第七章高聚物的力學(xué)性能第一節(jié)概述第二節(jié)高彈性第三節(jié)粘彈性第四節(jié)極限力學(xué)行為（屈服、破壞與強(qiáng)度）整理課件第一節(jié)概述1-1力學(xué)性能分類1-2表征力學(xué)性能的基本物理量1-3高聚物力學(xué)性能的特點(diǎn)整理課件1-1力學(xué)性能分類力學(xué)性能是高聚物優(yōu)異物理性能的基礎(chǔ)如：某高聚物磨擦，磨耗性能優(yōu)良，但力學(xué)性能不好，很脆。不能用它作減摩材料如：作電線絕緣材料的高聚物，也要求它們有一定的力學(xué)性能：強(qiáng)度和韌性。如果折疊幾次就破裂，那么這種材料的電絕緣性雖好，也不能用作電線。整理課件彈性粘彈性非線性粘彈性線性粘彈性高彈性普彈性動(dòng)態(tài)靜態(tài)粘性Deformation形變性能ElasticityHighelasticityViscosityviscoelasticityLinearviscoelasticityStaticDynamicNon-Linearviscoelasticity應(yīng)力松弛蠕變滯后力學(xué)損耗整理課件斷裂性能韌性強(qiáng)度FractureToughnessStrength整理課件常用術(shù)語(yǔ)：力學(xué)行為：指施加一個(gè)外力在材料上，它產(chǎn)生怎樣的形變（響應(yīng)）形變性能：非極限情況下的力學(xué)行為斷裂性能：極限情況下的力學(xué)行為彈性：對(duì)于理想彈性體來(lái)講，其彈性形變可用虎克定律來(lái)表示，即：應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，應(yīng)變與時(shí)間無(wú)關(guān)整理課件粘性：在外力作用下，分子與分子之間發(fā)生位移，理想的粘性流體其流動(dòng)形變可用牛頓定律來(lái)描述：應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比普彈性：大應(yīng)力作用下，只產(chǎn)生小的、線性可逆形變，它是由化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)，鍵角變化引起的。與材料的內(nèi)能變化有關(guān)：形變時(shí)內(nèi)能增加，形變恢復(fù)時(shí)，放出能量，對(duì)外做功（玻璃態(tài)，晶態(tài)，高聚物，金屬，陶瓷均有這種性能），普彈性又稱能彈性整理課件高彈性：小的應(yīng)力作用下可發(fā)生很大的可逆形變，是由內(nèi)部構(gòu)象熵變引起的，所以也稱熵彈性（橡膠具有高彈性）靜態(tài)力學(xué)性能：在恒應(yīng)力或恒應(yīng)變情況下的力學(xué)行為動(dòng)態(tài)力學(xué)性能：物體在交變應(yīng)力下的粘彈性行為應(yīng)力松弛：在恒應(yīng)變情況下，應(yīng)力隨時(shí)間的變化整理課件蠕變：在恒應(yīng)力下，物體的形變隨時(shí)間的變化強(qiáng)度：材料所能承受的應(yīng)力韌性：材料斷裂時(shí)所吸收的能量整理課件1-2表征材料力學(xué)性能的基本物理量受力方式簡(jiǎn)單拉伸簡(jiǎn)單剪切均勻壓縮參數(shù)受力特點(diǎn)外力F是與截面垂直，大小相等，方向相反，作用在同一直線上的兩個(gè)力。外力F是與界面平行，大小相等，方向相反的兩個(gè)力。材料受到的是圍壓力。θFFFF整理課件應(yīng)變張應(yīng)變：

真應(yīng)變：切應(yīng)變：是偏斜角壓縮應(yīng)變：應(yīng)力張應(yīng)力：真應(yīng)力：切應(yīng)力：壓力P整理課件彈性模量楊氏模量：泊淞比：切變模量：體積模量：柔量拉伸柔量：切變?nèi)崃浚嚎蓧嚎s度：機(jī)械強(qiáng)度整理課件1-3高聚物力學(xué)性能的特點(diǎn)1．高聚物材料具有所有已知材料可變性范圍最寬的力學(xué)性質(zhì)，包括從液體、軟橡皮到很硬的固體，各種高聚物對(duì)于機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)相差很大，例如：整理課件PS制品很脆，一敲就碎（脆性）尼龍制品很堅(jiān)韌，不易變形，也不易破碎（韌性）輕度交聯(lián)的橡膠拉伸時(shí)，可伸長(zhǎng)好幾倍，力解除后基本恢復(fù)原狀（彈性）膠泥變形后，卻完全保持新的形狀（粘性）高聚物力學(xué)性質(zhì)的這種多樣性，為不同的應(yīng)用提供了廣闊的選擇余地整理課件2.高聚物力學(xué)性能的最大特點(diǎn)是

高彈性和粘彈性整理課件（1）高聚物的高彈性：是由于高聚物極大的分子量使得高分子鏈有許多不同的構(gòu)象，而構(gòu)象的改變導(dǎo)致高分子鏈有其特有的柔順性。鏈柔性在性能上的表現(xiàn)就是高聚物的高彈性。它與一般材料的普彈性的差別就是因?yàn)闃?gòu)象的改變；形變時(shí)構(gòu)象熵減小，恢復(fù)時(shí)增加。內(nèi)能在高彈性形變中不起主要作用（它卻是普彈形變的主要起因）整理課件（2）高聚物的粘彈性：指高聚物材料不但具有彈性材料的一般特性，同時(shí)還具有粘性流體的一些特性。彈性和粘性在高聚物材料身上同時(shí)呈現(xiàn)得特別明顯。高聚物的粘彈性表現(xiàn)在它有突出的力學(xué)松弛現(xiàn)象，在研究它的力學(xué)性能時(shí)必須考慮應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系。溫度對(duì)力學(xué)性能也是非常重要的因素整理課件描述粘彈性高聚物材料的力學(xué)行為必須同時(shí)考慮應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間和溫度四個(gè)參數(shù)。高聚物材料的力學(xué)性能對(duì)時(shí)間和溫度的強(qiáng)烈依賴性是研究其力學(xué)性能中要著重弄清的問(wèn)題，也是進(jìn)行高聚物材料的測(cè)試及使用時(shí)必須十分注意的問(wèn)題。整理課件第二節(jié)高彈性2-1高彈性的特點(diǎn)2-2平衡態(tài)高彈性熱力學(xué)分析2-3橡膠的使用溫度

整理課件2-1高彈性的特點(diǎn)高彈態(tài)是高聚物所特有的，是基于鏈段運(yùn)動(dòng)的一種力學(xué)狀態(tài)，可以通過(guò)高聚物在一定條件下，通過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變而達(dá)到處于高彈態(tài)的高聚物表現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)性能——高彈性這是高聚物中一項(xiàng)十分難能可貴的性能整理課件橡膠就是具有高彈性的材料，高彈性的特征表現(xiàn)在：①?gòu)椥孕巫兇螅筛哌_(dá)1000%，而金屬材料的普彈形變不超過(guò)1%②彈性模量小，，而且隨絕對(duì)溫度升高而升高；而金屬材料的彈性模量達(dá)，而且隨絕對(duì)溫度升高而降低整理課件③在快速拉伸時(shí)（絕熱過(guò)程），高聚物溫度上升；而金屬材料溫度下降。如果把橡膠薄片拉長(zhǎng)，把它貼在嘴唇或面頰上，就會(huì)感到橡皮在伸長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱，回縮時(shí)吸熱。④形變與時(shí)間有關(guān)，橡膠受到外力（應(yīng)力恒定）壓縮或拉伸時(shí)，形變總是隨時(shí)間而發(fā)展，最后達(dá)到最大形變，這種現(xiàn)象叫蠕變。整理課件原因：由于橡膠是長(zhǎng)鏈分子，整個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)都要克服分子間的作用力和內(nèi)摩擦力，高彈形變就是靠分子鏈段運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)分子鏈從一種平衡狀態(tài)過(guò)度到與外力相適應(yīng)的平衡狀態(tài)，可能需要幾分鐘，幾小時(shí)甚至幾年。也就是說(shuō)在一般情況下形變總是落后與外力，所以橡膠形變需要時(shí)間整理課件2-2

平衡態(tài)高彈形變的熱力學(xué)分析高彈形變可分為平衡態(tài)形變（可逆）和非平衡態(tài)形變（不可逆）兩種假設(shè)橡膠被拉伸時(shí)發(fā)生高彈形變，除去外力后可完全回復(fù)原狀，即變形是可逆的，所以可用熱力學(xué)第一定律和第二定律來(lái)進(jìn)行分析整理課件物理意義：外力作用在橡膠上，一方面使橡膠的內(nèi)能隨伸長(zhǎng)而變化，一方面使橡膠的熵隨伸長(zhǎng)而變化。或者說(shuō)：橡膠的張力是由于變形時(shí)內(nèi)能發(fā)生變化和熵發(fā)生變化引起的。整理課件這就是橡膠熱力學(xué)方程式實(shí)驗(yàn)時(shí)用當(dāng)縱坐標(biāo)，T為橫坐標(biāo)，作圖：整理課件截距為；斜率為。發(fā)現(xiàn)各直線外推到時(shí)均通過(guò)原點(diǎn)，即截距為077%33%11%4%固定拉伸時(shí)的張力－溫度曲線整理課件得：所以橡膠拉伸時(shí)，內(nèi)能幾乎不變，而主要引起熵的變化。就是說(shuō)，在外力作用下，橡膠分子鏈由原來(lái)蜷曲無(wú)序的狀態(tài)變?yōu)樯熘庇行驙顟B(tài)。熵由大變小，由無(wú)序變有序；終態(tài)是不穩(wěn)定體系，當(dāng)外力除去以后，就會(huì)自發(fā)地恢復(fù)到初態(tài)，也就是說(shuō)，橡皮由拉伸態(tài)恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)是熵增過(guò)程（自發(fā)過(guò)程），也就解釋了高彈形變?yōu)槭裁词强苫貜?fù)的。整理課件既然拉伸時(shí)熵減小，為負(fù)值，所以也應(yīng)該是負(fù)值，說(shuō)明了拉伸過(guò)程中為什么放出熱量。由于理想高彈體拉伸時(shí)只引起熵變，或者說(shuō)只有熵的變化對(duì)理想高彈體的彈性有貢獻(xiàn)，也稱這種彈性為熵彈性整理課件2-3橡膠的使用溫度在高于一定溫度時(shí)，橡膠由于老化而失去彈性；在低于一定溫度時(shí)，橡膠由于玻璃化而失去彈性。如何改善橡膠的耐熱性和耐寒性，即擴(kuò)大其使用溫度的范圍是十分重要的。

整理課件一.改善高溫耐老化性能，提高耐熱性硫化的橡膠具有交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，除非分子鏈斷裂或交聯(lián)鏈破壞，否則不會(huì)流動(dòng)的，硫化橡膠耐熱性似乎是好的。但實(shí)際硫化橡膠在120℃已難以保持其物理機(jī)械性能，170~180℃時(shí)已失去使用價(jià)值，為什么呢？橡膠主鏈中含有大量雙鍵，易被臭氧破壞而裂解，雙鍵旁的α次甲基上的氫容易被氧化而降解或交聯(lián)整理課件為了改善其耐老化性能我們采取1.改變橡膠主鏈結(jié)構(gòu)(1)主鏈不含雙鍵(2)主鏈上含雙鍵較少的丁基橡膠（異丁烯與異戊二烯）整理課件(3)主鏈上含S原子的聚硫橡膠(4)主鏈上含有O原子的聚醚橡膠(5)主鏈上均為非碳原子的二甲基硅橡膠整理課件2.改變?nèi)〈Y(jié)構(gòu)帶有供電子取代基的橡膠易氧化：天然橡膠、丁苯橡膠帶有吸電子取代基的橡膠不易氧化：氯丁橡膠、氟橡膠整理課件3.改變交聯(lián)鏈的結(jié)構(gòu)原則：含硫少的交聯(lián)鏈鍵能較大，耐熱性好，如果交聯(lián)鍵是C-C或C-O，鍵能更大，耐熱性更好。（氯丁橡膠用ZnO硫化交聯(lián)鍵為-C-O-C-，天然橡膠用過(guò)氧化物或輻射交聯(lián)，交聯(lián)鍵為-C-C-）整理課件二.降低，避免結(jié)晶，改善耐寒性耐寒性不足的原因是由于在低溫下橡膠會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變或發(fā)生結(jié)晶，而導(dǎo)致橡膠變硬變脆，喪失彈性。而導(dǎo)致聚合物玻璃化的原因是分子互相接近，分子間互相作用力加強(qiáng)，以致鏈段的運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，因此:整理課件①任何增加分子鏈的活動(dòng)性，削弱分子間相互作用的措施都會(huì)使下降，②任何降低聚合物結(jié)晶能力和結(jié)晶速度的措施均會(huì)增加聚合物的彈性，提高耐寒性（因?yàn)榻Y(jié)晶就是高分子鏈或鏈段規(guī)整排列，它會(huì)大大增加分子間相互作用力，使聚合物強(qiáng)度增加，彈性下降）整理課件1.加增塑劑：削弱分子間作用力如氯丁膠-45℃，加葵二酸二丁酯（-80℃）可使其的-62℃；如用磷酸三甲酚酯（-64℃）可使其-57℃。可見(jiàn)增塑效果不僅與增塑劑結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與它本身有關(guān)，增塑劑的越低，則增塑聚合物的也越低。

整理課件注意增塑劑的副作用它使分子鏈活動(dòng)性增加，也為形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件，所以用增塑劑降低的同時(shí)，也要考慮結(jié)晶形成的可能性。整理課件2.用共聚法聚苯乙烯有大的側(cè)基，所以主鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)難，較剛性，高于室溫，但共聚后的丁苯橡膠為-53℃聚丙烯晴有極性，所以主鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)難，較剛性，高于室溫，用丁二烯與丙烯晴共聚后的丁睛橡膠為-42℃整理課件3.降低聚合物結(jié)晶能力線型聚乙烯分子鏈很柔，很低，但由于規(guī)整度高，所以結(jié)晶，聚乙烯難以當(dāng)橡膠用，引入體積較小的非極性取代基甲基來(lái)破壞其聚乙烯分子鏈的規(guī)整性，從而破壞其結(jié)晶性，這就是乙烯與丙烯共聚橡膠=-60℃。

整理課件通過(guò)破壞鏈的規(guī)整性來(lái)降低聚合物結(jié)晶能力，改善了彈性但副作用是有損于強(qiáng)度。整理課件第三節(jié)粘彈性3-1松弛現(xiàn)象3-2蠕變3-3應(yīng)力松弛3-4滯后3-5力學(xué)損耗3-6測(cè)定粘彈性的方法3-7粘彈性模型3-8粘彈性與時(shí)間、溫度的關(guān)系（時(shí)溫等效）3-9波爾茲曼迭加原理整理課件3-1高聚物的力學(xué)松弛現(xiàn)象力學(xué)松弛——高聚物的力學(xué)性能隨時(shí)間的變化統(tǒng)稱力學(xué)松弛最基本的有：蠕變應(yīng)力松弛滯后力學(xué)損耗整理課件①理想彈性體受外力后，平衡形變瞬時(shí)達(dá)到，應(yīng)變正比于應(yīng)力，形變與時(shí)間無(wú)關(guān)②理想粘性體受外力后，形變是隨時(shí)間線性發(fā)展的，應(yīng)變速率正比于應(yīng)力③高聚物的形變與時(shí)間有關(guān)，這種關(guān)系介于理想彈性體和理想粘性體之間，也就是說(shuō)，應(yīng)變和應(yīng)變速率同時(shí)與應(yīng)力有關(guān)，因此高分子材料常稱為粘彈性材料。整理課件形變時(shí)間交聯(lián)高聚物理想彈性體理想粘性體線性高聚物整理課件3-2

蠕變?nèi)渥儯涸谝欢ǖ臏囟群秃愣ǖ耐饬ψ饔孟拢ɡΓ瑝毫ΓちΦ龋牧系男巫冸S時(shí)間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。蠕變過(guò)程包括下面三種形變：

普彈形變、高彈形變、粘性流動(dòng)

整理課件⑴普彈形變高分子材料受到外力作用時(shí)，分子鏈內(nèi)部鍵長(zhǎng)和鍵角立刻發(fā)生變化，形變量很小，外力除去后，普彈形變立刻完全恢復(fù)，與時(shí)間無(wú)關(guān)。應(yīng)力普彈形變普彈形變模量整理課件示意圖整理課件⑵高彈形變是分子鏈通過(guò)鏈段運(yùn)動(dòng)逐漸伸展的過(guò)程，形變量比普彈形變大得多，形變與時(shí)間成指數(shù)關(guān)系，外力除去高彈形變逐漸恢復(fù)。應(yīng)力高彈形變高彈形變模量

松弛時(shí)間整理課件示意圖整理課件⑶粘性流動(dòng)分子間無(wú)交聯(lián)的線形高聚物，則會(huì)產(chǎn)生分子間的相對(duì)滑移，它與時(shí)間成線性關(guān)系，外力除去后，粘性形變不能恢復(fù)，是不可逆形變應(yīng)力本體粘度整理課件示意圖整理課件高聚物受到外力作用時(shí)，三種形變是一起發(fā)生的，材料總形變?yōu)橛捎谑遣豢赡嫘巫儯詫?duì)于線形高聚物來(lái)講，外力除去后，總會(huì)留下一部分不可恢復(fù)的形變。整理課件⑷三種形變的相對(duì)比例依具體條件不同而不同時(shí)，主要是時(shí)，主要是和時(shí)，，，都較顯著

整理課件⑸蠕變與溫度高低及外力大小有關(guān)溫度過(guò)低（在以下）或外力太小，蠕變很小，而且很慢，在短時(shí)間內(nèi)不易觀察到溫度過(guò)高（在以上很多）或外力過(guò)大，形變發(fā)展很快，也不易觀察到蠕變溫度在以上不多，鏈段在外力下可以運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)時(shí)受的內(nèi)摩擦又較大，則可觀察到蠕變整理課件⑹不同種類高聚物蠕變行為不同線形非晶態(tài)高聚物如果時(shí)作試驗(yàn)只能看到蠕變的起始部分，要觀察到全部曲線要幾個(gè)月甚至幾年如果時(shí)作實(shí)驗(yàn)，只能看到蠕變的最后部分在附近作試驗(yàn)可在較短的時(shí)間內(nèi)觀察到全部曲線整理課件交聯(lián)高聚物的蠕變無(wú)粘性流動(dòng)部分晶態(tài)高聚物的蠕變不僅與溫度有關(guān)，而且由于再結(jié)晶等情況，使蠕變比預(yù)期的要大整理課件⑺應(yīng)用各種高聚物在室溫時(shí)的蠕變現(xiàn)象很不相同，了解這種差別對(duì)于系列實(shí)際應(yīng)用十分重要1——PSF2——聚苯醚3——PC4——改性聚苯醚5——ABS（耐熱）6——POM7——尼龍8——ABS2.01.51.00.5123456（％）78小時(shí)1000200023℃時(shí)幾種高聚物蠕變性能整理課件可以看出：主鏈含芳雜環(huán)的剛性鏈高聚物，具有較好的抗蠕變性能，所以成為廣泛應(yīng)用的工程塑料，可用來(lái)代替金屬材料加工成機(jī)械零件。蠕變較嚴(yán)重的材料，使用時(shí)需采取必要的補(bǔ)救措施。整理課件例1：硬PVC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。例2：PTFE是塑料中摩擦系數(shù)最小的，所以有很好的自潤(rùn)滑性能，但蠕變嚴(yán)重，所以不能作機(jī)械零件，卻是很好的密封材料。例3：橡膠采用硫化交聯(lián)的辦法來(lái)防止由蠕變產(chǎn)生分子間滑移造成不可逆的形變。整理課件3-3應(yīng)力松弛

定義：對(duì)于一個(gè)線性粘彈體來(lái)說(shuō)，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)象叫應(yīng)力松弛。（StressRelax）整理課件例如：拉伸一塊未交聯(lián)的橡膠到一定長(zhǎng)度，并保持長(zhǎng)度不變，隨著時(shí)間的增加，這塊橡膠的回彈力會(huì)逐漸減小，這是因?yàn)槔锩娴膽?yīng)力在慢慢減小，最后變?yōu)?。因此用未交聯(lián)的橡膠來(lái)做傳動(dòng)帶是不行的。

整理課件

起始應(yīng)力松弛時(shí)間

應(yīng)力松弛和蠕變是一個(gè)問(wèn)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)高聚物一開(kāi)始被拉長(zhǎng)時(shí)，其中分子處于不平衡的構(gòu)象，要逐漸過(guò)渡到平衡的構(gòu)象，也就是鏈段要順著外力的方向來(lái)運(yùn)動(dòng)以減少或消除內(nèi)部應(yīng)力。

整理課件（1）如果，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(jué)察不到的程度（2）如果，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(jué)察到整理課件（3）如果溫度接近（附近幾十度），應(yīng)力松弛可以較明顯地被觀察到，如軟PVC絲，用它來(lái)縛物，開(kāi)始扎得很緊，后來(lái)就會(huì)慢慢變松，就是應(yīng)力松弛比較明顯的例子（4）只有交聯(lián)高聚物應(yīng)力松弛不會(huì)減到零（因?yàn)椴粫?huì)產(chǎn)生分子間滑移），而線形高聚物的應(yīng)力松弛可減到零整理課件3-4滯后現(xiàn)象（Delay）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。例如輪胎，傳動(dòng)皮帶，齒輪，消振器等，它們都是在交變力作用的場(chǎng)合使用的。以輪胎為例，車在行進(jìn)中，它上面某一部分一會(huì)兒著地，一會(huì)離地，受到的是一定頻率的外力，它的形變也是一會(huì)大，一會(huì)小，交替地變化。整理課件例如：汽車每小時(shí)走60km，相當(dāng)于在輪胎某處受到每分鐘300次周期性外力的作用（假設(shè)汽車輪胎直徑為1m，周長(zhǎng)則為3.14×1，速度為1000m/1min＝1000/3.14＝300r/1min），把輪胎的應(yīng)力和形變隨時(shí)間的變化記錄下來(lái)，可以得到下面兩條波形曲線：

整理課件整理課件滯后現(xiàn)象：高聚物在交變力作用下，形變落后于應(yīng)力變化的現(xiàn)象解釋：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)還跟不上外力的變化，形變落后于應(yīng)力，有一個(gè)相位差，越大，說(shuō)明鏈段運(yùn)動(dòng)愈困難，愈是跟不上外力的變化。整理課件⑴高聚物的滯后現(xiàn)象與其本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)：通常剛性分子滯后現(xiàn)象小（如塑料）；柔性分子滯后現(xiàn)象嚴(yán)重（如橡膠）⑵滯后現(xiàn)象還受到外界條件的影響整理課件外力作用的頻率如果外力作用的頻率低，鏈段能夠來(lái)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。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)力的變化，才會(huì)出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象整理課件溫度的影響溫度很高時(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)象幾乎不存在溫度很低時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)速度很慢，在應(yīng)力增長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)形變來(lái)不及發(fā)展，也無(wú)滯后只有在某一溫度下（上下幾十度范圍內(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)重整理課件★增加頻率與降低溫度對(duì)滯后有相同的影響

★降低頻率與升高溫度對(duì)滯后有相同的影響整理課件3-5力學(xué)損耗輪胎在高速行使相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后，立即檢查內(nèi)層溫度，為什么達(dá)到燙手的程度？高聚物受到交變力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，上一次受到外力后發(fā)生形變?cè)谕饬θコ筮€來(lái)不及恢復(fù)，下一次應(yīng)力又施加了，以致總有部分彈性儲(chǔ)能沒(méi)有釋放出來(lái)。這樣不斷循環(huán)，那些未釋放的彈性儲(chǔ)能都被消耗在體系的自摩擦上，并轉(zhuǎn)化成熱量放出。整理課件這種由于力學(xué)滯后而使機(jī)械功轉(zhuǎn)換成熱的現(xiàn)象，稱為力學(xué)損耗或內(nèi)耗。以應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系作圖時(shí)，所得的曲線在施加幾次交變應(yīng)力后就封閉成環(huán)，稱為滯后環(huán)或滯后圈，此圈越大，力學(xué)損耗越大回縮曲線拉伸曲線整理課件例1：對(duì)于作輪胎的橡膠，則希望它有最小的力學(xué)損耗才好順丁膠：內(nèi)耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有側(cè)基，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較小丁苯膠：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)摩擦較大丁晴膠：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)摩擦更大整理課件例2：對(duì)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)化為熱能）對(duì)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)然也不能內(nèi)耗太大，否則發(fā)熱過(guò)多，材料易于熱態(tài)化）整理課件在正弦應(yīng)力作用下，高聚物的應(yīng)變是相同角頻率的正弦函數(shù)，與應(yīng)力間有相位差交變應(yīng)力應(yīng)變展開(kāi)得：

應(yīng)力同相位比應(yīng)力落后普彈性粘性

整理課件應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可用模量表達(dá)：由于相位差的存在，模量將是一個(gè)復(fù)數(shù)，叫復(fù)變模量：整理課件復(fù)變模量的實(shí)數(shù)部分表示物體在形變過(guò)程中由于彈性形變而儲(chǔ)存的能量，叫儲(chǔ)能模量，它反映材料形變時(shí)的回彈能力（彈性）復(fù)變模量的虛數(shù)部分表示形變過(guò)程中以熱的形式損耗的能量，叫損耗模量，它反映材料形變時(shí)內(nèi)耗的程度（粘性）

滯后角力學(xué)損耗因子整理課件損耗模量損耗因子儲(chǔ)能模量整理課件①，這兩根曲線在很小或很大時(shí)幾乎為0；在曲線兩側(cè)幾乎也與無(wú)關(guān)，這說(shuō)明：交變應(yīng)力頻率太小時(shí)，內(nèi)耗很小，當(dāng)交變應(yīng)力頻率太大時(shí)，內(nèi)耗也很小。②只有當(dāng)為某一特定范圍時(shí)，鏈段又跟上又跟不上外力時(shí)，才發(fā)生滯后，產(chǎn)生內(nèi)耗，彈性儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化為熱能而損耗掉，曲線則表現(xiàn)出很大的能量吸收整理課件3-6測(cè)定高聚物粘彈性的實(shí)驗(yàn)方法蠕變儀高聚物的蠕變?cè)囼?yàn)可在拉伸，壓縮，剪切，彎曲下進(jìn)行。整理課件（１）拉伸蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)（塑料）原理：對(duì)試樣施加恒定的外力（加力可以是上夾具固定，自試樣下面直接掛荷重），測(cè)定應(yīng)變隨時(shí)間的變化夾具試樣荷重整理課件注：對(duì)于硬塑料，長(zhǎng)度變化較小，通常在試樣表面貼應(yīng)變片（類似電子秤的裝置，可以將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚担贸鰬?yīng)變值），測(cè)定拉伸過(guò)程中電阻值的變化而得出應(yīng)變值。整理課件（２）剪切蠕變（交聯(lián)橡膠）材料受的剪切應(yīng)力在這種恒切應(yīng)力下測(cè)定應(yīng)變隨時(shí)間的變化。整理課件應(yīng)力松弛拉伸應(yīng)力松弛（橡膠和低模量高聚物的應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)）

整理課件動(dòng)態(tài)扭擺儀扭擺測(cè)量原理：由于試樣內(nèi)部高分子的內(nèi)摩擦作用，使得慣性體的振動(dòng)受到阻尼后逐漸衰減，振幅隨時(shí)間增加而減小。整理課件3-7粘彈性模型彈簧能很好地描述理想彈性體力學(xué)行為（虎克定律）粘壺能很好地描述理想粘性流體力學(xué)行為（牛頓流動(dòng)定律）高聚物的粘彈性可以通過(guò)彈簧和粘壺的各種組合得到描述，兩者串聯(lián)為麥克斯韋模型，兩者并聯(lián)為開(kāi)爾文模型。整理課件⑴Maxwell模型由一個(gè)彈簧和一個(gè)粘壺串聯(lián)而成當(dāng)一個(gè)外力作用在模型上時(shí)彈簧和粘壺所受的應(yīng)力相同所以有：

整理課件代入上式得：這就是麥克斯韋模型的運(yùn)動(dòng)方程式

整理課件應(yīng)用：Maxwell模型來(lái)模擬應(yīng)力松弛過(guò)程特別有用（但不能用來(lái)模擬交聯(lián)高聚物的應(yīng)力松弛）Maxwell模型來(lái)模擬高聚物的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為（不行）Maxwell模型用于模擬蠕變過(guò)程是不成功的整理課件（２）開(kāi)爾文模型是由彈簧與粘壺并聯(lián)而成的作用在模型上的應(yīng)力兩個(gè)元件的應(yīng)變總是相同：

整理課件所以模型運(yùn)動(dòng)方程為：應(yīng)用：Kelvin模型可用來(lái)模擬高聚物的蠕變過(guò)程Kelvin模型可用來(lái)模擬高聚物的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為Kelvin模型不能用來(lái)模擬應(yīng)力松弛過(guò)程整理課件Δ兩個(gè)模型的不足：Maxwell模型在恒應(yīng)力情況下不能反映出松弛行為Kelvin模型在恒應(yīng)變情況下不能反映出應(yīng)力松弛整理課件（３）四元件模型是根據(jù)高分子的運(yùn)動(dòng)機(jī)理設(shè)計(jì)的（因?yàn)楦呔畚锏男巫兪怯扇糠纸M成的）整理課件①由分子內(nèi)部鍵長(zhǎng)，鍵角改變引起的普彈形變，它是瞬間完成的，與時(shí)間無(wú)關(guān)，所以可用一個(gè)硬彈簧來(lái)模擬。②由鏈段的伸展，蜷曲引起的高彈形變隨時(shí)間而變化，可用彈簧與粘壺并聯(lián)來(lái)模擬。③高分子本身相互滑移引起的粘性流動(dòng)，這種形變隨時(shí)間線性變化，可用粘壺來(lái)模擬。整理課件我們可以把四元件模型看成是Maxwell和Kelvin模型的串聯(lián)實(shí)驗(yàn)表明：四元件模型是較成功的，在任何情況下均可反映彈性與粘性同時(shí)存在力學(xué)行為。不足：只有一個(gè)松弛時(shí)間，不能完全反映高聚物粘彈性的真實(shí)變化情況，因?yàn)殒湺斡写笮。瑢?duì)應(yīng)的松弛時(shí)間不同。整理課件3-8時(shí)溫等效原理1．要使高分子鏈段產(chǎn)生足夠大的活動(dòng)性才能表現(xiàn)出高彈態(tài)形變，需要一定的松弛時(shí)間；要使整個(gè)高分子鏈能夠移動(dòng)而表現(xiàn)出粘性流動(dòng)，也需要一定的松弛時(shí)間。2．當(dāng)溫度升高時(shí)，，所以同一個(gè)力學(xué)行為在較高溫度下，在較短時(shí)間內(nèi)看到；同一力學(xué)行為也可以在較低溫度，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)看到。所以升高溫度等效于延長(zhǎng)觀察時(shí)間。對(duì)于交變力的情況下，降低頻率等效于延長(zhǎng)觀察時(shí)間。整理課件3.借助于轉(zhuǎn)換因子可以將在某一溫度下測(cè)定的力學(xué)數(shù)據(jù)，變成另一溫度下的力學(xué)數(shù)據(jù)，這就是時(shí)溫等效原理。4.實(shí)用意義通過(guò)不同溫度下可以試驗(yàn)測(cè)得的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行比較或換算，得到有些高聚物實(shí)際上無(wú)法實(shí)測(cè)的結(jié)果(PE)整理課件由實(shí)驗(yàn)曲線迭合曲線

123-2-10123456789整理課件將平移量～溫度作圖25-8000整理課件實(shí)驗(yàn)證明，很多非晶態(tài)線形高分子基本符合這條曲線。所以W，F(xiàn)，L三人提出如下經(jīng)驗(yàn)公式：表明移動(dòng)因子與溫度與參考溫度之差有關(guān)整理課件當(dāng)選為參考溫度時(shí)，則WLF方程變?yōu)椋?/p>

而當(dāng)時(shí)，所有高聚物都可找到一個(gè)參考溫度，溫度通常落在這時(shí)，WLF方程為：整理課件3-9Boltzmann迭加原理是高聚物粘彈性的一個(gè)簡(jiǎn)單但又非常重要的原理，這個(gè)原理指出:高聚物的蠕變是其整個(gè)負(fù)荷歷史的函數(shù)。(1)每個(gè)負(fù)荷對(duì)高聚物蠕變的貢獻(xiàn)是獨(dú)立的，因而各負(fù)荷的總的效應(yīng)等于各個(gè)負(fù)荷效應(yīng)的加和。最終的形變是各個(gè)負(fù)荷所貢獻(xiàn)的形變的簡(jiǎn)單加和。整理課件可以根據(jù)有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)預(yù)測(cè)高聚物在很寬的負(fù)荷范圍內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)這部分內(nèi)容自己看一下書(shū)整理課件第四節(jié)極限力學(xué)行為4-1概述4-2應(yīng)力應(yīng)變曲線4-3屈服4-4冷拉與成頸4-5銀紋與應(yīng)力發(fā)白4-6強(qiáng)度與破壞整理課件4-1概述①非極限范圍內(nèi)的小形變：可用模量來(lái)表示形變特性極限范圍內(nèi)的大形變：要用應(yīng)力～應(yīng)變曲線來(lái)反映這一過(guò)程整理課件②由應(yīng)力～應(yīng)變曲線上可獲得的反映破壞過(guò)程的力學(xué)量:揚(yáng)氏模量屈服應(yīng)力屈服伸長(zhǎng)斷裂強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）斷裂伸長(zhǎng)整理課件③高聚物的力學(xué)性能與溫度和力的作用速率有關(guān)，因此在試驗(yàn)和應(yīng)用中務(wù)必牢牢記住：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(cè)試數(shù)據(jù)用于持久力作用或沖擊力作用下的場(chǎng)合下；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率范圍內(nèi)測(cè)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)環(huán)境的要求，才能選出合適的材料來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用。整理課件④材料破壞有二種方式，可從拉伸應(yīng)力~應(yīng)變曲線的形狀和破壞是斷面形狀來(lái)區(qū)分：脆性破壞:①試樣在出現(xiàn)屈服點(diǎn)之前斷裂②斷裂表面光滑韌性破壞:①試樣在拉伸過(guò)程中有明顯屈服點(diǎn)和頸縮現(xiàn)象②短裂表面粗糙整理課件⑤拉伸應(yīng)力曲線反映的材料的力學(xué)性質(zhì)力學(xué)參量力學(xué)性質(zhì)

彈性模量剛性屈服點(diǎn)彈性斷裂伸長(zhǎng)延性屈服應(yīng)力強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度）應(yīng)力應(yīng)變曲線下部的面積韌性彈性線下部的面積回彈性整理課件4-2應(yīng)力-應(yīng)變曲線1.高聚物的應(yīng)力—應(yīng)變綜合曲線屈服應(yīng)變彈性線性B（屈服點(diǎn)）C斷裂點(diǎn)塑性整理課件上面是典型的應(yīng)力—應(yīng)變曲線實(shí)際聚合物材料，通常是綜合曲線的一部分或是其變異。處于玻璃態(tài)的塑料只在一段范圍內(nèi)才具有這種形狀。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。整理課件分析：以B點(diǎn)為界分為二部分：B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。斜率即為揚(yáng)氏模量。B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“屈服”了，B點(diǎn)以后總的趨勢(shì)是載荷幾乎不增加但形變卻增加很多整理課件B點(diǎn)：屈服點(diǎn)B點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力—屈服應(yīng)力B點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變—屈服應(yīng)變C點(diǎn)：斷裂點(diǎn)C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力—斷裂應(yīng)力（斷裂強(qiáng)度）—抗拉強(qiáng)度C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變—斷裂伸長(zhǎng)率整理課件聚合物力學(xué)類型軟而弱軟而韌硬而脆硬而強(qiáng)硬而韌聚合物應(yīng)力—應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線特點(diǎn)模量（剛性）低低高高高屈服應(yīng)力（強(qiáng)度）低低高高高極限強(qiáng)度（強(qiáng)度）低中高高斷裂伸長(zhǎng)（延性）中等按屈服應(yīng)力低中高應(yīng)力應(yīng)變曲線下面積（韌）小中小中大實(shí)例聚合物凝膠橡膠.增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固化酚醛樹(shù)脂斷裂前無(wú)塑性形變斷裂前有銀紋硬PVCABS.PC.PE.PA有明顯的屈服和塑性形變.韌性好整理課件4-3高聚物的屈服1.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)象是拉伸中出現(xiàn)的細(xì)頸現(xiàn)象。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)出屈服過(guò)程，這是由于溫度和時(shí)間對(duì)高聚物的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，而有的高聚物脆性易斷。

整理課件(1)屈服應(yīng)變大：高聚物的屈服應(yīng)變比金屬大得多，金屬0.01左右，高聚物0.2左右（例如PMMA的切變屈服為0.25，壓縮屈服為0.13）(2)屈服過(guò)程有應(yīng)變軟化現(xiàn)象：許多高聚物在過(guò)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?cè)龃螅瑧?yīng)力反而下降。整理課件(3)屈服應(yīng)力依賴應(yīng)變速率：應(yīng)變速率增大，屈服應(yīng)力增大。應(yīng)變速率對(duì)PMMA真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響應(yīng)變速率增大12341——0.2吋分真應(yīng)變4——1.28吋/分3——1.13吋/分2——0.8吋/分真應(yīng)力整理課件(4)屈服應(yīng)力依賴于溫度：溫度升高，屈服應(yīng)力下降。在溫度達(dá)到時(shí)，屈服應(yīng)力等于0溫度對(duì)醋酸纖維素應(yīng)力～應(yīng)變曲線的影響應(yīng)力應(yīng)變80℃65℃50℃25℃0℃－25℃整理課件(5)屈服應(yīng)力受流體靜壓力的影響：壓力增大，屈服應(yīng)力增大。1.7千巴1巴0.69千巴3.2千巴切應(yīng)力切應(yīng)變整理課件(6)高聚物屈服應(yīng)力不等于壓縮屈服應(yīng)力，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)力差別很大。(7)高聚物在屈服時(shí)體積略有縮小。整理課件2.真應(yīng)力-應(yīng)變曲線及屈服判據(jù)三種類型DE012301230123由無(wú)法作切線，不能成頸由可作兩條切線，有兩個(gè)點(diǎn)滿足屈服條件，D點(diǎn)時(shí)屈服點(diǎn)，E點(diǎn)開(kāi)始冷拉由可作一條切線，曲線上有一個(gè)點(diǎn)滿足，此點(diǎn)為屈服點(diǎn)，在此點(diǎn)高聚物成頸整理課件3.屈服機(jī)理(1)銀紋屈服---銀紋現(xiàn)象與應(yīng)力發(fā)白1)銀紋現(xiàn)象：很多高聚物，尤其是玻璃態(tài)透明高聚物（PS、PMMA、PC）在儲(chǔ)存過(guò)程及使用過(guò)程中，往往會(huì)在表面出現(xiàn)像陶瓷的那樣，肉眼可見(jiàn)的微細(xì)的裂紋，這些裂紋，由于可以強(qiáng)烈地反射可見(jiàn)光看上去是閃亮的，所以又稱為銀紋crage整理課件原因：a是高聚物受到張應(yīng)力作用時(shí)，在材料某些薄弱環(huán)節(jié)上應(yīng)力集中，而產(chǎn)生局部塑性形變，而在材料表面或內(nèi)部出現(xiàn)垂直于應(yīng)力方向的微細(xì)凹槽或“裂紋”的現(xiàn)象b環(huán)境因素也會(huì)促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散到高聚物中，使微觀表面溶脹或增塑，增加分子鏈段的活動(dòng)性，玻璃化溫度下降促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，另外，試樣表面的缺陷和擦傷處也易產(chǎn)生銀紋，或起始于試樣內(nèi)部空穴或夾雜物的邊界處，這些缺陷造成應(yīng)力集中，有利于銀紋產(chǎn)生整理課件2)應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象：橡膠改性的PS：HIPS或ABS在受到破壞時(shí)，其應(yīng)力面變成乳白色，這就是所謂應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象。應(yīng)力發(fā)白和銀紋化之間的差別在于銀紋帶的大小