玻璃状态的力学性能课件

玻璃状态的力学性能

玻璃状态的力学性能

1力学性能是指物体受外力作用后产生的形变及抵抗破坏的能力◆静态力学性能：以一定速度缓慢作用时的力学特性（拉伸、压缩、弯曲、直接剪切）◆动态力学性能：静态力学之外的力学特性（冲击、摩擦、磨耗）力学性能是指物体受外力作用后产生的形变及抵抗破坏的能力◆静态2应力与应变：材料形变时会产生附加内力来抵抗外力，力图使材料恢复形变前的状态。这种附加力称为应力。拉伸变形抗张应力：抗张应变：其比例常数为抗张弹性模量，也称杨氏模量，它表征了物体变形的难易程度，E越大变形越难。

对于理想弹性体来说，在弹性极限内，应变正比于应力，服从虎克定律：σ=Eε。应力与应变：材料形变时会产生附加内力来抵抗外力，力图拉伸变形3

剪切变形σs为剪切应力；

εs为剪切应变2.压缩变形

P为单位面积上的静压力；V为初始体积；△V为体积变化。剪切变形2.压缩变形4模量：理想弹性体的应力与应变遵从虎克定律

E=σ/εE称为杨氏模量

G=σ/S/DG称为切变模量柔量：模量的倒数简单剪切示意图模量：理想弹性体的应力与应变遵从虎克定律简单剪切示意图51.1应力-应变曲线聚合物材料的破坏过程常伴有不可逆形变（即流动），不能用上述仅反应小形变特性的模量来表达，通常以应力-应变曲线来反应这一过程。1.1应力-应变曲线聚合物材料的破坏过程常伴有不可逆形变（6应力-应变综合曲线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：屈服点弹性极限点断裂点应力-应变综合曲线A弹性极限应变A弹性极限应力Y：7弹性形变屈服应变软化冷拉应变硬化断裂形变过程弹性形变屈服应变软化冷拉应变硬化断裂形变过程8脆性断裂和韧性断裂

材料破坏有二种方式，可从拉伸应力—应变曲线的形状和破坏的断面形状来区分：脆性破坏:①试样在出现屈服点之前断裂②断裂表面光滑韧性破坏:①试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象②断裂表面粗糙脆性断裂和韧性断裂材料破坏有二种方式，可从拉伸应力—应变9拉伸应力曲线反映的材料的力学性质力学参量力学性质

弹性模量刚性屈服点弹性断裂伸长延性屈服应力强度（或断裂强度、抗拉强度）应力应变曲线下部的面积韧性弹性线下部的面积回弹性拉伸应力曲线反映的材料的力学性质力学参量10不同类型的应力－应变曲线不同类型的应力－应变曲线11聚合物力学类型软而弱软而韧硬而脆硬而强硬而韧聚合物应力—应变曲线应力应变曲线特点模量（刚性）低低高高高屈服应力（强度）低低高高高极限强度（强度）低中高高断裂伸长（延性）中等按屈服应力低中高应力应变曲线下面积（韧）小中小中大实例聚合物凝胶橡胶.增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固化酚醛树脂断裂前无塑性形变断裂前有银纹硬PVCABS.PC.PE.PA有明显的屈服和塑性形变.韧性好聚合物力学类型软而弱软而韧硬而脆硬而强硬而韧聚合物应力应模12强度是指物质抵抗破坏的能力拉伸外力拉伸强度弯曲力矩抗弯强度冲击载荷冲击强度拉伸模量弯曲模量1.2

强度与破坏压力压缩强度硬度强度是指物质抵抗破坏的能力拉伸外力拉伸强度弯曲力矩抗弯强度冲13材料的断裂方式分析聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。化学键拉断15000MPa分子间滑脱5000MPa分子间扯离氢键500MPa范德华力100MPa理论值材料的断裂方式分析聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断14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MPa，而实际只有几十Mpa。e.g.PA,60MPaPPO,70MPa理论值与实验结果相差原因样条存在缺陷应力集中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MPa151.3影响聚合强度的因素内因：高分子链结构（组成、分子量及分子量分布、支化和交联）、结晶与取向、增塑剂、共混、填料、应力集中外因：温度、湿度、作用力的速度等重点1.3影响聚合强度的因素内因：高分子链结构（组成、分子量及161高聚物的结构（1）高分子链结构主链的化学键力和分子间作用力大，聚合物强度高。增加分子的极性或产生氢键可以提高聚合物强度。HDPE拉伸强度15-16MPa;PVC拉伸强度50MPa;PA610拉伸强度60MPa;PA66拉伸强度80MPa-氢键密度比PA610大含有芳杂环的高聚物，强度和模量高芳香尼龙比普通尼龙的强度和模量高；PS的强度和模量比PE高1高聚物的结构（1）高分子链结构17分子链支化程度增加，使分子间作用力减弱，聚合物拉伸强度下降，但冲击强度增高。

LDPE拉伸强度比HDPE低适度的交联大的形变，强度增高。能提高分子链间的联系，使分子链不易滑动。交联度增加，不易发生

PE交联后，拉伸强度提高1倍，冲击强度提高3-4倍分子量低，拉伸强度和冲击强度低；分子量增加，拉伸强度和冲击强度增高；分子量超过一定程度，拉伸强度变化不大，但冲击强度继续增加分子链支化程度增加，使分子间作用力减弱，聚合物拉伸强度下降，18（2）结晶和取向结晶度增加，拉伸强度、弯曲强度和模量增加，但冲击强度和断裂伸长率降低。取向使高聚物沿取向方向的强度提高几倍甚至几十倍。（2）结晶和取向19（3）应力集中材料存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布状态将发生变化，使缺陷附近局部范围内的应力急剧增加，远远超过平均值，称为应力集中。缺陷就是应力集中物，包括裂缝、孔隙、缺口、银纹、杂质等，它们成为材料破坏的薄弱环节，严重降低材料的强度。银纹如果不发展为裂纹，对材料的冲击强度提高有贡献（3）应力集中材料存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布状态20（4）增塑剂增塑剂：具有低挥发性的低分子量有机物或柔性高分子——酯类、醇类、聚酯、丙烯氰，丁二烯共聚物、氯化石蜡等，能降低聚合物体系的黏度及聚合物的玻璃化温度，弹性模量、屈服应力、抗张强度，但断裂伸长与冲击强度则上升。（4）增塑剂增塑剂：具有低挥发性的低分子量有机物或柔性高分21◆种类：1）极性增塑剂——改变极性基团间的作用，使次价交联点数目下降，柔性提高。效率与其摩尔分数成正比。水对淀粉塑料的增塑（稳定性较差----挥发）、甘油对大豆蛋白等生物质塑料的增塑料等----断裂升长率增加，杨氏模量、拉伸强度、玻璃化温度等下降。2）非极性增塑剂——隔离非极性高聚物分子链间的作用，使次价下降，柔性提高，效率与其体积分数成正比。如邻苯二甲酸二丁（辛）酯等对聚苯乙烯、聚氯乙烯等包装塑料的增塑。◆种类：22◆选择条件：1.互溶性；2.有效性；耐久性；

4.环保性——白色垃圾——降解性塑料

A.光降解塑料（60-600天降解）：

1.共聚型（与CO、乙烯基酮共聚，引入羰基等“发色基”或“弱键”）。

2.添加型（加入少量廉价引发剂或光敏剂如长链烷基二茂铁衍生物、胺烷基二茂铁衍生物等）。

B.生物降解（50-70天降解）：

1.完全生物降解——生物发酵、化学合成、动植物天然高分子、添加天然高分子或矿物质。2001年食油与淀粉制玩具(Mattle公司---全球最大的塑料玩具制造商）

2.生物崩坏型。◆选择条件：1.互溶性；2.有效性；耐久性；23活性粒子增强高聚物橡胶+碳黑增强机理：活性粒子吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子起物理交联点的作用。（5）填料活性粒子增强高聚物橡胶+碳黑增强机理：活性粒子吸附大分子，形24纤维增强Glasssteelboatglassyfiber+polyester增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷例：尼龙+玻纤/碳纤维/晶须/硼纤维增强效果与纤维的长度、纤维与聚合物之间的界面粘接力有关纤维增强Glasssteelboat增强机理：纤维作为骨252.外界条件外力作用速度：2.外界条件外力作用速度：26玻璃状态的力学性能

玻璃状态的力学性能

27力学性能是指物体受外力作用后产生的形变及抵抗破坏的能力◆静态力学性能：以一定速度缓慢作用时的力学特性（拉伸、压缩、弯曲、直接剪切）◆动态力学性能：静态力学之外的力学特性（冲击、摩擦、磨耗）力学性能是指物体受外力作用后产生的形变及抵抗破坏的能力◆静态28应力与应变：材料形变时会产生附加内力来抵抗外力，力图使材料恢复形变前的状态。这种附加力称为应力。拉伸变形抗张应力：抗张应变：其比例常数为抗张弹性模量，也称杨氏模量，它表征了物体变形的难易程度，E越大变形越难。

对于理想弹性体来说，在弹性极限内，应变正比于应力，服从虎克定律：σ=Eε。应力与应变：材料形变时会产生附加内力来抵抗外力，力图拉伸变形29

剪切变形σs为剪切应力；

εs为剪切应变2.压缩变形

P为单位面积上的静压力；V为初始体积；△V为体积变化。剪切变形2.压缩变形30模量：理想弹性体的应力与应变遵从虎克定律

E=σ/εE称为杨氏模量

G=σ/S/DG称为切变模量柔量：模量的倒数简单剪切示意图模量：理想弹性体的应力与应变遵从虎克定律简单剪切示意图311.1应力-应变曲线聚合物材料的破坏过程常伴有不可逆形变（即流动），不能用上述仅反应小形变特性的模量来表达，通常以应力-应变曲线来反应这一过程。1.1应力-应变曲线聚合物材料的破坏过程常伴有不可逆形变（32应力-应变综合曲线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：屈服点弹性极限点断裂点应力-应变综合曲线A弹性极限应变A弹性极限应力Y：33弹性形变屈服应变软化冷拉应变硬化断裂形变过程弹性形变屈服应变软化冷拉应变硬化断裂形变过程34脆性断裂和韧性断裂

材料破坏有二种方式，可从拉伸应力—应变曲线的形状和破坏的断面形状来区分：脆性破坏:①试样在出现屈服点之前断裂②断裂表面光滑韧性破坏:①试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象②断裂表面粗糙脆性断裂和韧性断裂材料破坏有二种方式，可从拉伸应力—应变35拉伸应力曲线反映的材料的力学性质力学参量力学性质

弹性模量刚性屈服点弹性断裂伸长延性屈服应力强度（或断裂强度、抗拉强度）应力应变曲线下部的面积韧性弹性线下部的面积回弹性拉伸应力曲线反映的材料的力学性质力学参量36不同类型的应力－应变曲线不同类型的应力－应变曲线37聚合物力学类型软而弱软而韧硬而脆硬而强硬而韧聚合物应力—应变曲线应力应变曲线特点模量（刚性）低低高高高屈服应力（强度）低低高高高极限强度（强度）低中高高断裂伸长（延性）中等按屈服应力低中高应力应变曲线下面积（韧）小中小中大实例聚合物凝胶橡胶.增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固化酚醛树脂断裂前无塑性形变断裂前有银纹硬PVCABS.PC.PE.PA有明显的屈服和塑性形变.韧性好聚合物力学类型软而弱软而韧硬而脆硬而强硬而韧聚合物应力应模38强度是指物质抵抗破坏的能力拉伸外力拉伸强度弯曲力矩抗弯强度冲击载荷冲击强度拉伸模量弯曲模量1.2

强度与破坏压力压缩强度硬度强度是指物质抵抗破坏的能力拉伸外力拉伸强度弯曲力矩抗弯强度冲39材料的断裂方式分析聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。化学键拉断15000MPa分子间滑脱5000MPa分子间扯离氢键500MPa范德华力100MPa理论值材料的断裂方式分析聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断40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MPa，而实际只有几十Mpa。e.g.PA,60MPaPPO,70MPa理论值与实验结果相差原因样条存在缺陷应力集中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MPa411.3影响聚合强度的因素内因：高分子链结构（组成、分子量及分子量分布、支化和交联）、结晶与取向、增塑剂、共混、填料、应力集中外因：温度、湿度、作用力的速度等重点1.3影响聚合强度的因素内因：高分子链结构（组成、分子量及421高聚物的结构（1）高分子链结构主链的化学键力和分子间作用力大，聚合物强度高。增加分子的极性或产生氢键可以提高聚合物强度。HDPE拉伸强度15-16MPa;PVC拉伸强度50MPa;PA610拉伸强度60MPa;PA66拉伸强度80MPa-氢键密度比PA610大含有芳杂环的高聚物，强度和模量高芳香尼龙比普通尼龙的强度和模量高；PS的强度和模量比PE高1高聚物的结构（1）高分子链结构43分子链支化程度增加，使分子间作用力减弱，聚合物拉伸强度下降，但冲击强度增高。

LDPE拉伸强度比HDPE低适度的交联大的形变，强度增高。能提高分子链间的联系，使分子链不易滑动。交联度增加，不易发生

PE交联后，拉伸强度提高1倍，冲击强度提高3-4倍分子量低，拉伸强度和冲击强度低；分子量增加，拉伸强度和冲击强度增高；分子量超过一定程度，拉伸强度变化不大，但冲击强度继续增加分子链支化程度增加，使分子间作用力减弱，聚合物拉伸强度下降，44（2）结晶和取向结晶度增加，拉伸强度、弯曲强度和模量增加，但冲击强度和断裂伸长率降低。取向使高聚物沿取向方向的强度提高几倍甚至几十倍。（2）结晶和取向45（3）应力集中材料存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布状态将发生变化，使缺陷附近局部范围内的应力急剧增加，远远超过平均值，称为应力集中。缺陷就是应力集中物，包括裂缝、孔隙、缺口、银纹、杂质等，它们成为材料破坏的薄弱环节，严重降低材料的强度。银纹如果不发展为裂纹，对材料的冲击强度提高有贡献（3）应力集中材料存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布状态46（4）增塑剂增塑剂：具有低挥发性的低分子量有机物或柔性高分子——酯类、醇类、聚酯、丙烯氰，丁二烯共聚物、氯化石蜡等，能降低聚合物体系的黏度及聚合物的玻璃化温度，弹性模量、屈服应力、抗张强度，但断裂伸长与冲击强度则上升。（4）增塑剂增塑剂：具有低挥发性的低分子量有机物或柔性高分47◆种类：1）极性增塑剂——改变极性基团间的作用，使次价交联点数目下降，柔性提高。效率与其摩尔分数成正比。水对淀粉塑料的增塑（稳定性较差----挥发）、甘油对大豆蛋白等生物质塑料的增塑料等----断裂升长率