高分子材料性能測(cè)試力學(xué)性能PPT課件

1、第三章 高分子材料力學(xué)性能測(cè)試第1頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能3.2 彎曲性能3.3 壓縮性能3.4 沖擊性能3.5 剪切性能3.6 蠕變和應(yīng)力相應(yīng)3.7 硬度3.8 撕裂性能3 高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能第2頁(yè)/共40頁(yè)材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能The four types of stresses第3頁(yè)/共40頁(yè)Mechanical properties of materials強(qiáng)度強(qiáng)度(Strength)：材料在載荷作用下抵抗塑性變形或破材料在載荷作用下抵抗塑性變形或破壞的最大能力。壞的最大能力。屈服強(qiáng)度：表示材料發(fā)生明顯塑性變形的抗力屈服強(qiáng)度：表示材料發(fā)生明顯塑性變形的抗力

2、PsPs或或 抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度：b b=P=Pb b/F/F0 0 斷裂前單位面積上所承受的最斷裂前單位面積上所承受的最大應(yīng)力大應(yīng)力剛度剛度(Stiffness)：外應(yīng)力作用下材料抵抗彈性變形能力。外應(yīng)力作用下材料抵抗彈性變形能力。 彈性模量：彈性模量：E E/第4頁(yè)/共40頁(yè)韌性韌性(Ductility)：材料從塑性變形到斷裂全過(guò)程中吸收材料從塑性變形到斷裂全過(guò)程中吸收能量的能力。能量的能力。斷裂韌性：斷裂韌性：K KICIC塑性塑性(Plasticity)：外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破壞的能力。久性變形而不破壞的能力。Mechanical p

3、roperties of materials第5頁(yè)/共40頁(yè)應(yīng) 力應(yīng) 變強(qiáng)度范疇剛度范疇塑性范疇韌性范疇Mechanical properties of materials第6頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能應(yīng)力應(yīng)變曲線 1t應(yīng)力應(yīng)變曲線：A：脆性材料；B：具有屈服點(diǎn)的韌性材料；C：無(wú)屈服點(diǎn)的韌性材料拉伸強(qiáng)度；拉伸斷裂應(yīng)力； 拉伸屈服應(yīng)力；偏置屈服應(yīng)力；拉伸時(shí)的應(yīng)變；斷裂時(shí)的應(yīng)變；屈服時(shí)的應(yīng)變；偏置屈服時(shí)的應(yīng)變 1t2t3t4t1t2t3t4t第7頁(yè)/共40頁(yè)高分子應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程 彈性形變彈性形變: （開(kāi)始-Y）應(yīng)力隨應(yīng)變正比地增加，直線斜率=楊氏模量E。由高分子的鍵長(zhǎng)鍵角變化引起的。 屈服應(yīng)力屈

4、服應(yīng)力： 應(yīng)力在Y點(diǎn)達(dá)到極大值，這一點(diǎn)叫屈服點(diǎn)，其應(yīng)力y為屈服應(yīng)力。 強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變（大形變） 過(guò)了Y點(diǎn)應(yīng)力反而降低，由于此時(shí)在大的外力幫助下，玻璃態(tài)聚合物本來(lái)被凍結(jié)的鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，高分子鏈的伸展提供了材料的大的形變。這種運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上與橡膠的高彈形變一樣，只不過(guò)是在外力作用下發(fā)生的，為了與普通的高彈形變相區(qū)別，通常稱為強(qiáng)迫高彈形變。這一階段加熱這一階段加熱可以恢復(fù)可以恢復(fù)。 應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化 繼續(xù)拉伸時(shí)，由于分子鏈取向排列，使硬度提高，從而需要更大的力才能形變。 斷裂斷裂 達(dá)到B點(diǎn)時(shí)材料斷裂，斷裂時(shí)的應(yīng)力b即是抗張強(qiáng)度t；斷裂時(shí)的應(yīng)變b又稱為斷裂伸長(zhǎng)率。直至斷裂，整條曲線所包圍的面積S

5、相當(dāng)于斷裂功。E越大，說(shuō)明材料越硬，相反則越軟；b或y越大，說(shuō)材料越強(qiáng)，相反則越弱；b或S越大，說(shuō)明材料越韌，相反則越脆。第8頁(yè)/共40頁(yè)高分子典型應(yīng)力應(yīng)變曲線 I3.1 拉伸性能n(a)的特點(diǎn)是軟而弱。拉伸強(qiáng)度低，彈性模量小，且伸長(zhǎng)率也不大，如溶脹的凝膠等。n(b)的特點(diǎn)是硬而脆。拉伸強(qiáng)度和彈性模量較大，斷裂伸長(zhǎng)率小，如聚苯乙烯等。 第9頁(yè)/共40頁(yè)高分子典型應(yīng)力應(yīng)變曲線 I3.1 拉伸性能n(c)的特點(diǎn)是硬而強(qiáng)。拉伸強(qiáng)度和彈性模量大，且有適當(dāng)?shù)纳扉L(zhǎng)率，如硬聚氯乙烯等。n(d)的特點(diǎn)是軟而韌。斷裂伸長(zhǎng)率大，拉伸強(qiáng)度也較高，但彈性模量低，如天然橡膠、順丁橡膠等。第10頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性

6、能高分子典型應(yīng)力應(yīng)變曲線 IIIn (e)的特點(diǎn)是硬而韌。彈性模量大、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率也大，如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、尼龍等第11頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能高分子材料的典型應(yīng)力-應(yīng)變特征性能模量屈服應(yīng)力拉伸強(qiáng)度斷裂伸長(zhǎng)軟而弱低低低中等硬而脆高無(wú)中等低硬而強(qiáng)高高高中等軟而韌低低中等高硬而韌高高高高高分子材料的典型應(yīng)力-應(yīng)變特征第12頁(yè)/共40頁(yè)3.1 常用高分子材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線硬塑料應(yīng)力纖維軟塑料應(yīng)變橡膠第13頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能第14頁(yè)/共40頁(yè)第15頁(yè)/共40頁(yè)第16頁(yè)/共40頁(yè)第17頁(yè)/共40頁(yè)定義拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度：在拉伸試驗(yàn)中，試樣直至斷裂為止所承受的最大拉伸應(yīng)力。 拉伸

7、應(yīng)力拉伸應(yīng)力：試樣在計(jì)量標(biāo)距范圍內(nèi)，單位初始橫截面上承受的拉伸負(fù)荷。拉伸斷裂應(yīng)力拉伸斷裂應(yīng)力：曲線上斷裂時(shí)的應(yīng)力。 拉伸屈服應(yīng)力拉伸屈服應(yīng)力：曲線上屈服點(diǎn)處的應(yīng)力。斷裂伸長(zhǎng)率斷裂伸長(zhǎng)率：試樣斷裂時(shí)，標(biāo)線間距離的增加量與初始標(biāo)距之比。 彈性模量彈性模量：比例極限內(nèi)，材料所受應(yīng)力與產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變之比。 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)：曲線上不隨增加的初始點(diǎn)。 應(yīng)變應(yīng)變：材料在應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的尺寸變化與原始尺寸之比。3.1 拉伸性能第18頁(yè)/共40頁(yè)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)3.1 拉伸性能第19頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能拉伸性能測(cè)試原理拉伸試驗(yàn)是對(duì)試樣延期縱軸方向施加靜態(tài)拉伸負(fù)荷，使其破壞，通過(guò)測(cè)量試樣的屈服

8、力、破壞力和試樣標(biāo)距間的伸長(zhǎng)來(lái)求得試樣的屈服強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。第20頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能測(cè)量方法即實(shí)驗(yàn)步驟 試樣的狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)環(huán)境按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在試樣中間平行部分做標(biāo)線，示明標(biāo)距。測(cè)量試樣中間平行部分的厚度和寬度，精確到0.01mm，II型試樣中間平行部分的寬度，精確到0.05mm，測(cè)3點(diǎn)，取算術(shù)平均值。夾具夾持試樣時(shí)，要使試樣縱軸與上下夾具中心連線重合，且松緊適宜。選定試驗(yàn)速度，進(jìn)行試驗(yàn)。記錄屈服時(shí)負(fù)荷，或斷裂負(fù)荷及標(biāo)距間伸長(zhǎng)。試樣斷裂在中間平行部分之外時(shí)，此試樣作廢，另取試樣補(bǔ)做。第21頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能低碳鋼鋁合金鑄鐵高分子材料符合材料第22頁(yè)/共40頁(yè)第23頁(yè)

9、/共40頁(yè)3.1 拉伸性能高分子試樣的制備和尺寸要求I ：I型試樣及尺寸圖圖3-3 I型試樣型試樣表3-2 I I型試樣尺寸要求第24頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能II型試樣及尺寸圖圖3-3 II型試樣型試樣表3-2 II II型試樣尺寸要求第25頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能試樣的制備和尺寸要求III ：III型試樣及尺寸圖圖3-3 III型試樣型試樣表3-2 III III型試樣尺寸要求第26頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能試樣的制備和尺寸要求IV ：IV型試樣及尺寸圖圖3-3 IV型試樣型試樣表3-2 IV IV型試樣尺寸要求第27頁(yè)/共40頁(yè)試樣的制備和尺寸要求V ：塑料材料選擇試樣類型測(cè)試速

10、度參考 試樣材料類型試樣制備方法最佳厚度mm試驗(yàn)速度硬質(zhì)熱塑性塑熱塑性增強(qiáng)塑料注塑 模壓4B C D E F硬質(zhì)熱塑性塑料板 熱固性塑料板含層壓板機(jī)械加工2A B C D E F G軟質(zhì)熱塑性塑料及板注塑、模壓 板材機(jī)械加工和沖切加工2F G H I熱固性塑料(含填充、增強(qiáng)塑料）注塑 模壓C熱固性塑料板機(jī)械加工B C D3.1 拉伸性能A:150%，B:220%，C:520%，D:1020%，E:2010%，F(xiàn):5010%，G:10010%，H:20010%，I:50010%。第28頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能數(shù)據(jù)的處理n拉伸強(qiáng)度或拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸屈服應(yīng)力、偏置屈服應(yīng)力按下式計(jì)算：t=F/b

11、d t：拉伸強(qiáng)度或拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸屈服應(yīng)力等，MPa；F：最大負(fù)荷或斷裂負(fù)荷、屈服負(fù)荷、偏置屈服負(fù)荷，N；b：試樣寬度，mm；d：試樣厚度，mm。n斷裂伸長(zhǎng)率按下式計(jì)算：=(L-L0)/L0100% ：斷裂伸長(zhǎng)率，%；L0：試樣原始標(biāo)距，mm； L：試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離，mm。第29頁(yè)/共40頁(yè)3.1 拉伸性能影響拉伸性能的因(1)試樣尺寸：由試樣自身的微觀缺陷和微觀不同性引起 (2)拉伸速度：塑料屬于粘彈性材料，其應(yīng)力松弛過(guò)程與變形速率緊密相關(guān)，需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程 (3)溫度和濕度：溫度上升，濕度增大，強(qiáng)度下降 (4)預(yù)處理：材料在加工過(guò)程中，由于加熱和冷卻的時(shí)間和速度不同，易產(chǎn)生局部應(yīng)力集

12、中，經(jīng)過(guò)在一定溫度下的熱處理或稱退火處理，可以消除內(nèi)應(yīng)力，提高強(qiáng)度 (5)材料性質(zhì)：結(jié)晶度、取向、分子量及其分布、交聯(lián)度 (6)老化:老化后強(qiáng)度明顯下降 第30頁(yè)/共40頁(yè)3.2 彎曲性能3.2.1 定義n彎曲應(yīng)力f：試樣跨度中心外表面的正應(yīng)力，MPa。 n撓度s：彎曲試驗(yàn)中，試樣跨度中心的頂面或底面偏離原始位置的距離，mm。 n彎曲強(qiáng)度f(wàn)M：試樣在彎曲過(guò)程中承受的最大彎曲應(yīng)力，MPa。n斷裂彎曲應(yīng)力fB：試樣斷裂時(shí)的彎曲應(yīng)力，MPa。n彎曲應(yīng)變f：試樣跨度中心外表面上單元長(zhǎng)度的微量變化，用無(wú)量綱的比或%表示。n斷裂彎曲應(yīng)變fB：試樣斷裂時(shí)的彎曲應(yīng)變，用無(wú)量綱的比或%表示。n試驗(yàn)速度v：支座與

13、壓頭之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速率，mm/min。第31頁(yè)/共40頁(yè)3.2 彎曲性能3.2.2 彎曲實(shí)驗(yàn)的方法原理n三點(diǎn)法n四點(diǎn)法第32頁(yè)/共40頁(yè)3.2 彎曲性能3.2.3 彎曲實(shí)驗(yàn)的試樣要求標(biāo)準(zhǔn)試樣長(zhǎng)度l=802mm寬度 b=10.00.2mm厚度d=4.00.2mm l/d20非標(biāo)試樣公稱厚度d寬度b0.5熱塑性模塑和擠塑料以及熱固性板材織物和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的塑料1d325.015.03 d510.015.05d1015.015.010d2020.030.020d3535.050.035d5050.080.0表3-4 與厚度相關(guān)的寬度值b mm 第33頁(yè)/共40頁(yè)3.2 彎曲性能3.2.3 彎曲實(shí)驗(yàn)的試

14、樣要求 含有粗粒填料的材料，其最小寬度應(yīng)在2050mm之間。 各項(xiàng)異性材料：其物性如彈性與方向有關(guān)，應(yīng)使試樣在試驗(yàn)中受力方向與其產(chǎn)品在使用中受力方向相同。 試樣的制備:模塑或擠塑料：根據(jù)相關(guān)材料規(guī)范。片材：根據(jù)ISO2818制取。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)材料：根據(jù)ISO1268等制取。 試樣數(shù)量：在每一個(gè)試驗(yàn)方向上至少應(yīng)測(cè)試5個(gè)試樣。試樣在跨度中部1/3外斷裂的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)予廢除，并重新取樣試驗(yàn)。第34頁(yè)/共40頁(yè)3.2 彎曲性能3.2.4 彎曲實(shí)驗(yàn)的步驟測(cè)量試樣中部寬度b；厚度d，計(jì)算一組試樣厚度的平均值d；剔除厚度超過(guò)平均厚度允差0.5%的試樣；調(diào)節(jié)跨度L，使符合：L=（161）d。按受試材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)置

15、試驗(yàn)速度，否則應(yīng)選擇推薦試驗(yàn)速度，使應(yīng)變速率盡可能接近1%/min，例如推薦試樣的試驗(yàn)速度為2mm/min。把試樣對(duì)稱地放在兩個(gè)支座上，并于跨度中心施力。記錄試驗(yàn)過(guò)程中施加的力和相應(yīng)的撓度。第35頁(yè)/共40頁(yè)3.2 彎曲性能3.2.5 計(jì)算公式彎曲應(yīng)力彎曲模量撓度223bdFLfKbdLDdbFLEf333443drLD63f：彎曲應(yīng)力或彎曲強(qiáng)度F：施加的力L：跨度b：試樣寬度h：試樣厚度 Ef：彎曲彈性模量K：負(fù)載-撓度取向上的斜率r：最大應(yīng)變第36頁(yè)/共40頁(yè)3.2 彎曲性能3.2.6 影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素(1)試樣跨厚比 (2)應(yīng)變速率（加載速度）(3) 加載壓頭半徑和支座表面半徑 :支座表面半徑大小，要保證與試樣接觸為一條線， (4)溫度和濕度(5)材料性質(zhì)(6)操作的影響第37頁(yè)/共40頁(yè)試驗(yàn)速度對(duì)彎曲強(qiáng)度，MPa的影響如下：試驗(yàn)速度mm/minPOMABSPSPP1.569.8265.81107.151.531.771.5966.62109.35