0沒有橫向收縮沒有橫向收縮0.490.499橡膠的典型數(shù)值橡膠的典型數(shù)值0.200.40塑料的典型數(shù)值塑料的典型數(shù)值厚度厚度d寬度寬度bP 試樣斷裂前所受的最大負(fù)荷試樣斷裂前所受的最大負(fù)荷P P與試樣橫截面積之與試樣橫截面積之比為抗張強(qiáng)度比為抗張強(qiáng)度 t t t t = = P P / / b b d d1 1、拉伸強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度 衡量材料抵抗拉伸破壞的能力，也稱拉伸強(qiáng)度。衡量材料抵抗拉伸破壞的能力，也稱拉伸強(qiáng)度。3、沖擊強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度（ i） 沖擊強(qiáng)度也稱抗沖強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度也稱抗沖強(qiáng)度, 定義為試樣受沖定義為試樣受沖擊負(fù)荷時(shí)單位截面積所吸收的能量。是衡量擊負(fù)荷時(shí)單位截面積所吸收的能量。是衡

3、量材料韌性的一種指標(biāo)。材料韌性的一種指標(biāo)。沖擊頭，以一定速?zèng)_擊頭，以一定速度對試樣實(shí)施沖擊度對試樣實(shí)施沖擊Pbl0/2l0/2d1.兩種組成基本相同的乙烯兩種組成基本相同的乙烯-丙稀共聚物，一丙稀共聚物，一種適于種適于rubber，而另一種適于，而另一種適于plastics。推測。推測其原因，如何驗(yàn)證你的推測其原因，如何驗(yàn)證你的推測?思考題思考題2、不受外力作用，橡皮筋受熱伸長；不受外力作用，橡皮筋受熱伸長；在恒定外力作用下，受熱收縮，試用高在恒定外力作用下，受熱收縮，試用高彈性熱力學(xué)理論解釋彈性熱力學(xué)理論解釋 。3、在橡膠下懸一砝碼，保持外界不變，、在橡膠下懸一砝碼，保持外界不變，升溫時(shí)會發(fā)

4、生什么現(xiàn)象？升溫時(shí)會發(fā)生什么現(xiàn)象？粘 彈 性n松弛現(xiàn)象松弛現(xiàn)象n蠕變?nèi)渥僴應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛n滯后滯后n力學(xué)損耗力學(xué)損耗n測定粘彈性的方法測定粘彈性的方法n粘彈性模型粘彈性模型n粘彈性與時(shí)間、溫度的關(guān)系（時(shí)溫等效）粘彈性與時(shí)間、溫度的關(guān)系（時(shí)溫等效）形變形變時(shí)間時(shí)間交聯(lián)高聚物交聯(lián)高聚物理想彈性體理想彈性體理想粘性體理想粘性體線性高聚物線性高聚物Gt因此高分子的形變行為是與時(shí)間有關(guān)的粘性和彈性的組合粘彈性外力作用下，高聚物材料的形變性質(zhì)兼具 固體的彈性和液體粘性的特征，其現(xiàn)象表 現(xiàn)為力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間而變化的力學(xué)松弛現(xiàn)象。 所以高聚物常稱為粘彈性材料，這是聚合物材料的又一重要特征。高聚物的力學(xué)松弛現(xiàn)象

5、與模型高聚物的力學(xué)松弛現(xiàn)象與模型n力學(xué)松弛力學(xué)松弛高聚物的力學(xué)性能隨高聚物的力學(xué)性能隨時(shí)間的變化統(tǒng)稱力學(xué)松弛時(shí)間的變化統(tǒng)稱力學(xué)松弛n最基本的有：最基本的有：應(yīng)力松弛蠕變滯后力學(xué)損耗靜態(tài)粘彈性動(dòng)態(tài)粘彈性蠕 變n蠕變：蠕變：在一定的溫度和恒定的外力作用在一定的溫度和恒定的外力作用下（拉力，壓力，扭力等），材料的形下（拉力，壓力，扭力等），材料的形變隨時(shí)間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。變隨時(shí)間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。n蠕變過程包括下面三種形變：蠕變過程包括下面三種形變： 普彈形變、高彈形變、粘性流動(dòng)普彈形變、高彈形變、粘性流動(dòng) 蠕變現(xiàn)象一般采用Voigt(Kelvin)模型來模擬： 由虎克彈簧和牛頓粘壺并

6、聯(lián)而成： 應(yīng)力由兩個(gè)元件共同承擔(dān)，12( )dtEdt Voigt運(yùn)動(dòng)方程形變量相同Voigt(Kelvin)模型始終滿足 =1 1+2 2Voigt(Kelvin)模型1=E122ddt3 312普彈高彈塑性21t多元件模型四單元模型000123123(1)tetEE蠕變時(shí)：t1 t2 n例例1：硬硬PVC抗蝕性好，可作化工管道，抗蝕性好，可作化工管道，但易蠕變，所以使用時(shí)必須增加支架。但易蠕變，所以使用時(shí)必須增加支架。n例例2：聚四氟乙烯(PTFE)是塑料中摩擦系是塑料中摩擦系數(shù)最小的，所以有很好的自潤滑性能，數(shù)最小的，所以有很好的自潤滑性能，但蠕變嚴(yán)重，所以不能作機(jī)械零件，但蠕變嚴(yán)重，所

7、以不能作機(jī)械零件，卻是很好的密封材料。卻是很好的密封材料。n例例3：橡膠采用硫化交聯(lián)的辦法來防止橡膠采用硫化交聯(lián)的辦法來防止由蠕變產(chǎn)生分子間滑移造成不可逆的由蠕變產(chǎn)生分子間滑移造成不可逆的形變。形變。 力 學(xué) 松 弛 現(xiàn) 象蠕變應(yīng)力松弛滯后力學(xué)損耗靜態(tài)粘彈性動(dòng)態(tài)粘彈性應(yīng) 力 松 弛 （Stress Relax）n定義：對于一個(gè)線性粘彈體來說，定義：對于一個(gè)線性粘彈體來說，在應(yīng)變保持不變的情況下，應(yīng)力隨在應(yīng)變保持不變的情況下，應(yīng)力隨時(shí)間的增加而逐漸衰減，這一現(xiàn)象時(shí)間的增加而逐漸衰減，這一現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。叫應(yīng)力松弛。n拉伸一塊未交聯(lián)的橡膠到一定長度，并保拉伸一塊未交聯(lián)的橡膠到一定長度，并保持長度不

8、變，隨著時(shí)間的增加，這塊橡膠持長度不變，隨著時(shí)間的增加，這塊橡膠的回彈力會逐漸減小，這是因?yàn)槔锩娴膽?yīng)的回彈力會逐漸減小，這是因?yàn)槔锩娴膽?yīng)力在慢慢減小，最后變?yōu)榱υ诼郎p小，最后變?yōu)?。因此用未交聯(lián)。因此用未交聯(lián)的橡膠來做傳動(dòng)帶是不行的。的橡膠來做傳動(dòng)帶是不行的。 時(shí)間時(shí)間t應(yīng)力應(yīng)力0 ()() 交聯(lián)物交聯(lián)物線形物線形物 起始應(yīng)力起始應(yīng)力 松弛時(shí)間松弛時(shí)間 n應(yīng)力松弛和蠕變是一個(gè)問題的兩個(gè)方面，都應(yīng)力松弛和蠕變是一個(gè)問題的兩個(gè)方面，都反映了高聚物內(nèi)部分子的三種運(yùn)動(dòng)情況：當(dāng)反映了高聚物內(nèi)部分子的三種運(yùn)動(dòng)情況：當(dāng)高聚物一開始被拉長時(shí)，其中分子處于不平高聚物一開始被拉長時(shí)，其中分子處于不平衡的構(gòu)象，要

9、逐漸過渡到平衡的構(gòu)象，也就衡的構(gòu)象，要逐漸過渡到平衡的構(gòu)象，也就是鏈段要順著外力的方向來運(yùn)動(dòng)以減少或消是鏈段要順著外力的方向來運(yùn)動(dòng)以減少或消除內(nèi)部應(yīng)力。除內(nèi)部應(yīng)力。 te0n（1）如果如果 ，如常溫下的橡膠，如常溫下的橡膠，鏈段易運(yùn)動(dòng)，受到的內(nèi)摩擦力很小，分鏈段易運(yùn)動(dòng)，受到的內(nèi)摩擦力很小，分子很快順著外力方向調(diào)整，內(nèi)應(yīng)力很快子很快順著外力方向調(diào)整，內(nèi)應(yīng)力很快消失（松弛了），甚至可以快到覺察不消失（松弛了），甚至可以快到覺察不到的程度到的程度 。n（2）如果）如果 ，如常溫下的塑料，如常溫下的塑料，雖然鏈段受到很大的應(yīng)力，但由于內(nèi)摩雖然鏈段受到很大的應(yīng)力，但由于內(nèi)摩擦力很大，鏈段運(yùn)動(dòng)能力很小，所

10、以應(yīng)擦力很大，鏈段運(yùn)動(dòng)能力很小，所以應(yīng)力松弛極慢，也就不易覺察到。力松弛極慢，也就不易覺察到。gTT gTT 溫度與應(yīng)力松弛溫度與應(yīng)力松弛n（3）如果溫度接近）如果溫度接近 （附近幾十（附近幾十度），應(yīng)力松弛可以較明顯地被觀察度），應(yīng)力松弛可以較明顯地被觀察到，如軟到，如軟PVC絲，用它來縛物，開始扎絲，用它來縛物，開始扎得很緊，后來就會慢慢變松，就是應(yīng)得很緊，后來就會慢慢變松，就是應(yīng)力松弛比較明顯的例子。力松弛比較明顯的例子。n（4）只有交聯(lián)高聚物應(yīng)力松弛不會減）只有交聯(lián)高聚物應(yīng)力松弛不會減到零（因?yàn)椴粫a(chǎn)生分子間滑移），到零（因?yàn)椴粫a(chǎn)生分子間滑移），而線形高聚物的應(yīng)力松弛可減到零。而線形

11、高聚物的應(yīng)力松弛可減到零。gT應(yīng)力松弛的Maxwell模型 一個(gè)虎克彈簧（彈性） 一個(gè)牛頓粘壺（粘性）串連說明粘彈性虎克彈簧彈簧牛頓牛頓粘壺1=E122ddt 松弛過程（兩種現(xiàn)象）松弛過程（兩種現(xiàn)象） 是高聚物從一種平衡狀態(tài)過渡到另外一種平衡狀態(tài)的過程。在松弛過程中，高聚物處于不平衡的過渡。 常見的高聚物松弛過程常見的高聚物松弛過程高聚物的松弛過程應(yīng)力松弛（relaxation of stress）蠕變（creep）是在保持高聚物材料形變一定的情況下，應(yīng)力隨時(shí)間的增加而逐漸減小的現(xiàn)象。是在一定的應(yīng)力作用下，形變隨時(shí)間的增加而增大的現(xiàn)象。 高聚物的松弛過程直接影響高聚物材料尺寸穩(wěn)定性；但高聚物材

12、料成型加工過程中需要通過松弛過程將各種應(yīng)力松弛掉，防止應(yīng)力集中而影響使用。松弛過程的本質(zhì)：松弛過程的本質(zhì)：是鏈段和分子鏈運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。 應(yīng)力松弛曲線與應(yīng)力松弛示意圖應(yīng)力松弛曲線與應(yīng)力松弛示意圖 蠕變曲線示意圖蠕變曲線示意圖t停止型減小型1受力形變維持不變應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛示意圖示意圖應(yīng)力松弛曲應(yīng)力松弛曲線示意圖線示意圖增長型停止型穩(wěn)變型t蠕變曲線示意圖滯后現(xiàn)象 試樣在交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變的變化落后于應(yīng)力的變化的現(xiàn)象 滯 后 現(xiàn) 象（Delay ）n高聚物作為結(jié)構(gòu)材料，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，高聚物作為結(jié)構(gòu)材料，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往受到交變力的作用。例如傳動(dòng)皮帶，往往受到交變力的作用。例如傳動(dòng)皮帶，齒輪

13、，輪胎，消振器等，它們都是在齒輪，輪胎，消振器等，它們都是在交交變力作用變力作用的場合使用的。的場合使用的。例如，自行車行駛時(shí)橡膠輪胎的某一部分一會兒著地，一例如，自行車行駛時(shí)橡膠輪胎的某一部分一會兒著地，一會兒離地，因而受到的是一個(gè)交變力。在這個(gè)交變力作用會兒離地，因而受到的是一個(gè)交變力。在這個(gè)交變力作用下，輪胎的形變也是一會兒大一會兒小的變化。形變總是下，輪胎的形變也是一會兒大一會兒小的變化。形變總是落后于應(yīng)力的變化，這種滯后現(xiàn)象的發(fā)生是由于鏈段在運(yùn)落后于應(yīng)力的變化，這種滯后現(xiàn)象的發(fā)生是由于鏈段在運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到內(nèi)摩擦力的作用。當(dāng)外力變化時(shí)，鏈段的運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)要受到內(nèi)摩擦力的作用。當(dāng)外力變化時(shí)，鏈

14、段的運(yùn)動(dòng)跟不上外力的變化，所以落后于應(yīng)力，有一個(gè)相位差跟不上外力的變化，所以落后于應(yīng)力，有一個(gè)相位差。相位差越大，說明鏈段運(yùn)動(dòng)越困難。相位差越大，說明鏈段運(yùn)動(dòng)越困難。汽車速度60公里/小時(shí)輪胎某處受300次/分的周期應(yīng)力作用。)( t)( t)( t)( t32(t)wt(t)00( )sintwt0( )sin()twt2300sinsin()22wttwt對彈性材料：（t）形變與時(shí)間 無關(guān)，與應(yīng)力同相位對牛頓粘性材料：（t）應(yīng)變落后于應(yīng)力粘彈材料的力學(xué)響應(yīng)介于彈性與粘性之間，應(yīng)變落后于應(yīng) 力一個(gè)相位角。020( )sin()twt形變落后于應(yīng)變變化的相位角。 越大，說明滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。n解

15、釋解釋： 產(chǎn)生滯后的原因：外力作用時(shí)，鏈產(chǎn)生滯后的原因：外力作用時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)要受到內(nèi)摩擦阻力的作用，外力變段運(yùn)動(dòng)要受到內(nèi)摩擦阻力的作用，外力變化時(shí)鏈段運(yùn)動(dòng)跟不上外力的變化，化時(shí)鏈段運(yùn)動(dòng)跟不上外力的變化，落后于落后于。鏈段在運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到內(nèi)摩擦力的作用，。鏈段在運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到內(nèi)摩擦力的作用，當(dāng)外力變化時(shí)鏈段的運(yùn)動(dòng)還跟不上外力的當(dāng)外力變化時(shí)鏈段的運(yùn)動(dòng)還跟不上外力的變化，形變落后于應(yīng)力，有一個(gè)相位差，變化，形變落后于應(yīng)力，有一個(gè)相位差，其越大，說明鏈段運(yùn)動(dòng)愈困難，愈是跟不其越大，說明鏈段運(yùn)動(dòng)愈困難，愈是跟不上外力的變化。上外力的變化。n高聚物的滯后現(xiàn)象與其本身的化學(xué)高聚物的滯后現(xiàn)象與其本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)

16、：通常剛性分子滯后現(xiàn)象小結(jié)構(gòu)有關(guān)：通常剛性分子滯后現(xiàn)象?。ㄈ缢芰希?；柔性分子滯后現(xiàn)象嚴(yán)重（如塑料）；柔性分子滯后現(xiàn)象嚴(yán)重（如橡膠）（如橡膠）n滯后現(xiàn)象還受到外界條件的影響滯后現(xiàn)象還受到外界條件的影響n外力作用的頻率外力作用的頻率n如果外力作用的頻率低，鏈段能夠來如果外力作用的頻率低，鏈段能夠來得及運(yùn)動(dòng)，形變能跟上應(yīng)力的變化，得及運(yùn)動(dòng)，形變能跟上應(yīng)力的變化，則滯后現(xiàn)象很小。則滯后現(xiàn)象很小。n只有外力的作用頻率處于某一種水平，只有外力的作用頻率處于某一種水平，使鏈段可以運(yùn)動(dòng)，但又跟不上應(yīng)力的使鏈段可以運(yùn)動(dòng)，但又跟不上應(yīng)力的變化，才會出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象變化，才會出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象n溫度的影響溫度的影

17、響n溫度很高時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)很快，形變幾溫度很高時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)很快，形變幾乎不落后應(yīng)力的變化，滯后現(xiàn)象幾乎乎不落后應(yīng)力的變化，滯后現(xiàn)象幾乎不存在不存在n溫度很低時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)速度很慢，在溫度很低時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)速度很慢，在應(yīng)力增長的時(shí)間內(nèi)形變來不及發(fā)展，應(yīng)力增長的時(shí)間內(nèi)形變來不及發(fā)展，也無滯后也無滯后n只有在某一溫度下（只有在某一溫度下（ 上下幾十度范上下幾十度范圍內(nèi)），鏈段能充分運(yùn)動(dòng)，但又跟不圍內(nèi)），鏈段能充分運(yùn)動(dòng)，但又跟不上應(yīng)力變化，滯后現(xiàn)象就比較嚴(yán)重上應(yīng)力變化，滯后現(xiàn)象就比較嚴(yán)重gT 增加頻率與降低溫度對滯后有相同增加頻率與降低溫度對滯后有相同的影響的影響 降低頻率與升高溫度對滯后有相同降低頻率與升

18、高溫度對滯后有相同的影響的影響力力 學(xué)學(xué) 損損 耗耗n輪胎在高速行使相當(dāng)長時(shí)間后，立即檢輪胎在高速行使相當(dāng)長時(shí)間后，立即檢查內(nèi)層溫度，為什么達(dá)到燙手的程度？查內(nèi)層溫度，為什么達(dá)到燙手的程度？n解：高聚物受到交變力作用時(shí)會產(chǎn)解：高聚物受到交變力作用時(shí)會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，上一次受到外力后發(fā)生滯后現(xiàn)象，上一次受到外力后發(fā)生形變在外力去除后還來不及恢復(fù)，生形變在外力去除后還來不及恢復(fù)，下一次應(yīng)力又施加了，以致總有部下一次應(yīng)力又施加了，以致總有部分彈性儲能沒有釋放出來。這樣不分彈性儲能沒有釋放出來。這樣不斷循環(huán)，那些未釋放的彈性儲能都斷循環(huán)，那些未釋放的彈性儲能都被消耗在體系的自摩擦上，并轉(zhuǎn)化被消耗在體系的

19、自摩擦上，并轉(zhuǎn)化成熱量放出。成熱量放出。定義n這種由于力學(xué)滯后而使機(jī)械功轉(zhuǎn)換成熱這種由于力學(xué)滯后而使機(jī)械功轉(zhuǎn)換成熱的現(xiàn)象，稱為的現(xiàn)象，稱為力學(xué)損耗或內(nèi)耗力學(xué)損耗或內(nèi)耗。n以應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系作以應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系作圖時(shí)，所得的曲線在圖時(shí)，所得的曲線在施加幾次交變應(yīng)力后施加幾次交變應(yīng)力后就封閉成環(huán)，稱為滯就封閉成環(huán)，稱為滯后環(huán)或滯后圈，此圈后環(huán)或滯后圈，此圈越大，力學(xué)損耗越大。越大，力學(xué)損耗越大。回縮曲線回縮曲線拉伸曲線拉伸曲線n例例1：n對于作輪胎的橡膠，則希望它有最小的力學(xué)損對于作輪胎的橡膠，則希望它有最小的力學(xué)損耗才好。耗才好。n順丁膠：內(nèi)耗小，結(jié)構(gòu)簡單，沒有側(cè)基，鏈段運(yùn)順丁膠：內(nèi)耗小，結(jié)構(gòu)簡單，沒有

20、側(cè)基，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較小。動(dòng)的內(nèi)摩擦較小。n丁苯膠：內(nèi)耗大，結(jié)構(gòu)含有較大剛性的苯基，鏈丁苯膠：內(nèi)耗大，結(jié)構(gòu)含有較大剛性的苯基，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較大。段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較大。n丁腈膠：內(nèi)耗大，結(jié)構(gòu)含有極性較強(qiáng)的氰基，鏈丁腈膠：內(nèi)耗大，結(jié)構(gòu)含有極性較強(qiáng)的氰基，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較大。段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較大。n丁基膠：內(nèi)耗比上面幾種都大，側(cè)基數(shù)目多，鏈丁基膠：內(nèi)耗比上面幾種都大，側(cè)基數(shù)目多，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦更大。段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦更大。n例例2：n對于作為防震材料，要求在常溫附近有對于作為防震材料，要求在常溫附近有較大的力學(xué)損耗（吸收振動(dòng)能并轉(zhuǎn)化為較大的力學(xué)損耗（吸收振動(dòng)能并轉(zhuǎn)化為熱能）。熱能）。n對于隔音材料

21、和吸音材料，要求在音頻對于隔音材料和吸音材料，要求在音頻范圍內(nèi)有較大的力學(xué)損耗（當(dāng)然也不能范圍內(nèi)有較大的力學(xué)損耗（當(dāng)然也不能內(nèi)耗太大，否則發(fā)熱過多，材料易于熱內(nèi)耗太大，否則發(fā)熱過多，材料易于熱態(tài)化）。態(tài)化）。動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響因素 滯后現(xiàn)象主要存在于交變場中的橡膠制品中，塑料處Tg、Tm以下，損耗小。結(jié)構(gòu)的影響：結(jié)構(gòu)的影響： BR順丁橡膠 : 結(jié)構(gòu)簡單，分子間力小，鏈段運(yùn)動(dòng)容易內(nèi)摩 擦阻力小，松弛時(shí)間短，小，tg小 NR: 結(jié)構(gòu)上比BR多一側(cè)甲基，tg較較BR小小 SBR丁苯橡膠: 側(cè)基有芳環(huán)，體積效應(yīng)大，tg 大大升熱大,溶 聚丁苯膠的升熱較低 NBR丁腈橡膠: 側(cè)基-CN，極性大，分子間力

22、大，內(nèi)摩擦大，運(yùn)動(dòng) 阻力大，大，大，NBRNBR的的tg與與 -CN-CN含量有關(guān)含量有關(guān) IIR IIR丁基橡膠: : 側(cè)基側(cè)基-CH3-CH3，數(shù)目多，動(dòng)態(tài)下內(nèi)摩擦，數(shù)目多，動(dòng)態(tài)下內(nèi)摩擦阻力大，阻力大， tg大BR NR SBR NBR IIRtg由小到大的順序：由小到大的順序：溫度的影響溫度的影響： （固定頻率下）（固定頻率下）Tg以下，形變主要 由鍵長、鍵角的變化引起，形變速率快，幾乎完全跟得上應(yīng)力的變化，tg小小Tg附近時(shí)，鏈段開始運(yùn)動(dòng)，而體系粘度很大，附近時(shí)，鏈段開始運(yùn)動(dòng)，而體系粘度很大，鏈段運(yùn)動(dòng)很難，內(nèi)摩擦阻力大，形變顯著落后鏈段運(yùn)動(dòng)很難，內(nèi)摩擦阻力大，形變顯著落后于應(yīng)力的變化，

23、于應(yīng)力的變化， tg大（轉(zhuǎn)變區(qū)）大（轉(zhuǎn)變區(qū)）鏈段運(yùn)動(dòng)較自由、容易，受力時(shí)形變大，鏈段運(yùn)動(dòng)較自由、容易，受力時(shí)形變大，tg小，內(nèi)摩擦阻力大于玻璃態(tài)。小，內(nèi)摩擦阻力大于玻璃態(tài)。向粘流態(tài)過度，分子間的相互滑移，內(nèi)摩擦大，向粘流態(tài)過度，分子間的相互滑移，內(nèi)摩擦大，內(nèi)耗急劇增加，內(nèi)耗急劇增加， tg大大TTg：TTg：TTf：TTg：頻率的影響：（溫度恒定）頻率的影響：（溫度恒定）（1）交變應(yīng)力的頻率小時(shí)： （相當(dāng)于高彈態(tài)） 鏈段完全跟得上交變應(yīng)力的變化，內(nèi)耗小，E小，E” 和tg都比較低都比較低. .（2 2）交變應(yīng)力的頻率大時(shí)：）交變應(yīng)力的頻率大時(shí)： （相當(dāng)于玻璃態(tài)）（相當(dāng)于玻璃態(tài)） 鏈段完全跟不上

24、外力的變化，不損耗能量，鏈段完全跟不上外力的變化，不損耗能量，E E大，大， E E”和和tg00（3 3）頻率在一定范圍內(nèi)時(shí)：）頻率在一定范圍內(nèi)時(shí)： 鏈段可運(yùn)動(dòng)，但又跟不上外力的變化，表現(xiàn)出明顯的鏈段可運(yùn)動(dòng)，但又跟不上外力的變化，表現(xiàn)出明顯的 能量損耗，因此能量損耗，因此E E”和和tg在某一頻率下有一極大值在某一頻率下有一極大值玻璃化轉(zhuǎn)變頻率此區(qū)域表現(xiàn)出明顯的粘彈行為故稱粘彈區(qū)玻璃化轉(zhuǎn)變頻率此區(qū)域表現(xiàn)出明顯的粘彈行為故稱粘彈區(qū)lgElg粘彈區(qū)橡膠區(qū)玻璃態(tài)lggE”Etg測定高聚物粘彈性的實(shí)驗(yàn)方法測定高聚物粘彈性的實(shí)驗(yàn)方法n蠕變儀蠕變儀 n高聚物的蠕變試驗(yàn)可在拉伸，壓縮，高聚物的蠕變試驗(yàn)可在

25、拉伸，壓縮，剪切，彎曲下進(jìn)行。剪切，彎曲下進(jìn)行。（）拉伸蠕變試驗(yàn)（）拉伸蠕變試驗(yàn)機(jī)機(jī) （塑料）（塑料）原理：對試樣施加原理：對試樣施加恒定的外力（加力恒定的外力（加力可以是上夾具固定，可以是上夾具固定，自試樣下面直接掛自試樣下面直接掛荷重），測定應(yīng)變荷重），測定應(yīng)變隨時(shí)間的變化隨時(shí)間的變化夾具夾具試樣試樣荷重荷重n注注：n對于硬塑料，長度變化較小，通對于硬塑料，長度變化較小，通常在試樣表面貼應(yīng)變片（類似電常在試樣表面貼應(yīng)變片（類似電子秤的裝置，可以將力學(xué)信號轉(zhuǎn)子秤的裝置，可以將力學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚?，而得出?yīng)變值），變?yōu)殡娮柚担贸鰬?yīng)變值），測定拉伸過程中電阻值的變化而測定拉伸過程中電阻值的變

26、化而得出應(yīng)變值。得出應(yīng)變值。（）剪切蠕變（）剪切蠕變（交聯(lián)橡膠交聯(lián)橡膠） 材料受的剪切應(yīng)力在這種恒切應(yīng)力下測定材料受的剪切應(yīng)力在這種恒切應(yīng)力下測定應(yīng)變隨時(shí)間的變化。應(yīng)變隨時(shí)間的變化。n應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛n拉伸應(yīng)力松弛拉伸應(yīng)力松弛 （橡膠和低模量高聚物（橡膠和低模量高聚物的應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)）的應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)） n動(dòng)態(tài)扭擺儀動(dòng)態(tài)扭擺儀n扭擺測量原理：由扭擺測量原理：由于試樣內(nèi)部高分子于試樣內(nèi)部高分子的內(nèi)摩擦作用，使的內(nèi)摩擦作用，使得慣性體的振動(dòng)受得慣性體的振動(dòng)受到阻尼后逐漸衰減，到阻尼后逐漸衰減，振幅隨時(shí)間增加而振幅隨時(shí)間增加而減小。減小。極 限 力 學(xué) 行 為n概述概述n應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線n屈服屈

27、服n冷拉與成頸冷拉與成頸n銀紋與應(yīng)力發(fā)白銀紋與應(yīng)力發(fā)白n強(qiáng)度與破壞強(qiáng)度與破壞概概 述述n非極限范圍內(nèi)的小形變：可用模非極限范圍內(nèi)的小形變：可用模量來表示形變特性量來表示形變特性 極限范圍內(nèi)的大形變：要用應(yīng)力極限范圍內(nèi)的大形變：要用應(yīng)力應(yīng)變曲線來反映這一過程應(yīng)變曲線來反映這一過程The stress-strain curves 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線AAE A 彈性極限應(yīng)變 A彈性極限應(yīng)力 B 斷裂伸長率 B斷裂強(qiáng)度 Y 屈服應(yīng)力Y point: Yielding point 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)A point: Point of elastic limit 彈性極限點(diǎn)彈性極限點(diǎn)B point: B

28、reaking point 斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn)形變過程形變過程彈性形變彈性形變 -屈服屈服-應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化-冷拉冷拉-應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化-斷斷裂裂n由應(yīng)力應(yīng)變曲線上可獲得的反映由應(yīng)力應(yīng)變曲線上可獲得的反映破壞過程的力學(xué)量破壞過程的力學(xué)量:n楊氏模量楊氏模量n屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力n屈服伸長屈服伸長n斷裂強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）斷裂強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）n斷裂伸長斷裂伸長n高聚物的力學(xué)性能與溫度和力的作用速高聚物的力學(xué)性能與溫度和力的作用速率有關(guān)，因此率有關(guān)，因此在試驗(yàn)和應(yīng)用中務(wù)必牢牢記在試驗(yàn)和應(yīng)用中務(wù)必牢牢記住?。罕仨殬?biāo)明溫度和施力速率（或形變速：必須標(biāo)明溫度和施力速率（或形變速率），切勿將正常形變速率下測試數(shù)據(jù)用率）

29、，切勿將正常形變速率下測試數(shù)據(jù)用于持久力作用或沖擊力作用下的場合下；于持久力作用或沖擊力作用下的場合下；切勿將正常溫度下得到的數(shù)據(jù)用于低溫或切勿將正常溫度下得到的數(shù)據(jù)用于低溫或高溫下。只有在寬廣的溫度范圍和形變速高溫下。只有在寬廣的溫度范圍和形變速率范圍內(nèi)測得的數(shù)據(jù)才可以幫助我們判斷率范圍內(nèi)測得的數(shù)據(jù)才可以幫助我們判斷高聚物材料的強(qiáng)度、硬軟、韌脆，再根據(jù)高聚物材料的強(qiáng)度、硬軟、韌脆，再根據(jù)環(huán)境的要求，才能選出合適的材料來進(jìn)行環(huán)境的要求，才能選出合適的材料來進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用。設(shè)計(jì)和應(yīng)用。n材料破壞有二種方式，可從拉伸應(yīng)力材料破壞有二種方式，可從拉伸應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變曲線的形狀和破壞時(shí)斷面形狀來區(qū)分：變曲線

30、的形狀和破壞時(shí)斷面形狀來區(qū)分：n脆性破壞脆性破壞:試樣在出現(xiàn)屈服點(diǎn)之前斷裂試樣在出現(xiàn)屈服點(diǎn)之前斷裂 斷裂表面光滑斷裂表面光滑n韌性破壞韌性破壞:試樣在拉伸過程中有明顯屈服試樣在拉伸過程中有明顯屈服 點(diǎn)和頸縮現(xiàn)象點(diǎn)和頸縮現(xiàn)象 短裂表面粗糙短裂表面粗糙n拉伸應(yīng)力曲線反映的材料的力學(xué)性質(zhì)拉伸應(yīng)力曲線反映的材料的力學(xué)性質(zhì)n力力 學(xué)學(xué) 參參 量量 力力 學(xué)學(xué) 性性 質(zhì)質(zhì) n彈性模量彈性模量 剛性剛性n屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) 彈性彈性n斷裂伸長斷裂伸長 延性延性n屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力 強(qiáng)度強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度）（或斷裂強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度）n應(yīng)力應(yīng)變曲線下部的面積應(yīng)力應(yīng)變曲線下部的面積 韌性韌性n彈性線下部的面積彈性線

31、下部的面積 回彈性回彈性應(yīng)應(yīng) 力力-應(yīng)應(yīng) 變變 曲曲 線線1.高聚物的應(yīng)力高聚物的應(yīng)力應(yīng)變綜合曲線應(yīng)變綜合曲線屈服應(yīng)變屈服應(yīng)變彈性彈性線性線性B（屈服點(diǎn)）（屈服點(diǎn)）C斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn)塑性塑性 整個(gè)曲線有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，劃分為三段：曲線的初始段（OY），應(yīng)力隨應(yīng)變直線增加，試樣均勻伸長；達(dá)到屈服點(diǎn)（Y）后，試樣突然在某處或幾處變細(xì)，出現(xiàn)“細(xì)頸”，由此開始拉伸的第二階段細(xì)頸發(fā)展階段（ND），這一階段的特點(diǎn)是伸長不斷增加而應(yīng)力幾乎不變或增大不多，直至整個(gè)試樣全部變細(xì)（D點(diǎn)）；第三階段（DB）是已被細(xì)頸的試樣重新被均勻拉伸應(yīng)力隨應(yīng)變增加，直至斷裂點(diǎn)B為止。OYNDBOY段段 YN段段ND段段DB段段D點(diǎn)點(diǎn)OY

32、段段YN段段ND段段D點(diǎn)點(diǎn)DB段段試樣形狀變化試樣形狀變化n實(shí)際聚合物材料，通常是綜合曲線的實(shí)際聚合物材料，通常是綜合曲線的一部分或是其變異一部分或是其變異 。n處于玻璃態(tài)的塑料只在一段范圍內(nèi)才處于玻璃態(tài)的塑料只在一段范圍內(nèi)才具有這種形狀。具有這種形狀。n處于高彈態(tài)的橡膠，只有在溫度較低處于高彈態(tài)的橡膠，只有在溫度較低和分子量很大時(shí)具有這種形狀。和分子量很大時(shí)具有這種形狀。n分析：分析： 以以B點(diǎn)為界分為二部分：點(diǎn)為界分為二部分：nB點(diǎn)以前（彈性區(qū)域）：除去應(yīng)力，材料能恢復(fù)原樣，點(diǎn)以前（彈性區(qū)域）：除去應(yīng)力，材料能恢復(fù)原樣，不留任何永久變形。斜率不留任何永久變形。斜率 即為楊氏模量。即為楊氏模

33、量。nB點(diǎn)以后（塑性區(qū)域）：除去外力后，材料不再恢復(fù)點(diǎn)以后（塑性區(qū)域）：除去外力后，材料不再恢復(fù)原樣，而留有永久變形，我們稱材料原樣，而留有永久變形，我們稱材料“屈服屈服”了，了，B點(diǎn)以后總的趨勢是載荷幾乎不增加但形變卻增加很多點(diǎn)以后總的趨勢是載荷幾乎不增加但形變卻增加很多tg屈服應(yīng)變屈服應(yīng)變彈性彈性線性線性B（屈服點(diǎn)）（屈服點(diǎn)）C斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn)塑性塑性nB點(diǎn)：屈服點(diǎn)點(diǎn)：屈服點(diǎn) B點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力 B點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的應(yīng)變點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的應(yīng)變屈服應(yīng)變屈服應(yīng)變nC點(diǎn)：斷裂點(diǎn)點(diǎn)：斷裂點(diǎn) C點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力斷裂應(yīng)力（斷裂強(qiáng)斷裂應(yīng)力（斷裂強(qiáng)度）度）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 C點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變點(diǎn)

34、對應(yīng)的應(yīng)變斷裂伸長率斷裂伸長率 由于高分子材料種類繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線由于高分子材料種類繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有多種形狀。歸納起來，可分為五類具有多種形狀。歸納起來，可分為五類 。圖圖. . 高分子材料應(yīng)力高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型應(yīng)變曲線的類型曲線的類型曲線的類型（1）硬而脆型）硬而脆型（2）硬而強(qiáng)型）硬而強(qiáng)型（3）硬而韌型）硬而韌型（4）軟而韌型）軟而韌型（5）軟而弱型）軟而弱型 （3）硬而韌型）硬而韌型 此類材料彈性模量、屈此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強(qiáng)度都很高，斷裂伸長率也很服應(yīng)力及斷裂強(qiáng)度都很高，斷裂伸長率也很大，應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積很大，說明材大，應(yīng)

35、力應(yīng)變曲線下的面積很大，說明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。（1）硬而脆型）硬而脆型 此類材料彈性模量高（此類材料彈性模量高（OA段斜段斜率大）而斷裂伸長率很小。在很小應(yīng)變下，材料率大）而斷裂伸長率很小。在很小應(yīng)變下，材料尚未出現(xiàn)屈服已經(jīng)斷裂，斷裂強(qiáng)度較高。在室溫尚未出現(xiàn)屈服已經(jīng)斷裂，斷裂強(qiáng)度較高。在室溫或室溫之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚或室溫之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛樹脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。醛樹脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。（2）硬而強(qiáng)型）硬而強(qiáng)型 此類材料彈性模量高，此類材料彈性模量高，裂強(qiáng)度高，斷裂伸長率小。通常材料拉伸裂強(qiáng)度高，斷裂伸長

36、率小。通常材料拉伸到屈服點(diǎn)附近就發(fā)生破壞（大約為到屈服點(diǎn)附近就發(fā)生破壞（大約為5%）。）。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類型。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類型。說明說明（5）軟而弱型）軟而弱型 此類材料彈性模量低，斷此類材料彈性模量低，斷裂強(qiáng)度低，斷裂伸長率也不大。一些聚合裂強(qiáng)度低，斷裂伸長率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。（4）軟而韌型）軟而韌型 此類材料彈性模量和此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長率大屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長率大20%1000%），斷裂強(qiáng)度可能較高，應(yīng)力），斷裂強(qiáng)度可能較高，應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積大。各種橡膠制應(yīng)變曲線下的面積大。

37、各種橡膠制品和增塑聚氯乙烯具有這種應(yīng)力應(yīng)品和增塑聚氯乙烯具有這種應(yīng)力應(yīng)變特征。變特征。 硬而韌的材料，在拉伸過程中顯示出明顯的屈服、冷拉或硬而韌的材料，在拉伸過程中顯示出明顯的屈服、冷拉或細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測試區(qū)都變大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測試區(qū)都變成細(xì)頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維素、成細(xì)頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維素、硝酸纖維素等屬于這種材料。硝酸纖維素等屬于這種材料。注意注意 材料拉伸過程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測試

38、條件材料拉伸過程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測試條件（如拉伸速率）的影響，硬而強(qiáng)型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很（如拉伸速率）的影響，硬而強(qiáng)型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也會發(fā)生大于慢速率下拉伸也會發(fā)生大于100%的斷裂伸長率，顯現(xiàn)出硬而的斷裂伸長率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點(diǎn)。韌型特點(diǎn)。 實(shí)際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典實(shí)際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典型性，或是幾種類型的組合。例如有的材料拉伸時(shí)存在明顯型性，或是幾種類型的組合。例如有的材料拉伸時(shí)存在明顯的屈服和的屈服和“頸縮頸縮”，有的則沒有；有的材料斷裂強(qiáng)度高于屈，有的則沒有；有的材料斷裂強(qiáng)度高于屈服強(qiáng)度，有的

39、則屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度等。服強(qiáng)度，有的則屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度等。因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。聚合物力學(xué)類型聚合物力學(xué)類型軟而弱軟而弱軟而韌軟而韌硬而脆硬而脆硬而強(qiáng)硬而強(qiáng)硬而韌硬而韌聚合物應(yīng)力聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)應(yīng)變變曲曲線線特特點(diǎn)點(diǎn)模模 量量（剛性）（剛性）低低低低高高高高高高屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力（強(qiáng)度）（強(qiáng)度）低低低低高高高高高高極限強(qiáng)度極限強(qiáng)度（強(qiáng)度）（強(qiáng)度）低低中中高高高高斷裂伸長斷裂伸長（延性）（延性）中等中等按屈服應(yīng)力按屈服應(yīng)力低低中中高高應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線下面積（韌）下面積（韌）小小中中小

40、小中中大大實(shí)實(shí)例例聚合物凝膠聚合物凝膠橡膠橡膠.增塑增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固固化酚醛樹脂斷化酚醛樹脂斷裂前無塑性形裂前無塑性形變斷裂前有銀變斷裂前有銀紋紋硬硬PVCABS.PC.PE.PA有明顯的有明顯的屈服和塑性屈服和塑性形變形變.韌性好韌性好高聚物的屈服高聚物的屈服1、高聚物屈服點(diǎn)的特征高聚物屈服點(diǎn)的特征大多數(shù)高聚物有屈服現(xiàn)象，最明顯的屈服現(xiàn)大多數(shù)高聚物有屈服現(xiàn)象，最明顯的屈服現(xiàn)象是拉伸中出現(xiàn)的象是拉伸中出現(xiàn)的細(xì)頸現(xiàn)象細(xì)頸現(xiàn)象。它是獨(dú)特的力。它是獨(dú)特的力學(xué)行為。并不是所有的高聚物材料都表現(xiàn)出學(xué)行為。并不是所有的高聚物材料都表現(xiàn)出屈服過程，這是由于溫度和時(shí)間對高聚物的屈

41、服過程，這是由于溫度和時(shí)間對高聚物的性能的影響往往掩蓋了屈服行為的普遍性，性能的影響往往掩蓋了屈服行為的普遍性，有的高聚物出現(xiàn)細(xì)頸和冷拉，而有的高聚物有的高聚物出現(xiàn)細(xì)頸和冷拉，而有的高聚物脆性易斷。脆性易斷。 (1)屈服應(yīng)變大屈服應(yīng)變大：高聚物的屈服應(yīng)變比：高聚物的屈服應(yīng)變比金屬大得多，金屬金屬大得多，金屬0.01左右，高聚物左右，高聚物0.2左右（例如左右（例如PMMA的切變屈服為的切變屈服為0.25，壓縮屈服為，壓縮屈服為0.13）(2)屈服過程有應(yīng)變軟化現(xiàn)象屈服過程有應(yīng)變軟化現(xiàn)象：許多高：許多高聚物在過屈服點(diǎn)后均有一個(gè)應(yīng)力不太聚物在過屈服點(diǎn)后均有一個(gè)應(yīng)力不太大的下降，叫應(yīng)變軟化，這時(shí)應(yīng)變

42、增大的下降，叫應(yīng)變軟化，這時(shí)應(yīng)變增大，應(yīng)力反而下降。大，應(yīng)力反而下降。(3)屈服應(yīng)力依賴于溫度：屈服應(yīng)力依賴于溫度：溫度升高，屈服應(yīng)力溫度升高，屈服應(yīng)力下降。下降。溫度對醋酸纖維素應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響溫度對醋酸纖維素應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變80655025025圖圖 斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢 虛線虛線高拉伸速率高拉伸速率 實(shí)線實(shí)線低拉伸速率低拉伸速率 材料的拉伸斷裂強(qiáng)度材料的拉伸斷裂強(qiáng)度 和屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度 隨環(huán)境溫度而發(fā)生隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化，屈服強(qiáng)度受溫度變化的影響更大些。變化，屈服強(qiáng)度受溫度變化的影響更大些。 By 在溫度升高過程中，

43、材料發(fā)生脆在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點(diǎn)對韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點(diǎn)對應(yīng)的溫度稱脆應(yīng)的溫度稱脆-韌轉(zhuǎn)變溫度韌轉(zhuǎn)變溫度 。 tT 當(dāng)環(huán)境溫度小于當(dāng)環(huán)境溫度小于 時(shí)，時(shí)，材料的材料的 ，受外，受外力作用時(shí)，材料未屈服前力作用時(shí)，材料未屈服前先已斷裂，呈脆性斷裂特先已斷裂，呈脆性斷裂特征。征。 tTBy 環(huán)境溫度高于環(huán)境溫度高于 時(shí)，時(shí)， ，受外力作，受外力作用時(shí)，材料先屈服，出現(xiàn)用時(shí)，材料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和很大變形后才斷裂，細(xì)頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。呈韌性斷裂特征。 tTBy(4)屈服應(yīng)力依賴應(yīng)變速率屈服應(yīng)力依賴應(yīng)變速率：應(yīng)變速率增大，：應(yīng)變速率增大，屈服應(yīng)力增大。屈服應(yīng)力

44、增大。應(yīng)變速率對應(yīng)變速率對PMMA真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響應(yīng)應(yīng)變變速速率率增增大大123410.2吋分吋分真應(yīng)變真應(yīng)變 41.28吋吋/分分31.13吋吋/分分20.8吋吋/分分真應(yīng)力真應(yīng)力 減慢拉伸速率與升高環(huán)減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對材料拉伸行為有境溫度對材料拉伸行為有相似的影響，這是時(shí)相似的影響，這是時(shí)-溫等溫等效原理在高分子力學(xué)行為效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。中的體現(xiàn)。 圖圖 斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢實(shí)線低環(huán)境溫度 虛線高環(huán)境溫度 與脆與脆-韌轉(zhuǎn)變溫度相韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線交似，根據(jù)圖中兩曲線交點(diǎn)，可以

45、定義脆點(diǎn)，可以定義脆-韌轉(zhuǎn)韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率變（拉伸）速率 。拉伸速率高于拉伸速率高于 時(shí)，時(shí)，材料呈脆性斷裂特征；材料呈脆性斷裂特征；低于低于 時(shí)，呈韌性斷時(shí)，呈韌性斷裂特征。裂特征。 tttBy對材料的斷裂強(qiáng)度對材料的斷裂強(qiáng)度 和屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度 也有明顯也有明顯影響影響 。n(5)屈服應(yīng)力受流體靜壓力的影響：屈服應(yīng)力受流體靜壓力的影響：壓力增壓力增大，屈服應(yīng)力增大。大，屈服應(yīng)力增大。 研究發(fā)現(xiàn)，對許多非晶聚合物，研究發(fā)現(xiàn)，對許多非晶聚合物，如如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韌轉(zhuǎn)變行為與環(huán)境壓力有關(guān)。韌轉(zhuǎn)變行為與環(huán)境壓力有關(guān)。1.7千千pa1pa0.69千千pa3.2千千pa切應(yīng)力切應(yīng)

46、力切應(yīng)變切應(yīng)變環(huán)境壓力的影響環(huán)境壓力的影響圖圖 聚苯乙烯的應(yīng)力聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線隨環(huán)境壓力的變化（隨環(huán)境壓力的變化（T=31） 右圖可見，右圖可見，PSPS在低環(huán)境壓力在低環(huán)境壓力（常壓）下呈脆性斷裂特點(diǎn)，（常壓）下呈脆性斷裂特點(diǎn)，強(qiáng)度與斷裂伸長率都很低。隨強(qiáng)度與斷裂伸長率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料強(qiáng)度增著環(huán)境壓力升高，材料強(qiáng)度增高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆- -韌轉(zhuǎn)變。韌轉(zhuǎn)變。 這兩種不同的脆這兩種不同的脆-韌轉(zhuǎn)變方式給我們以啟發(fā)，告訴我們材料增韌韌轉(zhuǎn)變方式給我們以啟發(fā)，告訴我們材料增韌改性并非一定要以犧牲強(qiáng)度為代

47、價(jià)。設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)姆椒?，就有可能在改性并非一定要以犧牲?qiáng)度為代價(jià)。設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ陀锌赡茉谠鲰g的同時(shí)，保持或提高材料的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)既增韌又增強(qiáng)。塑料的增韌的同時(shí)，保持或提高材料的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)既增韌又增強(qiáng)。塑料的非彈性體增韌改性技術(shù)就是由此發(fā)展起來的。非彈性體增韌改性技術(shù)就是由此發(fā)展起來的。 兩種脆兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式韌轉(zhuǎn)變方式 升高溫度使材料變韌，但其拉伸強(qiáng)度明顯下降。升高溫度使材料變韌，但其拉伸強(qiáng)度明顯下降。 升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時(shí)，強(qiáng)度也得到提高，材料變升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時(shí)，強(qiáng)度也得到提高，材料變得強(qiáng)而韌。得強(qiáng)而韌。升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境壓升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境壓力都能使高分

48、子材料發(fā)生脆力都能使高分子材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。但兩種脆韌轉(zhuǎn)變。但兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方韌轉(zhuǎn)變方式有很大差別。式有很大差別。(6)高聚物屈服應(yīng)力不等于壓縮屈服應(yīng)高聚物屈服應(yīng)力不等于壓縮屈服應(yīng)力力，一般后者大一些。所以高聚物取，一般后者大一些。所以高聚物取向薄膜不同方向上的屈服應(yīng)力差別很向薄膜不同方向上的屈服應(yīng)力差別很大。大。(7)高聚物在屈服時(shí)體積略有縮小高聚物在屈服時(shí)體積略有縮小。(1)剪切屈服剪切屈服現(xiàn)象現(xiàn)象：韌性高聚物在拉伸至屈服點(diǎn)時(shí)，常可：韌性高聚物在拉伸至屈服點(diǎn)時(shí)，常可見試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成見試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成45（135 ）角的剪切滑移變形帶。角的剪切滑移變形帶。n對韌性材料來說，拉

49、伸時(shí)在一定角度上斜對韌性材料來說，拉伸時(shí)在一定角度上斜截面上的切應(yīng)力首先達(dá)到材料的剪切強(qiáng)度。截面上的切應(yīng)力首先達(dá)到材料的剪切強(qiáng)度。形成局部剪切形變，可能出現(xiàn)形成局部剪切形變，可能出現(xiàn)細(xì)頸細(xì)頸。n因?yàn)樽冃螏е蟹肿渔湹娜∠蚨雀撸首冃我驗(yàn)樽冃螏е蟹肿渔湹娜∠蚨雀?，故變形逐步向整個(gè)試樣擴(kuò)展。逐步向整個(gè)試樣擴(kuò)展。n通常通常，韌性材料最大切應(yīng)力首先達(dá)到抗剪，韌性材料最大切應(yīng)力首先達(dá)到抗剪強(qiáng)度，所以材料先屈服。強(qiáng)度，所以材料先屈服。 脆性材料最大切脆性材料最大切應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度之前，真應(yīng)力已超過材應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度之前，真應(yīng)力已超過材料強(qiáng)度，所以材料來不及屈服就已斷裂。料強(qiáng)度，所以材料來不及屈服就已斷裂。n

50、因此，韌性材料因此，韌性材料-斷面粗糙斷面粗糙-明顯變形明顯變形 脆性材料脆性材料-斷面光滑斷面光滑-斷面與拉斷面與拉 伸方向垂直伸方向垂直 聚苯乙烯板中的銀紋 圖中箭頭指主應(yīng)力方向；（b）是圖（a）中一段的放大照片(a)(b)某些高聚物在玻璃態(tài)下拉伸時(shí)，會產(chǎn)生垂直于拉應(yīng)力方向的銀紋（craze） 。受力或環(huán)境介質(zhì)的作用都可能引發(fā)銀紋。 銀紋的出現(xiàn)標(biāo)志著銀紋的出現(xiàn)標(biāo)志著材料已受損傷材料已受損傷，對材，對材料強(qiáng)度有不良的影響料強(qiáng)度有不良的影響 ；根據(jù)銀紋的形成過程，；根據(jù)銀紋的形成過程，可認(rèn)為它又是高分子材料的一種變形機(jī)理。可認(rèn)為它又是高分子材料的一種變形機(jī)理。 高分子材料是脆性裂斷還是延性裂斷

51、，高分子材料是脆性裂斷還是延性裂斷，取決于裂尖出現(xiàn)取決于裂尖出現(xiàn)銀紋區(qū)還是塑性區(qū)銀紋區(qū)還是塑性區(qū)這兩種過這兩種過程的競爭。銀紋也會發(fā)展成為裂紋，但程的競爭。銀紋也會發(fā)展成為裂紋，但銀紋銀紋并不是裂紋并不是裂紋，其差別主要體現(xiàn)在，其差別主要體現(xiàn)在 : :銀紋可以發(fā)展到與試件尺度相當(dāng)?shù)拈L度，但不銀紋可以發(fā)展到與試件尺度相當(dāng)?shù)拈L度，但不會導(dǎo)致試件斷裂，裂紋遠(yuǎn)未達(dá)到這樣大的尺寸會導(dǎo)致試件斷裂，裂紋遠(yuǎn)未達(dá)到這樣大的尺寸時(shí)試樣已斷裂；時(shí)試樣已斷裂；在恒定載荷作用下銀紋恒速發(fā)展，而裂紋的生在恒定載荷作用下銀紋恒速發(fā)展，而裂紋的生長是加速的；長是加速的；試件剛度不隨銀紋化的程度而改變，但裂紋會試件剛度不隨銀紋

52、化的程度而改變，但裂紋會導(dǎo)致剛度下降；導(dǎo)致剛度下降；銀紋的擴(kuò)展取決于試樣的平均應(yīng)力，裂紋則取銀紋的擴(kuò)展取決于試樣的平均應(yīng)力，裂紋則取決于尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。決于尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。高聚物的斷裂與強(qiáng)度高聚物的斷裂與強(qiáng)度n1.脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂從實(shí)用觀點(diǎn)來看，高聚物材料的最大優(yōu)點(diǎn)是從實(shí)用觀點(diǎn)來看，高聚物材料的最大優(yōu)點(diǎn)是它們內(nèi)在的韌性，也就是說它在斷裂前能吸它們內(nèi)在的韌性，也就是說它在斷裂前能吸收大量的能量，但是這種內(nèi)在的韌性不是總收大量的能量，但是這種內(nèi)在的韌性不是總是能表現(xiàn)出來的，由于加載方式、溫度、應(yīng)是能表現(xiàn)出來的，由于加載方式、溫度、應(yīng)變速率、試樣形狀、大小等的改變卻會使韌

53、變速率、試樣形狀、大小等的改變卻會使韌性變壞，甚至?xí)嘈詳嗔?，而材料的脆性斷性變壞，甚至?xí)嘈詳嗔眩牧系拇嘈詳嗔咽枪こ躺媳仨毐M量避免的。裂是工程上必須盡量避免的。 脆性脆性： 的關(guān)系是線性（或微曲）的關(guān)系是線性（或微曲） 斷裂應(yīng)變低于，斷裂能不大，斷裂應(yīng)變低于，斷裂能不大， 斷裂面光滑斷裂面光滑韌性韌性： 關(guān)系非線性關(guān)系非線性 斷裂前形變大得多，斷裂能很大，斷裂前形變大得多，斷裂能很大， 斷裂面粗糙斷裂面粗糙n對高聚物材料，脆性還是韌性極大地對高聚物材料，脆性還是韌性極大地取決于實(shí)驗(yàn)條件：主要看取決于實(shí)驗(yàn)條件：主要看溫度溫度和和測試測試速率速率。n在恒定的應(yīng)變速率下：低溫脆性形式在恒定的應(yīng)

54、變速率下：低溫脆性形式向高溫韌性形式轉(zhuǎn)變向高溫韌性形式轉(zhuǎn)變n在恒定溫度下：應(yīng)變速率上伸，表現(xiàn)在恒定溫度下：應(yīng)變速率上伸，表現(xiàn)為脆性形式；應(yīng)變速率下降，表現(xiàn)為為脆性形式；應(yīng)變速率下降，表現(xiàn)為韌性形式韌性形式n.高聚物的強(qiáng)度高聚物的強(qiáng)度（1）高聚物材料的破壞實(shí)質(zhì)上大分子）高聚物材料的破壞實(shí)質(zhì)上大分子主鏈上化學(xué)鍵的斷裂或是高分子鏈之主鏈上化學(xué)鍵的斷裂或是高分子鏈之間相互作用力的破壞。所以從構(gòu)成高間相互作用力的破壞。所以從構(gòu)成高分子鏈化學(xué)鍵的強(qiáng)度和高分子鏈間相分子鏈化學(xué)鍵的強(qiáng)度和高分子鏈間相互作用力的強(qiáng)度可以估稱高聚物材料互作用力的強(qiáng)度可以估稱高聚物材料的理論強(qiáng)度。的理論強(qiáng)度。理論強(qiáng)度的構(gòu)成：理論強(qiáng)度

55、的構(gòu)成：高分子中主要是共價(jià)鍵。共價(jià)鍵的鍵能約為高分子中主要是共價(jià)鍵。共價(jià)鍵的鍵能約為3.353.78105 J/mole，鍵長約，鍵長約1.5，故共價(jià)鍵形成的鍵力，故共價(jià)鍵形成的鍵力約為約為3410-9 N/鍵。鍵。 高分子中分子間作用力，又稱次價(jià)力，主要來自所高分子中分子間作用力，又稱次價(jià)力，主要來自所謂的范德瓦力。謂的范德瓦力。 高分子中還有另一種次價(jià)力，即氫鍵力。高分子中還有另一種次價(jià)力，即氫鍵力。材料的斷裂方式分析材料的斷裂方式分析理論值理論值在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物理論在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)度在幾千斷裂強(qiáng)度在幾千MPa，而實(shí)際只有幾十，而實(shí)際只有幾

56、十Mpa 。WHY？e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryeriment)100011001(exp 可設(shè)想斷裂是先開始于氫鍵或范德瓦鍵的破斷，然后由于應(yīng)力集中導(dǎo)致某些化學(xué)鍵的破斷，最后促成材料的斷裂。若將高分子的實(shí)際強(qiáng)度與分子間的鍵力比較，兩者的數(shù)量級相同。但盡管共價(jià)鍵的強(qiáng)度比分子間作用力大1020倍，由于直接承受外力的取向主鏈數(shù)目少，最終的斷裂強(qiáng)度還是較低的。這由理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度之間的巨大差距說明，提高高聚物實(shí)理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度之間的巨大差距說明，提高高聚物實(shí)際強(qiáng)度的潛力是很大的際強(qiáng)度的潛力是很大的。Griffith crack theory斷裂理論斷裂理論為什么

57、材料的實(shí)際強(qiáng)為什么材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度？度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度？存在缺陷存在缺陷為什么在缺陷處斷裂？為什么在缺陷處斷裂？缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力多大？缺陷處應(yīng)力多大？Griffith theory討論什么時(shí)候裂紋開始擴(kuò)展討論什么時(shí)候裂紋開始擴(kuò)展aEc2E-材料的楊氏模量；材料的楊氏模量；-材料單位表面的表面能；材料單位表面的表面能；a-裂縫長度的一半。裂縫長度的一半。裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力Griffith從能量平衡的觀點(diǎn)分析斷裂過程，結(jié)果：從能量平衡的觀點(diǎn)分析斷裂過程，結(jié)果：（2）影響強(qiáng)度的因素（）影響強(qiáng)度的因素（規(guī)定試樣尺寸）規(guī)定試樣尺寸） na填料：與填料

58、高聚物的性質(zhì)有關(guān)（纖維填料：與填料高聚物的性質(zhì)有關(guān)（纖維填料能改進(jìn)高聚物的力學(xué)強(qiáng)度）。粉料填填料能改進(jìn)高聚物的力學(xué)強(qiáng)度）。粉料填料也可以作增強(qiáng)劑料也可以作增強(qiáng)劑 （如碳黑增強(qiáng)橡膠，（如碳黑增強(qiáng)橡膠，模量和強(qiáng)度均增加。）模量和強(qiáng)度均增加。）nb受力的條件：與環(huán)境條件即溫度和速度受力的條件：與環(huán)境條件即溫度和速度有關(guān)。按作用力作用方式不同力學(xué)強(qiáng)度分有關(guān)。按作用力作用方式不同力學(xué)強(qiáng)度分為：抗拉強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度，沖為：抗拉強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度，沖擊強(qiáng)度。擊強(qiáng)度。為了得到重復(fù)性好的結(jié)果，為了消除受力條為了得到重復(fù)性好的結(jié)果，為了消除受力條件的影響，規(guī)定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)條件件的影響，規(guī)定了統(tǒng)一的標(biāo)

59、準(zhǔn)條件-標(biāo)準(zhǔn)測試標(biāo)準(zhǔn)測試補(bǔ)充內(nèi)容：補(bǔ)充內(nèi)容： 強(qiáng)迫高彈形變與強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸冷拉伸” 已知環(huán)境對高分子材料拉伸行為有顯著影響，這兒再重點(diǎn)已知環(huán)境對高分子材料拉伸行為有顯著影響，這兒再重點(diǎn)介紹在特殊環(huán)境條件下，高分子材料的兩種特殊拉伸行為。介紹在特殊環(huán)境條件下，高分子材料的兩種特殊拉伸行為。 1、非晶聚合物的強(qiáng)迫高彈形變、非晶聚合物的強(qiáng)迫高彈形變 圖圖 聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下） 研究高聚物拉伸破壞行為時(shí)，研究高聚物拉伸破壞行為時(shí)，特別要注意在較低溫度下的拉伸、特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的

60、情形。對于非晶聚屈服、斷裂的情形。對于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于 時(shí)，雖然材料處于玻璃態(tài)，時(shí)，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形（參見圖中形（參見圖中T = 80，60的情的情形），這種變形稱強(qiáng)迫高彈形變。形），這種變形稱強(qiáng)迫高彈形變。TbTb 為脆化溫度。為脆化溫度。bTTgT（2 2）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈段被強(qiáng)迫）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈段被強(qiáng)迫發(fā)生運(yùn)動(dòng)、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這發(fā)生運(yùn)動(dòng)、伸展，發(fā)生大變形，如同處于