蠕变应力松弛滞后和内耗讲解.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,粘,同黏：象糨糊或胶水等所具有的、能使一个物质附着在另一个物体上的性质。,弹,由于物体的弹性作用使之射出去。,弹簧,利用材料的弹性作用制得的零件，在外力作用下能发生形变（伸长、缩短、弯曲、扭转等），除去外力后又恢复原状。,蠕变、应力松弛、滞后和内耗,.,受到外力作用形变很小，符合,胡克定律,E,特点：,受外力作用后，,应力,和,应变,之间呈,线性关系,E,，应力与应变,随时保持同相位,；,应变与,t,无关,。受力时，应变,瞬时,发生达到平衡值，除去外力，,应变瞬时恢复（可逆弹性形变）,。,理想弹性固体,.,符合,牛顿流体的流动定律,的流体,特点：,受力作用后，,应力,与,应变速率,呈,线性关系,；,受力时，,应变随时间线性发展,，外力去除后，应变,不能回复（不可逆）,。,理想粘性液体,.,粘弹性,材料在,较小的外力作用,下，,弹性和粘性同时存在,的力学行为称为,粘弹性。,其,特征,是,应变落后于应力,，即应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过一个,弛豫过程,。,应力与应变的关系与时间有关,。,粘弹性,材料力学性质与时间有关，,具有,力学松弛的特征,。,实际上,任何材料均同时显示弹性和粘性,两种性质,，,只是由于结构不同，粘弹性的显化程度不同，,其中最典型的是高分子材料,。一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时表现粘弹性现象。,.,高聚物粘弹性,The viscoelasticity of polymers,高聚物材料表现出弹性和粘性的结合,在实际形变过程中，粘性与弹性总是共存的,聚合物受力时，应力同时依赖于,应变,和,应变速率,，即具备固、液二性，其力学行为介于理想弹性体和理想粘性体之间。,.,s,=,const.,.,线性粘弹性：,如果高聚物的粘弹性是由服从虎克定律的理想固体的线性弹性行为和理服从牛顿流动定律的理想液体的线性粘性行为组合起来的,。,否则，则称为,非线性粘弹性。,一般认为，在小变形下，或低变形速率下，高分子材料主要表现线性粘弹性,.,蠕变,:,固定,和,T,随,t,增加而逐渐增大,应力松弛,:,固定,和,T,随,t,增加而逐渐衰减,滞后现象,:,在一定温度和和交变应力下,应变滞后于应力变化,.,力学损耗,(,内耗,):,的变化落后于的变化,发生滞后现象,则每一个循环都要消耗功,称为内耗,.,静态的粘弹性,(,恒定应力或应变,),动态粘弹性,(,交变应力或应变,),（粘弹性）,力学松弛,力学松弛或粘弹现象,聚合物的力学性质随时间变化的现象，叫,力学松弛或粘弹现象。,.,一、蠕变,1.,定义,蠕变是在一定的温度和较小的恒定应力（拉力、扭力或压力等）作用下，材料的形变随时间的增长而逐渐增加的现象,。如硬塑料的电缆、挂久的雨衣。,若除掉外力，形变随时间变化而减小,-,称为,蠕变回复,软,PVC,丝,砝码,.,2.,蠕变曲线和蠕变方程,e,2,+,e,3,t,e,e,3,e,1,e,2,e,1,线形,非晶态,聚合物,在,Tg,以上,单轴拉伸的典型蠕变及回复曲线,普弹形变,1,高弹形变,2,粘性流动,3,.,图,1,理想弹性体（,瞬时蠕变,）,普弹形变,从分子运动的角度解释,:,材料受到外力的作用,链内的,键长和键角立刻发生变化,产生的形变很小,我们称它普弹形变。,（,t,）,t,（,t,）,t,t,1,t,2,外力除去，立即完全回复,a.,普弹形变,.,图,2,理想高弹体,推迟蠕变,（,t,）,t,（,t,）,t,t,1,t,2,(t)=,0 (tt,1,),0 (t,),E,2,-,高,弹模量,特点,:,高弹形变是逐渐回复的,.,链段运动,外力除去，逐渐回复,松弛时间,=,2,/E,2,b.,高弹形变,.,图,3,理想粘性流动,蠕变,(t)=,0 (tTg),链运动摩擦阻力很小,应力很快松弛掉了,所以观察不到。,如常温下的橡胶,如果,T,很低,(Tg),内摩擦阻力很大,链段运动能力差,应力松弛慢,也观察不到。,如常温下的塑料,只有在,Tg,温度附近的几十度的范围内应力松弛现象比较明显。,(,链由蜷曲变为伸展,以消耗外力,),0,玻璃态,高弹态,粘流态,t,图,9,不同温度下的应力松弛曲线,3.,应力松弛与温度的关系,.,三、动态粘弹性（滞后、内耗）,在,正弦或其它周期性变化的,外力作用下,聚合物粘弹性的表现。,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。,如轮胎、传送皮带、,吸收震动的消音器等，研究这种交变应力下的力学行为称为,动态力学行为。,.,塑料的玻璃化温度,在动态条件下,比静态来的高,就是说在动态条件下工作的塑料零件要比静态时更耐热,因此不能依据静态下的实验数据来估计聚合物制品在动态条件下的性能。,研究动态力学行为的实际意义,?,用作结构材料的聚合物许多是在交变的力场中使用,因此必须掌握,作用力频率对材料使用性能,的影响。,如外力的作用频率从,01001000,周，对橡胶的力学性能相当于温度降低,2040,，那么在,-50,还保持高弹性的橡胶，到,-20,就变的脆而硬了。,.,0,2,t,t,在周期性变化的作用力中，最简单而最容易处理的是正弦变化的应力。,例：汽车速度,60,公里,/,小时,轮胎某处受,300,次,/,分,的周期应力作用,.,对,polymer,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：,力学损耗角（形变落后于应力变化的相位角）,0,/2,.,1.,滞后现象,定义,:,聚合物在交变应力的作用下,形变落后于应力变化的现象。,产生原因,:,链段运动时受内摩擦阻力作用,当外力变化时，链段的运动还跟不上外力的变化，而形变是由链段运动产生的,所以形变落后于应力，产生一个位相差，,越大说明链段运动越困难，形变越跟不上力的变化。,越大，说明滞后现象越严重,.,滞后现象与哪些因素有关,?,a.,化学结构,:,刚性链滞后现象小,柔性链滞后现象大,.,b.,温度：,当,不变的情况下,T,很高滞后几乎不出现,温度很低,也无滞后,.,在,T,g,附近的温度下，链段既可运动又不太容易，此刻滞后现象严重。,c.:,外力作用频率低时,链段的运动跟的上外力 的 变化,滞后现象很小,.,外力作用频率不太高时,链段可以运动,但是跟不上外力的变化,表现出明显的滞后现象,.,外力作用频率很高时,链段根本来不及运动,聚合物好像一块刚性的材料,滞后很小,.,定义,:,定义,1,：,如果形变的变化跟不上应力的变化,发生滞后现象,则每一次循环变化就会有功的消耗,(,热能,),作为热损耗掉的能量与最大储存能量之比称为力学损耗,也叫内耗。,2.,力学损耗（内耗）,定义,2,：,在交变应力作用下，由于力学滞后或者力学阻尼而使机械功转变成热的现象,。,.,内耗的情况可以从橡胶拉伸,回缩的应力应变曲线上看出,1,0,2,0,回缩,拉伸,硫化橡胶拉伸,回缩应力应变曲线,内耗产生的原因,:,理想弹性行为,：,应力和应变是单值、瞬时的，弹性变形时材料储存弹性能，弹性恢复时材料释放弹性能，循环变形过程没有能量损耗。,拉伸,时外力对体系所做的功：一方面用来改变链段的构象,(,产生形变,),另一方面提供链段运动时克服内摩擦阻力所需要的能量。,回缩,时体系对外做的功：一方面使伸展的分子链重新蜷曲起来回复到原来的状态，另一方面用于克服链段间的内摩擦力,一个拉伸,-,回缩循环中，链构象的改变完全回复不损耗功，所损耗的功都用于克服链段运动的内摩擦阻力转化为热。,滞后圈,.,内耗的情况可以从橡胶拉伸,回缩的应力应变曲线上看出,1,0,2,0,回缩,拉伸,硫化橡胶拉伸,回缩应力应变曲线,拉伸曲线下面积为外力对橡胶所作的拉伸功,回缩曲线下面积为橡胶对外力所作的回缩功,面积之差,损耗的功,滞后圈面积越大，损耗越大。,滞后圈,.,.,损耗模量,损耗因子,储能模量,非晶态聚合物,E,、,E,和,tan,对,的关系,.,内耗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,.,蠕变,:,固定,和,T,随,t,增加而逐渐增大,应力松弛,:,固定,和,T,随,t,增加而逐渐衰减,滞后现象,:,在一定温度和和交变应力下,应变滞后于应力变化,.,力学损耗,(,内耗,):,的变化落后于的变化,发生滞后现象,则每一个循环都要消耗功,称为,.,静态的粘弹性,动态粘弹性,力学松弛,具体表现：,.,一个纸杯装满水置于一张桌面上，用一发子弹桌面下部射入杯子，并从杯子的水中穿出，杯子仍位于桌面不动如果纸杯里装的是一杯高聚物的稀溶液，这次，子弹把杯子打出了,8,米远。用,松弛原理,解释之。,解：低分子液体如水的松弛时间是非常短的，它比子弹穿过杯子的时间还要短，因而虽然子弹穿过水那一瞬间有黏性摩擦，但它不足以带走杯子。,高分子溶液的松弛时间比水大几个数量级，即聚合物分子链来不及响应，所以子弹将它的动量转换给这个“子弹液体杯子”体系，从而子弹把杯子带走了。,.,