第十八章塑料材料性能表征與測試課件

1、第十八章 塑料材料性能表征與測試1第十八章 塑料材料性能表征與測試1一、聚合物材料拉伸時的力學(xué)性能特點 力學(xué)性能的數(shù)值很寬：包括從熔體、軟橡皮到很硬的固體，各種聚合物對于機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)相差很大。高聚物由長鏈分子組成，運(yùn)動單元具有多重性，分子運(yùn)動對溫度和時間有強(qiáng)烈的依賴性松弛特性。力學(xué)性能也有松弛特性。表現(xiàn)為粘彈性行為，同時具有粘性液體和純粹彈性固體的行為 強(qiáng)度低，模量低Rubber 在低溫下變硬PMMA, T100C, 變軟盡管結(jié)構(gòu)無變化，但對于不同溫度或外力，分子運(yùn)動是不同的，物理性質(zhì)也不同2一、聚合物材料拉伸時的力學(xué)性能特點 力學(xué)性能的數(shù)值很寬：包括形變溫度TgTf玻璃態(tài)高彈態(tài)橡膠態(tài)粘流態(tài)

2、玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域非晶態(tài)聚合物玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化溫度Tg高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)，轉(zhuǎn)變溫度稱為粘流溫度Tf3形變溫度TgTf玻璃態(tài)高彈態(tài)粘流態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣 常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣中部為測試部分，標(biāo)距長度為l0，初始截面積為A0。 1. 典型聚合物應(yīng)力-應(yīng)變曲線實驗條件：一定拉伸速率和溫度4啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣 常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣中部為測試部分，標(biāo)ABOCD明顯的四個階段1、普彈形變階段OA2、屈服階段AC（應(yīng)變軟化階段）3、強(qiáng)迫高彈形變階段CD4、應(yīng)變硬化階段DB5ABOCD明顯的四個階段1、普彈形變階段OA2、屈服階段ACABPoint

3、 of elastic limit 彈性極限點OCD（1）OA段，為普彈形變區(qū)，應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系變化，符合虎克定律，直線斜率為彈性模量。 6ABPoint of elastic limit 彈性極限點AYBYielding point 屈服點Strain softening 應(yīng)變軟化yOCD（2）屈服階段AC：越過A點，應(yīng)力應(yīng)變曲線偏離直線，材料開始發(fā)生塑性形變，極大值Y點稱材料的屈服點，其對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度）y 和屈服應(yīng)變y 。發(fā)生屈服時，試樣上某一局部會出現(xiàn)“細(xì)頸”現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降， “應(yīng)變軟化”。 7AYBYielding point 屈服點Strain

4、so（3）強(qiáng)迫高彈形變階段CD：隨著應(yīng)變增加，在很長一個范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細(xì)頸”區(qū)越來越大，發(fā)生“強(qiáng)迫高彈形變”。AYB強(qiáng)迫高彈形變yOCD8（3）強(qiáng)迫高彈形變階段CD：隨著應(yīng)變增加，在很長一個范圍內(nèi)曲AYByOCD（4）應(yīng)變硬化DB：拉伸應(yīng)變很大時，材料應(yīng)力又急劇上升（應(yīng)變硬化），到達(dá)B點發(fā)生斷裂。與B點對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度） b 和斷裂伸長率b ，是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限伸長率。 Breaking point 斷裂點Strain hardening 應(yīng)變硬化9AYByOCD（4）應(yīng)變硬化DB：拉伸應(yīng)變很大時，材料應(yīng)力AYBOCD（5）曲線下的面積等于相

5、當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個物理量。 10AYBOCD（5）曲線下的面積等于相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消拉伸過程中高分子鏈的運(yùn)動非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（玻璃態(tài)）I 普彈形變小尺寸運(yùn)動單元的運(yùn)動引起鍵長鍵角變化。形變小可回復(fù)11拉伸過程中高分子鏈的運(yùn)動非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（玻璃態(tài)拉伸過程中高分子鏈的運(yùn)動II 強(qiáng)迫高彈形變 在大外力作用下凍結(jié)的鏈段沿外力方向取向12拉伸過程中高分子鏈的運(yùn)動II 強(qiáng)迫高彈形變 在大外力作用下凍拉伸過程中高分子鏈的運(yùn)動III 粘流形變 在分子鏈伸展后繼續(xù)拉伸整鏈取向排列，使材料的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。形變不可回復(fù)。1

6、3拉伸過程中高分子鏈的運(yùn)動III 粘流形變 在分子鏈伸展后繼續(xù)處于玻璃態(tài)的非晶聚合物在拉伸過程中屈服點后產(chǎn)生的較大應(yīng)變，移去外力后形變不能回復(fù)。若將試樣溫度升到其Tg附近，該形變則可完全回復(fù)，是由高分子的鏈段運(yùn)動所引起的。 這種形變稱為強(qiáng)迫高彈形變。強(qiáng)迫高彈形變（冷拉）14處于玻璃態(tài)的非晶聚合物在拉伸過程中屈服點后產(chǎn)生的較大應(yīng)變，移T(a) Different temperature溫度a: TTg 脆斷b: TTg 屈服后斷c: TTg 幾十度 韌斷d: Tg以上 無屈服 Example-PVC2. 影響聚合物拉伸行為的因素15T(a) Different temperature溫度a:特征

7、溫度Tb：T17(b) Different strain rate應(yīng)變速率Sa: 脆性材料 c: 韌性材料d: 橡膠b: 半脆性材料酚醛或環(huán)氧樹脂PP, PE, PCPS, PMMANature rubber, PI(c) Composition of Polymers 物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成18a: 脆性材料 c: 韌性材料d: 橡膠b: 半脆性材料酚醛由于高分子材料種類繁多，實際得到的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有多種形狀。歸納起來，可分為五類 。高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型3. 聚合物應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型19由于高分子材料種類繁多，實際得到的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有多種說明 “軟”和“硬”用于區(qū)分模量的低或高

8、 “弱”和“強(qiáng)”是指強(qiáng)度的大小 “脆”是指無屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長率很小 “韌”是指其斷裂伸長率和斷裂應(yīng)力都較高的情況，可將斷裂功作為“韌性”的標(biāo)志。20說明 “軟”和“硬”用于區(qū)分模量的低或高20（2）硬而強(qiáng)型 此類材料彈性模量高，斷裂強(qiáng)度高，斷裂伸長率小。通常材料拉伸到屈服點附近就發(fā)生破壞（大約為5%）。硬質(zhì)PVC制品屬于這種類型。（1）硬而脆型 此類材料彈性模量高（OA段斜率大）而斷裂伸長率很小。在很小應(yīng)變下，材料尚未出現(xiàn)屈服已經(jīng)斷裂，斷裂強(qiáng)度較高。在室溫或室溫之下，PS、PMMA、酚醛樹脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。21（2）硬而強(qiáng)型 此類材料彈性模量高，斷裂強(qiáng)度高，斷裂伸長硬而韌的材料，

9、在拉伸過程中顯示出明顯的屈服、細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測試區(qū)都變成細(xì)頸。很多工程塑料如聚酰胺、PC及醋酸纖維素、硝酸纖維素等屬于這種材料。（3）硬而韌型 彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強(qiáng)度都很高，斷裂伸長率也很大，應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積很大，說明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。22硬而韌的材料，在拉伸過程中顯示出明顯的屈服、細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部（4）軟而韌型 此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長率大（20%1000%），斷裂強(qiáng)度可能較高，應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積大。各種橡膠制品和增塑PVC具有這種應(yīng)力應(yīng)變特征。（5）軟而弱型 此類材料彈性模量

10、低，斷裂強(qiáng)度低，斷裂伸長率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。23（4）軟而韌型 此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長注意 實際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典型性，或是幾種類型的組合。例如有的材料拉伸時存在明顯的屈服和“頸縮”，有的則沒有；有的材料斷裂強(qiáng)度高于屈服強(qiáng)度，有的則屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度等。24注意 實際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典型性 材料拉伸過程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測試條件（如拉伸速率）的影響，硬而強(qiáng)型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也會發(fā)生大于100%的斷裂伸長率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點。 因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實驗環(huán)境溫度和標(biāo)

11、準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。25 材料拉伸過程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測試條件（如拉伸（1）拉伸強(qiáng)度 ： 4. 拉伸性能指標(biāo)b 拉伸強(qiáng)度，MPa P 最大載荷，N b 試樣寬度，cm h 試樣厚度，cm26（1）拉伸強(qiáng)度 ： 4. 拉伸性能指標(biāo)b 拉（2）斷裂伸長率 ： 斷裂伸長率，% Lb 試樣破壞時標(biāo)距內(nèi)的伸長量，cm L0 測量的標(biāo)距，cm27（2）斷裂伸長率 ： 斷裂伸長（3）拉伸彈性模量 ： P 載荷-形變曲線上，初始直線段的載荷增量，N L 與載荷增量對應(yīng)的標(biāo)距L0內(nèi)的變形增量，cm 28（3）拉伸彈性模量 ： P 載荷-形變曲（4）泊松比 ： 1 、2 分別為載荷增量P對應(yīng)的縱向

12、應(yīng)變和橫向應(yīng)變 L1 、L2 分別與載荷增量P對應(yīng)的標(biāo)距L1和L2的變形增量，cm 29（4）泊松比 ： 1 、2 分別為載荷1.2.4 材料的斷裂固體材料在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象稱為斷裂材料的斷裂是力對材料作用的最終結(jié)果，它意味著材料的徹底失效。 與其他失效方式相比（磨損、腐蝕），危害性最大，并可能出現(xiàn)災(zāi)難性的后果。 按照斷裂前與斷裂過程中材料的宏觀塑性變形的程度分為韌性斷裂和脆性斷裂301.2.4 材料的斷裂固體材料在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂斷裂前及過程中產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形。裂紋擴(kuò)展較慢，消耗大量的塑性變形能。斷口呈暗灰色、纖維狀。一些金屬材料和高分

13、子材料的靜拉伸斷裂。韌性斷裂斷裂前基本不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯預(yù)兆，表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程，具有很大的危險性。斷口齊平光亮，呈放射狀或結(jié)晶狀。淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃。31脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂斷裂前及過程中產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變金屬的脆性斷裂與韌性斷裂并無明顯的界限 規(guī)定：5%，韌斷 金屬的脆性和韌性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量來決定的32金屬的脆性斷裂與韌性斷裂并無明顯的界限32如何區(qū)分?jǐn)嗔研问剑筷P(guān)鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂脆性斷裂屈服前斷裂無塑性流動表面光滑韌性斷裂屈服后斷裂有塑性流動表面粗糙聚合物材料33如何區(qū)分關(guān)鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷