高聚物的分子运动

1、第七章 高聚物的屈服、断裂和强度v在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料将发在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料将发生大形变直至宏观破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能生大形变直至宏观破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能力称为强度。力称为强度。v材料断裂的方式材料断裂的方式形变性质形变性质v脆性断裂脆性断裂v韧性断裂韧性断裂7.1 7.1 描述力学性质的基本物理量和几种常用的描述力学性质的基本物理量和几种常用的力学性能指标力学性能指标v一一 应力与应变应力与应变v应变：材料受到外力作用，而所处的条件使它不能应变：材料受到外力作用，而所处的条件使它不能产生惯性移动时，它的几

2、何形状和尺寸将发生变化，产生惯性移动时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化称为应变。这种变化称为应变。v应力：单位面积上的附加内力为应力。应力：单位面积上的附加内力为应力。v应力单位：应力单位：N/m2，又称帕斯卡，又称帕斯卡，Pa。二二 应变类型应变类型 三种基本的应变类型三种基本的应变类型 简单拉伸简单拉伸 简单剪切简单剪切 均匀压缩均匀压缩v1 拉伸应变v 在简单拉伸的情况下，材料受到的外力在简单拉伸的情况下，材料受到的外力F是垂直于截面积的是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个力，如下图大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个力，如下图所示，这时材料的形变称为

3、拉伸应变。所示，这时材料的形变称为拉伸应变。v 小形变时v拉伸应变通常以单位长度的伸长来定义，如果材料的起始长度为l0，变形后的长度为l，则拉伸应变v式中l材料的绝对伸长v习用应变，相对伸长v拉伸应变拉伸应力v习用应变习用应力，习用应力定义为：v式中A0材料的起始截面积v 大形变时v材料的截面积将发生较大的变化，习用应力与材料的真实应力会发生较大的偏差，应以真实截面积A代替A0，得到的应力则称为真应力。v真应变：lili+dli，v其他拉伸应变的定义，如：00l/lll-ll32（）v2 剪切应变v在简单剪切的情况下，材料受到的力F是与截面A0相平行的大小相等、方向相反的两个力，如下图所示，这

4、时材料的形变称为剪切应变。v 简单剪切示意图v切应变定义为剪切位移量S与剪切面之间的距离d的比值，即剪切角（或称偏斜角）的正切。v当切应变足够小时，v材料的剪切应力为：StgD0FsAv3 均匀压缩应变v在均匀在均匀(流体静力流体静力)压缩的情况下，材斜受到的围压力压缩的情况下，材斜受到的围压力P的作用，发生体积形变，使材料从起始体积的作用，发生体积形变，使材料从起始体积V0缩小为缩小为V0-V，如下图所示，这时材料的形变称为均匀压缩应，如下图所示，这时材料的形变称为均匀压缩应变变，定义为单位体积的体积减小，即定义为单位体积的体积减小，即均匀流体静压缩示意图均匀流体静压缩示意图0VV v三 弹

5、性模量和柔量v对于理想的弹性固体，应力与应变成正比，比例常数称为弹性模量。v表征材料抵抗变形能力的大小，模量越大，越不容易变形，材料刚性越大。v上述三种基本类型的弹性模量分别称为杨氏模量E，剪切模量G和体积模量B。应力弹性模量应变三种基本应变的模量v拉伸拉伸: 杨氏模量 E (MPa) -应力 -应变 F-拉伸力 AO-试样原始截面积 lO-试样原始长度 l-伸长长度00AFE 三种基本应变的模量v剪切剪切: :剪切模量:G (MPa)s 剪切应力 剪切应变 = tg tgAFG0S三种基本应变的模量v压缩压缩: : 体积模量 B (Kg) P 流体静压力V 体积变化 VO 原始体积0VVPB

6、 v柔量：模量的倒数v杨氏模量E的倒数称为拉伸柔量，用D表示v剪切模量G的倒数称为剪切柔量，用J表示v体积模量B的倒数称为可压缩度三种应变模量的关系各向同性的材料： E = 2G (1+) = 3B (1-2 )(泊松比):横向形变与纵向形变之比 0mmtt00 纵纵向向形形变变横横向向形形变变不同材料的泊松比材料名材料名称称泊松比泊松比材料名材料名称称泊松比泊松比锌0.21玻璃0.25钢0.250.35石料0.160.34铜0.310.34聚苯乙系0.33铝0.320.36聚乙烯0.38铅0.45赛璐珞0.39v四 机械强度v当材料所受的外力超过其承载能力时，材料抵抗外力破坏的能力就是机械强

7、度。v1 拉伸强度v拉伸强度是在规定的试验温度、湿度和试验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷，如下图所示，直至断裂时试样承受的最大载荷P与试样横截面的比值，通常用t表示，即v 其单位为N/m2或PaPtbdv对应的拉伸模量通常由拉伸初始阶段的应力与应变比例计算，即：v式中P变形较小时的载荷v2 压缩强度v与拉伸试验类似，若向试样施加的是单向压与拉伸试验类似，若向试样施加的是单向压缩载荷，则得到的是压缩强度和压缩模量。缩载荷，则得到的是压缩强度和压缩模量。v理论上，所得压缩模量应与拉伸模量相等，理论上，所得压缩模量应与拉伸模量相等，即即Et=Ec，v实际上，压缩模量实际上，压缩模量Ec通常稍

8、大于拉伸模量通常稍大于拉伸模量Etv3 弯曲强度（挠曲强度）v是在规定试验条件下，对标准试样施加静弯曲力矩，如下图所示，直到试样折断为止，取试验过程中的最大载荷P，并按下式计算弯曲强度v 式中挠度v4 冲击强度v冲击强度是衡量材料韧性的一种强度指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力。v通常定义为试样受冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。v 式中W冲断试样所消耗的功（冲击功）v5 硬度v硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。v硬度的大小材料的抗张强度和弹性模量v硬度试验方法有划痕法、压入法和动态法。不同测量方法所得硬度的量值和物理意义均不同。v划痕法测得的硬度表示材料抵抗表面局部断裂

9、的能力，称为莫氏硬度；v压入法测得的硬度表示材料抵抗表面塑性变形的能力，根据试验方式分为：v布氏硬度v洛氏硬度v邵氏硬度v动态法测得的硬度表示材料抵抗弹性变形的能力，主要有：v肖氏硬度v动态布氏硬度常见塑料的拉伸和弯曲强度常见塑料的拉伸和弯曲强度塑料名称塑料名称拉伸强度拉伸强度（MPa）伸长率伸长率%拉伸模量拉伸模量（GPa）弯曲强度弯曲强度（MPa）弯曲模量弯曲模量（GPa）低压聚乙烯低压聚乙烯2239601500.840.9525401.11.4聚苯乙烯聚苯乙烯35.263.312252.83.561.298.4ABS塑料塑料16.963.3101400.72.925.394.93.0有机

10、玻璃有机玻璃49.277.32103.291.4119聚丙烯聚丙烯33.742.22007001.21.442.256.21.21.6聚氯乙烯聚氯乙烯35.263.320402.54.270.3112尼龙尼龙6683603.23.31001102.93.0尼龙尼龙674781502.61002.42.6尼龙尼龙101052551002501.6891.3聚甲醛聚甲醛626860752.891922.6聚碳酸酯聚碳酸酯67601002.22.4981062.03.0聚砜聚砜7285201002.52.91081272.8聚酰亚胺聚酰亚胺94.5681003.2聚苯醚聚苯醚86.589.53080

11、2.62.8981372.02.1氯化聚醚氯化聚醚42.3601601.170770.9线性聚酯线性聚酯802002.9117聚四氟乙烯聚四氟乙411147.2 高聚物的屈服、断裂现象及拉伸强度与增强v一 玻璃态和结晶高聚物的拉伸v 应力应力-应变实验通常在张力应变实验通常在张力F的作用下进行。试验时，测量的作用下进行。试验时，测量加于试样上的载荷和相应标线间长度的改变加于试样上的载荷和相应标线间长度的改变l=l-l0，如果试，如果试样的初始截而积为样的初始截而积为A0，标距的原长为，标距的原长为l0，应力，应力和应变和应变分别分别有下式有下式 表示：表示：拉伸试样示

12、意图v从试验测得的应力、应变数据可以绘制出应力-应变曲线，如下图所示：应力-应变曲线示意图(一）玻璃态高聚物的应力-应变曲线v1 特征及分析v典型的玻璃态高聚物试样当温度在Tg以下几十度的范围内以一定速率被单轴拉伸时，其应力-应变曲线如下图所示：vA点弹性极限点，A为弹性强度极限，A为弹性伸长极限；vY点屈服点，Y为屈服强度Y为屈服伸长率；vB点断裂点， B为断裂强度A 为断裂伸长率。玻璃态高聚物典型的应力玻璃态高聚物典型的应力-应变曲线应变曲线v拉伸过程中，高分子链的运动分别经历三个过程：v（1）弹性形变）弹性形变v（2）强迫高弹形变）强迫高弹形变v（3）粘流）粘流v2 影响因素v（1）外因

13、温度、拉伸速率v 温度v曲线（1）：TTg，应力随应变成正比地增加，10，发生断裂。v曲线（2）：温度略微升高以后，出现了一个转折点Y，即屈服点。应力在Y点处达极大值。玻璃态高聚物在不同温度下的应玻璃态高聚物在不同温度下的应 力力-应变曲线应变曲线v曲线（3）：温度升至Tg以下几十度的范围内时，屈服点之后，试样在不增加外力或者外力增加不大的情况下，能发生很大的应变，然后应力又增加，直至断裂v曲线（4）：TTg，试样进入高弹态，在不大的应力下便可发展高弹形变，曲线不再出现屈服点，试样断裂前，应力又出现急剧上升。玻璃态高聚物在不同温度下的应玻璃态高聚物在不同温度下的应 力力-应变曲线应变曲线vB与

14、Y与T的关系曲线如下：TTg， BY，高聚物可产生强迫高弹形变；TTg ，BY，产生强迫高弹形变之前，试样已经被拉断了。Tb-高聚物的脆化温度，把高聚物的玻璃态分为受迫高弹态和脆性玻璃态。非晶聚合物（玻璃态）的屈服应力Y和断裂应力B的温度依赖性 温度低于温度低于TbTb，玻璃态高聚物必定发，玻璃态高聚物必定发生脆性断裂，因此这个温度称为脆化温生脆性断裂，因此这个温度称为脆化温度，玻璃态高聚物在度，玻璃态高聚物在Tb Tb 和和TgTg之间的温度之间的温度范围内，才能在外力作用下发生强迫高范围内，才能在外力作用下发生强迫高弹形变，而这正是塑料具有韧性的原因，弹形变，而这正是塑料具有韧性的原因，因

15、此因此Tb Tb 是塑料使用的最低温度。是塑料使用的最低温度。 TbTb以下，以下，塑料象玻璃一样一敲就碎，没有使用价塑料象玻璃一样一敲就碎，没有使用价值。值。 TbTgv 拉伸速率v同一高聚物，在一定温度，不同拉伸速率下的应力-应变曲线如下图所示：不同应变速率下的拉伸应力-应变曲线（到屈服点为止）v随着拉伸速率的提高，高聚物的屈服应力Y和拉伸强度都相应提高。所以，拉伸速率和T对应力-应变性质的影响是等效的。v（2）内因结构v产生强迫高弹性的必要条件是：高聚物具有可运动的链段。v高聚物的分子量对强迫高弹性也有影响。分子量较小的高聚物在玻璃态时堆砌紧密，呈现脆性，Tb和Tg很接近；分子量增大到一

16、定程度后，Tb与Tg拉开，且随分子量，T越大，直至达到临界分子量为止，如下图所示：v 非晶高聚物的Tb、Tg与分子量的关系曲线（二）晶态高聚物的应力-应变曲线v典型的末取向晶态高聚物在单轴拉伸时的应力-应变曲线如下图所示，它比玻璃态高聚物的拉伸曲线具有更为明显的转折，整个曲线可分为三段：v拉伸初期，很快而 很小，随线性，代表普弹形变v.A.达Y点后进入拉伸的第二阶段，Y点后，试样的截面积突然变得不均匀，出现一个或几个“细颈”。v B.细颈与非细颈部分的截面积分别维持不变，而细颈部分不断扩展；非细颈部分逐渐缩短，直至整个试样完全变细。v C.应力几乎不变而应变不断增加结晶高聚物拉伸过程应力-应变

17、曲线及试样外形变化示意图v A.成颈后的试样重新被均匀拉伸v B.由于取向后分子链间排列紧密，相互作用力增强，故必须进一步增大应力，才能使分子链的断裂以致材料破坏。结晶高聚物拉伸过程应力-应变曲线及试样外形变化示意图（三）取向高聚物的应力-应变曲线v已取向的晶态高聚物的应力-应变曲线，其特点为：v 沿取向方向技伸时，伸长率极小，不出现细颈，如前面结晶高聚物拉伸过程应力-应变曲线中的第段直线。v 沿垂直于取向方向拉伸时，其过程与末取向试样相似， 最后得到与原取向垂直的新的取向试样，伸长率可达500-800。v 已取向的非晶高聚物的应力-应变曲线，其特点为：v 沿取向方向拉伸时，若原来取向程度已较高，则曲线可能不再出现屈服伸长而断裂。一般说来，沿取向方向的拉