力学损耗PPT演示课件

5.4.5力学损耗,轮胎在高速行使相当长时间后，立即检查内层温度，为什么达到烫手的程度？高聚物受到交变力作用时会产生滞后现象，上一次受到外力后发生形变在外力去除后还来不及恢复，下一次应力又施加了，以致总有部分弹性储能没有释放出来。这样不断循环，那些未释放的弹性储能都被消耗在体系的自摩擦上，并转化成热量放出。,1,这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称为力学损耗或内耗。以应力应变关系作图时，所得的曲线在施加几次交变应力后就封闭成环，称为滞后环或滞后圈，此圈越大，力学损耗越大,2,例1：对于作轮胎的橡胶，则希望它有最小的力学损耗才好顺丁胶：内耗小，结构简单，没有侧基，链段运动的内摩擦较小丁苯胶：内耗大，结构含有较大刚性的苯基，链段运动的内摩擦较大丁晴胶：内耗大，结构含有极性较强的氰基，链段运动的内摩擦较大丁基胶：内耗比上面几种都大，侧基数目多，链段运动的内摩擦更大,3,例2：对于作为防震材料，要求在常温附近有较大的力学损耗（吸收振动能并转化为热能）对于隔音材料和吸音材料，要求在音频范围内有较大的力学损耗（当然也不能内耗太大，否则发热过多，材料易于热态化）,4,在正弦应力作用下，高聚物的应变是相同角频率的正弦函数，与应力间有相位差交变应力应变展开得：应力同相位比应力落后普弹性粘性,5,应力与应变的关系可用模量表达：由于相位差的存在，模量将是一个复数，叫复变模量：,6,复变模量的实数部分表示物体在形变过程中由于弹性形变而储存的能量，叫储能模量，它反映材料形变时的回弹能力（弹性）复变模量的虚数部分表示形变过程中以热的形式损耗的能量，叫损耗模量，它反映材料形变时内耗的程度（粘性）滞后角力学损耗因子,7,损耗模量,损耗因子,储能模量,8,，这两根曲线在很小或很大时几乎为0；在曲线两侧几乎也与无关，这说明：交变应力频率太小时，内耗很小，当交变应力频率太大时，内耗也很小。只有当为某一特定范围时，链段又跟上又跟不上外力时，才发生滞后，产生内耗，弹性储能转化为热能而损耗掉，曲线则表现出很大的能量吸收,9,5.4.6测定高聚物粘弹性的实验方法,蠕变仪高聚物的蠕变试验可在拉伸，压缩，剪切，弯曲下进行。,10,（）拉伸蠕变试验机（塑料）原理：对试样施加恒定的外力（加力可以是上夹具固定，自试样下面直接挂荷重），测定应变随时间的变化,夹具,11,注：对于硬塑料，长度变化较小，通常在试样表面贴应变片（类似电子秤的装置，可以将力学信号转变为电阻值，而得出应变值），测定拉伸过程中电阻值的变化而得出应变值。,12,（）剪切蠕变（交联橡胶）材料受的剪切应力在这种恒切应力下测定应变随时间的变化。,13,应力松弛拉伸应力松弛（橡胶和低模量高聚物的应力松弛实验）,14,动态扭摆仪扭摆测量原理：由于试样内部高分子的内摩擦作用，使得惯性体的振动受到阻尼后逐渐衰减，振幅随时间增加而减小。,15,5.4.7粘弹性模型,弹簧能很好地描述理想弹性体力学行为（虎克定律）粘壶能很好地描述理想粘性流体力学行为（牛顿流动定律）高聚物的粘弹性可以通过弹簧和粘壶的各种组合得到描述，两者串联为麦克斯韦模型，两者并联为开尔文模型。,16,Maxwell模型由一个弹簧和一个粘壶串联而成当一个外力作用在模型上时弹簧和粘壶所受的应力相同所以有：,17,代入上式得：这就是麦克斯韦模型的运动方程式,18,应用：Maxwell模型来模拟应力松弛过程特别有用（但不能用来模拟交联高聚物的应力松弛）Maxwell模型来模拟高聚物的动态力学行为（不行）Maxwell模型用于模拟蠕变过程是不成功的,19,（）开尔文模型是由弹簧与粘壶并联而成的作用在模型上的应力两个元件的应变总是相同：,20,所以模型运动方程为：应用：Kelvin模型可用来模拟高聚物的蠕变过程Kelvin模型可用来模拟高聚物的动态力学行为Kelvin模型不能用来模拟应力松弛过程,21,两个模型的不足：Maxwell模型在恒应力情况下不能反映出松弛行为Kelvin模型在恒应变情况下不能反映出应力松弛,22,（）四元件模型是根据高分子的运动机理设计的（因为高聚物的形变是由三部分组成的）,23,由分子内部键长，键角改变引起的普弹形变，它是瞬间完成的，与时间无关，所以可用一个硬弹簧来模拟。由链段的伸展，蜷曲引起的高弹形变随时间而变化，可用弹簧与粘壶并联来模拟。高分子本身相互滑移引起的粘性流动，这种形变随时间线性变化，可用粘壶来模拟。,24,我们可以把四元件模型看成是Maxwell和Kelvin模型的串联实验表明：四元件模型是较成功的，在任何情况下均可反映弹性与粘性同时存在力学行为。不足：只有一个松弛时间，不能完全反映高聚物粘弹性的真实变化情况，因为链段有大小，对应的松弛时间不同。,25,5.4.8时温等效原理,由于高聚物的高弹态形变和粘性流动都需要一定的松弛时间，所以，在较高温度下较短时间内观察到的力学行为，也可在较低温度下较长时间内观察到。这种现象称为时温等效原理，即：（i）升高温度等效于延长观察时间；（ii）在交变力的作用下，降低频率等效于延长观察时间。,26,（i）借助于转换因子可以将在某一温度下测定的力学数据，变成另一温度下的力学数据。（ii）通过对不同温度下测得的力学性质的比较或换算，可以得到某些高聚物在特殊条件下无法实测的力学性质。,时温等效原理的意义,27,由实验曲线迭合曲线,123-2-10123456789,28,将平移量温度作图,25,-80,0,0,29,实验证明，很多非晶态线形高分子基本符合这条曲线。所以W，F，L三人提出如下经验公式：表明移动因子与温度与参考温度之差有关,30,当选为参考温度时，则WLF方程变为：而当时，所有高聚物都可找到一个参考温度，温度通常落在这时，WLF方程为：,31,5.4.9Boltzmann迭加原理,Boltzmann迭加原理:高聚物的蠕变是其整个负荷历史的函数。即：每个负荷对高聚物蠕变的贡献是独立的，因而各负荷的总的效应等于各个负荷效应的加和。最终的形变是各个负荷所贡献的形变的简单加和。,Boltzmann迭加原理的意义：可以根据有限的实验数据，来预测高聚物在很宽的负荷范围内的力学性质,32,5.5极限力学行为,5.5.1概述5.5.2应力应变曲线5.5.3屈服5.5.4冷拉与成颈5.5.5银纹与应力发白5.5.6强度与破坏,33,5.5.1概述,非极限范围内的小形变：可用模量来表示形变特性极限范围内的大形变：要用应力应变曲线来反映这一过程,34,由应力应变曲线上可获得的反映破坏过程的力学量:扬氏模量屈服应力屈服伸长断裂强度（抗拉强度）断裂伸长,35,高聚物的力学性能与温度和力的作用速率有关，因此在试验和应用中务必牢牢记住：必须标明温度和施力速率（或形变速率），切勿将正常形变速率下测试数据用于持久力作用或冲击力作用下的场合下；切勿将正常温度下得到的数据用于低温或高温下。只有在宽广的温度范围和形变速率范围内测得的数据才可以帮助我们判断高聚物材料的强度、硬软、韧脆，再根据环境的要求，才能选出合适的材料来进行设计和应用。,36,材料破坏有二种方式，可从拉伸应力应变曲线的形状和破坏是断面形状来区分：脆性破坏:试样在出现屈服点之前断裂断裂表面光滑韧性破坏:试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象短裂表面粗糙,37,拉伸应力曲线反映的材料的力学性质力学参量力学性质弹性模量刚性屈服点弹性断裂伸长延性屈服应力强度（或断裂强度、抗拉强度）应力应变曲线下部的面积韧性弹性线下部的面积回弹性,38,5.5.2应力-应变曲线,1.高聚物的应力应变综合曲线,39,上面是典型的应力应变曲线实际聚合物材料，通常是综合曲线的一部分或是其变异。处于玻璃态的塑料只在一段范围内才具有这种形状。处于高弹态的橡胶，只有在温度较低和分子量很大时具有这种形状。,40,分析：以B点为界分为二部分：B点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形。斜率即为扬氏模量。B点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢复原样，而留有永久变形，我们称材料“屈服”了，B点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多,41,B点：屈服点B点时对应的应力屈服应力B点时对应的应变屈服应变C点：断裂点C点对应的应力断裂应力（断裂强度）抗拉强度C点对应的应变断裂伸长率,42,43,5.5.3高聚物的屈服,1.高聚物屈服点的特征大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现象是拉伸中出现的细颈现象。它是独特的力学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出屈服过程，这是由于温度和时间对高聚物的性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性，有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物脆性易断。,44,(1)屈服应变大：高聚物的屈服应变比金属大得多，金属0.01左右，高聚物0.2左右（例如PMMA的切变屈服为0.25，压缩屈服为0.13）(2)屈服过程有应变软化现象：许多高聚物在过屈服点后均有一个应力不太大的下降，叫应变软化，这时应变增大，应力反而下降。,45,(3)屈服应力依赖应变速率：应变速率增大，屈服应力增大。,应变速率对PMMA真应力应变曲线的影响,应变速率增大,1,2,3,4,10.2吋分,真应变,41.28吋/分,31.13吋/分,20.8吋/分,真应力,46,(4)屈服应力依赖于温度：温度升高，屈服应力下降。在温度达到时，屈服应力等于0,应力,应变,80,65,50,25,0,25,47,(5)屈服应力受流体静压力的影响：压力增大，屈服应力增大。,1.7千巴,1巴,0.69千巴,3.2千巴,切应力,切应变,48,(6)高聚物屈服应力不等于压缩屈服应力，一般后者大一些。所以高聚物取向薄膜不同方向上的屈服应力差别很大。(7)高聚物在屈服时体积略有缩小。,49,3.屈服机理(1)银纹屈服-银纹现象与应力发白1)银纹现象：很多高聚物，尤其是玻璃态透明高聚物（PS、PMMA、PC）在储存过程及使用过程中，往往会在表面出现像陶瓷的那样，肉眼可见的微细的裂纹，这些裂纹，由于可以强烈地反射可见光看上去是闪亮的，所以又称为银纹crage,50,原因：a是高聚物受到张应力作用时，在材料某些薄弱环节上应力集中，而产生局部塑性形变，而在材料表面或内部出现垂直于应力方向的微细凹槽或“裂纹”的现象b环境因素也会促进银纹产生，化学物质扩散到高聚物中，使微观表面溶胀或增塑，增加分子链段的活动性，玻璃化温度下降促进银纹产生，另外，试样表面的缺陷和擦伤处也易产生银纹，或起始于试样内部空穴或夹杂物的边界处，这些缺陷造成应力集中，有利于银纹产生,51,2)应力发白现象：橡胶改性的PS：HIPS或ABS在受到破坏时，其应力面变成乳白色，这就是所谓应力发白现象。应力发白和银纹化之间的差别在于银纹带的大小和多少，应力发白是由大量尺寸非常小的银纹聚集而成。,52,(2)剪切屈服现象：韧性高聚物在拉伸至屈服点时，常可见试样上出现与拉伸方向成45角的剪切滑移变形带。对韧性材料来说，拉伸时45斜截面上的最大切应力首先达到材料的剪切强度，所以首先出现与拉伸方向成45的剪切滑移变形带-细颈。因为变形带中分子链的取向度高，故变形逐步向整个试样扩展。,53,通常，韧性材料最大切应力首先达到抗剪强度，所以材料先屈服。脆性材料最大切应力达到抗剪强度之前，真应力已超过材料强度，所以材料来不及屈服就已断裂。因此韧性材料-断面粗糙-明显变形脆性材料-断面光滑-断面与拉伸方向垂直,54,5.5.4高聚物的断裂与强度,1.脆性断裂与韧性断裂从实用观点来看，高聚物材料的最大优点是它们内在的韧性，也就是说它在断裂前能吸收大量的能量，但是这种内在的韧性不是总是能表现出来的，由于加载方式、温度、应变速率、试样形状、大小等的改变却会使韧性变坏，甚至会脆性断裂，而材料的脆性断裂是工程上必须尽量避免的。,55,脆性：的关系是线性（或微曲）断裂应变低于，断裂能不大断裂面光滑韧性：关系非线性断裂前形变大得多，断裂能很大断裂面粗糙,56,对高聚物材料，脆性还是韧性极大地取决于实验条件：主要看温度和测试速率。在恒定的应变速率下：低温脆性形式向高温韧性形式转变在恒定温度下：应变速率上伸，表现为脆性形式；应变速率下降，表现为韧性形式,57,.高聚物的强度（1）高聚物材料的破坏实质上大分子主链上化学键的断裂或是高分子链之间相互作用力的破坏。所以从构成高分子链化学键的强度和高分子链间相互作用力的强度可以估称高聚物材料的理论强度。（2）半经验公式：杨氏模量,58,（3）一般讲，实际强度仅是理论强度的1/100到1/1000，为什么？材料内部应力集中引起（有的有缺陷，有的是杂质）。受外力作用时，缺陷根部的应力比材料平均受到的应力大得多，形成塑性屈服区，所以当材料的平均应力还没有达到它的理论强度以前，而缺陷根部的应力首先达到了理论强度的临界值，材料就先从这里开始破坏。,59,（4）影响强度的因素（规定试样尺寸）填料：与填料高聚物的性质有关（纤维填料能改进高聚物的力学强度）。粉料填料也可以作增强剂（如碳黑增强橡胶，模量和强度增加）受力的条件（温度、速度）：按作用力作用方式不同力学强度分为