高分子物理-8高聚物的力学性质1高聚物的机械强度和粘弹性.ppt

第第8 8章高聚物的力学性质章高聚物的力学性质:高聚物的机械强度和粘弹性高聚物的机械强度和粘弹性.聚合物的力学性能指的是其受力后的响应聚合物的力学性能指的是其受力后的响应，如形变大小、，如形变大小、形变的可逆性及抗破损性能等。形变的可逆性及抗破损性能等。.力学行为力学行为：指施加一个外力在材料上，它产生怎样的形变：指施加一个外力在材料上，它产生怎样的形变（响应）（响应）形变性能形变性能：非极限情况下：非极限情况下的力学行为的力学行为 断裂性能断裂性能：极限情况下的力学行为：极限情况下的力学行为 弹性弹性：可逆的形变：可逆的形变 普弹性普弹性：大应力作用：大应力作用下，只产生小的、线性可逆形变，它是由化学键的键长，下，只产生小的、线性可逆形变，它是由化学键的键长，键角变化引起的。与材料的内能变化有关：形变时内能增键角变化引起的。与材料的内能变化有关：形变时内能增加，形变恢复时，放出能量，对外做功（玻璃态，晶态，加，形变恢复时，放出能量，对外做功（玻璃态，晶态，高聚物，金属，陶瓷均有这种性能），普弹性又称高聚物，金属，陶瓷均有这种性能），普弹性又称能弹性能弹性常用术语：常用术语：.高弹性：高弹性：小的应力作用下可发生很大的可逆形变，是由内小的应力作用下可发生很大的可逆形变，是由内部构象熵变引起的，所以也称部构象熵变引起的，所以也称熵弹性熵弹性（橡胶具有高弹性）（橡胶具有高弹性）粘性粘性：不可逆的形变不可逆的形变，在外力作用下，分子与分子之间发，在外力作用下，分子与分子之间发生位移，理想的粘性流体其流动形变可用牛顿定律来描述：生位移，理想的粘性流体其流动形变可用牛顿定律来描述：应力与应变速率成正比应力与应变速率成正比 粘弹性粘弹性：同时具有液：同时具有液体的粘性和固体的弹性。体的粘性和固体的弹性。线性粘弹性线性粘弹性：这种粘弹性可：这种粘弹性可简单地看作符合胡克定律的线性弹性行为和符合牛顿定律简单地看作符合胡克定律的线性弹性行为和符合牛顿定律的线性粘性行为的组合。否则为的线性粘性行为的组合。否则为非线性粘弹性非线性粘弹性。静态力学性能静态力学性能：在恒应力或恒应变情况下的力学行为：在恒应力或恒应变情况下的力学行为 动动态力学性能态力学性能：物体在交变应力下的粘弹性行为：物体在交变应力下的粘弹性行为.应力松弛：应力松弛：在恒应变情况下，应力随时间的变化在恒应变情况下，应力随时间的变化 蠕变：蠕变：在恒应力下，物体的形变随时间的变化在恒应力下，物体的形变随时间的变化 强度：强度：材料所材料所能承受的应力能承受的应力 韧性：韧性：材料断裂时所吸收的能材料断裂时所吸收的能量量8.1 描述材料力学行为的基本物理量描述材料力学行为的基本物理量8.1.1.1应力和应变、弹性模量和柔量应力和应变、弹性模量和柔量8.1.1应力、应变及弹性模量应力、应变及弹性模量当材料受到外力作用，而其所处的条件使其不能产生惯性移当材料受到外力作用，而其所处的条件使其不能产生惯性移动时，其几何形状和尺寸将发生变化，这种变化称为动时，其几何形状和尺寸将发生变化，这种变化称为应变应变.材料发生宏观形变时，其内部分子间以及分子内各原子间的材料发生宏观形变时，其内部分子间以及分子内各原子间的相对位置和距离就要发生变化，产生了原子间及分子间的附相对位置和距离就要发生变化，产生了原子间及分子间的附加内力，抵抗着外力，并力图恢复到变化前的状态，达到平加内力，抵抗着外力，并力图恢复到变化前的状态，达到平衡时，附加内力与外力大小相等，方向相反。定义单位面积衡时，附加内力与外力大小相等，方向相反。定义单位面积上的附加内力为上的附加内力为应力应力。对于对于理想的弹性固体理想的弹性固体，应力与应变关系服从虎克定律，即应，应力与应变关系服从虎克定律，即应力与应变成正比，比例常数称为弹性模量。即弹性模量是材力与应变成正比，比例常数称为弹性模量。即弹性模量是材料发生单位应变时的应力（料发生单位应变时的应力（弹性模量弹性模量=应力应力/应变应变），它表征），它表征材料抵抗变形能力的大小。模量越大，材料越不容易变形，材料抵抗变形能力的大小。模量越大，材料越不容易变形，表示材料刚度越大。表示材料刚度越大。高分子是粘弹体，模量不再是常数高分子是粘弹体，模量不再是常数为方便使用，定义模量的倒数为柔量为方便使用，定义模量的倒数为柔量材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同.拉伸应力拉伸应力 =F/A0 （A0为材料的起始截面积），为材料的起始截面积），习用应力习用应力（1 1）简单拉伸）简单拉伸材料受到一对垂直于材料截面、大小材料受到一对垂直于材料截面、大小相等、方向相反并在同一直线上的外相等、方向相反并在同一直线上的外力作用。材料在拉伸作用下产生的形力作用。材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸长率变称为拉伸应变，也称相对伸长率拉伸应变（相对伸长率）拉伸应变（相对伸长率）=（l-l0）/l0=l/l0当当形变大时，形变大时，面积变化大，用真面积变化大，用真面积面积A代替代替A0 ，真真应力应力 拉伸中的弹性模量为拉伸模量（杨拉伸中的弹性模量为拉伸模量（杨氏模量）氏模量）E E，其倒数是拉伸柔量其倒数是拉伸柔量D D.材料受到与截面平行、大小相等、材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条直线上的方向相反，但不在一条直线上的两个外力作用，使材料发生偏斜。两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏斜角的正切值定义为剪切应其偏斜角的正切值定义为剪切应变（变（）。）。（2 2）简单剪切）简单剪切剪切应变剪切应变 剪切应力剪切应力 s s剪切模量的倒数剪切模量的倒数是剪切柔量是剪切柔量J J.（3 3）均匀压缩均匀压缩压缩应变压缩应变体积模量体积模量K材料受到均匀压力压缩时发生体积收缩材料受到均匀压力压缩时发生体积收缩压缩应变压缩应变体积模量的倒数体积模量的倒数是可压缩度是可压缩度B B.泊松比泊松比:在拉伸实验中，材料横向应在拉伸实验中，材料横向应变与纵向应变之比值的负数变与纵向应变之比值的负数对于大多数材料来说，拉伸时有体积变化，一般会发生对于大多数材料来说，拉伸时有体积变化，一般会发生体积膨胀，泊松比在体积膨胀，泊松比在0.2-0.50.2-0.5之间。橡胶和小分子的泊松之间。橡胶和小分子的泊松比接近于比接近于0.50.5，接近于理想不可压缩体。，接近于理想不可压缩体。8.1.1.2泊松比泊松比.三种基本变形的弹性模量分别称为杨氏模量、剪切模量和三种基本变形的弹性模量分别称为杨氏模量、剪切模量和体积模量，分别计为体积模量，分别计为E E、G G、B B，外加泊松比，外加泊松比 ，构成描述材，构成描述材料力学性质的四个主要参数。料力学性质的四个主要参数。各向同性材料，各向同性材料，四个参数只四个参数只有两个是独立的有两个是独立的对于各向异性材料来说，情况要复杂得多，通常至少有对于各向异性材料来说，情况要复杂得多，通常至少有5-65-6个个弹性模量，有的多达弹性模量，有的多达3636项。项。假若材料是不可压缩的，即无论施加假若材料是不可压缩的，即无论施加多大的流体静压多大的流体静压P P，体积应变，体积应变 始终为始终为零。即相当于零。即相当于K K。.弯曲：弯曲：对材料施加一弯对材料施加一弯曲力矩，使材料发生弯曲力矩，使材料发生弯曲。主要有一点弯曲和曲。主要有一点弯曲和三点弯曲三点弯曲材料受力方式除以上三种基本类型外，还有弯曲和扭转材料受力方式除以上三种基本类型外，还有弯曲和扭转扭转：扭转：对材料对材料施加扭转力矩施加扭转力矩.机械强度是材料所能承受的最大应力，表机械强度是材料所能承受的最大应力，表征了材料的受力极限，在实际应用中具有征了材料的受力极限，在实际应用中具有重要的意义。包括抗张强度、冲击强度、重要的意义。包括抗张强度、冲击强度、弯曲强度、压缩强度、硬度、疲劳等。弯曲强度、压缩强度、硬度、疲劳等。拉伸强度是衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称抗张强度拉伸强度是衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称抗张强度8.1.28.1.2高聚物材料高聚物材料机械强度评价指标机械强度评价指标指标指标8.1.2.18.1.2.1拉伸强度与压缩强度拉伸强度与压缩强度在规定试验温度、湿度和在规定试验温度、湿度和实验速度下，在标准试样实验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸负荷，上沿轴向施加拉伸负荷，直至试样被拉断。直至试样被拉断。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与与试样横截面积之比为抗张强度试样横截面积之比为抗张强度 t t t =F Fmaxmax/b b d d.但要注意试样宽度与厚度在拉伸过程中是随试样拉伸而逐渐但要注意试样宽度与厚度在拉伸过程中是随试样拉伸而逐渐减小的，由于达到最大载荷时的减小的，由于达到最大载荷时的b b、d d值的测量很不方便，工值的测量很不方便，工程上一般采用起始尺寸来计算拉伸强度。程上一般采用起始尺寸来计算拉伸强度。E=E=（F/bdF/bd）/（l/ll/l0 0）式中式中F F 为变形较小时的载荷为变形较小时的载荷类似，如果向试样施加单向压缩载荷，则侧得压缩强度和压类似，如果向试样施加单向压缩载荷，则侧得压缩强度和压缩模量。理论上二者应相等，实际上压缩模量通常稍大于拉缩模量。理论上二者应相等，实际上压缩模量通常稍大于拉伸模量。伸模量。由于整个拉伸过程中，高聚物的应力和应变的关系并非线性由于整个拉伸过程中，高聚物的应力和应变的关系并非线性的，只要当变形很小时，高聚物才可视为虎克弹性体，因此的，只要当变形很小时，高聚物才可视为虎克弹性体，因此拉伸模量（杨氏模量）通常由拉伸初始阶段的应力应变计算拉伸模量（杨氏模量）通常由拉伸初始阶段的应力应变计算.也称抗弯强度或挠曲强也称抗弯强度或挠曲强度。抗弯强度的测定是度。抗弯强度的测定是在规定的试验条件下，在规定的试验条件下，对标准试样施加一静止对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断弯曲力矩，直至试样断裂。裂。设试验过程中最大的负荷为设试验过程中最大的负荷为P，则抗弯强度，则抗弯强度 f为：为：f =1.5Pl0/bd2 8.1.2.28.1.2.2弯曲强度弯曲强度.冲击强度也称抗冲强度，冲击强度也称抗冲强度，是衡量材料韧性的一种强度指标，表是衡量材料韧性的一种强度指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力。通常定义为试样受冲击载荷征材料抵抗冲击载荷破坏的能力。通常定义为试样受冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。而折断时单位截面积所吸收的能量。试样断裂时吸收的能量等于试样断裂时吸收的能量等于断裂时断裂时试样所消耗的功试样所消耗的功W，因此冲击强度为：因此冲击强度为：冲击强度的测试方法很多，应用较广的有摆锤式冲击试验、冲击强度的测试方法很多，应用较广的有摆锤式冲击试验、落重式冲击试验和高速拉伸等。落重式冲击试验和高速拉伸等。B B、d d为冲断为冲断试样宽度与厚度试样宽度与厚度 i=W/bd8.1.2.38.1.2.3冲击强度冲击强度.摆锤式冲击试验是让重锤摆动冲击标准试样，测量摆锤冲断摆锤式冲击试验是让重锤摆动冲击标准试样，测量摆锤冲断试样所消耗的功，试样的安放方式有简支梁式（试样所消耗的功，试样的安放方式有简支梁式（CharpyCharpy卡皮卡皮式试验）和悬臂梁式（式试验）和悬臂梁式（IzodIzod伊伍德式试验）。伊伍德式试验）。CharpyCharpy或或IzodIzod试验用试样均可用带缺口的和不带缺口的两种。试验用试样均可用带缺口的和不带缺口的两种。采用带缺口的试样是为了使缺口处试样的截面积大大减小，受采用带缺口的试样是为了使缺口处试样的截面积大大减小，受冲击时，试样断裂一定发生于这一薄弱处，所有的冲击能量都冲击时，试样断裂一定发生于这一薄弱处，所有的冲击能量都能在这局部被吸收，提高了试验的准确性，但在计算冲击强度能在这局部被吸收，提高了试验的准确性，但在计算冲击强度时，试样的厚度指缺口处的剩余厚度。时，试样的厚度指缺口处的剩余厚度。试样两端支撑着，摆试样两端支撑着，摆锤冲击试样的中部锤冲击试样的中部试样一端固定，试样一端固定，摆锤冲击自由端摆锤冲击自由端.落重式冲击试验是让球状或镖状标准重物从已知高度落到落重式冲击试验是让球状或镖状标准重物从已知高度落到板状或片状试样上，试验下落重物的冲击刚刚足以使试样板状或片状试样上，试验下落重物的冲击刚刚足以使试样产生裂痕或破坏的条件。产生裂痕或破坏的条件。也可以改变质量或高度使也可以改变质量或高度使mghmgh正好等于冲断试样所需要的正好等于冲断试样所需要的能量而得到试样的断裂能。通常为保证冲击速度不变能量而得到试样的断裂能。通常为保证冲击速度不变,以以固定高度、改变质量的方法来获得试样所需的断裂能。固定高度、改变质量的方法来获得试样所需的断裂能。它的冲击速度由自由落重的高度它的冲击速度由自由落重的高度(h)(h)决定。质量为决定。质量为mg(mmg(m为为重物质量重物质量,g,g为重力加速度为重力加速度)从从h h高度下落冲击试样高度下落冲击试样,试样的试样的断裂破坏能即为势能断裂破坏能即为势能mghmgh减去冲断试样后落重的剩余动能减去冲断试样后落重的剩余动能.在拉伸试验中，当拉伸速度足够高在拉伸试验中，当拉伸速度足够高时，拉断试样所做的功（断裂功）时，拉断试样所做的功（断裂功）与试样受冲击破坏所吸收的能量相与试样受冲击破坏所吸收的能量相同，这就是高速拉伸试验的理论依同，这就是高速拉伸试验的理论依据。通常测量整个拉伸过程应力和据。通常测量整个拉伸过程应力和应变的关系，得到应力应变的关系，得到应力-应变曲线，应变曲线，用曲线下的面积作为材料冲击强度用曲线下的面积作为材料冲击强度的一种指标。的一种指标。各种冲击试验所得结果很不一致，试样的几何形状和尺寸对其各种冲击试验所得结果很不一致，试样的几何形状和尺寸对其影响很大，薄的试样一般比厚的试样给出较高的冲击强度。冲影响很大，薄的试样一般比厚的试样给出较高的冲击强度。冲击强度的单位也很混乱。击强度的单位也很混乱。.硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有关，而硬度硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有关，而硬度试验又不破坏材料、方法简便，有时作为估计材料抗张试验又不破坏材料、方法简便，有时作为估计材料抗张强度的替代方法。强度的替代方法。硬度试验方法很多，加荷方式有动载法和静载法两种，硬度试验方法很多，加荷方式有动载法和静载法两种，前者用弹性回跳法和冲击力把钢球压入试样，后者则以前者用弹性回跳法和冲击力把钢球压入试样，后者则以一定形状的硬材料为压头，平稳地逐渐加荷将压头压入一定形状的硬材料为压头，平稳地逐渐加荷将压头压入试样，统称压入法，因压头的形状不同和计算方法差异试样，统称压入法，因压头的形状不同和计算方法差异又有布氏、洛氏和邵氏等名称。又有布氏、洛氏和邵氏等名称。8.1.2.48.1.2.4硬度硬度.（1 1）布氏硬度试验）布氏硬度试验布氏硬度实验原理图布氏硬度实验原理图在直径为在直径为 D D（mmmm）的淬火钢球上施加）的淬火钢球上施加规定的载荷规定的载荷 P P（公斤力），压入试样（公斤力），压入试样表面，保持一定时间后，卸除载荷。表面，保持一定时间后，卸除载荷。测量压入深度测量压入深度h h及试样表面凹痕的直径及试样表面凹痕的直径d d，计算试样表面凹痕的表面积，计算试样表面凹痕的表面积F F。用用所承受的平均压力所承受的平均压力P P 除以压痕表面积除以压痕表面积 ，所得之商（公斤，所得之商（公斤/毫米毫米2 2）表示布氏）表示布氏硬度值，符号为硬度值，符号为HB,HB,计算公式是：计算公式是：注意如此测量的硬度并非材料常数，与试验条件有关。注意如此测量的硬度并非材料常数，与试验条件有关。.（2 2）洛氏硬度试验）洛氏硬度试验洛氏硬度实验原理图洛氏硬度实验原理图洛氏硬度是在先后两次施加载荷（初载荷洛氏硬度是在先后两次施加载荷（初载荷P P0 0及主载荷及主载荷P P1 1）的条件下，将标准压头（金刚石圆锥体或小钢球）压入试的条件下，将标准压头（金刚石圆锥体或小钢球）压入试样表面来进行样表面来进行.维氏硬度实验原理图维氏硬度实验原理图维氏硬度试验是用一个相对面夹角为维氏硬度试验是用一个相对面夹角为136136的金刚石正四棱的金刚石正四棱锥体压头，在一定载荷锥体压头，在一定载荷P P（公斤力）作用下压入试样表面（公斤力）作用下压入试样表面（3 3）维氏硬度试验）维氏硬度试验.疲劳试验测试材料在交变应力或应变作用下的力学性能，疲劳试验测试材料在交变应力或应变作用下的力学性能，用以评价材料在重复作用力下的抗破坏能力。用以评价材料在重复作用力下的抗破坏能力。疲劳寿命：在给定的振动条件下试样产生破坏所需的周疲劳寿命：在给定的振动条件下试样产生破坏所需的周数。数。8.1.2.58.1.2.5疲劳疲劳疲劳极限：材料刚好不发生疲劳破坏的最大应力振幅疲劳极限：材料刚好不发生疲劳破坏的最大应力振幅.聚合物的屈服强度聚合物的屈服强度（Y Y点强度）点强度）聚合物的杨氏模量聚合物的杨氏模量（OAOA段斜率）段斜率）聚合物的断裂强度聚合物的断裂强度（B B点强度）点强度）聚合物的断裂伸长率聚合物的断裂伸长率（B B点伸长率）点伸长率）聚合物的断裂功聚合物的断裂功（曲线下面积）（曲线下面积）从应力从应力应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息8.28.2高聚物的拉伸行为及应力应变曲线高聚物的拉伸行为及应力应变曲线.软而韧、软而韧、软而弱、软而弱、硬而脆、硬而脆、硬而强、硬而强、硬而韧硬而韧强弱代表强度大小；软硬代表模量高低；韧脆代表强弱代表强度大小；软硬代表模量高低；韧脆代表断裂功大小，断裂功大小，“脆脆”是无屈服现象且断裂伸长很小，是无屈服现象且断裂伸长很小，“韧韧”是断裂伸长和断裂应力都较高。是断裂伸长和断裂应力都较高。高分子材料应力高分子材料应力-应变曲线类型应变曲线类型.8.2.18.2.1非晶态高聚物应力应变曲线非晶态高聚物应力应变曲线1.1.在很低的温度下在很低的温度下(TT(TTg g)，应力与应变，应力与应变呈正比的关系，但应变在小于呈正比的关系，但应变在小于1010就发就发生断裂生断裂-普弹形变普弹形变2.2.当温度略为升高以后，应力当温度略为升高以后，应力-应变曲线出现转折点应变曲线出现转折点B B，该点称为屈服点，该点称为屈服点，此时应力达到极大值，称为屈服应力。试样应变继续增大，过了此时应力达到极大值，称为屈服应力。试样应变继续增大，过了B B点应力反点应力反而下降而下降-应变软化应变软化。继续拉伸，试样便发生断裂，断裂应变也小于。继续拉伸，试样便发生断裂，断裂应变也小于20203.3.若温度继续升高到若温度继续升高到T Tg g以下几十度范围时，试样在越过屈服点之后发生很以下几十度范围时，试样在越过屈服点之后发生很大的应变大的应变(可达百分之几百可达百分之几百)，但其应力则不增加或增加不大，在断裂前曲，但其应力则不增加或增加不大，在断裂前曲线又呈较明显的上升线又呈较明显的上升-应变硬化应变硬化，直到断裂。试样在断裂处对应的应力称为，直到断裂。试样在断裂处对应的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率4.4.当温度升高到当温度升高到T Tg g以上，试样进入高弹态，在较小的应力下即发生形变量以上，试样进入高弹态，在较小的应力下即发生形变量很大的很大的高弹形变高弹形变，应力应变曲线不再出现屈服点，却出现一较长的平台，应力应变曲线不再出现屈服点，却出现一较长的平台，直到试样断裂前夕，曲线才出现明显的上升直到试样断裂前夕，曲线才出现明显的上升 .温度较低时，在材料发生屈服之前发生的断裂，形变很小，温度较低时，在材料发生屈服之前发生的断裂，形变很小，称为称为脆性断裂脆性断裂；温度稍高，材料在发生屈服之后发生的断裂，；温度稍高，材料在发生屈服之后发生的断裂，因出现较大的形变，称为因出现较大的形变，称为韧性断裂韧性断裂。玻璃态高聚物在玻璃态拉伸时，曲线的起始阶段是一段直线，玻璃态高聚物在玻璃态拉伸时，曲线的起始阶段是一段直线，应力与应变成正比，试样表现出虎克弹性体的行为，在这段应力与应变成正比，试样表现出虎克弹性体的行为，在这段范围内停止拉伸，试样将立刻恢复原状范围内停止拉伸，试样将立刻恢复原状-普弹形变。普弹形变。从这从这段曲线可以计算材料的杨氏模量。段曲线可以计算材料的杨氏模量。其对应的应变只有百分之几，其对应的应变只有百分之几，从微观的角度看，这种高模从微观的角度看，这种高模量、小形变的弹性行为是由量、小形变的弹性行为是由高分子的键长、键角变化引高分子的键长、键角变化引起的。起的。.屈服点之后出现大变形主要是高分子的链段运动引起的，屈服点之后出现大变形主要是高分子的链段运动引起的，但外力除去后，由于高聚物处于玻璃态，也不能自发恢复，但外力除去后，由于高聚物处于玻璃态，也不能自发恢复，当温度升到当温度升到T Tg g附近，链段运动解冻，形变恢复。附近，链段运动解冻，形变恢复。材料在屈服之后发生的形变在停止拉伸后，试样的大形变材料在屈服之后发生的形变在停止拉伸后，试样的大形变无法完全恢复，但是如果让温度升到无法完全恢复，但是如果让温度升到T Tg g附近，形变又恢复附近，形变又恢复了。显然这在了。显然这在本质上是一种高弹形变，而不是粘流形变本质上是一种高弹形变，而不是粘流形变。玻璃态高聚物在大外力作用下玻璃态高聚物在大外力作用下发生的大形变，本质与橡胶的发生的大形变，本质与橡胶的高弹形变一样，只不过表现形高弹形变一样，只不过表现形式有差别，为了与普通的高弹式有差别，为了与普通的高弹形变相区别，通常称为形变相区别，通常称为强迫高强迫高弹形变弹形变.强迫高弹形变产生的原因强迫高弹形变产生的原因也就是在也就是在外力外力的作用下，非晶聚合物中本来被冻结的链段被强的作用下，非晶聚合物中本来被冻结的链段被强迫运动，使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚合物迫运动，使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚合物仍处于玻璃态，当外力移去后，链段不能再运动，形变也就得仍处于玻璃态，当外力移去后，链段不能再运动，形变也就得不到回复，只有当温度升至不到回复，只有当温度升至Tg附近，使链段运动解冻，形变才附近，使链段运动解冻，形变才能复原。能复原。松弛时间与应力的关系：松弛时间与应力的关系：由上式可见，由上式可见，越大，越大，越小，即外力降低了链段在外力作用方越小，即外力降低了链段在外力作用方向上的运动活化能，向上的运动活化能，因而缩短了沿力场方向的松弛时间，当应因而缩短了沿力场方向的松弛时间，当应力增加致使链段运动松弛时间减小到与外力作用时间同一数量力增加致使链段运动松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时，链段开始由蜷曲变为伸展，产生强迫高弹变形级时，链段开始由蜷曲变为伸展，产生强迫高弹变形.TbTg温度低于温度低于T Tb b，玻璃态高聚物必定发生脆性断裂，因此这个温，玻璃态高聚物必定发生脆性断裂，因此这个温度称为脆化温度，玻璃态高聚物在度称为脆化温度，玻璃态高聚物在T Tb b 和和T Tg g之间的温度范围内，之间的温度范围内，才能在外力作用下发生强迫高弹形变，而这正是塑料具有韧才能在外力作用下发生强迫高弹形变，而这正是塑料具有韧性的原因，因此性的原因，因此T Tb b是塑料使用的最低温度。是塑料使用的最低温度。T Tb b以下，塑料象以下，塑料象玻璃一样一敲就碎，没有使用价值。玻璃一样一敲就碎，没有使用价值。温度要求温度要求玻璃态高聚物强迫高弹形变产生玻璃态高聚物强迫高弹形变产生条件条件断裂应力断裂应力大于大于屈服应力屈服应力TTT T Tb b,先达到先达到 y y，韧韧性断裂性断裂屈服应力屈服应力断裂应力断裂应力.刚性过大的高聚物，虽然链堆砌较松散，但链段不能运刚性过大的高聚物，虽然链堆砌较松散，但链段不能运动，也不出现强迫高弹性，材料仍是脆性的。动，也不出现强迫高弹性，材料仍是脆性的。强迫高弹性与高聚物的结构的关系强迫高弹性与高聚物的结构的关系只有刚性适中的高聚物的才会出现强迫高弹性。只有刚性适中的高聚物的才会出现强迫高弹性。柔性很大的链在冷却成玻璃态时，分子之间堆砌紧密，柔性很大的链在冷却成玻璃态时，分子之间堆砌紧密，链段运动困难，要使链段运动需要很大的外力，甚至超链段运动困难，要使链段运动需要很大的外力，甚至超过材料的强度，所以柔性很大的高聚物在玻璃态是脆性过材料的强度，所以柔性很大的高聚物在玻璃态是脆性的，的，T Tb b和和T Tg g很接近。很接近。.不同的拉伸速率也和改变温不同的拉伸速率也和改变温度一样影响度一样影响强迫高弹性强迫高弹性因为链段运动是松弛过程，外力因为链段运动是松弛过程，外力的作用使松弛时间下降的作用使松弛时间下降若外力作用时间越短，链段的松弛跟不上外力作用速率，若外力作用时间越短，链段的松弛跟不上外力作用速率，为使材料屈服需要更大的外力，材料的屈服强度提高，材为使材料屈服需要更大的外力，材料的屈服强度提高，材料在断裂前不发生屈服，表现为脆性断裂料在断裂前不发生屈服，表现为脆性断裂若链段运动的松弛时间与外力作用速率相适应，材料在断若链段运动的松弛时间与外力作用速率相适应，材料在断裂前可发生屈服，出现强迫高弹性，表现为韧性断裂裂前可发生屈服，出现强迫高弹性，表现为韧性断裂所以，降低温度与提高外力作用速率有同样的效果，这是所以，降低温度与提高外力作用速率有同样的效果，这是时时-温等效原理温等效原理在高分子力学行为中的体现。在高分子力学行为中的体现。.8.2.2 8.2.2 晶态高分子的应力应变曲线晶态高分子的应力应变曲线第一段，应力随应变线形增加，试样被均匀第一段，应力随应变线形增加，试样被均匀拉长，伸长率可达百分之几到十几，到拉长，伸长率可达百分之几到十几，到Y Y点点后，试样的截面突然变得不均匀，出现一个后，试样的截面突然变得不均匀，出现一个或几个或几个“细颈细颈”，开始进入第二阶段，细颈，开始进入第二阶段，细颈与非细颈部分的截面积分别维持不变，细颈与非细颈部分的截面积分别维持不变，细颈部分不断扩展，非细颈部分逐渐缩短，直到部分不断扩展，非细颈部分逐渐缩短，直到试样完全被拉细为止，此时应力几乎不变，试样完全被拉细为止，此时应力几乎不变，应变不断增加。第三阶段是成颈后的试样又应变不断增加。第三阶段是成颈后的试样又被均匀拉伸，直到断裂。被均匀拉伸，直到断裂。比玻璃态高聚物的拉伸曲线具有更明显的比玻璃态高聚物的拉伸曲线具有更明显的应变软化应变软化转折，转折，整个曲线可分为三段整个曲线可分为三段拉伸后的材料在熔点以下难以回复到原先未取向的状态，只有加热到拉伸后的材料在熔点以下难以回复到原先未取向的状态，只有加热到熔点附近，才能回复到未拉伸状态。因此这种结晶聚合物的大形变，熔点附近，才能回复到未拉伸状态。因此这种结晶聚合物的大形变，就本质上说也是高弹性的。就本质上说也是高弹性的。.区别区别：（：（1 1）产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉温度区间是温度区间是T Tb b到到T Tg g，而结晶聚合物则为，而结晶聚合物则为T Tg g 至至T Tm m；（2 2）玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶态聚）玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶态聚合物简单得多，它合物简单得多，它主要是主要是链段链段的取向的取向，并不发生相变，而后者，并不发生相变，而后者尚包含晶面滑移、晶粒的取向及再结晶等相态的变化过程。尚包含晶面滑移、晶粒的取向及再结晶等相态的变化过程。玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较相似之处：相似之处：两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自发回复，以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自发回复，而加热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成的大形变都而加热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是高弹形变。是高弹形变。屈服以后的大形变过程通常称为屈服以后的大形变过程通常称为“冷拉冷拉”.某些由玻璃态塑料和高弹态橡胶组成的高某些由玻璃态塑料和高弹态橡胶组成的高聚物多相体系，表现出特有的应变软化现聚物多相体系，表现出特有的应变软化现象，即所谓的象，即所谓的“应变诱发塑料应变诱发塑料-橡胶转变橡胶转变”如如SBSSBS试样，当其中的试样，当其中的s s相和相和b b相的组成比接近相的组成比接近1:11:1时，材料室时，材料室温下像塑料，温下像塑料，第一次拉伸其拉伸行为起先与一般塑料的冷拉第一次拉伸其拉伸行为起先与一般塑料的冷拉现象相似。现象相似。可是如果移去外力，这种大形变却能迅速基本回可是如果移去外力，这种大形变却能迅速基本回复，复，不像一般塑料强迫高弹性需要加热到不像一般塑料强迫高弹性需要加热到T Tg g或或T Tm m附近才回复附近才回复8.2.38.2.3多相体系的塑料多相体系的塑料-橡胶转变橡胶转变如果接着进行如果接着进行第二次拉伸第二次拉伸，则开始发生大形变所需要的外力，则开始发生大形变所需要的外力比第一次拉伸要小得多，试样也不再发生屈服和成颈过程，比第一次拉伸要小得多，试样也不再发生屈服和成颈过程，而而与一般交联橡胶的拉伸过程相似与一般交联橡胶的拉伸过程相似，材料呈现高弹性。，材料呈现高弹性。经拉伸变为橡胶的试样，如果在经拉伸变为橡胶的试样，如果在室温下放置较长的时间室温下放置较长的时间，由，由于塑料相的重建，于塑料相的重建，又能恢复拉伸前的塑料性质又能恢复拉伸前的塑料性质 .取向态高分子的拉伸行为呈现各向异性。取向态高分子的拉伸行为呈现各向异性。于已取向的晶态高聚物，如果于已取向的晶态高聚物，如果对沿取向方向拉伸，则断裂伸对沿取向方向拉伸，则断裂伸长率极小，不出现细颈现象。长率极小，不出现细颈现象。应力应变曲线相当于晶态高聚应力应变曲线相当于晶态高聚物冷拉后的物冷拉后的DBDB段。段。若沿垂直于取向方向拉伸，则其拉伸行为与未取向试样相若沿垂直于取向方向拉伸，则其拉伸行为与未取向试样相似，最后得到与原取向垂直的新取向聚合物。似，最后得到与原取向垂直的新取向聚合物。8.2.48.2.4取向高聚物的拉伸行为取向高聚物的拉伸行为.高分子材料是否出现屈服可从应力（习用高分子材料是否出现屈服可从应力（习用应力、工程应力应力、工程应力)应变曲线是否出现极应变曲线是否出现极大值作出判断。但由于截面积变化较大，大值作出判断。但由于截面积变化较大，使真应力应变曲线与习用应力应变曲使真应力应变曲线与习用应力应变曲线有很大差别，真应力应变曲线上可能线有很大差别，真应力应变曲线上可能没有极大值，而不能判断屈服点。没有极大值，而不能判断屈服点。拉伸时材料体积不变，伸长比拉伸时材料体积不变，伸长比=l/l=l/l0 0=1+,=1+,则试则试样的截面积样的截面积A A与原始面积与原始面积A A0 0的关系的关系8.2.58.2.5高聚物的屈服判据及影响因素高聚物的屈服判据及影响因素真应力为真应力为屈服点是表观应力应变曲线屈服点是表观应力应变曲线的极值点的极值点与表观应力应变曲线上屈服点相应的点是真应力应变曲线上由应变轴上与表观应力应变曲线上屈服点相应的点是真应力应变曲线上由应变轴上=-1=-1处向曲线作切线的切点。这种图解称为处向曲线作切线的切点。这种图解称为considereconsidere （康西德雷）作图（康西德雷）作图法，可以作为材料屈服和出现高弹形变（冷拉）的判据。法，可以作为材料屈服和出现高弹形变（冷拉）的判据。.从从=0=0点不可能向曲线引切线，没有屈服点，点不可能向曲线引切线，没有屈服点，是橡胶态聚合物的情况；是橡胶态聚合物的情况；Considre Considre 作图法作图法真应力真应力-应变曲线的三种类型应变曲线的三种类型从从=0=0点可以向曲线引一条切线，得到一个屈服点可以向曲线引一条切线，得到一个屈服点，是非晶态聚合物的情况；点，是非晶态聚合物的情况；从从=0=0点可以向曲线引两条切线，点可以向曲线引两条切线，A A点是屈服点，出现细颈，点是屈服点，出现细颈，然后发生冷拉到然后发生冷拉到B B点，（细颈后试样面积不变，应力也不变，点，（细颈后试样面积不变，应力也不变，从而真应力不变，出现平台），这是结晶态聚合物的情况从而真应力不变，出现平台），这是结晶态聚合物的情况.屈服原理屈服原理-受力分析受力分析聚合物为什么会屈服？屈服后为什么会产生细颈？聚合物为什么会屈服？屈服后为什么会产生细颈？韧性聚合物在屈服点时常可看到试韧性聚合物在屈服点时常可看到试样上出现与拉伸方向成约样上出现与拉伸方向成约45角倾角倾斜的剪切滑移变形带，斜的剪切滑移变形带，厚度约厚度约1m1m ，并且逐渐生成对称的，并且逐渐生成对称的细颈细颈.横截面横截面A0,受到的应力受到的应力 0=F/A0斜截面斜截面法向应力法向应力剪切应力剪切应力抗张强度什么面最大？抗张强度什么面最大？=0，n=0抗剪强度什么面最大？抗剪强度什么面最大？=45，135135，s=0/2.本质上，本质上，法向应力法向应力与材料的抗拉与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉伸能力极限伸能力有关，而抗拉伸能力极限值主要取决于分子主链的强度值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材料在作用下发（键能）。因此材料在作用下发生破坏时，往往伴随主链的断裂生破坏时，往往伴随主链的断裂切向应力切向应力与材料的抗剪切能力相关，与材料的抗剪切能力相关，极限值主要取决于分子间内聚力。极限值主要取决于分子间内聚力。材料在作用下发生屈服时，往往发材料在作用下发生屈服时，往往发生分子链的相对滑移生分子链的相对滑移垂直应力下的分子链断裂垂直应力下的分子链断裂剪切应力下的分子链滑移剪切应力下的分子链滑移.在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力变化十分复杂，在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力变化十分复杂，断裂和屈服都有可能发生，处于相互竞争状态断裂和屈服都有可能发生，处于相互竞争状态。韧性材料韧性材料拉伸时，斜截面上的拉伸时，斜截面上的最大切应力首先增加到材料最大切应力首先增加到材料的剪切强度的剪切强度，因此材料屈服，并出现与拉伸方向成，因此材料屈服，并出现与拉伸方向成4545角的角的剪切滑移变形带。进一步拉伸时，剪切带中由于分子链高度剪切滑移变形带。进一步拉伸时，剪切带中由于分子链高度取向，强度提高，暂时不发生进一步的变形。而其边缘则进取向，强度提高，暂时不发生进一步的变形。而其边缘则进一步发生剪切变形。同样，在一步发生剪切变形。同样，在135135的斜截面上也发生剪切的斜截面上也发生剪切变形，因而试样逐渐生成对称的细颈，直至细颈扩展至整个变形，因而试样逐渐生成对称的细颈，直至细颈扩展至整个试样。试样。脆性试样脆性试样在最大切应力达到剪切强度之前在最大切应力达到剪切强度之前，横截面上的法横截面上的法向正应力已达到材料的拉伸强度向正应力已达到材料的拉伸强度，因此试样还来不及屈服就，因此试样还来不及屈服就断裂了，而且断面与拉伸方向相垂直。断裂了，而且断面与拉伸方向相垂直。.8.3 8.3 高聚物的破坏和强度高聚物的破坏和强度8.3.1 8.3.1 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，聚合物材料的最大优点之一为其内在的从实用观点来看，聚合物材料的最大优点之一为其内在的韧性，亦即材料在断裂前能吸收大量能量。但材料内在的韧性，亦即材料在断裂前能吸收大量能量。但材料内在的韧性并不一定能表现出来，它是会受外在条件而起变化的，韧性并不一定能表现出来，它是会受外在条件而起变化的，例如荷重的方式、温度应变速度、制品形状与尺寸等例如荷重的方式、温度应变速度、制品形状与尺寸等的改的改变却会使韧性变坏，甚至会脆性断裂变却会使韧性变坏，甚至会脆性断裂。而材料的脆性断裂，。而材料的脆性断裂，在工程上是必须尽量避免的。