高聚物的力學(xué)性能

關(guān)于高聚物的力學(xué)性能第1頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月高聚物的一般力學(xué)性能與特點(diǎn)高聚物的高彈性高聚物的粘彈性聚合物的拉伸行為-屈服與斷裂聚合物的力學(xué)松弛（粘彈性、蠕變、應(yīng)力松弛）第2頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1聚合物的一般力學(xué)性能與特點(diǎn)高聚物作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)不可避免地受到各種應(yīng)力的作用，這就要求它具有良好的力學(xué)性能。

聚合物的力學(xué)性能指的是其受力后的響應(yīng)，如形變大小、形變的可逆性及抗破損性能等。在不同條件下，聚合物表現(xiàn)出的力學(xué)行為：

小外力作用下聚合物表現(xiàn)為：高彈性、粘彈性和流動(dòng)性

很大外力作用下表現(xiàn)為：極限力學(xué)行為（屈服、斷裂）第3頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力持續(xù)作用或強(qiáng)大外力短時(shí)間作用后，聚合物發(fā)生大形變至宏觀破壞或斷裂。

強(qiáng)度：材料抵抗破壞或斷裂的能力稱為強(qiáng)度。材料所能承受的最大載荷，表征了材料的受力極限，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。包括抗張強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、硬度。

屈服：高分子材料在外力作用下產(chǎn)生塑性形變。第4頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月高聚物材料具有所有已知材料中可變性范圍最寬的力學(xué)性質(zhì)，包括從液體、軟橡皮到很硬的剛性固體。各種高聚物對(duì)于機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)相差很大：例如聚苯乙烯制品很脆，一敲就碎；而尼龍制品卻很堅(jiān)韌，不易變形也不易破碎；輕度交聯(lián)的橡膠拉伸時(shí)，可伸長(zhǎng)好幾倍，外力解除后還能基本上回復(fù)原狀；而膠泥變形后，卻完全保持著新的形狀。高聚物力學(xué)性質(zhì)的這種多樣性，為不同的應(yīng)用提供了廣闊的選擇余地。第5頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月聚合物的主要力學(xué)性能特點(diǎn)

(1)密度小

1.0～2.0g/cm3，是鋼的～1/4、陶瓷的～1/2。

(2)高彈性彈性形變100％～1000％，金屬只有0.1％～1.0％。

(3)彈性模量小

E=0.4～4.0GPa，而金屬則為30～300GPa。（剛度差）

(4)粘彈性明顯高彈性對(duì)溫度和時(shí)間有強(qiáng)烈的依賴性。應(yīng)變落后于應(yīng)力：室溫下可能產(chǎn)生蠕變、應(yīng)力松弛、滯后和內(nèi)耗。

第6頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月為了合理地選擇和使用高分子材料，為了現(xiàn)有材料的改性和開發(fā)新型材料，必須全面掌握高聚物力學(xué)性能的一般規(guī)律，深入了解力學(xué)性能與分子結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。本章討論的對(duì)象僅局限于固體高聚物，包括玻璃態(tài)、結(jié)晶態(tài)和高彈態(tài)的高聚物，內(nèi)容上則著重討論有很大實(shí)際意義的玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)高聚物的極限力學(xué)行為—屈服、破壞和強(qiáng)度，高聚物材料所特有的高彈性，以及高聚物的力學(xué)松弛—粘彈性。第7頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2表征力學(xué)性能的基本指標(biāo)（1）應(yīng)變與應(yīng)力

（2）彈性模量

（3）硬度是衡量材料表面承受外界壓力能力的一種指標(biāo)。（4）機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度是衡量材料抵抗外力破壞的能力，是指在一定條件下材料所能承受的最大應(yīng)力。根據(jù)外力作用方式不同，主要有以下三種：拉伸強(qiáng)度、彎(撓)曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。

（5）粘彈性和內(nèi)耗第8頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月1.高彈性的特點(diǎn)高彈態(tài)是高聚物所特有的，是基于鏈段運(yùn)動(dòng)的一種力學(xué)狀態(tài)，可以通過高聚物在一定條件下，通過玻璃化轉(zhuǎn)變而達(dá)到。處于高彈態(tài)的高聚物表現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)性能——高彈性。這是高聚物中一項(xiàng)十分難能可貴的性能。4.3高彈性第9頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月橡膠就是具有高彈性的材料，高彈性的特征表現(xiàn)在：

①彈性形變大，可高達(dá)1000%，而金屬材料的普彈形變不超過1%。

②彈性模量小，只有104Pa左右

，而且隨絕對(duì)溫度升高而升高；而金屬材料的彈性模量達(dá)109Pa

，而且隨絕對(duì)溫度升高而降低。溫度越高，分子鏈內(nèi)各環(huán)節(jié)的熱運(yùn)動(dòng)愈趨激烈，回縮力就愈大。所以，橡膠類物質(zhì)的彈性模量具有反常性。

③粘彈性比較明顯。

④形變時(shí)有明顯的熱效應(yīng)。當(dāng)把橡膠試樣快速拉伸(絕熱過程)，高聚物溫度升高(放熱)，回縮時(shí)，溫度降低(吸熱)。而金屬材料與此相反。第10頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月高彈性的本質(zhì)高彈性由熵變引起拉伸彈性體時(shí)外力所做的功主要轉(zhuǎn)為高分子鏈構(gòu)象熵的減小體系為熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)去除外力體系回復(fù)到初始狀態(tài)熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律熵彈性既然拉伸時(shí)熵減小，dS為負(fù)值，所以dQ=TdS

也應(yīng)該是負(fù)值，說明了拉伸過程中為什么放出熱量。由于理想高彈體拉伸時(shí)只引起熵變，或者說只有熵的變化對(duì)理想高彈體的彈性有貢獻(xiàn)，也稱這種彈性為熵彈性。第11頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月形變時(shí)間交聯(lián)高聚物理想彈性體理想粘性體線性高聚物4.4粘彈性第12頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月聚合物的形變與時(shí)間有關(guān)，但不成線性關(guān)系，兩者的關(guān)系介乎理想彈性體和理想粘性體之間，聚合物的這種性能稱為粘彈性。這種行為反映了固體的彈性和液體的粘性兩者的組合.理想彈性體（如彈簧）在外力作用下平衡形變瞬間達(dá)到，與時(shí)間無關(guān)；理想粘性流體（如水）在外力作用下形變隨時(shí)間線性發(fā)展。F作為粘彈性材料的高聚物，其力學(xué)性能受到力、形變、溫度和時(shí)間四個(gè)因素的影響。

描述粘彈性高聚物材料的力學(xué)行為必須同時(shí)考慮應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間和溫度四個(gè)參數(shù)。高聚物材料的力學(xué)性能對(duì)時(shí)間和溫度的強(qiáng)烈依賴性是研究其力學(xué)性能中要著重弄清的問題。第13頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

聚合物的力學(xué)性能隨時(shí)間的變化統(tǒng)稱為力學(xué)松弛。最基本的力學(xué)松弛現(xiàn)象包括蠕變、應(yīng)力松弛、滯后和力學(xué)損耗等。在測(cè)試和研究中，往往在應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間和溫度四個(gè)因素中固定兩個(gè)因素以考察另外兩個(gè)因素之間的關(guān)系。第14頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.1蠕變e1t1t2t普彈形變示意圖（i）普彈形變（e1）：

聚合物受力時(shí)，瞬時(shí)發(fā)生的高分子鏈的鍵長(zhǎng)、鍵角變化引起的形變，形變量較小，服從虎克定律，當(dāng)外力除去時(shí)，普彈形變立刻完全回復(fù)。如右圖：

蠕變過程包括三種形變：在恒溫下施加較小的恒定外力時(shí)，材料的形變隨時(shí)間而逐漸增大的力學(xué)松弛現(xiàn)象。如掛東西的塑料繩慢慢變長(zhǎng)。第15頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

聚合物受力時(shí)，高分子鏈通過鏈段運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的形變，形變量比普彈形變大得多，但不是瞬間完成，形變與時(shí)間有關(guān)。當(dāng)外力除去后，高彈形變逐漸回復(fù)。如下圖：e2t1t2t高彈形變示意圖（ii）高彈形變（e2）：第16頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

受力時(shí)發(fā)生分子鏈的相對(duì)位移，外力除去后粘性流動(dòng)不能回復(fù)，是不可逆形變。分子間無交聯(lián)的線形高聚物，則會(huì)產(chǎn)生分子間的相對(duì)滑移。如下圖：e3t1t2t粘性流動(dòng)示意圖

（iii）粘性流動(dòng)（e3）：第17頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)聚合物受力時(shí)，以上三種形變是同時(shí)發(fā)生的，其綜合結(jié)果如下圖：e2+e3tee3e1e2e1三種形變的相對(duì)比例依具體條件不同而不同。高聚物的蠕變是構(gòu)象、鏈段伸展、位移的變化。當(dāng)溫度遠(yuǎn)低于玻璃化溫度時(shí)，高聚物很堅(jiān)硬，甚至經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間，亦很少發(fā)生蠕變。

普彈形變高彈形變粘性流動(dòng)第18頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

防止蠕變的關(guān)鍵—減少鏈的質(zhì)心位移

聚合物分子鏈含有苯環(huán)等剛性鏈

增加分子鏈間的作用力

適當(dāng)交聯(lián)

降低鏈柔順性,聚合物玻璃化溫度高于室溫聚四氟乙烯分子鏈分子間作用力小，抗蠕變松弛能力弱。

所以不能作機(jī)械零件，卻是很好的密封材料。

聚氨酯橡膠由于分子極性強(qiáng)，分子間作用力大，所以抗蠕變性能好。

聚氯乙烯塑料抗蠕變性能差，在架空時(shí)會(huì)因蠕變而逐漸彎曲。硬PVC抗蝕性好，可作化工管道，使用時(shí)必須增加支架。第19頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月改性聚苯醚主要是聚苯醚和聚苯乙烯共混而得。成型較易。ABS合金第20頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

應(yīng)力松弛是指在恒定溫度和形變保持不變的情況下，聚合物內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象。

如：用塑料繩綁捆東西，時(shí)間久了會(huì)變松。這是由于當(dāng)聚合物被拉長(zhǎng)時(shí)，高分子構(gòu)象處于不平衡狀態(tài)，它會(huì)通過鏈段沿外力方向的運(yùn)動(dòng)來減少或消除內(nèi)部應(yīng)力，以逐漸過渡到平衡態(tài)構(gòu)象。如：拉伸一塊未交聯(lián)的橡膠到一定長(zhǎng)度，并保持長(zhǎng)度不變，隨著時(shí)間的增加，這塊橡膠的回彈力會(huì)逐漸減小，這是因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力在慢慢減小，最后變?yōu)?。因此用未交聯(lián)的橡膠來做傳動(dòng)帶是不行的。

4.4.2應(yīng)力松弛（StressRelax）第21頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

應(yīng)力松弛和蠕變都反映了高聚物內(nèi)部分子的三種運(yùn)動(dòng)情況：當(dāng)高聚物一開始被拉長(zhǎng)時(shí)，其中分子處于不平衡的構(gòu)象，要逐漸過渡到平衡的構(gòu)象，也就是鏈段要順著外力的方向來運(yùn)動(dòng)以減少或消除內(nèi)部應(yīng)力。

（1）如果，如常溫下的橡膠，鏈段易運(yùn)動(dòng)，受到的內(nèi)摩擦力很小，分子很快順著外力方向調(diào)整，內(nèi)應(yīng)力很快消失（松弛了），甚至可以快到覺察不到的程度。

（2）如果，如常溫下的塑料，雖然鏈段受到很大的應(yīng)力，但由于內(nèi)摩擦力很大，鏈段運(yùn)動(dòng)能力很小，所以應(yīng)力松弛極慢，也就不易覺察到。

應(yīng)力松弛行為與溫度有大的依賴性。在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)尤為明顯。

第22頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）如果溫度接近

Tg

（附近幾十度），應(yīng)力松弛可以較明顯地被觀察到，如軟PVC絲，用它來縛物，開始扎得很緊，后來就會(huì)慢慢變松，就是應(yīng)力松弛比較明顯的例子（4）只有交聯(lián)高聚物應(yīng)力松弛不會(huì)減到零（因?yàn)椴粫?huì)產(chǎn)生分子間滑移），而線形高聚物的應(yīng)力松弛可減到零。第23頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.3滯后現(xiàn)象（Delay）高聚物作為結(jié)構(gòu)材料，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往受到交變力的作用。例如輪胎，傳動(dòng)皮帶，齒輪，消振器等，它們都是在交變力作用的場(chǎng)合使用的。以輪胎為例，車在行進(jìn)中，它上面某一部分一會(huì)兒著地，一會(huì)離地，受到的是一定頻率的外力，它的形變也是一會(huì)大，一會(huì)小，交替地變化。滯后現(xiàn)象：高聚物在交變力作用下，形變落后于應(yīng)力變化的現(xiàn)象原因解釋：鏈段在運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到內(nèi)摩擦力的作用，當(dāng)外力變化時(shí)鏈段的運(yùn)動(dòng)還跟不上外力的變化，形變落后于應(yīng)力。鏈段運(yùn)動(dòng)愈困難，愈是跟不上外力的變化。第24頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.4力學(xué)損耗輪胎在高速行使相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后，立即檢查內(nèi)層溫度，為什么會(huì)達(dá)到燙手的程度？高聚物受到交變力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，上一次受到外力后發(fā)生形變?cè)谕饬θコ筮€來不及恢復(fù)，下一次應(yīng)力又施加了，以致總有部分彈性儲(chǔ)能沒有釋放出來。這樣不斷循環(huán)，那些未釋放的彈性儲(chǔ)能都被消耗在體系的自摩擦上，并轉(zhuǎn)化成熱量放出。第25頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月這種由于力學(xué)滯后而使機(jī)械功轉(zhuǎn)換成熱的現(xiàn)象，稱為力學(xué)損耗或內(nèi)耗?；乜s曲線拉伸曲線力學(xué)損耗或內(nèi)耗以應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系作圖時(shí)，所得的曲線在施加幾次交變應(yīng)力后就封閉成環(huán)，稱為滯后環(huán)或滯后圈，此圈越大，力學(xué)損耗越大。第26頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月順丁膠：內(nèi)耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有側(cè)基，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較小丁苯膠：內(nèi)耗大，結(jié)構(gòu)含有較大剛性的苯基，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較大丁腈膠：內(nèi)耗大，結(jié)構(gòu)含有極性較強(qiáng)的氰基，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦較大丁基膠：內(nèi)耗比上面幾種都大，側(cè)基數(shù)目多，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦更大例2：對(duì)于作為防震材料，要求在常溫附近有較大的力學(xué)損耗（吸收振動(dòng)能并轉(zhuǎn)化為熱能）對(duì)于隔音材料和吸音材料，要求在音頻范圍內(nèi)有較大的力學(xué)損耗（當(dāng)然也不能內(nèi)耗太大，否則發(fā)熱過多，材料易于熱老化）例1：對(duì)于作輪胎的橡膠，則希望它有最小的力學(xué)損耗才好第27頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月AYBYieldingpoint屈服點(diǎn)Pointofelasticlimit彈性極限點(diǎn)Breakingpoint

斷裂點(diǎn)Strainsoftening應(yīng)變軟化plasticdeformation塑性形變，冷拉Strainhardening

應(yīng)變硬化yOND晶態(tài)聚合物典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線高聚物的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線4.5聚合物的屈服和斷裂第28頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）越過A點(diǎn)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線偏離直線，說明材料開始發(fā)生塑性形變，極大值Y點(diǎn)稱材料的屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度）σy和屈服應(yīng)變e

y。發(fā)生屈服時(shí)，試樣上某一局部會(huì)出現(xiàn)“細(xì)頸”現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降，發(fā)生“屈服軟化”。（3）隨著應(yīng)變?cè)黾樱诤荛L(zhǎng)一個(gè)范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細(xì)頸”區(qū)越來越大。直到拉伸應(yīng)變很大時(shí)，材料應(yīng)力又略有上升（成頸硬化），到達(dá)B點(diǎn)發(fā)生斷裂。與B點(diǎn)對(duì)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）σb和斷裂伸長(zhǎng)率

e

b，它們是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限伸長(zhǎng)率。

（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力－應(yīng)變呈直線關(guān)系變化，直線斜率相當(dāng)于材料彈性模量。第29頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月在單向拉伸的過程中，分子排列產(chǎn)生很大的變化，尤其是接近屈服點(diǎn)和超過屈服點(diǎn)時(shí)，分子都在與拉伸方向相平行的方向上開始取向。在結(jié)晶聚合物中微晶也重排，甚至某些晶體破裂成小單位，然后經(jīng)取向再結(jié)晶。材料在屈服后出現(xiàn)了較大的應(yīng)變，如果在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力后試樣的大形變已無法完全自發(fā)回復(fù)，然而在加熱至Tm附近還可回復(fù)到拉伸前的狀態(tài)，所以這種形變本質(zhì)上是高彈性的，只是形變被新產(chǎn)生的結(jié)晶凍結(jié)而已，由于是在較低溫度下出現(xiàn)的不均勻拉伸，所以又稱為冷拉。聚合物的冷拉變形目前已成為制備高模量和高強(qiáng)度纖維的重要工藝。冷拉細(xì)頸↘第30頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃態(tài)非晶高聚物的拉伸①溫度很低（T《Tg）；②溫度稍稍升高些，但仍在Tg以下；③Tg以下幾十度的范圍內(nèi)；④T>Tg高彈態(tài)玻璃態(tài)高聚物在不同溫度下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線④第31頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)溫度很低（T《Tg）時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變成正比的增加，最后不到10%就發(fā)生斷裂，如曲線①。當(dāng)溫度稍高但仍在Tg以下，曲線上出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，稱為屈服點(diǎn)，對(duì)應(yīng)應(yīng)力為極大值稱為屈服應(yīng)力，過了該點(diǎn)應(yīng)力降低應(yīng)變?cè)龃螅詈髴?yīng)變不到20%試樣便發(fā)生斷裂，如曲線②。溫度升高到Tg以下幾十度的范圍內(nèi)時(shí)，屈服點(diǎn)之后，試樣在外力不增大或增加不大的情況下發(fā)生很大的應(yīng)變，試樣斷裂前曲線有明顯的上升(應(yīng)變硬化)，如曲線③。溫度升到Tg以上，試樣進(jìn)入高彈態(tài)，在不大的應(yīng)力下，便可以發(fā)展高彈形變，曲線不再出現(xiàn)屈服點(diǎn)，而呈現(xiàn)一段較長(zhǎng)的平臺(tái)，直到試樣斷裂前曲線又急劇上升，如曲線④。第32頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月有些玻璃態(tài)高聚物在大應(yīng)力作用下能產(chǎn)生大的形變(高彈形變)產(chǎn)生原因:外力使鏈段運(yùn)動(dòng)松弛時(shí)間下降強(qiáng)迫高彈形變(冷拉)

原因在于在外力的作用下，玻璃態(tài)聚合物中本來被凍結(jié)的鏈段被強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，使高分子鏈發(fā)生伸展，產(chǎn)生大的形變。但由于聚合物仍處于玻璃態(tài)，當(dāng)外力移去后，鏈段不能再運(yùn)動(dòng)，形變也就不能復(fù)原，只有當(dāng)溫度升至Tg附近，使鏈段運(yùn)動(dòng)解凍，形變才能復(fù)原。這種大形變與高彈態(tài)的高彈形變?cè)诒举|(zhì)上是相同的，都是由鏈段運(yùn)動(dòng)所引起。③第33頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的的影響時(shí)溫等效原理：拉伸速率快=時(shí)間短相當(dāng)于降低溫度第34頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

玻璃態(tài)和晶態(tài)聚合物的拉伸屈服后的形變過程本質(zhì)上都屬高彈形變，但其產(chǎn)生高彈形變的溫度范圍不同，而且在玻璃態(tài)聚合物中拉伸只使分子鏈發(fā)生取向，而在晶態(tài)聚合物中拉伸伴隨著聚集態(tài)的變化，包含結(jié)晶熔化、取向、再結(jié)晶。玻璃態(tài)聚合物溫度范圍：Tb~Tg施力：

σb>σy晶態(tài)聚合物溫度范圍：Tg~Tm施力：

σb>σy強(qiáng)迫高彈形變第35頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月熱固性塑料的變形

熱固性塑料是剛硬的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分子不易運(yùn)動(dòng)，在拉伸時(shí)表現(xiàn)出脆性金屬或陶瓷一樣的變形特性。但是，在壓應(yīng)力下它們?nèi)阅馨l(fā)生大量的塑性變形。環(huán)氧樹脂在室溫下單向拉伸和壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸壓縮↓↙第36頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月聚合物應(yīng)力-應(yīng)變曲線的五種類型“軟”和“硬”用于區(qū)分模量的低或高，“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(zhǎng)很小，“韌”是指其斷裂伸長(zhǎng)和斷裂應(yīng)力都較高的情況。se軟而弱硬而脆硬而強(qiáng)軟而韌硬而韌第37頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月聚合物五種類型應(yīng)力-應(yīng)變曲線①硬而脆：無屈服點(diǎn)，斷裂伸長(zhǎng)率<2%，E和σB

均大，

如：PS，酚醛樹脂等②硬而強(qiáng)：有屈服點(diǎn)，斷裂伸長(zhǎng)率<5%，E和σB

均大，硬質(zhì)PVC等③強(qiáng)而韌：有屈服點(diǎn)，有細(xì)頸現(xiàn)象，斷裂伸長(zhǎng)率大，E和σB均大，

如：PC、PA66、POM等硬而強(qiáng)強(qiáng)而韌硬而脆第38頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月④軟而韌：模量低，屈服點(diǎn)低或沒有明顯屈服，斷裂伸長(zhǎng)率大，σB

均大，主要是橡膠及增塑的PVC⑤軟而弱：模量低，斷裂伸長(zhǎng)率低，σB

低，主要是低分子量聚合物、凝膠等軟而韌軟而弱第39頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5.1高聚物的屈服1、屈服的特征①屈服應(yīng)變(yieldstrain)較大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)?0%~20%，而大多數(shù)金屬材料較小。②高聚物在屈服點(diǎn)后，存在應(yīng)變軟化現(xiàn)象。此時(shí)，應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力下降。③高聚物的屈服應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大而增大。④屈服應(yīng)力隨T升高而降低，到達(dá)Tg時(shí)，降低為0（實(shí)質(zhì)上不存在屈服）。⑤與金屬材料相比，高聚物的屈服應(yīng)力對(duì)流體靜壓力非常敏感，流體靜壓力升高，屈服應(yīng)力升高。⑥大多數(shù)高聚物屈服以后，體積稍有縮?、邏嚎s屈服應(yīng)力大于拉伸屈服應(yīng)力第40頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2、細(xì)頸樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方

出現(xiàn)“細(xì)頸”的位置第41頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一是銀紋屈服，另一種是剪切屈服。3、高聚物屈服的形式1）銀紋屈服

銀紋(craze微裂紋)：玻璃態(tài)高聚物在拉伸應(yīng)力作用下，某些薄弱環(huán)節(jié)部位由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以至于在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)微細(xì)凹槽（空化條紋狀形變區(qū)）的現(xiàn)象。這些條紋狀形變區(qū)的平面強(qiáng)烈地反射可見光，則材料表面形成一片銀色的閃光。習(xí)慣上稱為銀紋。相應(yīng)的開裂現(xiàn)象稱為銀紋化現(xiàn)象。銀紋在外力作用下若得不到抑制，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)成為裂縫，導(dǎo)致材料的斷裂。由此可知，銀紋是斷裂的先導(dǎo)。由于銀紋大量形成是吸收能量的過程。如果銀紋的發(fā)展得以控制，使其不發(fā)展成為裂縫，則銀紋化過程是實(shí)現(xiàn)材料屈服的一種形式。第42頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，因此在銀紋和本體之間的界面上將對(duì)光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會(huì)使銀紋消失（高度取向的高分子微纖發(fā)生解取向）。銀紋特征

應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象：橡膠改性的PS、HIPS或ABS在受到破壞時(shí)，其應(yīng)力面變成乳白色，這就是所謂應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象。應(yīng)力發(fā)白和銀紋化之間的差別在于銀紋帶的大小和多少，應(yīng)力發(fā)白是由大量尺寸非常小的銀紋聚集而成。第43頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

各種缺陷在高聚物的加工成型過程中是普遍存在的，例如由于混煉不均勻、塑化不足造成的微小氣泡，生產(chǎn)過程中混入一些雜質(zhì)，更難以避免的是由于制件表里冷卻速度不同，表面物料接觸溫度較低的模壁，迅速冷卻固化成一層外殼，而制件內(nèi)部的物料還處在熔融狀態(tài)，隨著它的冷卻收縮，便使制件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而形成細(xì)小的銀紋，甚至于裂縫，在制件的表皮上將出現(xiàn)龜裂。銀紋根源第44頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月銀紋現(xiàn)象為高聚物所特有，尤其是玻璃態(tài)透明高聚物（PS、PMMA、PC）在儲(chǔ)存過程及使用過程中，往往會(huì)在表面出現(xiàn)像陶瓷的那樣，肉眼可見的微細(xì)的裂紋，這些裂紋，由于可以強(qiáng)烈地反射可見光看上去是閃亮的，所以又稱為銀紋Craze。應(yīng)力集中：材料存在缺陷，受力時(shí)材料內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)將發(fā)生變化，使缺陷附近局部范圍內(nèi)的應(yīng)力急劇的增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平均應(yīng)力值的現(xiàn)象。第45頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月A、力學(xué)因素：銀紋是高聚物受到張應(yīng)力作用時(shí)，在材料某些薄弱環(huán)節(jié)上應(yīng)力集中，而產(chǎn)生局部塑性形變，而在材料表面或內(nèi)部出現(xiàn)垂直于應(yīng)力方向的微細(xì)凹槽或“裂紋”的現(xiàn)象。B、環(huán)境因素：化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散到高聚物中，使微觀表面溶脹或增塑，增加分子鏈段的活動(dòng)性，玻璃化溫度下降促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，另外，試樣表面的缺陷和擦傷處也易產(chǎn)生銀紋，或起始于試樣內(nèi)部空穴或夾雜物的邊界處，這些缺陷造成應(yīng)力集中，有利于銀紋產(chǎn)生。銀紋產(chǎn)生的原因第46頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月銀紋區(qū)仍有力學(xué)強(qiáng)度，但其密度較低，銀紋具有可逆性，在壓應(yīng)力作用下或經(jīng)玻璃化溫度以上退火處理，銀紋將會(huì)減少和消失。

銀紋是非晶態(tài)聚合物塑性變形的一種特殊形式，銀紋的形成增加聚合物的韌性，因?yàn)樗咕酆衔锏膽?yīng)力得到松弛；同時(shí)，銀紋中的微纖維表面積大，可吸收能量，對(duì)增加韌性也有作用。

聚合物形成銀紋類似于金屬韌性斷裂前產(chǎn)生的微孔。第47頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月銀紋的擴(kuò)展中間分子斷裂擴(kuò)展形成裂紋發(fā)展成裂縫破壞銀紋方向和分子鏈方向第48頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)象：韌性高聚物在拉伸至屈服點(diǎn)時(shí)，?？梢娫嚇由铣霈F(xiàn)大約與拉伸方向成45°角傾斜的剪切滑移變形帶（剪切帶）。

對(duì)韌性材料來說，拉伸時(shí)45°斜截面上的最大切應(yīng)力首先達(dá)到材料的剪切強(qiáng)度，所以首先出現(xiàn)與拉伸方向成45

°的剪切滑移變形帶---細(xì)頸。產(chǎn)生剪切帶時(shí)，材料發(fā)生屈服。因?yàn)樽冃螏е蟹肿渔湹娜∠蚨雀?，故變形逐步向整個(gè)試樣擴(kuò)展。2）剪切屈服第49頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月剪切屈服不同于銀紋屈服，前者沒有明顯的體積變化。剪切屈服在外加剪切力、拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力作用下都能引起。而銀紋屈服只能在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生。兩種屈服形式的區(qū)別：第50頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年