高聚物的分子運(yùn)動(dòng)

1、第七章 高聚物的屈服、斷裂和強(qiáng)度v在較大外力的持續(xù)作用或強(qiáng)大外力的短期作用下，材料將發(fā)在較大外力的持續(xù)作用或強(qiáng)大外力的短期作用下，材料將發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂，對(duì)這種破壞或斷裂的抵抗能生大形變直至宏觀破壞或斷裂，對(duì)這種破壞或斷裂的抵抗能力稱為強(qiáng)度。力稱為強(qiáng)度。v材料斷裂的方式材料斷裂的方式形變性質(zhì)形變性質(zhì)v脆性斷裂脆性斷裂v韌性斷裂韌性斷裂7.1 7.1 描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量和幾種常用的描述力學(xué)性質(zhì)的基本物理量和幾種常用的力學(xué)性能指標(biāo)力學(xué)性能指標(biāo)v一一 應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力與應(yīng)變v應(yīng)變：材料受到外力作用，而所處的條件使它不能應(yīng)變：材料受到外力作用，而所處的條件使它不能產(chǎn)生慣性移動(dòng)時(shí)，它的幾

2、何形狀和尺寸將發(fā)生變化，產(chǎn)生慣性移動(dòng)時(shí)，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種變化稱為應(yīng)變。這種變化稱為應(yīng)變。v應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的附加內(nèi)力為應(yīng)力。應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的附加內(nèi)力為應(yīng)力。v應(yīng)力單位：應(yīng)力單位：N/m2，又稱帕斯卡，又稱帕斯卡，Pa。二二 應(yīng)變類型應(yīng)變類型 三種基本的應(yīng)變類型三種基本的應(yīng)變類型 簡(jiǎn)單拉伸簡(jiǎn)單拉伸 簡(jiǎn)單剪切簡(jiǎn)單剪切 均勻壓縮均勻壓縮v1 拉伸應(yīng)變v 在簡(jiǎn)單拉伸的情況下，材料受到的外力在簡(jiǎn)單拉伸的情況下，材料受到的外力F是垂直于截面積的是垂直于截面積的大小相等、方向相反并作用于同一直線上的兩個(gè)力，如下圖大小相等、方向相反并作用于同一直線上的兩個(gè)力，如下圖所示，這時(shí)材料的形變稱為

3、拉伸應(yīng)變。所示，這時(shí)材料的形變稱為拉伸應(yīng)變。v 小形變時(shí)v拉伸應(yīng)變通常以單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)來定義，如果材料的起始長(zhǎng)度為l0，變形后的長(zhǎng)度為l，則拉伸應(yīng)變v式中l(wèi)材料的絕對(duì)伸長(zhǎng)v習(xí)用應(yīng)變，相對(duì)伸長(zhǎng)v拉伸應(yīng)變拉伸應(yīng)力v習(xí)用應(yīng)變習(xí)用應(yīng)力，習(xí)用應(yīng)力定義為：v式中A0材料的起始截面積v 大形變時(shí)v材料的截面積將發(fā)生較大的變化，習(xí)用應(yīng)力與材料的真實(shí)應(yīng)力會(huì)發(fā)生較大的偏差，應(yīng)以真實(shí)截面積A代替A0，得到的應(yīng)力則稱為真應(yīng)力。v真應(yīng)變：lili+dli，v其他拉伸應(yīng)變的定義，如：00l/lll-ll32（）v2 剪切應(yīng)變v在簡(jiǎn)單剪切的情況下，材料受到的力F是與截面A0相平行的大小相等、方向相反的兩個(gè)力，如下圖所示，這

4、時(shí)材料的形變稱為剪切應(yīng)變。v 簡(jiǎn)單剪切示意圖v切應(yīng)變定義為剪切位移量S與剪切面之間的距離d的比值，即剪切角（或稱偏斜角）的正切。v當(dāng)切應(yīng)變足夠小時(shí)，v材料的剪切應(yīng)力為：StgD0FsAv3 均勻壓縮應(yīng)變v在均勻在均勻(流體靜力流體靜力)壓縮的情況下，材斜受到的圍壓力壓縮的情況下，材斜受到的圍壓力P的作用，發(fā)生體積形變，使材料從起始體積的作用，發(fā)生體積形變，使材料從起始體積V0縮小為縮小為V0-V，如下圖所示，這時(shí)材料的形變稱為均勻壓縮應(yīng)，如下圖所示，這時(shí)材料的形變稱為均勻壓縮應(yīng)變變，定義為單位體積的體積減小，即定義為單位體積的體積減小，即均勻流體靜壓縮示意圖均勻流體靜壓縮示意圖0VV v三 彈

5、性模量和柔量v對(duì)于理想的彈性固體，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比例常數(shù)稱為彈性模量。v表征材料抵抗變形能力的大小，模量越大，越不容易變形，材料剛性越大。v上述三種基本類型的彈性模量分別稱為楊氏模量E，剪切模量G和體積模量B。應(yīng)力彈性模量應(yīng)變?nèi)N基本應(yīng)變的模量v拉伸拉伸: 楊氏模量 E (MPa) -應(yīng)力 -應(yīng)變 F-拉伸力 AO-試樣原始截面積 lO-試樣原始長(zhǎng)度 l-伸長(zhǎng)長(zhǎng)度00AFE 三種基本應(yīng)變的模量v剪切剪切: :剪切模量:G (MPa)s 剪切應(yīng)力 剪切應(yīng)變 = tg tgAFG0S三種基本應(yīng)變的模量v壓縮壓縮: : 體積模量 B (Kg) P 流體靜壓力V 體積變化 VO 原始體積0VVPB

6、 v柔量：模量的倒數(shù)v楊氏模量E的倒數(shù)稱為拉伸柔量，用D表示v剪切模量G的倒數(shù)稱為剪切柔量，用J表示v體積模量B的倒數(shù)稱為可壓縮度三種應(yīng)變模量的關(guān)系各向同性的材料： E = 2G (1+) = 3B (1-2 )(泊松比):橫向形變與縱向形變之比 0mmtt00 縱縱向向形形變變橫橫向向形形變變不同材料的泊松比材料名材料名稱稱泊松比泊松比材料名材料名稱稱泊松比泊松比鋅0.21玻璃0.25鋼0.250.35石料0.160.34銅0.310.34聚苯乙系0.33鋁0.320.36聚乙烯0.38鉛0.45賽璐珞0.39v四 機(jī)械強(qiáng)度v當(dāng)材料所受的外力超過其承載能力時(shí)，材料抵抗外力破壞的能力就是機(jī)械強(qiáng)

7、度。v1 拉伸強(qiáng)度v拉伸強(qiáng)度是在規(guī)定的試驗(yàn)溫度、濕度和試驗(yàn)速度下，在標(biāo)準(zhǔn)試樣上沿軸向施加拉伸載荷，如下圖所示，直至斷裂時(shí)試樣承受的最大載荷P與試樣橫截面的比值，通常用t表示，即v 其單位為N/m2或PaPtbdv對(duì)應(yīng)的拉伸模量通常由拉伸初始階段的應(yīng)力與應(yīng)變比例計(jì)算，即：v式中P變形較小時(shí)的載荷v2 壓縮強(qiáng)度v與拉伸試驗(yàn)類似，若向試樣施加的是單向壓與拉伸試驗(yàn)類似，若向試樣施加的是單向壓縮載荷，則得到的是壓縮強(qiáng)度和壓縮模量?？s載荷，則得到的是壓縮強(qiáng)度和壓縮模量。v理論上，所得壓縮模量應(yīng)與拉伸模量相等，理論上，所得壓縮模量應(yīng)與拉伸模量相等，即即Et=Ec，v實(shí)際上，壓縮模量實(shí)際上，壓縮模量Ec通常稍

8、大于拉伸模量通常稍大于拉伸模量Etv3 彎曲強(qiáng)度（撓曲強(qiáng)度）v是在規(guī)定試驗(yàn)條件下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣施加靜彎曲力矩，如下圖所示，直到試樣折斷為止，取試驗(yàn)過程中的最大載荷P，并按下式計(jì)算彎曲強(qiáng)度v 式中撓度v4 沖擊強(qiáng)度v沖擊強(qiáng)度是衡量材料韌性的一種強(qiáng)度指標(biāo)，表征材料抵抗沖擊載荷破壞的能力。v通常定義為試樣受沖擊載荷而折斷時(shí)單位截面積所吸收的能量。v 式中W沖斷試樣所消耗的功（沖擊功）v5 硬度v硬度是衡量材料表面抵抗機(jī)械壓力的能力的一種指標(biāo)。v硬度的大小材料的抗張強(qiáng)度和彈性模量v硬度試驗(yàn)方法有劃痕法、壓入法和動(dòng)態(tài)法。不同測(cè)量方法所得硬度的量值和物理意義均不同。v劃痕法測(cè)得的硬度表示材料抵抗表面局部斷裂

9、的能力，稱為莫氏硬度；v壓入法測(cè)得的硬度表示材料抵抗表面塑性變形的能力，根據(jù)試驗(yàn)方式分為：v布氏硬度v洛氏硬度v邵氏硬度v動(dòng)態(tài)法測(cè)得的硬度表示材料抵抗彈性變形的能力，主要有：v肖氏硬度v動(dòng)態(tài)布氏硬度常見塑料的拉伸和彎曲強(qiáng)度常見塑料的拉伸和彎曲強(qiáng)度塑料名稱塑料名稱拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度（MPa）伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率%拉伸模量拉伸模量（GPa）彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度（MPa）彎曲模量彎曲模量（GPa）低壓聚乙烯低壓聚乙烯2239601500.840.9525401.11.4聚苯乙烯聚苯乙烯35.263.312252.83.561.298.4ABS塑料塑料16.963.3101400.72.925.394.93.0有機(jī)

10、玻璃有機(jī)玻璃49.277.32103.291.4119聚丙烯聚丙烯33.742.22007001.21.442.256.21.21.6聚氯乙烯聚氯乙烯35.263.320402.54.270.3112尼龍尼龍6683603.23.31001102.93.0尼龍尼龍674781502.61002.42.6尼龍尼龍101052551002501.6891.3聚甲醛聚甲醛626860752.891922.6聚碳酸酯聚碳酸酯67601002.22.4981062.03.0聚砜聚砜7285201002.52.91081272.8聚酰亞胺聚酰亞胺94.5681003.2聚苯醚聚苯醚86.589.53080

11、2.62.8981372.02.1氯化聚醚氯化聚醚42.3601601.170770.9線性聚酯線性聚酯802002.9117聚四氟乙烯聚四氟乙411147.2 高聚物的屈服、斷裂現(xiàn)象及拉伸強(qiáng)度與增強(qiáng)v一 玻璃態(tài)和結(jié)晶高聚物的拉伸v 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)通常在張力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)通常在張力F的作用下進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量的作用下進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量加于試樣上的載荷和相應(yīng)標(biāo)線間長(zhǎng)度的改變加于試樣上的載荷和相應(yīng)標(biāo)線間長(zhǎng)度的改變l=l-l0，如果試，如果試樣的初始截而積為樣的初始截而積為A0，標(biāo)距的原長(zhǎng)為，標(biāo)距的原長(zhǎng)為l0，應(yīng)力，應(yīng)力和應(yīng)變和應(yīng)變分別分別有下式有下式 表示：表示：拉伸試樣示

12、意圖v從試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)可以繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如下圖所示：應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖(一）玻璃態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線v1 特征及分析v典型的玻璃態(tài)高聚物試樣當(dāng)溫度在Tg以下幾十度的范圍內(nèi)以一定速率被單軸拉伸時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖所示：vA點(diǎn)彈性極限點(diǎn)，A為彈性強(qiáng)度極限，A為彈性伸長(zhǎng)極限；vY點(diǎn)屈服點(diǎn)，Y為屈服強(qiáng)度Y為屈服伸長(zhǎng)率；vB點(diǎn)斷裂點(diǎn)， B為斷裂強(qiáng)度A 為斷裂伸長(zhǎng)率。玻璃態(tài)高聚物典型的應(yīng)力玻璃態(tài)高聚物典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線v拉伸過程中，高分子鏈的運(yùn)動(dòng)分別經(jīng)歷三個(gè)過程：v（1）彈性形變）彈性形變v（2）強(qiáng)迫高彈形變）強(qiáng)迫高彈形變v（3）粘流）粘流v2 影響因素v（1）外因

13、溫度、拉伸速率v 溫度v曲線（1）：TTg，應(yīng)力隨應(yīng)變成正比地增加，10，發(fā)生斷裂。v曲線（2）：溫度略微升高以后，出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)Y，即屈服點(diǎn)。應(yīng)力在Y點(diǎn)處達(dá)極大值。玻璃態(tài)高聚物在不同溫度下的應(yīng)玻璃態(tài)高聚物在不同溫度下的應(yīng) 力力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線v曲線（3）：溫度升至Tg以下幾十度的范圍內(nèi)時(shí)，屈服點(diǎn)之后，試樣在不增加外力或者外力增加不大的情況下，能發(fā)生很大的應(yīng)變，然后應(yīng)力又增加，直至斷裂v曲線（4）：TTg，試樣進(jìn)入高彈態(tài)，在不大的應(yīng)力下便可發(fā)展高彈形變，曲線不再出現(xiàn)屈服點(diǎn)，試樣斷裂前，應(yīng)力又出現(xiàn)急劇上升。玻璃態(tài)高聚物在不同溫度下的應(yīng)玻璃態(tài)高聚物在不同溫度下的應(yīng) 力力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線vB與

14、Y與T的關(guān)系曲線如下：TTg， BY，高聚物可產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變；TTg ，BY，產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變之前，試樣已經(jīng)被拉斷了。Tb-高聚物的脆化溫度，把高聚物的玻璃態(tài)分為受迫高彈態(tài)和脆性玻璃態(tài)。非晶聚合物（玻璃態(tài)）的屈服應(yīng)力Y和斷裂應(yīng)力B的溫度依賴性 溫度低于溫度低于TbTb，玻璃態(tài)高聚物必定發(fā)，玻璃態(tài)高聚物必定發(fā)生脆性斷裂，因此這個(gè)溫度稱為脆化溫生脆性斷裂，因此這個(gè)溫度稱為脆化溫度，玻璃態(tài)高聚物在度，玻璃態(tài)高聚物在Tb Tb 和和TgTg之間的溫度之間的溫度范圍內(nèi)，才能在外力作用下發(fā)生強(qiáng)迫高范圍內(nèi)，才能在外力作用下發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變，而這正是塑料具有韌性的原因，彈形變，而這正是塑料具有韌性的原因，因

15、此因此Tb Tb 是塑料使用的最低溫度。是塑料使用的最低溫度。 TbTb以下，以下，塑料象玻璃一樣一敲就碎，沒有使用價(jià)塑料象玻璃一樣一敲就碎，沒有使用價(jià)值。值。 TbTgv 拉伸速率v同一高聚物，在一定溫度，不同拉伸速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖所示：不同應(yīng)變速率下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線（到屈服點(diǎn)為止）v隨著拉伸速率的提高，高聚物的屈服應(yīng)力Y和拉伸強(qiáng)度都相應(yīng)提高。所以，拉伸速率和T對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)的影響是等效的。v（2）內(nèi)因結(jié)構(gòu)v產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈性的必要條件是：高聚物具有可運(yùn)動(dòng)的鏈段。v高聚物的分子量對(duì)強(qiáng)迫高彈性也有影響。分子量較小的高聚物在玻璃態(tài)時(shí)堆砌緊密，呈現(xiàn)脆性，Tb和Tg很接近；分子量增大到一

16、定程度后，Tb與Tg拉開，且隨分子量，T越大，直至達(dá)到臨界分子量為止，如下圖所示：v 非晶高聚物的Tb、Tg與分子量的關(guān)系曲線（二）晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線v典型的末取向晶態(tài)高聚物在單軸拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖所示，它比玻璃態(tài)高聚物的拉伸曲線具有更為明顯的轉(zhuǎn)折，整個(gè)曲線可分為三段：v拉伸初期，很快而 很小，隨線性，代表普彈形變v.A.達(dá)Y點(diǎn)后進(jìn)入拉伸的第二階段，Y點(diǎn)后，試樣的截面積突然變得不均勻，出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)“細(xì)頸”。v B.細(xì)頸與非細(xì)頸部分的截面積分別維持不變，而細(xì)頸部分不斷擴(kuò)展；非細(xì)頸部分逐漸縮短，直至整個(gè)試樣完全變細(xì)。v C.應(yīng)力幾乎不變而應(yīng)變不斷增加結(jié)晶高聚物拉伸過程應(yīng)力-應(yīng)變

17、曲線及試樣外形變化示意圖v A.成頸后的試樣重新被均勻拉伸v B.由于取向后分子鏈間排列緊密，相互作用力增強(qiáng)，故必須進(jìn)一步增大應(yīng)力，才能使分子鏈的斷裂以致材料破壞。結(jié)晶高聚物拉伸過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及試樣外形變化示意圖（三）取向高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線v已取向的晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其特點(diǎn)為：v 沿取向方向技伸時(shí)，伸長(zhǎng)率極小，不出現(xiàn)細(xì)頸，如前面結(jié)晶高聚物拉伸過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的第段直線。v 沿垂直于取向方向拉伸時(shí)，其過程與末取向試樣相似， 最后得到與原取向垂直的新的取向試樣，伸長(zhǎng)率可達(dá)500-800。v 已取向的非晶高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其特點(diǎn)為：v 沿取向方向拉伸時(shí)，若原來取向程度已較高，則曲線可能不再出現(xiàn)屈服伸長(zhǎng)而斷裂。一般說來，沿取向方向的拉