高分子物理讲义-第三章 高聚物的力学性能.ppt

1 第三章高聚物的力学性能 强度 在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下 材料发生形变直至宏观破坏或断裂 对此破坏或断裂的抵抗能力 断裂 韧性断裂 屈服 高分子的塑性形变 后的断裂 脆性断裂 缺陷快速扩展 2 材料的力学性能指标 杨氏模量 E tg 弹性阶段 屈服强度 屈服伸长 ly 断裂强度 断裂伸长 lB 断裂能 EB 屈服和断裂过程的物理本质 3 3 1聚合物的塑性和屈服 应力 F A0应变 l l0 F 拉力A0 试样的初始截面积 l 试样拉伸后长度变化量l0 试样初始长度 4 沿纵轴方向 匀速拉伸 恒定温度 应力应变曲线 条件 5 非晶态聚合物应力应变曲线 OY 弹性YB 塑性Y yieldpointB breakpoint 弹性 屈服 颈缩 取向硬化 断裂 6 温度对应力 应变曲线的影响 t tg B 10 t tg B 20 t tg B 20 t tg B 20 7 应变速率对应力 应变曲线的影响 应变速率提高 E增大 y增大 lB减小增加应变速率与降低温度是等效的 8 流体静压力对应力 应变曲线的影响 流体静压力提高 E增大 y增大 lB减小增加流体静压力减少链段的活动性 松弛转变温度提高 在给定温度下增压与给定压力下降温等效 9 晶态聚合物应力 应变曲线 晶态聚合物 晶区 非晶区成颈范围宽 Tg Tm 结晶度增加 屈服应力 强度 模量 硬度增加断裂伸长率 抗冲性能下降 10 取向聚合物应力 应变曲线 单轴取向 取向方向上强度大双轴取向 改善材料性能 11 聚合物应力 应变曲线的类型 硬而脆 PS PMMA 酚醛树脂 lB 2 硬而强 UPVC lB 5 强而韧 NYLON 66 PC POM lB 5 软而韧 橡胶 增塑PVC lB 20 1000 软而弱 凝胶 不用作材料 12 细颈 NECK 成颈 冷拉 COLDDRAWING 材料塑性形变的不稳定性 形成原因 1 几何因素 材料试片尺寸在各处的细微差别 2 试样在屈服点后的应变软化判断能否形成细颈的方法 Considere作图法 13 Considere作图法 真 真应力 真 真 F AA A0 A A0l0 l A0 1 tg 真 1 14 Considere作图法 在Y点 d d 0 真 1 则 d 真 d 真 1 真 屈服点为真应力 应变曲线上由应变轴 1处向曲线作切线的切点 15 Considere作图法 从应变轴 1处向曲线作切线的切点应当有第二个 即极小值 当d 真 d 真 1 真 时 不能形成细颈 16 材料的屈服判据 屈服判据 yieldcriterion 组合应力状态下 材料的屈服条件 3个正应力 xx yy zz 3个切应力 xy yz zx 1 单参数屈服判据 最大切应力理论 Tresca 最大变形能理论 VonMises 2 双参数屈服判据 Coulomb MC MC更适用于高分子材料 17 MC屈服判据 在某平面出现屈服行为的临界应力 s与垂直于该平面的正压力 N成正比 s K N 内摩擦系数 s随着 N增加而增加 18 剪切带的结构形态 剪切滑移变形带 Shearband 450角 剪切应力起重要作用 19 剪切带的结构形态 沿平面切线分力 Fs Fsin 沿平面法线分力 Fn Fcos 法应力 n Fn A 0cos2 切应力 s Fs A 0sin2 2 00 n 0 450 n s 0 2 900 n s 0 20 剪切带的结构形态 切应力双生互等定律 两个互相垂直的斜截面上的剪应力的数值相等 方向相反 他们时不能单独存在的 总是同时出现 切拉伸时 最大切应力首先达到材料的抗剪强度 剪切滑移变形带与拉伸方向成450夹角 一般夹角大于450 因材料形变时伴随体积变化 21 银纹 crazing 聚合物 主要为非晶态聚合物 在张应力作用下 于材料的薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向 应力发白 在银纹和本体聚合物之间的界面上对光线产生全反射 银纹仍然具有强度银纹对聚合物的宏观形变贡献不大银纹化是玻璃态聚合物断裂的先决条件河屈服的机理 22 银纹 crazing 环境银纹 聚合物载环境介质与应力的共同作用形成银纹化的临界应变 随环境介质对聚合物的溶解度的增加而降低 随溶剂化聚合物的Tg的降低而降低 23 3 2聚合物的断裂与强度 在Tg以下 由于聚合物处于玻璃态 即使外力除去 已发生的大形变也不能自发回复 脆性断裂 在材料出现屈服之前发生的断裂 由张应力分量引起 一般材料在发生脆性断裂之前只发生很小的形变 韧性断裂 在材料屈服之后的断裂 由切应力分量引起 脆性和韧性依赖于温度和测试速率 24 聚合物的断裂 屈服应力 随温度增加而降低 随应变速率增加而增加脆韧转变 随应变速率增加而移向高温 即 在低应变速率时为韧性的材料 在高应变速率时为脆性材料 尖锐的缺口使聚合物的断裂从韧性变为脆性 25 聚合物的强度 强度 材料抵抗外力破坏的能力 拉伸强度 在规定的温度 湿度 试验速率下 标准试样沿轴向拉伸直到断裂 试样承受的最大载荷P与试样横截面的比值 t P bd 单位 Pa 杨氏模量 应力与应变不呈线性关系 26 聚合物的强度 抗弯强度 规定试验条件下 静弯曲力矩使材料断裂时的最大载荷 挠度 试样着力处的位移 27 聚合物的强度 硬度 衡量材料表面抵抗机械压力的能力的指标 与材料的拉伸强度的弹性模量有关 硬度 布氏硬度 洛氏硬度 邵氏硬度 HBS HRS HS 28 聚合物的破坏 聚合物的破坏 高分子主链的化学键断裂 高分子链间相互作用力的破坏 防止应力集中 几何不连续 缺口 裂纹材质不连续载荷不连续温度分布不连续 29 断裂理论 有裂缝的材料易开裂 应力集中 1 Griffith线弹性断裂理论 断裂产生新的表面所需要的表面能由材料的内部弹性储能减少来补偿 弹性储能在材料中的分布不均匀 裂缝附近集中大量的弹性储能 易于补偿而成为新的表面 本质上是热力学理论 30 2 非线性断裂理论 非线性断裂产生的应变能大于撕裂能时 材料失去稳定性 断裂理论 3 断裂的分子理论 材料的断裂是松弛过程 原子热运动的无规热涨落能量超过束缚原子的势垒时 化学键裂解 断裂 31 影响聚合物强度的因素与增强 影响聚合物强度的因素 内因 结构因素 化学键力分子链间的作用力 外因温度拉伸速率 32 影响聚合物强度的内因 1 极性增大 强度提高 脆性增大2 主链含芳杂环结构 强度提高3 分子链的支化程度增加 拉伸强度降低4 交联 强度提高5 分子量提高 强度提高6 结晶度提高 强度提高7 晶体结构 纤维晶体 抗拉伸8 取向 强度提高 9 材料缺陷 强度降低10 增塑剂 强度降低 33 影响聚合物强度的外因 低温 高应变速率 强度提高 脆性增大 双向土工格栅 34 聚合物增强途径 填料 粉状填料木粉碳黑碳酸镁氧化锌轻质二氧化硅 纤维状填料天然纤维玻璃纤维碳纤维石墨纤维硼纤维单晶纤维 35 聚合物增强途径 共混 液晶 热致性主链液晶 聚合物与热塑性聚合物的共混 微纤增强 原位 在共混过程中形成 类似于原位聚合 复合增强 结晶 性 非晶 性 聚合物共混体系 36 聚合物增韧 冲击强度 在冲击载荷的作用下折断或折裂单位截面积所吸收的能量 W 冲断试样需要的功冲击强度单位 美国材料协会 ASTM 悬臂梁式 KJ m国标 GB 简支梁式 KJ m2 37 简支梁 Charpy 式 聚合物增韧 悬臂梁 Izod 式 38 聚合物增韧途径 1 银纹机理 脆性高分子 PS PMMA 海岛型弹性体微粒作为应力集中物与基体间引发大量银纹 吸收冲击能 2 银纹 剪切带机理 橡胶 PVC CPE 粒子作为应力集中物 在外力诱发下产生银纹和剪切带 3 三轴应力空化机理 PC MBS等合金 基体与分散相界面呈脱离状态 在外力下发生三轴应力使分散相周围空化 4 刚性粒子增韧机理 刚性有机填料增韧 ROF 刚性无机 超细 填料增韧 RIF 刚性 弹性填料混杂 39 影响聚合物冲击强度的因素 影响聚合物冲击强度的因素 内因 结构因素 化学键力分子链间的作用力 外因温度外力作用速率 40 1 极性增大 脆性增大 强度降低2 分子链的支化程度增加 冲击强度提高3 交联 强度提高4 结晶度提高 强度降低5 晶体结构 球晶小 抗冲击6 取向 强度提高 7 材料缺陷 强度降低8 增塑剂