第七章高聚物的力學性能第一節概述第二節高彈性第三節粘彈性第四節極限力學行為（屈服、破壞與強度）整理課件第一節概述1-1力學性能分類1-2表征力學性能的基本物理量1-3高聚物力學性能的特點整理課件1-1力學性能分類力學性能是高聚物優異物理性能的基礎如：某高聚物磨擦，磨耗性能優良，但力學性能不好，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性能：強度和韌性。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態靜態粘性Deformation形變性能ElasticityHighelasticityViscosityviscoelasticityLinearviscoelasticityStaticDynamicNon-Linearviscoelasticity應力松弛蠕變滯后力學損耗整理課件斷裂性能韌性強度FractureToughnessStrength整理課件常用術語：力學行為：指施加一個外力在材料上，它產生怎樣的形變（響應）形變性能：非極限情況下的力學行為斷裂性能：極限情況下的力學行為彈性：對于理想彈性體來講，其彈性形變可用虎克定律來表示，即：應力與應變成正比關系，應變與時間無關整理課件粘性：在外力作用下，分子與分子之間發生位移，理想的粘性流體其流動形變可用牛頓定律來描述：應力與應變速率成正比普彈性：大應力作用下，只產生小的、線性可逆形變，它是由化學鍵的鍵長，鍵角變化引起的。與材料的內能變化有關：形變時內能增加，形變恢復時，放出能量，對外做功（玻璃態，晶態，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：小的應力作用下可發生很大的可逆形變，是由內部構象熵變引起的，所以也稱熵彈性（橡膠具有高彈性）靜態力學性能：在恒應力或恒應變情況下的力學行為動態力學性能：物體在交變應力下的粘彈性行為應力松弛：在恒應變情況下，應力隨時間的變化整理課件蠕變：在恒應力下，物體的形變隨時間的變化強度：材料所能承受的應力韌性：材料斷裂時所吸收的能量整理課件1-2表征材料力學性能的基本物理量受力方式簡單拉伸簡單剪切均勻壓縮參數受力特點外力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力。外力F是與界面平行，大小相等，方向相反的兩個力。材料受到的是圍壓力。θFFFF整理課件應變張應變：

真應變：切應變：是偏斜角壓縮應變：應力張應力：真應力：切應力：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：切變柔量：可壓縮度：機械強度整理課件1-3高聚物力學性能的特點1．高聚物材料具有所有已知材料可變性范圍最寬的力學性質，包括從液體、軟橡皮到很硬的固體，各種高聚物對于機械應力的反應相差很大，例如：整理課件PS制品很脆，一敲就碎（脆性）尼龍制品很堅韌，不易變形，也不易破碎（韌性）輕度交聯的橡膠拉伸時，可伸長好幾倍，力解除后基本恢復原狀（彈性）膠泥變形后，卻完全保持新的形狀（粘性）高聚物力學性質的這種多樣性，為不同的應用提供了廣闊的選擇余地整理課件2.高聚物力學性能的最大特點是

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象，而構象的改變導致高分子鏈有其特有的柔順性。鏈柔性在性能上的表現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為構象的改變；形變時構象熵減小，恢復時增加。內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呈現得特別明顯。高聚物的粘彈性表現在它有突出的力學松弛現象，在研究它的力學性能時必須考慮應力、應變與時間的關系。溫度對力學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行為必須同時考慮應力、應變、時間和溫度四個參數。高聚物材料的力學性能對時間和溫度的強烈依賴性是研究其力學性能中要著重弄清的問題，也是進行高聚物材料的測試及使用時必須十分注意的問題。整理課件第二節高彈性2-1高彈性的特點2-2平衡態高彈性熱力學分析2-3橡膠的使用溫度

整理課件2-1高彈性的特點高彈態是高聚物所特有的，是基于鏈段運動的一種力學狀態，可以通過高聚物在一定條件下，通過玻璃化轉變而達到處于高彈態的高聚物表現出獨特的力學性能——高彈性這是高聚物中一項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，高彈性的特征表現在：①彈性形變大，可高達1000%，而金屬材料的普彈形變不超過1%②彈性模量小，，而且隨絕對溫度升高而升高；而金屬材料的彈性模量達，而且隨絕對溫度升高而降低整理課件③在快速拉伸時（絕熱過程），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，把它貼在嘴唇或面頰上，就會感到橡皮在伸長時發熱，回縮時吸熱。④形變與時間有關，橡膠受到外力（應力恒定）壓縮或拉伸時，形變總是隨時間而發展，最后達到最大形變，這種現象叫蠕變。整理課件原因：由于橡膠是長鏈分子，整個分子的運動都要克服分子間的作用力和內摩擦力，高彈形變就是靠分子鏈段運動來實現的。整個分子鏈從一種平衡狀態過度到與外力相適應的平衡狀態，可能需要幾分鐘，幾小時甚至幾年。也就是說在一般情況下形變總是落后與外力，所以橡膠形變需要時間整理課件2-2

平衡態高彈形變的熱力學分析高彈形變可分為平衡態形變（可逆）和非平衡態形變（不可逆）兩種假設橡膠被拉伸時發生高彈形變，除去外力后可完全回復原狀，即變形是可逆的，所以可用熱力學第一定律和第二定律來進行分析整理課件物理意義：外力作用在橡膠上，一方面使橡膠的內能隨伸長而變化，一方面使橡膠的熵隨伸長而變化。或者說：橡膠的張力是由于變形時內能發生變化和熵發生變化引起的。整理課件這就是橡膠熱力學方程式實驗時用當縱坐標，T為橫坐標，作圖：整理課件截距為；斜率為。發現各直線外推到時均通過原點，即截距為077%33%11%4%固定拉伸時的張力－溫度曲線整理課件得：所以橡膠拉伸時，內能幾乎不變，而主要引起熵的變化。就是說，在外力作用下，橡膠分子鏈由原來蜷曲無序的狀態變為伸直有序狀態。熵由大變小，由無序變有序；終態是不穩定體系，當外力除去以后，就會自發地恢復到初態，也就是說，橡皮由拉伸態恢復到原來狀態是熵增過程（自發過程），也就解釋了高彈形變為什么是可回復的。整理課件既然拉伸時熵減小，為負值，所以也應該是負值，說明了拉伸過程中為什么放出熱量。由于理想高彈體拉伸時只引起熵變，或者說只有熵的變化對理想高彈體的彈性有貢獻，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，橡膠由于老化而失去彈性；在低于一定溫度時，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的網狀結構，除非分子鏈斷裂或交聯鏈破壞，否則不會流動的，硫化橡膠耐熱性似乎是好的。但實際硫化橡膠在120℃已難以保持其物理機械性能，170~180℃時已失去使用價值，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.改變橡膠主鏈結構(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.改變取代基結構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.改變交聯鏈的結構原則：含硫少的交聯鏈鍵能較大，耐熱性好，如果交聯鍵是C-C或C-O，鍵能更大，耐熱性更好。（氯丁橡膠用ZnO硫化交聯鍵為-C-O-C-，天然橡膠用過氧化物或輻射交聯，交聯鍵為-C-C-）整理課件二.降低，避免結晶，改善耐寒性耐寒性不足的原因是由于在低溫下橡膠會發生玻璃化轉變或發生結晶，而導致橡膠變硬變脆，喪失彈性。而導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，以致鏈段的運動被凍結，因此:整理課件①任何增加分子鏈的活動性，削弱分子間相互作用的措施都會使下降，②任何降低聚合物結晶能力和結晶速度的措施均會增加聚合物的彈性，提高耐寒性（因為結晶就是高分子鏈或鏈段規整排列，它會大大增加分子間相互作用力，使聚合物強度增加，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℃。可見增塑效果不僅與增塑劑結構有關，還與它本身有關，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性增加，也為形成結晶結構創造了條件，所以用增塑劑降低的同時，也要考慮結晶形成的可能性。整理課件2.用共聚法聚苯乙烯有大的側基，所以主鏈內旋轉難，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，所以主鏈內旋轉難，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.降低聚合物結晶能力線型聚乙烯分子鏈很柔，很低，但由于規整度高，所以結晶，聚乙烯難以當橡膠用，引入體積較小的非極性取代基甲基來破壞其聚乙烯分子鏈的規整性，從而破壞其結晶性，這就是乙烯與丙烯共聚橡膠=-60℃。

整理課件通過破壞鏈的規整性來降低聚合物結晶能力，改善了彈性但副作用是有損于強度。整理課件第三節粘彈性3-1松弛現象3-2蠕變3-3應力松弛3-4滯后3-5力學損耗3-6測定粘彈性的方法3-7粘彈性模型3-8粘彈性與時間、溫度的關系（時溫等效）3-9波爾茲曼迭加原理整理課件3-1高聚物的力學松弛現象力學松弛——高聚物的力學性能隨時間的變化統稱力學松弛最基本的有：蠕變應力松弛滯后力學損耗整理課件①理想彈性體受外力后，平衡形變瞬時達到，應變正比于應力，形變與時間無關②理想粘性體受外力后，形變是隨時間線性發展的，應變速率正比于應力③高聚物的形變與時間有關，這種關系介于理想彈性體和理想粘性體之間，也就是說，應變和應變速率同時與應力有關，因此高分子材料常稱為粘彈性材料。整理課件形變時間交聯高聚物理想彈性體理想粘性體線性高聚物整理課件3-2

蠕變蠕變：在一定的溫度和恒定的外力作用下（拉力，壓力，扭力等），材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現象。蠕變過程包括下面三種形變：

普彈形變、高彈形變、粘性流動

整理課件⑴普彈形變高分子材料受到外力作用時，分子鏈內部鍵長和鍵角立刻發生變化，形變量很小，外力除去后，普彈形變立刻完全恢復，與時間無關。應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鏈段運動逐漸伸展的過程，形變量比普彈形變大得多，形變與時間成指數關系，外力除去高彈形變逐漸恢復。應力高彈形變高彈形變模量

松弛時間整理課件示意圖整理課件⑶粘性流動分子間無交聯的線形高聚物，則會產生分子間的相對滑移，它與時間成線性關系，外力除去后，粘性形變不能恢復，是不可逆形變應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，三種形變是一起發生的，材料總形變為由于是不可逆形變，所以對于線形高聚物來講，外力除去后，總會留下一部分不可恢復的形變。整理課件⑷三種形變的相對比例依具體條件不同而不同時，主要是時，主要是和時，，，都較顯著

整理課件⑸蠕變與溫度高低及外力大小有關溫度過低（在以下）或外力太小，蠕變很小，而且很慢，在短時間內不易觀察到溫度過高（在以上很多）或外力過大，形變發展很快，也不易觀察到蠕變溫度在以上不多，鏈段在外力下可以運動，但運動時受的內摩擦又較大，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高聚物如果時作試驗只能看到蠕變的起始部分，要觀察到全部曲線要幾個月甚至幾年如果時作實驗，只能看到蠕變的最后部分在附近作試驗可在較短的時間內觀察到全部曲線整理課件交聯高聚物的蠕變無粘性流動部分晶態高聚物的蠕變不僅與溫度有關，而且由于再結晶等情況，使蠕變比預期的要大整理課件⑺應用各種高聚物在室溫時的蠕變現象很不相同，了解這種差別對于系列實際應用十分重要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1000200023℃時幾種高聚物蠕變性能整理課件可以看出：主鏈含芳雜環的剛性鏈高聚物，具有較好的抗蠕變性能，所以成為廣泛應用的工程塑料，可用來代替金屬材料加工成機械零件。蠕變較嚴重的材料，使用時需采取必要的補救措施。整理課件例1：硬PVC抗蝕性好，可作化工管道，但易蠕變，所以使用時必須增加支架。例2：PTFE是塑料中摩擦系數最小的，所以有很好的自潤滑性能，但蠕變嚴重，所以不能作機械零件，卻是很好的密封材料。例3：橡膠采用硫化交聯的辦法來防止由蠕變產生分子間滑移造成不可逆的形變。整理課件3-3應力松弛

定義：對于一個線性粘彈體來說，在應變保持不變的情況下，應力隨時間的增加而逐漸衰減，這一現象叫應力松弛。（StressRelax）整理課件例如：拉伸一塊未交聯的橡膠到一定長度，并保持長度不變，隨著時間的增加，這塊橡膠的回彈力會逐漸減小，這是因為里面的應力在慢慢減小，最后變為0。因此用未交聯的橡膠來做傳動帶是不行的。

整理課件

起始應力松弛時間

應力松弛和蠕變是一個問題的兩個方面，都反映了高聚物內部分子的三種運動情況：當高聚物一開始被拉長時，其中分子處于不平衡的構象，要逐漸過渡到平衡的構象，也就是鏈段要順著外力的方向來運動以減少或消除內部應力。

整理課件（1）如果，如常溫下的橡膠，鏈段易運動，受到的內摩擦力很小，分子很快順著外力方向調整，內應力很快消失（松弛了），甚至可以快到覺察不到的程度（2）如果，如常溫下的塑料，雖然鏈段受到很大的應力，但由于內摩擦力很大，鏈段運動能力很小，所以應力松弛極慢，也就不易覺察到整理課件（3）如果溫度接近（附近幾十度），應力松弛可以較明顯地被觀察到，如軟PVC絲，用它來縛物，開始扎得很緊，后來就會慢慢變松，就是應力松弛比較明顯的例子（4）只有交聯高聚物應力松弛不會減到零（因為不會產生分子間滑移），而線形高聚物的應力松弛可減到零整理課件3-4滯后現象（Delay）高聚物作為結構材料，在實際應用時，往往受到交變力的作用。例如輪胎，傳動皮帶，齒輪，消振器等，它們都是在交變力作用的場合使用的。以輪胎為例，車在行進中，它上面某一部分一會兒著地，一會離地，受到的是一定頻率的外力，它的形變也是一會大，一會小，交替地變化。整理課件例如：汽車每小時走60km，相當于在輪胎某處受到每分鐘300次周期性外力的作用（假設汽車輪胎直徑為1m，周長則為3.14×1，速度為1000m/1min＝1000/3.14＝300r/1min），把輪胎的應力和形變隨時間的變化記錄下來，可以得到下面兩條波形曲線：

整理課件整理課件滯后現象：高聚物在交變力作用下，形變落后于應力變化的現象解釋：鏈段在運動時要受到內摩擦力的作用，當外力變化時鏈段的運動還跟不上外力的變化，形變落后于應力，有一個相位差，越大，說明鏈段運動愈困難，愈是跟不上外力的變化。整理課件⑴高聚物的滯后現象與其本身的化學結構有關：通常剛性分子滯后現象小（如塑料）；柔性分子滯后現象嚴重（如橡膠）⑵滯后現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，鏈段能夠來得及運動，形變能跟上應力的變化，則滯后現象很小。只有外力的作用頻率處于某一種水平，使鏈段可以運動，但又跟不上應力的變化，才會出現明顯的滯后現象整理課件溫度的影響溫度很高時，鏈段運動很快，形變幾乎不落后應力的變化，滯后現象幾乎不存在溫度很低時，鏈段運動速度很慢，在應力增長的時間內形變來不及發展，也無滯后只有在某一溫度下（上下幾十度范圍內），鏈段能充分運動，但又跟不上應力變化，滯后現象就比較嚴重整理課件★增加頻率與降低溫度對滯后有相同的影響

★降低頻率與升高溫度對滯后有相同的影響整理課件3-5力學損耗輪胎在高速行使相當長時間后，立即檢查內層溫度，為什么達到燙手的程度？高聚物受到交變力作用時會產生滯后現象，上一次受到外力后發生形變在外力去除后還來不及恢復，下一次應力又施加了，以致總有部分彈性儲能沒有釋放出來。這樣不斷循環，那些未釋放的彈性儲能都被消耗在體系的自摩擦上，并轉化成熱量放出。整理課件這種由于力學滯后而使機械功轉換成熱的現象，稱為力學損耗或內耗。以應力～應變關系作圖時，所得的曲線在施加幾次交變應力后就封閉成環，稱為滯后環或滯后圈，此圈越大，力學損耗越大回縮曲線拉伸曲線整理課件例1：對于作輪胎的橡膠，則希望它有最小的力學損耗才好順丁膠：內耗小，結構簡單，沒有側基，鏈段運動的內摩擦較小丁苯膠：內耗大，結構含有較大剛性的苯基，鏈段運動的內摩擦較大丁晴膠：內耗大，結構含有極性較強的氰基，鏈段運動的內摩擦較大丁基膠：內耗比上面幾種都大，側基數目多，鏈段運動的內摩擦更大整理課件例2：對于作為防震材料，要求在常溫附近有較大的力學損耗（吸收振動能并轉化為熱能）對于隔音材料和吸音材料，要求在音頻范圍內有較大的力學損耗（當然也不能內耗太大，否則發熱過多，材料易于熱態化）整理課件在正弦應力作用下，高聚物的應變是相同角頻率的正弦函數，與應力間有相位差交變應力應變展開得：

應力同相位比應力落后普彈性粘性

整理課件應力與應變的關系可用模量表達：由于相位差的存在，模量將是一個復數，叫復變模量：整理課件復變模量的實數部分表示物體在形變過程中由于彈性形變而儲存的能量，叫儲能模量，它反映材料形變時的回彈能力（彈性）復變模量的虛數部分表示形變過程中以熱的形式損耗的能量，叫損耗模量，它反映材料形變時內耗的程度（粘性）

滯后角力學損耗因子整理課件損耗模量損耗因子儲能模量整理課件①，這兩根曲線在很小或很大時幾乎為0；在曲線兩側幾乎也與無關，這說明：交變應力頻率太小時，內耗很小，當交變應力頻率太大時，內耗也很小。②只有當為某一特定范圍時，鏈段又跟上又跟不上外力時，才發生滯后，產生內耗，彈性儲能轉化為熱能而損耗掉，曲線則表現出很大的能量吸收整理課件3-6測定高聚物粘彈性的實驗方法蠕變儀高聚物的蠕變試驗可在拉伸，壓縮，剪切，彎曲下進行。整理課件（１）拉伸蠕變試驗機（塑料）原理：對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），測定應變隨時間的變化夾具試樣荷重整理課件注：對于硬塑料，長度變化較小，通常在試樣表面貼應變片（類似電子秤的裝置，可以將力學信號轉變為電阻值，而得出應變值），測定拉伸過程中電阻值的變化而得出應變值。整理課件（２）剪切蠕變（交聯橡膠）材料受的剪切應力在這種恒切應力下測定應變隨時間的變化。整理課件應力松弛拉伸應力松弛（橡膠和低模量高聚物的應力松弛實驗）

整理課件動態扭擺儀扭擺測量原理：由于試樣內部高分子的內摩擦作用，使得慣性體的振動受到阻尼后逐漸衰減，振幅隨時間增加而減小。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行為（虎克定律）粘壺能很好地描述理想粘性流體力學行為（牛頓流動定律）高聚物的粘彈性可以通過彈簧和粘壺的各種組合得到描述，兩者串聯為麥克斯韋模型，兩者并聯為開爾文模型。整理課件⑴Maxwell模型由一個彈簧和一個粘壺串聯而成當一個外力作用在模型上時彈簧和粘壺所受的應力相同所以有：

整理課件代入上式得：這就是麥克斯韋模型的運動方程式

整理課件應用：Maxwell模型來模擬應力松弛過程特別有用（但不能用來模擬交聯高聚物的應力松弛）Maxwell模型來模擬高聚物的動態力學行為（不行）Maxwell模型用于模擬蠕變過程是不成功的整理課件（２）開爾文模型是由彈簧與粘壺并聯而成的作用在模型上的應力兩個元件的應變總是相同：

整理課件所以模型運動方程為：應用：Kelvin模型可用來模擬高聚物的蠕變過程Kelvin模型可用來模擬高聚物的動態力學行為Kelvin模型不能用來模擬應力松弛過程整理課件Δ兩個模型的不足：Maxwell模型在恒應力情況下不能反映出松弛行為Kelvin模型在恒應變情況下不能反映出應力松弛整理課件（３）四元件模型是根據高分子的運動機理設計的（因為高聚物的形變是由三部分組成的）整理課件①由分子內部鍵長，鍵角改變引起的普彈形變，它是瞬間完成的，與時間無關，所以可用一個硬彈簧來模擬。②由鏈段的伸展，蜷曲引起的高彈形變隨時間而變化，可用彈簧與粘壺并聯來模擬。③高分子本身相互滑移引起的粘性流動，這種形變隨時間線性變化，可用粘壺來模擬。整理課件我們可以把四元件模型看成是Maxwell和Kelvin模型的串聯實驗表明：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存在力學行為。不足：只有一個松弛時間，不能完全反映高聚物粘彈性的真實變化情況，因為鏈段有大小，對應的松弛時間不同。整理課件3-8時溫等效原理1．要使高分子鏈段產生足夠大的活動性才能表現出高彈態形變，需要一定的松弛時間；要使整個高分子鏈能夠移動而表現出粘性流動，也需要一定的松弛時間。2．當溫度升高時，，所以同一個力學行為在較高溫度下，在較短時間內看到；同一力學行為也可以在較低溫度，較長時間內看到。所以升高溫度等效于延長觀察時間。對于交變力的情況下，降低頻率等效于延長觀察時間。整理課件3.借助于轉換因子可以將在某一溫度下測定的力學數據，變成另一溫度下的力學數據，這就是時溫等效原理。4.實用意義通過不同溫度下可以試驗測得的力學性質進行比較或換算，得到有些高聚物實際上無法實測的結果(PE)整理課件由實驗曲線迭合曲線

123-2-10123456789整理課件將平移量～溫度作圖25-8000整理課件實驗證明，很多非晶態線形高分子基本符合這條曲線。所以W，F，L三人提出如下經驗公式：表明移動因子與溫度與參考溫度之差有關整理課件當選為參考溫度時，則WLF方程變為：

而當時，所有高聚物都可找到一個參考溫度，溫度通常落在這時，WLF方程為：整理課件3-9Boltzmann迭加原理是高聚物粘彈性的一個簡單但又非常重要的原理，這個原理指出:高聚物的蠕變是其整個負荷歷史的函數。(1)每個負荷對高聚物蠕變的貢獻是獨立的，因而各負荷的總的效應等于各個負荷效應的加和。最終的形變是各個負荷所貢獻的形變的簡單加和。整理課件可以根據有限的實驗數據，來預測高聚物在很寬的負荷范圍內的力學性質這部分內容自己看一下書整理課件第四節極限力學行為4-1概述4-2應力應變曲線4-3屈服4-4冷拉與成頸4-5銀紋與應力發白4-6強度與破壞整理課件4-1概述①非極限范圍內的小形變：可用模量來表示形變特性極限范圍內的大形變：要用應力～應變曲線來反映這一過程整理課件②由應力～應變曲線上可獲得的反映破壞過程的力學量:揚氏模量屈服應力屈服伸長斷裂強度（抗拉強度）斷裂伸長整理課件③高聚物的力學性能與溫度和力的作用速率有關，因此在試驗和應用中務必牢牢記住：必須標明溫度和施力速率（或形變速率），切勿將正常形變速率下測試數據用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據用于低溫或高溫下。只有在寬廣的溫度范圍和形變速率范圍內測得的數據才可以幫助我們判斷高聚物材料的強度、硬軟、韌脆，再根據環境的要求，才能選出合適的材料來進行設計和應用。整理課件④材料破壞有二種方式，可從拉伸應力~應變曲線的形狀和破壞是斷面形狀來區分：脆性破壞:①試樣在出現屈服點之前斷裂②斷裂表面光滑韌性破壞:①試樣在拉伸過程中有明顯屈服點和頸縮現象②短裂表面粗糙整理課件⑤拉伸應力曲線反映的材料的力學性質力學參量力學性質

彈性模量剛性屈服點彈性斷裂伸長延性屈服應力強度（或斷裂強度、抗拉強度）應力應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應力-應變曲線1.高聚物的應力—應變綜合曲線屈服應變彈性線性B（屈服點）C斷裂點塑性整理課件上面是典型的應力—應變曲線實際聚合物材料，通常是綜合曲線的一部分或是其變異。處于玻璃態的塑料只在一段范圍內才具有這種形狀。處于高彈態的橡膠，只有在溫度較低和分子量很大時具有這種形狀。整理課件分析：以B點為界分為二部分：B點以前（彈性區域）：除去應力，材料能恢復原樣，不留任何永久變形。斜率即為揚氏模量。B點以后（塑性區域）：除去外力后，材料不再恢復原樣，而留有永久變形，我們稱材料“屈服”了，B點以后總的趨勢是載荷幾乎不增加但形變卻增加很多整理課件B點：屈服點B點時對應的應力—屈服應力B點時對應的應變—屈服應變C點：斷裂點C點對應的應力—斷裂應力（斷裂強度）—抗拉強度C點對應的應變—斷裂伸長率整理課件聚合物力學類型軟而弱軟而韌硬而脆硬而強硬而韌聚合物應力—應變曲線應力應變曲線特點模量（剛性）低低高高高屈服應力（強度）低低高高高極限強度（強度）低中高高斷裂伸長（延性）中等按屈服應力低中高應力應變曲線下面積（韌）小中小中大實例聚合物凝膠橡膠.增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固化酚醛樹脂斷裂前無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.高聚物屈服點的特征大多數高聚物有屈服現象，最明顯的屈服現象是拉伸中出現的細頸現象。它是獨特的力學行為。并不是所有的高聚物材料都表現出屈服過程，這是由于溫度和時間對高聚物的性能的影響往往掩蓋了屈服行為的普遍性，有的高聚物出現細頸和冷拉，而有的高聚物脆性易斷。

整理課件(1)屈服應變大：高聚物的屈服應變比金屬大得多，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)屈服過程有應變軟化現象：許多高聚物在過屈服點后均有一個應力不太大的下降，叫應變軟化，這時應變增大，應力反而下降。整理課件(3)屈服應力依賴應變速率：應變速率增大，屈服應力增大。應變速率對PMMA真應力應變曲線的影響應變速率增大12341——0.2吋分真應變4——1.28吋/分3——1.13吋/分2——0.8吋/分真應力整理課件(4)屈服應力依賴于溫度：溫度升高，屈服應力下降。在溫度達到時，屈服應力等于0溫度對醋酸纖維素應力～應變曲線的影響應力應變80℃65℃50℃25℃0℃－25℃整理課件(5)屈服應力受流體靜壓力的影響：壓力增大，屈服應力增大。1.7千巴1巴0.69千巴3.2千巴切應力切應變整理課件(6)高聚物屈服應力不等于壓縮屈服應力，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力差別很大。(7)高聚物在屈服時體積略有縮小。整理課件2.真應力-應變曲線及屈服判據三種類型DE012301230123由無法作切線，不能成頸由可作兩條切線，有兩個點滿足屈服條件，D點時屈服點，E點開始冷拉由可作一條切線，曲線上有一個點滿足，此點為屈服點，在此點高聚物成頸整理課件3.屈服機理(1)銀紋屈服---銀紋現象與應力發白1)銀紋現象：很多高聚物，尤其是玻璃態透明高聚物（PS、PMMA、PC）在儲存過程及使用過程中，往往會在表面出現像陶瓷的那樣，肉眼可見的微細的裂紋，這些裂紋，由于可以強烈地反射可見光看上去是閃亮的，所以又稱為銀紋crage整理課件原因：a是高聚物受到張應力作用時，在材料某些薄弱環節上應力集中，而產生局部塑性形變，而在材料表面或內部出現垂直于應力方向的微細凹槽或“裂紋”的現象b環境因素也會促進銀紋產生，化學物質擴散到高聚物中，使微觀表面溶脹或增塑，增加分子鏈段的活動性，玻璃化溫度下降促進銀紋產生，另外，試樣表面的缺陷和擦傷處也易產生銀紋，或起始于試樣內部空穴或夾雜物的邊界處，這些缺陷造成應力集中，有利于銀紋產生整理課件2)應力發白現象：橡膠改性的PS：HIPS或ABS在受到破壞時，其應力面變成乳白色，這就是所謂應力發白現象。應力發白和銀紋化之間的差別在于銀紋帶的大小