第一章高聚物的力学性能-精简版2

1、高聚物的力学性能高聚物的力学性能n概述概述n高弹性高弹性n粘弹性（高聚物的力学松弛现象）粘弹性（高聚物的力学松弛现象）n蠕变蠕变n应力松弛应力松弛n滞后滞后n力学损耗力学损耗n测定高聚物粘弹性的实验方法测定高聚物粘弹性的实验方法n极限力学行为（屈服、破坏与强度）极限力学行为（屈服、破坏与强度）n塑料常规力学性能的测试塑料常规力学性能的测试概述概述n力学性能分类力学性能分类n表征力学性能的基本物理量表征力学性能的基本物理量n高聚物力学性能的特点高聚物力学性能的特点常常 见见 材材 料料 的的 泊泊 松松 比比泊松比数值泊松比数值解解 释释0.5不可压缩或拉伸中无体积变化不可压缩或拉伸中无体积变化

2、0.0没有横向收缩没有横向收缩0.490.499橡胶的典型数值橡胶的典型数值0.200.40塑料的典型数值塑料的典型数值厚度厚度d宽度宽度bP 试样断裂前所受的最大负荷试样断裂前所受的最大负荷P P与试样横截面积之与试样横截面积之比为抗张强度比为抗张强度 t t t t = = P P / / b b d d1 1、拉伸强度、拉伸强度 衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。3、冲击强度、冲击强度（ i） 冲击强度也称抗冲强度冲击强度也称抗冲强度, 定义为试样受冲定义为试样受冲击负荷时单位截面积所吸收的能量。是衡量击负荷时单位截面积所吸收的能量。是衡

3、量材料韧性的一种指标。材料韧性的一种指标。冲击头，以一定速冲击头，以一定速度对试样实施冲击度对试样实施冲击Pbl0/2l0/2d1.两种组成基本相同的乙烯两种组成基本相同的乙烯-丙稀共聚物，一丙稀共聚物，一种适于种适于rubber，而另一种适于，而另一种适于plastics。推测。推测其原因，如何验证你的推测其原因，如何验证你的推测?思考题思考题2、不受外力作用，橡皮筋受热伸长；不受外力作用，橡皮筋受热伸长；在恒定外力作用下，受热收缩，试用高在恒定外力作用下，受热收缩，试用高弹性热力学理论解释弹性热力学理论解释 。3、在橡胶下悬一砝码，保持外界不变，、在橡胶下悬一砝码，保持外界不变，升温时会发

4、生什么现象？升温时会发生什么现象？粘 弹 性n松弛现象松弛现象n蠕变蠕变n应力松弛应力松弛n滞后滞后n力学损耗力学损耗n测定粘弹性的方法测定粘弹性的方法n粘弹性模型粘弹性模型n粘弹性与时间、温度的关系（时温等效）粘弹性与时间、温度的关系（时温等效）形变形变时间时间交联高聚物交联高聚物理想弹性体理想弹性体理想粘性体理想粘性体线性高聚物线性高聚物Gt因此高分子的形变行为是与时间有关的粘性和弹性的组合粘弹性外力作用下，高聚物材料的形变性质兼具 固体的弹性和液体粘性的特征，其现象表 现为力学性质随时间而变化的力学松弛现象。 所以高聚物常称为粘弹性材料，这是聚合物材料的又一重要特征。高聚物的力学松弛现象

5、与模型高聚物的力学松弛现象与模型n力学松弛力学松弛高聚物的力学性能随高聚物的力学性能随时间的变化统称力学松弛时间的变化统称力学松弛n最基本的有：最基本的有：应力松弛蠕变滞后力学损耗静态粘弹性动态粘弹性蠕 变n蠕变：蠕变：在一定的温度和恒定的外力作用在一定的温度和恒定的外力作用下（拉力，压力，扭力等），材料的形下（拉力，压力，扭力等），材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。变随时间的增加而逐渐增大的现象。n蠕变过程包括下面三种形变：蠕变过程包括下面三种形变： 普弹形变、高弹形变、粘性流动普弹形变、高弹形变、粘性流动 蠕变现象一般采用Voigt(Kelvin)模型来模拟： 由虎克弹簧和牛顿粘壶并

6、联而成： 应力由两个元件共同承担，12( )dtEdt Voigt运动方程形变量相同Voigt(Kelvin)模型始终满足 =1 1+2 2Voigt(Kelvin)模型1=E122ddt3 312普弹高弹塑性21t多元件模型四单元模型000123123(1)tetEE蠕变时：t1 t2 n例例1：硬硬PVC抗蚀性好，可作化工管道，抗蚀性好，可作化工管道，但易蠕变，所以使用时必须增加支架。但易蠕变，所以使用时必须增加支架。n例例2：聚四氟乙烯(PTFE)是塑料中摩擦系是塑料中摩擦系数最小的，所以有很好的自润滑性能，数最小的，所以有很好的自润滑性能，但蠕变严重，所以不能作机械零件，但蠕变严重，所

7、以不能作机械零件，却是很好的密封材料。却是很好的密封材料。n例例3：橡胶采用硫化交联的办法来防止橡胶采用硫化交联的办法来防止由蠕变产生分子间滑移造成不可逆的由蠕变产生分子间滑移造成不可逆的形变。形变。 力 学 松 弛 现 象蠕变应力松弛滞后力学损耗静态粘弹性动态粘弹性应 力 松 弛 （Stress Relax）n定义：对于一个线性粘弹体来说，定义：对于一个线性粘弹体来说，在应变保持不变的情况下，应力随在应变保持不变的情况下，应力随时间的增加而逐渐衰减，这一现象时间的增加而逐渐衰减，这一现象叫应力松弛。叫应力松弛。n拉伸一块未交联的橡胶到一定长度，并保拉伸一块未交联的橡胶到一定长度，并保持长度不

8、变，随着时间的增加，这块橡胶持长度不变，随着时间的增加，这块橡胶的回弹力会逐渐减小，这是因为里面的应的回弹力会逐渐减小，这是因为里面的应力在慢慢减小，最后变为力在慢慢减小，最后变为0。因此用未交联。因此用未交联的橡胶来做传动带是不行的。的橡胶来做传动带是不行的。 时间时间t应力应力0 ()() 交联物交联物线形物线形物 起始应力起始应力 松弛时间松弛时间 n应力松弛和蠕变是一个问题的两个方面，都应力松弛和蠕变是一个问题的两个方面，都反映了高聚物内部分子的三种运动情况：当反映了高聚物内部分子的三种运动情况：当高聚物一开始被拉长时，其中分子处于不平高聚物一开始被拉长时，其中分子处于不平衡的构象，要

9、逐渐过渡到平衡的构象，也就衡的构象，要逐渐过渡到平衡的构象，也就是链段要顺着外力的方向来运动以减少或消是链段要顺着外力的方向来运动以减少或消除内部应力。除内部应力。 te0n（1）如果如果 ，如常温下的橡胶，如常温下的橡胶，链段易运动，受到的内摩擦力很小，分链段易运动，受到的内摩擦力很小，分子很快顺着外力方向调整，内应力很快子很快顺着外力方向调整，内应力很快消失（松弛了），甚至可以快到觉察不消失（松弛了），甚至可以快到觉察不到的程度到的程度 。n（2）如果）如果 ，如常温下的塑料，如常温下的塑料，虽然链段受到很大的应力，但由于内摩虽然链段受到很大的应力，但由于内摩擦力很大，链段运动能力很小，所

10、以应擦力很大，链段运动能力很小，所以应力松弛极慢，也就不易觉察到。力松弛极慢，也就不易觉察到。gTT gTT 温度与应力松弛温度与应力松弛n（3）如果温度接近）如果温度接近 （附近几十（附近几十度），应力松弛可以较明显地被观察度），应力松弛可以较明显地被观察到，如软到，如软PVC丝，用它来缚物，开始扎丝，用它来缚物，开始扎得很紧，后来就会慢慢变松，就是应得很紧，后来就会慢慢变松，就是应力松弛比较明显的例子。力松弛比较明显的例子。n（4）只有交联高聚物应力松弛不会减）只有交联高聚物应力松弛不会减到零（因为不会产生分子间滑移），到零（因为不会产生分子间滑移），而线形高聚物的应力松弛可减到零。而线形

11、高聚物的应力松弛可减到零。gT应力松弛的Maxwell模型 一个虎克弹簧（弹性） 一个牛顿粘壶（粘性）串连说明粘弹性虎克弹簧弹簧牛顿牛顿粘壶1=E122ddt 松弛过程（两种现象）松弛过程（两种现象） 是高聚物从一种平衡状态过渡到另外一种平衡状态的过程。在松弛过程中，高聚物处于不平衡的过渡。 常见的高聚物松弛过程常见的高聚物松弛过程高聚物的松弛过程应力松弛（relaxation of stress）蠕变（creep）是在保持高聚物材料形变一定的情况下，应力随时间的增加而逐渐减小的现象。是在一定的应力作用下，形变随时间的增加而增大的现象。 高聚物的松弛过程直接影响高聚物材料尺寸稳定性；但高聚物材

12、料成型加工过程中需要通过松弛过程将各种应力松弛掉，防止应力集中而影响使用。松弛过程的本质：松弛过程的本质：是链段和分子链运动的结果。 应力松弛曲线与应力松弛示意图应力松弛曲线与应力松弛示意图 蠕变曲线示意图蠕变曲线示意图t停止型减小型1受力形变维持不变应力松弛应力松弛应力松弛示意图示意图应力松弛曲应力松弛曲线示意图线示意图增长型停止型稳变型t蠕变曲线示意图滞后现象 试样在交变应力作用下，应变的变化落后于应力的变化的现象 滞 后 现 象（Delay ）n高聚物作为结构材料，在实际应用时，高聚物作为结构材料，在实际应用时，往往受到交变力的作用。例如传动皮带，往往受到交变力的作用。例如传动皮带，齿轮

13、，轮胎，消振器等，它们都是在齿轮，轮胎，消振器等，它们都是在交交变力作用变力作用的场合使用的。的场合使用的。例如，自行车行驶时橡胶轮胎的某一部分一会儿着地，一例如，自行车行驶时橡胶轮胎的某一部分一会儿着地，一会儿离地，因而受到的是一个交变力。在这个交变力作用会儿离地，因而受到的是一个交变力。在这个交变力作用下，轮胎的形变也是一会儿大一会儿小的变化。形变总是下，轮胎的形变也是一会儿大一会儿小的变化。形变总是落后于应力的变化，这种滞后现象的发生是由于链段在运落后于应力的变化，这种滞后现象的发生是由于链段在运动时要受到内摩擦力的作用。当外力变化时，链段的运动动时要受到内摩擦力的作用。当外力变化时，链

14、段的运动跟不上外力的变化，所以落后于应力，有一个相位差跟不上外力的变化，所以落后于应力，有一个相位差。相位差越大，说明链段运动越困难。相位差越大，说明链段运动越困难。汽车速度60公里/小时轮胎某处受300次/分的周期应力作用。)( t)( t)( t)( t32(t)wt(t)00( )sintwt0( )sin()twt2300sinsin()22wttwt对弹性材料：（t）形变与时间 无关，与应力同相位对牛顿粘性材料：（t）应变落后于应力粘弹材料的力学响应介于弹性与粘性之间，应变落后于应 力一个相位角。020( )sin()twt形变落后于应变变化的相位角。 越大，说明滞后现象越严重。n解

15、释解释： 产生滞后的原因：外力作用时，链产生滞后的原因：外力作用时，链段运动要受到内摩擦阻力的作用，外力变段运动要受到内摩擦阻力的作用，外力变化时链段运动跟不上外力的变化，化时链段运动跟不上外力的变化，落后于落后于。链段在运动时要受到内摩擦力的作用，。链段在运动时要受到内摩擦力的作用，当外力变化时链段的运动还跟不上外力的当外力变化时链段的运动还跟不上外力的变化，形变落后于应力，有一个相位差，变化，形变落后于应力，有一个相位差，其越大，说明链段运动愈困难，愈是跟不其越大，说明链段运动愈困难，愈是跟不上外力的变化。上外力的变化。n高聚物的滞后现象与其本身的化学高聚物的滞后现象与其本身的化学结构有关

16、：通常刚性分子滞后现象小结构有关：通常刚性分子滞后现象小（如塑料）；柔性分子滞后现象严重（如塑料）；柔性分子滞后现象严重（如橡胶）（如橡胶）n滞后现象还受到外界条件的影响滞后现象还受到外界条件的影响n外力作用的频率外力作用的频率n如果外力作用的频率低，链段能够来如果外力作用的频率低，链段能够来得及运动，形变能跟上应力的变化，得及运动，形变能跟上应力的变化，则滞后现象很小。则滞后现象很小。n只有外力的作用频率处于某一种水平，只有外力的作用频率处于某一种水平，使链段可以运动，但又跟不上应力的使链段可以运动，但又跟不上应力的变化，才会出现明显的滞后现象变化，才会出现明显的滞后现象n温度的影响温度的影

17、响n温度很高时，链段运动很快，形变几温度很高时，链段运动很快，形变几乎不落后应力的变化，滞后现象几乎乎不落后应力的变化，滞后现象几乎不存在不存在n温度很低时，链段运动速度很慢，在温度很低时，链段运动速度很慢，在应力增长的时间内形变来不及发展，应力增长的时间内形变来不及发展，也无滞后也无滞后n只有在某一温度下（只有在某一温度下（ 上下几十度范上下几十度范围内），链段能充分运动，但又跟不围内），链段能充分运动，但又跟不上应力变化，滞后现象就比较严重上应力变化，滞后现象就比较严重gT 增加频率与降低温度对滞后有相同增加频率与降低温度对滞后有相同的影响的影响 降低频率与升高温度对滞后有相同降低频率与升

18、高温度对滞后有相同的影响的影响力力 学学 损损 耗耗n轮胎在高速行使相当长时间后，立即检轮胎在高速行使相当长时间后，立即检查内层温度，为什么达到烫手的程度？查内层温度，为什么达到烫手的程度？n解：高聚物受到交变力作用时会产解：高聚物受到交变力作用时会产生滞后现象，上一次受到外力后发生滞后现象，上一次受到外力后发生形变在外力去除后还来不及恢复，生形变在外力去除后还来不及恢复，下一次应力又施加了，以致总有部下一次应力又施加了，以致总有部分弹性储能没有释放出来。这样不分弹性储能没有释放出来。这样不断循环，那些未释放的弹性储能都断循环，那些未释放的弹性储能都被消耗在体系的自摩擦上，并转化被消耗在体系的

19、自摩擦上，并转化成热量放出。成热量放出。定义n这种由于力学滞后而使机械功转换成热这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称为的现象，称为力学损耗或内耗力学损耗或内耗。n以应力应变关系作以应力应变关系作图时，所得的曲线在图时，所得的曲线在施加几次交变应力后施加几次交变应力后就封闭成环，称为滞就封闭成环，称为滞后环或滞后圈，此圈后环或滞后圈，此圈越大，力学损耗越大。越大，力学损耗越大。回缩曲线回缩曲线拉伸曲线拉伸曲线n例例1：n对于作轮胎的橡胶，则希望它有最小的力学损对于作轮胎的橡胶，则希望它有最小的力学损耗才好。耗才好。n顺丁胶：内耗小，结构简单，没有侧基，链段运顺丁胶：内耗小，结构简单，没有

20、侧基，链段运动的内摩擦较小。动的内摩擦较小。n丁苯胶：内耗大，结构含有较大刚性的苯基，链丁苯胶：内耗大，结构含有较大刚性的苯基，链段运动的内摩擦较大。段运动的内摩擦较大。n丁腈胶：内耗大，结构含有极性较强的氰基，链丁腈胶：内耗大，结构含有极性较强的氰基，链段运动的内摩擦较大。段运动的内摩擦较大。n丁基胶：内耗比上面几种都大，侧基数目多，链丁基胶：内耗比上面几种都大，侧基数目多，链段运动的内摩擦更大。段运动的内摩擦更大。n例例2：n对于作为防震材料，要求在常温附近有对于作为防震材料，要求在常温附近有较大的力学损耗（吸收振动能并转化为较大的力学损耗（吸收振动能并转化为热能）。热能）。n对于隔音材料

21、和吸音材料，要求在音频对于隔音材料和吸音材料，要求在音频范围内有较大的力学损耗（当然也不能范围内有较大的力学损耗（当然也不能内耗太大，否则发热过多，材料易于热内耗太大，否则发热过多，材料易于热态化）。态化）。动态力学性能的影响因素 滞后现象主要存在于交变场中的橡胶制品中，塑料处Tg、Tm以下，损耗小。结构的影响：结构的影响： BR顺丁橡胶 : 结构简单，分子间力小，链段运动容易内摩 擦阻力小，松弛时间短，小，tg小 NR: 结构上比BR多一侧甲基，tg较较BR小小 SBR丁苯橡胶: 侧基有芳环，体积效应大，tg 大大升热大,溶 聚丁苯胶的升热较低 NBR丁腈橡胶: 侧基-CN，极性大，分子间力

22、大，内摩擦大，运动 阻力大，大，大，NBRNBR的的tg与与 -CN-CN含量有关含量有关 IIR IIR丁基橡胶: : 侧基侧基-CH3-CH3，数目多，动态下内摩擦，数目多，动态下内摩擦阻力大，阻力大， tg大BR NR SBR NBR IIRtg由小到大的顺序：由小到大的顺序：温度的影响温度的影响： （固定频率下）（固定频率下）Tg以下，形变主要 由键长、键角的变化引起，形变速率快，几乎完全跟得上应力的变化，tg小小Tg附近时，链段开始运动，而体系粘度很大，附近时，链段开始运动，而体系粘度很大，链段运动很难，内摩擦阻力大，形变显著落后链段运动很难，内摩擦阻力大，形变显著落后于应力的变化，

23、于应力的变化， tg大（转变区）大（转变区）链段运动较自由、容易，受力时形变大，链段运动较自由、容易，受力时形变大，tg小，内摩擦阻力大于玻璃态。小，内摩擦阻力大于玻璃态。向粘流态过度，分子间的相互滑移，内摩擦大，向粘流态过度，分子间的相互滑移，内摩擦大，内耗急剧增加，内耗急剧增加， tg大大TTg：TTg：TTf：TTg：频率的影响：（温度恒定）频率的影响：（温度恒定）（1）交变应力的频率小时： （相当于高弹态） 链段完全跟得上交变应力的变化，内耗小，E小，E” 和tg都比较低都比较低. .（2 2）交变应力的频率大时：）交变应力的频率大时： （相当于玻璃态）（相当于玻璃态） 链段完全跟不上

24、外力的变化，不损耗能量，链段完全跟不上外力的变化，不损耗能量，E E大，大， E E”和和tg00（3 3）频率在一定范围内时：）频率在一定范围内时： 链段可运动，但又跟不上外力的变化，表现出明显的链段可运动，但又跟不上外力的变化，表现出明显的 能量损耗，因此能量损耗，因此E E”和和tg在某一频率下有一极大值在某一频率下有一极大值玻璃化转变频率此区域表现出明显的粘弹行为故称粘弹区玻璃化转变频率此区域表现出明显的粘弹行为故称粘弹区lgElg粘弹区橡胶区玻璃态lggE”Etg测定高聚物粘弹性的实验方法测定高聚物粘弹性的实验方法n蠕变仪蠕变仪 n高聚物的蠕变试验可在拉伸，压缩，高聚物的蠕变试验可在

25、拉伸，压缩，剪切，弯曲下进行。剪切，弯曲下进行。（）拉伸蠕变试验（）拉伸蠕变试验机机 （塑料）（塑料）原理：对试样施加原理：对试样施加恒定的外力（加力恒定的外力（加力可以是上夹具固定，可以是上夹具固定，自试样下面直接挂自试样下面直接挂荷重），测定应变荷重），测定应变随时间的变化随时间的变化夹具夹具试样试样荷重荷重n注注：n对于硬塑料，长度变化较小，通对于硬塑料，长度变化较小，通常在试样表面贴应变片（类似电常在试样表面贴应变片（类似电子秤的装置，可以将力学信号转子秤的装置，可以将力学信号转变为电阻值，而得出应变值），变为电阻值，而得出应变值），测定拉伸过程中电阻值的变化而测定拉伸过程中电阻值的变

26、化而得出应变值。得出应变值。（）剪切蠕变（）剪切蠕变（交联橡胶交联橡胶） 材料受的剪切应力在这种恒切应力下测定材料受的剪切应力在这种恒切应力下测定应变随时间的变化。应变随时间的变化。n应力松弛应力松弛n拉伸应力松弛拉伸应力松弛 （橡胶和低模量高聚物（橡胶和低模量高聚物的应力松弛实验）的应力松弛实验） n动态扭摆仪动态扭摆仪n扭摆测量原理：由扭摆测量原理：由于试样内部高分子于试样内部高分子的内摩擦作用，使的内摩擦作用，使得惯性体的振动受得惯性体的振动受到阻尼后逐渐衰减，到阻尼后逐渐衰减，振幅随时间增加而振幅随时间增加而减小。减小。极 限 力 学 行 为n概述概述n应力应变曲线应力应变曲线n屈服屈

27、服n冷拉与成颈冷拉与成颈n银纹与应力发白银纹与应力发白n强度与破坏强度与破坏概概 述述n非极限范围内的小形变：可用模非极限范围内的小形变：可用模量来表示形变特性量来表示形变特性 极限范围内的大形变：要用应力极限范围内的大形变：要用应力应变曲线来反映这一过程应变曲线来反映这一过程The stress-strain curves 应力应力-应变曲线应变曲线AAE A 弹性极限应变 A弹性极限应力 B 断裂伸长率 B断裂强度 Y 屈服应力Y point: Yielding point 屈服点屈服点A point: Point of elastic limit 弹性极限点弹性极限点B point: B

28、reaking point 断裂点断裂点形变过程形变过程弹性形变弹性形变 -屈服屈服-应变软化应变软化-冷拉冷拉-应变硬化应变硬化-断断裂裂n由应力应变曲线上可获得的反映由应力应变曲线上可获得的反映破坏过程的力学量破坏过程的力学量:n杨氏模量杨氏模量n屈服应力屈服应力n屈服伸长屈服伸长n断裂强度（抗拉强度）断裂强度（抗拉强度）n断裂伸长断裂伸长n高聚物的力学性能与温度和力的作用速高聚物的力学性能与温度和力的作用速率有关，因此率有关，因此在试验和应用中务必牢牢记在试验和应用中务必牢牢记住住：必须标明温度和施力速率（或形变速：必须标明温度和施力速率（或形变速率），切勿将正常形变速率下测试数据用率）

29、，切勿将正常形变速率下测试数据用于持久力作用或冲击力作用下的场合下；于持久力作用或冲击力作用下的场合下；切勿将正常温度下得到的数据用于低温或切勿将正常温度下得到的数据用于低温或高温下。只有在宽广的温度范围和形变速高温下。只有在宽广的温度范围和形变速率范围内测得的数据才可以帮助我们判断率范围内测得的数据才可以帮助我们判断高聚物材料的强度、硬软、韧脆，再根据高聚物材料的强度、硬软、韧脆，再根据环境的要求，才能选出合适的材料来进行环境的要求，才能选出合适的材料来进行设计和应用。设计和应用。n材料破坏有二种方式，可从拉伸应力材料破坏有二种方式，可从拉伸应力应应变曲线的形状和破坏时断面形状来区分：变曲线

30、的形状和破坏时断面形状来区分：n脆性破坏脆性破坏:试样在出现屈服点之前断裂试样在出现屈服点之前断裂 断裂表面光滑断裂表面光滑n韧性破坏韧性破坏:试样在拉伸过程中有明显屈服试样在拉伸过程中有明显屈服 点和颈缩现象点和颈缩现象 短裂表面粗糙短裂表面粗糙n拉伸应力曲线反映的材料的力学性质拉伸应力曲线反映的材料的力学性质n力力 学学 参参 量量 力力 学学 性性 质质 n弹性模量弹性模量 刚性刚性n屈服点屈服点 弹性弹性n断裂伸长断裂伸长 延性延性n屈服应力屈服应力 强度强度（或断裂强度、抗拉强度）（或断裂强度、抗拉强度）n应力应变曲线下部的面积应力应变曲线下部的面积 韧性韧性n弹性线下部的面积弹性线

31、下部的面积 回弹性回弹性应应 力力-应应 变变 曲曲 线线1.高聚物的应力高聚物的应力应变综合曲线应变综合曲线屈服应变屈服应变弹性弹性线性线性B（屈服点）（屈服点）C断裂点断裂点塑性塑性 整个曲线有两个转折点，划分为三段：曲线的初始段（OY），应力随应变直线增加，试样均匀伸长；达到屈服点（Y）后，试样突然在某处或几处变细，出现“细颈”，由此开始拉伸的第二阶段细颈发展阶段（ND），这一阶段的特点是伸长不断增加而应力几乎不变或增大不多，直至整个试样全部变细（D点）；第三阶段（DB）是已被细颈的试样重新被均匀拉伸应力随应变增加，直至断裂点B为止。OYNDBOY段段 YN段段ND段段DB段段D点点OY

32、段段YN段段ND段段D点点DB段段试样形状变化试样形状变化n实际聚合物材料，通常是综合曲线的实际聚合物材料，通常是综合曲线的一部分或是其变异一部分或是其变异 。n处于玻璃态的塑料只在一段范围内才处于玻璃态的塑料只在一段范围内才具有这种形状。具有这种形状。n处于高弹态的橡胶，只有在温度较低处于高弹态的橡胶，只有在温度较低和分子量很大时具有这种形状。和分子量很大时具有这种形状。n分析：分析： 以以B点为界分为二部分：点为界分为二部分：nB点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形。斜率不留任何永久变形。斜率 即为杨氏模量。即为杨氏模

33、量。nB点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢复点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢复原样，而留有永久变形，我们称材料原样，而留有永久变形，我们称材料“屈服屈服”了，了，B点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多tg屈服应变屈服应变弹性弹性线性线性B（屈服点）（屈服点）C断裂点断裂点塑性塑性nB点：屈服点点：屈服点 B点时对应的应力点时对应的应力屈服应力屈服应力 B点时对应的应变点时对应的应变屈服应变屈服应变nC点：断裂点点：断裂点 C点对应的应力点对应的应力断裂应力（断裂强断裂应力（断裂强度）度）抗拉强度抗拉强度 C点对应的应变点

34、对应的应变断裂伸长率断裂伸长率 由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应变曲线由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类具有多种形状。归纳起来，可分为五类 。图图. . 高分子材料应力高分子材料应力-应变曲线的类型应变曲线的类型曲线的类型曲线的类型（1）硬而脆型）硬而脆型（2）硬而强型）硬而强型（3）硬而韧型）硬而韧型（4）软而韧型）软而韧型（5）软而弱型）软而弱型 （3）硬而韧型）硬而韧型 此类材料弹性模量、屈此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，应力应变曲线下的面积很大，说明材大，应

35、力应变曲线下的面积很大，说明材料韧性好，是优良的工程材料。料韧性好，是优良的工程材料。（1）硬而脆型）硬而脆型 此类材料弹性模量高（此类材料弹性模量高（OA段斜段斜率大）而断裂伸长率很小。在很小应变下，材料率大）而断裂伸长率很小。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。（2）硬而强型）硬而强型 此类材料弹性模量高，此类材料弹性模量高，裂强度高，断裂伸长率小。通常材料拉伸裂强度高，断裂伸长

36、率小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为到屈服点附近就发生破坏（大约为5%）。）。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。说明说明（5）软而弱型）软而弱型 此类材料弹性模量低，断此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。（4）软而韧型）软而韧型 此类材料弹性模量和此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大屈服应力较低，断裂伸长率大20%1000%），断裂强度可能较高，应力），断裂强度可能较高，应力应变曲线下的面积大。各种橡胶制应变曲线下的面积大。

37、各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力应品和增塑聚氯乙烯具有这种应力应变特征。变特征。 硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。硝酸纤维素等属于这种材料。注意注意 材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试

38、条件材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件（如拉伸速率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很（如拉伸速率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也会发生大于慢速率下拉伸也会发生大于100%的断裂伸长率，显现出硬而的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。韧型特点。 实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典型性，或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显型性，或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显的屈服和的屈服和“颈缩颈缩”，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈服强度，有的

39、则屈服强度高于断裂强度等。服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。聚合物力学类型聚合物力学类型软而弱软而弱软而韧软而韧硬而脆硬而脆硬而强硬而强硬而韧硬而韧聚合物应力聚合物应力应变曲线应变曲线应应力力应应变变曲曲线线特特点点模模 量量（刚性）（刚性）低低低低高高高高高高屈服应力屈服应力（强度）（强度）低低低低高高高高高高极限强度极限强度（强度）（强度）低低中中高高高高断裂伸长断裂伸长（延性）（延性）中等中等按屈服应力按屈服应力低低中中高高应力应变曲线应力应变曲线下面积（韧）下面积（韧）小小中中小

40、小中中大大实实例例聚合物凝胶聚合物凝胶橡胶橡胶.增塑增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固固化酚醛树脂断化酚醛树脂断裂前无塑性形裂前无塑性形变断裂前有银变断裂前有银纹纹硬硬PVCABS.PC.PE.PA有明显的有明显的屈服和塑性屈服和塑性形变形变.韧性好韧性好高聚物的屈服高聚物的屈服1、高聚物屈服点的特征高聚物屈服点的特征大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现象是拉伸中出现的象是拉伸中出现的细颈现象细颈现象。它是独特的力。它是独特的力学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出屈服过程，这是由于温度和时间对高聚物的屈

41、服过程，这是由于温度和时间对高聚物的性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性，性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性，有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物脆性易断。脆性易断。 (1)屈服应变大屈服应变大：高聚物的屈服应变比：高聚物的屈服应变比金属大得多，金属金属大得多，金属0.01左右，高聚物左右，高聚物0.2左右（例如左右（例如PMMA的切变屈服为的切变屈服为0.25，压缩屈服为，压缩屈服为0.13）(2)屈服过程有应变软化现象屈服过程有应变软化现象：许多高：许多高聚物在过屈服点后均有一个应力不太聚物在过屈服点后均有一个应力不太大的下降，叫应变软化，这时应变

42、增大的下降，叫应变软化，这时应变增大，应力反而下降。大，应力反而下降。(3)屈服应力依赖于温度：屈服应力依赖于温度：温度升高，屈服应力温度升高，屈服应力下降。下降。温度对醋酸纤维素应力应变曲线的影响温度对醋酸纤维素应力应变曲线的影响应力应力应变应变80655025025图图 断裂强度断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势和屈服强度随温度的变化趋势 虚线虚线高拉伸速率高拉伸速率 实线实线低拉伸速率低拉伸速率 材料的拉伸断裂强度材料的拉伸断裂强度 和屈服强度和屈服强度 随环境温度而发生随环境温度而发生变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。 By 在温度升高过程中，

43、材料发生脆在温度升高过程中，材料发生脆-韧转变。两曲线交点对韧转变。两曲线交点对应的温度称脆应的温度称脆-韧转变温度韧转变温度 。 tT 当环境温度小于当环境温度小于 时，时，材料的材料的 ，受外，受外力作用时，材料未屈服前力作用时，材料未屈服前先已断裂，呈脆性断裂特先已断裂，呈脆性断裂特征。征。 tTBy 环境温度高于环境温度高于 时，时， ，受外力作，受外力作用时，材料先屈服，出现用时，材料先屈服，出现细颈和很大变形后才断裂，细颈和很大变形后才断裂，呈韧性断裂特征。呈韧性断裂特征。 tTBy(4)屈服应力依赖应变速率屈服应力依赖应变速率：应变速率增大，：应变速率增大，屈服应力增大。屈服应力

44、增大。应变速率对应变速率对PMMA真应力应变曲线的影响真应力应变曲线的影响应应变变速速率率增增大大123410.2吋分吋分真应变真应变 41.28吋吋/分分31.13吋吋/分分20.8吋吋/分分真应力真应力 减慢拉伸速率与升高环减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时相似的影响，这是时-温等温等效原理在高分子力学行为效原理在高分子力学行为中的体现。中的体现。 图图 断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势实线低环境温度 虚线高环境温度 与脆与脆-韧转变温度相韧转变温度相似，根据图中两曲线交似，根据图中两曲线交点，可以

45、定义脆点，可以定义脆-韧转韧转变（拉伸）速率变（拉伸）速率 。拉伸速率高于拉伸速率高于 时，时，材料呈脆性断裂特征；材料呈脆性断裂特征；低于低于 时，呈韧性断时，呈韧性断裂特征。裂特征。 tttBy对材料的断裂强度对材料的断裂强度 和屈服强度和屈服强度 也有明显也有明显影响影响 。n(5)屈服应力受流体静压力的影响：屈服应力受流体静压力的影响：压力增压力增大，屈服应力增大。大，屈服应力增大。 研究发现，对许多非晶聚合物，研究发现，对许多非晶聚合物，如如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韧转变行为与环境压力有关。韧转变行为与环境压力有关。1.7千千pa1pa0.69千千pa3.2千千pa切应力切应

46、力切应变切应变环境压力的影响环境压力的影响图图 聚苯乙烯的应力聚苯乙烯的应力-应变曲线应变曲线随环境压力的变化（随环境压力的变化（T=31） 右图可见，右图可见，PSPS在低环境压力在低环境压力（常压）下呈脆性断裂特点，（常压）下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低。随强度与断裂伸长率都很低。随着环境压力升高，材料强度增着环境压力升高，材料强度增高，伸长率变大，出现典型屈高，伸长率变大，出现典型屈服现象，材料发生脆服现象，材料发生脆- -韧转变。韧转变。 这两种不同的脆这两种不同的脆-韧转变方式给我们以启发，告诉我们材料增韧韧转变方式给我们以启发，告诉我们材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代

47、价。设计恰当的方法，就有可能在改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当的方法，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强度，实现既增韧又增强。塑料的增韧的同时，保持或提高材料的强度，实现既增韧又增强。塑料的非弹性体增韧改性技术就是由此发展起来的。非弹性体增韧改性技术就是由此发展起来的。 两种脆两种脆-韧转变方式韧转变方式 升高温度使材料变韧，但其拉伸强度明显下降。升高温度使材料变韧，但其拉伸强度明显下降。 升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，材料变升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，材料变得强而韧。得强而韧。升高环境温度和升高环境压升高环境温度和升高环境压力都能使高分

48、子材料发生脆力都能使高分子材料发生脆-韧转变。但两种脆韧转变。但两种脆-韧转变方韧转变方式有很大差别。式有很大差别。(6)高聚物屈服应力不等于压缩屈服应高聚物屈服应力不等于压缩屈服应力力，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应力差别很向薄膜不同方向上的屈服应力差别很大。大。(7)高聚物在屈服时体积略有缩小高聚物在屈服时体积略有缩小。(1)剪切屈服剪切屈服现象现象：韧性高聚物在拉伸至屈服点时，常可：韧性高聚物在拉伸至屈服点时，常可见试样上出现与拉伸方向成见试样上出现与拉伸方向成45（135 ）角的剪切滑移变形带。角的剪切滑移变形带。n对韧性材料来说，拉

49、伸时在一定角度上斜对韧性材料来说，拉伸时在一定角度上斜截面上的切应力首先达到材料的剪切强度。截面上的切应力首先达到材料的剪切强度。形成局部剪切形变，可能出现形成局部剪切形变，可能出现细颈细颈。n因为变形带中分子链的取向度高，故变形因为变形带中分子链的取向度高，故变形逐步向整个试样扩展。逐步向整个试样扩展。n通常通常，韧性材料最大切应力首先达到抗剪，韧性材料最大切应力首先达到抗剪强度，所以材料先屈服。强度，所以材料先屈服。 脆性材料最大切脆性材料最大切应力达到抗剪强度之前，真应力已超过材应力达到抗剪强度之前，真应力已超过材料强度，所以材料来不及屈服就已断裂。料强度，所以材料来不及屈服就已断裂。n

50、因此，韧性材料因此，韧性材料-断面粗糙断面粗糙-明显变形明显变形 脆性材料脆性材料-断面光滑断面光滑-断面与拉断面与拉 伸方向垂直伸方向垂直 聚苯乙烯板中的银纹 图中箭头指主应力方向；（b）是图（a）中一段的放大照片(a)(b)某些高聚物在玻璃态下拉伸时，会产生垂直于拉应力方向的银纹（craze） 。受力或环境介质的作用都可能引发银纹。 银纹的出现标志着银纹的出现标志着材料已受损伤材料已受损伤，对材，对材料强度有不良的影响料强度有不良的影响 ；根据银纹的形成过程，；根据银纹的形成过程，可认为它又是高分子材料的一种变形机理。可认为它又是高分子材料的一种变形机理。 高分子材料是脆性裂断还是延性裂断

51、，高分子材料是脆性裂断还是延性裂断，取决于裂尖出现取决于裂尖出现银纹区还是塑性区银纹区还是塑性区这两种过这两种过程的竞争。银纹也会发展成为裂纹，但程的竞争。银纹也会发展成为裂纹，但银纹银纹并不是裂纹并不是裂纹，其差别主要体现在，其差别主要体现在 : :I. 银纹可以发展到与试件尺度相当的长度，但不银纹可以发展到与试件尺度相当的长度，但不会导致试件断裂，裂纹远未达到这样大的尺寸会导致试件断裂，裂纹远未达到这样大的尺寸时试样已断裂；时试样已断裂；II. 在恒定载荷作用下银纹恒速发展，而裂纹的生在恒定载荷作用下银纹恒速发展，而裂纹的生长是加速的；长是加速的；III.试件刚度不随银纹化的程度而改变，但

52、裂纹会试件刚度不随银纹化的程度而改变，但裂纹会导致刚度下降；导致刚度下降；IV.银纹的扩展取决于试样的平均应力，裂纹则取银纹的扩展取决于试样的平均应力，裂纹则取决于尖端的应力强度因子。决于尖端的应力强度因子。高聚物的断裂与强度高聚物的断裂与强度n1.脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂从实用观点来看，高聚物材料的最大优点是从实用观点来看，高聚物材料的最大优点是它们内在的韧性，也就是说它在断裂前能吸它们内在的韧性，也就是说它在断裂前能吸收大量的能量，但是这种内在的韧性不是总收大量的能量，但是这种内在的韧性不是总是能表现出来的，由于加载方式、温度、应是能表现出来的，由于加载方式、温度、应变速率、试

53、样形状、大小等的改变却会使韧变速率、试样形状、大小等的改变却会使韧性变坏，甚至会脆性断裂，而材料的脆性断性变坏，甚至会脆性断裂，而材料的脆性断裂是工程上必须尽量避免的。裂是工程上必须尽量避免的。 脆性脆性： 的关系是线性（或微曲）的关系是线性（或微曲） 断裂应变低于，断裂能不大，断裂应变低于，断裂能不大， 断裂面光滑断裂面光滑韧性韧性： 关系非线性关系非线性 断裂前形变大得多，断裂能很大，断裂前形变大得多，断裂能很大， 断裂面粗糙断裂面粗糙n对高聚物材料，脆性还是韧性极大地对高聚物材料，脆性还是韧性极大地取决于实验条件：主要看取决于实验条件：主要看温度温度和和测试测试速率速率。n在恒定的应变速

54、率下：低温脆性形式在恒定的应变速率下：低温脆性形式向高温韧性形式转变向高温韧性形式转变n在恒定温度下：应变速率上伸，表现在恒定温度下：应变速率上伸，表现为脆性形式；应变速率下降，表现为为脆性形式；应变速率下降，表现为韧性形式韧性形式n.高聚物的强度高聚物的强度（1）高聚物材料的破坏实质上大分子）高聚物材料的破坏实质上大分子主链上化学键的断裂或是高分子链之主链上化学键的断裂或是高分子链之间相互作用力的破坏。所以从构成高间相互作用力的破坏。所以从构成高分子链化学键的强度和高分子链间相分子链化学键的强度和高分子链间相互作用力的强度可以估称高聚物材料互作用力的强度可以估称高聚物材料的理论强度。的理论强

55、度。理论强度的构成：理论强度的构成：高分子中主要是共价键。共价键的键能约为高分子中主要是共价键。共价键的键能约为3.353.78105 J/mole，键长约，键长约1.5，故共价键形成的键力，故共价键形成的键力约为约为3410-9 N/键。键。 高分子中分子间作用力，又称次价力，主要来自所高分子中分子间作用力，又称次价力，主要来自所谓的范德瓦力。谓的范德瓦力。 高分子中还有另一种次价力，即氢键力。高分子中还有另一种次价力，即氢键力。材料的断裂方式分析材料的断裂方式分析理论值理论值在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度在几千断裂强度在几千MPa，

56、而实际只有几十，而实际只有几十Mpa 。WHY？e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryeriment)100011001(exp 可设想断裂是先开始于氢键或范德瓦键的破断，然后由于应力集中导致某些化学键的破断，最后促成材料的断裂。若将高分子的实际强度与分子间的键力比较，两者的数量级相同。但尽管共价键的强度比分子间作用力大1020倍，由于直接承受外力的取向主链数目少，最终的断裂强度还是较低的。这由理论强度与实际强度之间的巨大差距说明，提高高聚物实理论强度与实际强度之间的巨大差距说明，提高高聚物实际强度的潜力是很大的际强度的潜力是很大的。Griffith crack the

57、ory断裂理论断裂理论为什么材料的实际强为什么材料的实际强度远远低于理论强度？度远远低于理论强度？存在缺陷存在缺陷为什么在缺陷处断裂？为什么在缺陷处断裂？缺陷处应力集中缺陷处应力集中缺陷处应力多大？缺陷处应力多大？Griffith theory讨论什么时候裂纹开始扩展讨论什么时候裂纹开始扩展aEc2E-材料的杨氏模量；材料的杨氏模量；-材料单位表面的表面能；材料单位表面的表面能；a-裂缝长度的一半。裂缝长度的一半。裂缝扩展的临界应力裂缝扩展的临界应力Griffith从能量平衡的观点分析断裂过程，结果：从能量平衡的观点分析断裂过程，结果：（2）影响强度的因素（）影响强度的因素（规定试样尺寸）规定

58、试样尺寸） na填料：与填料高聚物的性质有关（纤维填料：与填料高聚物的性质有关（纤维填料能改进高聚物的力学强度）。粉料填填料能改进高聚物的力学强度）。粉料填料也可以作增强剂料也可以作增强剂 （如碳黑增强橡胶，（如碳黑增强橡胶，模量和强度均增加。）模量和强度均增加。）nb受力的条件：与环境条件即温度和速度受力的条件：与环境条件即温度和速度有关。按作用力作用方式不同力学强度分有关。按作用力作用方式不同力学强度分为：抗拉强度，抗压强度，抗弯强度，冲为：抗拉强度，抗压强度，抗弯强度，冲击强度。击强度。为了得到重复性好的结果，为了消除受力条为了得到重复性好的结果，为了消除受力条件的影响，规定了统一的标准

59、条件件的影响，规定了统一的标准条件-标准测试标准测试补充内容：补充内容： 强迫高弹形变与强迫高弹形变与“冷拉伸冷拉伸” 已知环境对高分子材料拉伸行为有显著影响，这儿再重点已知环境对高分子材料拉伸行为有显著影响，这儿再重点介绍在特殊环境条件下，高分子材料的两种特殊拉伸行为。介绍在特殊环境条件下，高分子材料的两种特殊拉伸行为。 1、非晶聚合物的强迫高弹形变、非晶聚合物的强迫高弹形变 图图 聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变曲线随环境温度的变化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下） 研究高聚物拉伸破坏行为时，研究高聚物拉伸破坏行为时，特别要注意在较低温度下的拉伸、特别要注意在较

60、低温度下的拉伸、屈服、断裂的情形。对于非晶聚屈服、断裂的情形。对于非晶聚合物，当环境温度处于合物，当环境温度处于 时，虽然材料处于玻璃态，时，虽然材料处于玻璃态，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分之几百的大变材料仍能发生百分之几百的大变形（参见图中形（参见图中T = 80，60的情的情形），这种变形称强迫高弹形变。形），这种变形称强迫高弹形变。TbTb 为脆化温度。为脆化温度。bTTgT（2 2）现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫）现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这发生运动