1.2 粘弹性和滞弹性.ppt

弹性服从虎克定律，特点：受外力作用后，应力和应变之间呈线性关系，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）。,1-4粘弹性与滞弹性,理想弹性固体,滞弹性,实际上，绝大多数固体材料的弹性行为很难满足理想弹性行为。一般都表现出非理想弹性性质，即实际固体的应力与应变不是单值对应关系，往往有一个时间的滞后现象。无机固体和金属材料发生弹性形变时，应变落后于应力的行为，即与时间有关的弹性称为滞弹性。滞弹性的应变落后于应力，有一个时间的滞后滞弹性的应变不仅与应力有关，而且与时间有关，弹性模量也依赖于时间。,滞弹性体的应变在应力卸除后可以完全回复到原始形状和尺寸，只要经过充分长时间才能达到。它与不可能完全回复的非弹性体有明显的区别。,材料的滞弹性对仪器仪表和精密机械中的重要传感元件的测量精度有很大影响，因此选用材料时需要考虑滞弹性问题。如长期受载的测力弹簧、薄膜传感器等。所选用材料的滞弹性较明显时，会使仪表精度不足，甚至无法使用。,滞弹性在金属材料和高分子材料（高弹形变）中表现得比较明显。,粘性服从牛顿流动定律特点：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。,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。粘弹性材料的力学性质与时间有关，具有力学松弛的特征。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。高分子材料常见的力学松弛现象：蠕变、应力松弛、滞后和内耗,注：不可逆形变,（4）结构主链刚性：分子运动性差，外力作用下，蠕变小,t,1000,2000,3000,（%）,聚砜聚苯醚聚碳酸酯改性聚苯醚,ABS（耐热级）聚甲醛尼龙ABS,0.5,1.0,1.5,2.0,图6,结晶高聚物在室温下的抗蠕变性能比非晶聚合物好?,所以不能通过结晶来提高聚合物的抗蠕变性能.,举例:PETg=-68PTFETg=-40PSTg=-80100在室温下处于玻璃态:1,在室温下处于高弹态1+2,思考题:a.交联聚合物的蠕变曲线?,b.雨衣在墙上为什么越来越长?(增塑PVC),1,PVC的Tg=80，加入增塑剂后，玻璃化温度大大下降，成为软PVC做雨衣，此时处于高弹态，很容易产生蠕变。,二、应力松弛,应力松弛是在持续外力的作用下，发生形变着的物体，在总的形变值保持不变的情况下，由于蠕变形变渐增，弹性形变相应减小，由此使物体的内部应力随时间延续而逐渐减小的过程。简单来说，在恒定的温度和形变不变的情况下，材料内部应力随着时间的增长而逐渐衰减的现象。如钟表的发条、松紧带、捆扎物体的软PVC丝。,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、橡齿轮。,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。,又称为力学损耗角,常用tan表示内耗的大小,损耗的功,回缩,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,滞后环面积越大,损耗越大.通常用Tan表示内耗的大小.,102,高聚物的动态力学性能一般用动态模量和阻尼因子来表示周期性变化的应力、应变可以用复数形式表示：,动态模量与阻尼,2019/12/13,37,可编辑,应力松弛方程,t=时，(t)=0/e的物理意义为应力松弛到0的1/e的时间-松弛时间为弹性系数与粘性系数的比值，说明松弛过程是弹性和粘性共同作用的结果,当t=0，=0时积分,令=/E,Maxwell和Kelvin模型比较,时温等效原理的实用意义,利用时间和温度的这种等效关系，不同温度、时间、频率下测得的力学数据相互换算。,例：NR要得到某低温下NR的应力松弛行为，由于温度太低，应力松弛很慢，要得到完整的曲线和数据需要很长时间，此时可利用于时温等效原理，在常温下或较高温度下，测得的应力松弛数据，换算、叠加成低温下的曲线。,在室温下几年，几百年的应力松驰是不能实现的，可在高温条件下短期内完成；或在室温下几十万分之一秒完成的应力松驰，可在低温条件下几小时完成。,六.无机材料的高温蠕变,低温时表现脆性，蠕变效应不明显-可以不予考虑。但在较高温度下，特别是当温度达到材料熔点的1/3到1/2时，即使是应力在屈服极限以下，试件也会产生塑性变形，时间愈长，变形量愈大，直至断裂。这种发生在高温下的塑性变形就称为高温蠕变。原因：从热力学观点出发，蠕变是一种热激活过程。在高温条件下，借助于外应力和热激活的作用，形变的一些障碍物得以克服，材料内部质点发生了不可逆的微观过程。因此，设计高温使用的构件时，例如与高温燃气接触的燃气轮机叶片，就不能把强度极限等作为计算许用应力的依据，而要考虑材料的蠕变强度。,a.各阶段的特点,（1）典型的蠕变曲线-高温下试件的应变量与时间的关系曲线,弹性形变阶段,起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变，即应力和应变同步。,第一阶段蠕变（蠕变减速阶段或过渡阶段）,由于蠕变变形逐渐产生形变硬化（位错密度增大），使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低，因此形成了减速蠕变阶段。其特点是应变速率随时间递减，持续时间较短。此阶段类似于可逆滞弹性形变。,高温蠕变曲线,晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移弹性形变,（2）温度和应力对蠕变曲线的影响,当减小应力或降低温度时，蠕变第II阶段延长，甚至不出现第III阶段；当增加应力或提高温度时，蠕变第II阶段缩短，甚至消失，试样经过减速蠕变后很快进入第III阶段而断裂。,外力对应变速率的影响可表示为：,从热力学观点出发，蠕变是一种热激活过程。在高温条件下，借助于外应力和热激活的作用，形变的一些障碍物得以克服，材料内部质点发生了不可逆的微观过程。,无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以运动。在高温下，原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。当温度增加时，位错运动的速度加快。除位错运动产生滑移外，位错的攀移也能产生宏观上的形变。通过吸收空位，位错可攀移到滑移面以外，绕过障碍物，使滑移而移位。攀移通过扩散进行的，从而使蠕变得以进行。,a.位错运动理论,b.扩散蠕变理论-空位扩散流动拉应力作用下，晶体ABCD上的空位势能发生变化，垂直于拉应力轴的晶界（A、B晶界）处于高势能态，平行于拉应力轴的晶界（C、D晶界）处于低势能态导致空位由势能高的A、B晶界向势能低的C、D晶界扩散。空位的扩散引起原子向相反的方向扩散，从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩，致使晶粒变长，产生蠕变。(晶界上的张应力使空位的浓度增加，压应力使浓度减少，应力造成空位浓度差，质点由高浓度向低浓度扩散),c.晶界蠕变理论（高温）多晶材料中的晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形。在常温下，可以忽略不计。但在高温时，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕变。多晶陶瓷中存在着大量晶界，当晶界位向差大时，可以把晶界看成是非晶体。高温时，晶界粘度迅速下降，外力导致晶界发生粘性流动，而产生蠕变。金属和陶瓷材料，晶界的滑动一般是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的。含有牛顿液态或似液态第二相物质的陶瓷材料，由于第二相的粘滞流动也可引起蠕变。,3.显微结构,（4）影响蠕变的因素,温度、应力（外界因素）温度升高，应力（如拉应力）增大，位错运动和晶界滑动加快，扩散系数增大，蠕变增大。,2.晶体的组成,结合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的材料具有好的抗蠕变性。例如碳化物、硼化物。,蠕变是结构敏感的性能。材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响,（5）蠕变断裂(p43)多晶材料在高温时，在恒定应力作用下由于形变不断增加而导致断裂称为蠕变断裂。高温下形变的主要部分是晶界滑动，因此蠕变断裂的主要形式是沿晶断裂。蠕变断裂有两种理论：a.粘性流动理论高温下晶界要发生粘性流动，在晶界交界处产生应力集中，如果应力集中使得相邻晶粒发生塑性变形而滑移，则将使应力松弛，否则，则应力集中将使晶界交界处产生裂纹，这种裂纹逐步扩展导致断裂。b.空位聚集理论在应力及热波动的作用下，受拉的晶界上空位浓度大大增加，这些空位大量聚积，可形成可观的裂纹，这种裂纹扩展导致断裂。,塑性变形：材料在高温下长时间的受到小应力作用，出现蠕变现象，即时间应变的关系。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。,思考题：蠕变与塑性变形的区别？,蠕变、高温蠕变、应力松弛、滞后、