高分子材料性能学一、材料分类一、材料分类金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料绪绪 论论1.塑料塑料热固性塑料热固性塑料(酚醛、脲醛等酚醛、脲醛等)热塑性塑料热塑性塑料(PE,PP,PVC,PS,PMMA等等) 塑料的弹性模量介于橡胶和纤维塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约之间，约107108Pa；受力形变；受力形变可达百分之几至几百。可达百分之几至几百。 2.橡胶：橡胶：天然橡胶天然橡胶(聚异戊二烯聚异戊二烯)合成橡胶合成橡胶( 顺丁顺丁,丁苯丁苯,丁腈丁腈,氯丁橡胶氯丁橡胶)室温弹性高；形变大（可达室温弹性高；形变大（可达1000%1000%），外力去除后，能），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小，约迅速恢复原状；弹性模量小，约10105 510104 4PaPa。3.纤维纤维聚酯纤维聚酯纤维(涤纶，如涤纶，如PET)聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶）聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶）腈纶腈纶(PAN)丙纶丙纶(PP)维纶（维纶（PVA）弹性模量较大，约弹性模量较大，约1091010Pa。形变小，机械性能随温度变化不大形变小，机械性能随温度变化不大 二、二、 材料的四要素材料的四要素成分成分/ /结构、制备结构、制备/ /工艺、性质和使用性能工艺、性质和使用性能成分成分/ /结构、制备结构、制备/ /工艺工艺决定固有性质决定固有性质性质决定使用性能性质决定使用性能使用性能决定材料使用性能决定材料的用途的用途高分子科学各课程间的联系成分成分/结构、制备结构、制备高分子化学聚合反应工程聚合反应工程加工工艺、成型加工工艺、成型高分子成型与加工结构与性能关系结构与性能关系高分子物理材料的使用性能材料的使用性能高分子材料性能学高分子材料性能学材料的分类与应用材料的分类与应用高分子材料理论理论和物质和物质基础基础实用价值实际应用三、材料性能的概念三、材料性能的概念1.1.材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或表现表现2.2.表征材料响应行为发生程度的参数，即性能表征材料响应行为发生程度的参数，即性能指标（如模量、强度等）指标（如模量、强度等）力学性能力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度：弹性、塑性、硬度、韧度、强度耐环境性能耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性：耐腐蚀性、老化、抗辐照性性性能能划划分分物理性能物理性能：热学、磁学、电学、光学：热学、磁学、电学、光学四、材料性能的划分四、材料性能的划分力学性能：力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为联合作用下所表现的行为变形和断裂。即材料变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。抵抗外载引起变形和断裂的能力。力学性能力力学学性性能能表表征征材料软硬程度材料软硬程度变形能力变形能力弹性、塑性弹性、塑性材料脆性材料脆性硬度硬度韧性韧性材料抵抗外力能力材料抵抗外力能力强度强度五、材料性能的四个方面五、材料性能的四个方面宏观表征宏观表征：表征材料性能的参数，如强度、硬度：表征材料性能的参数，如强度、硬度 微观本质微观本质：材料的性能是材料内部结构因素在一定：材料的性能是材料内部结构因素在一定 外界作用下的综合反映外界作用下的综合反映 影响因素影响因素：内因（材料结构），外因（温度等）：内因（材料结构），外因（温度等） 性能测试性能测试：测试原理、设备、方法：测试原理、设备、方法六、高分子材料性能学的主要内容六、高分子材料性能学的主要内容高分子材料的常规力学性能高分子材料的常规力学性能 （6课时）课时）高分子材料的高弹性与粘弹性高分子材料的高弹性与粘弹性 （5课时）课时）高分子材料的断裂高分子材料的断裂 （5课时）课时）高分子材料的力学强度高分子材料的力学强度 （5课时）课时）高分子材料的疲劳性能高分子材料的疲劳性能 （3课时）课时）高分子材料的磨损性能高分子材料的磨损性能 （3课时）课时）高分子材料的热、电、磁、光学性能高分子材料的热、电、磁、光学性能 （15课时）课时）高分子材料的老化性能高分子材料的老化性能 （4课时）课时）七、本课程的主要学习任务七、本课程的主要学习任务1.掌握高分子材料各种主要性能的宏观规律、物理掌握高分子材料各种主要性能的宏观规律、物理本质和工程意义本质和工程意义2.了解影响高分子材料性能的主要因素了解影响高分子材料性能的主要因素3.掌握改善或提高高分子材料性能指标主要途径掌握改善或提高高分子材料性能指标主要途径4.了解高分子材料性能测试的原理、方法及相关仪了解高分子材料性能测试的原理、方法及相关仪器设备器设备5.初步具备选用高分子材料、开发新型高分子材料初步具备选用高分子材料、开发新型高分子材料的必备基础知识与基本技能的必备基础知识与基本技能八、本课程的学习方法八、本课程的学习方法预备知识预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、：材料力学、高分子材料科学基础、 高分子物理高分子物理学习方法学习方法：性能的基本概念：性能的基本概念物理本质物理本质 影响因素影响因素性能指标的工程意义性能指标的工程意义 指标的测试与评价指标的测试与评价 理论联系实际、重视实验理论联系实际、重视实验八、参考书目八、参考书目1.材料性能学材料性能学王从曾主编，北京工业大学出版社，王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年年2.材料性能学材料性能学张帆等主编，上海交通大学出版社，张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年年3.高分子物理高分子物理何曼君等主编，复旦大学出版社，何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年年4.高分子物理高分子物理金日光等主编，化学工业出版社，金日光等主编，化学工业出版社，2007年年5.高聚物的力学性能高聚物的力学性能何平笙编著，中国科学技术大学出版社，何平笙编著，中国科学技术大学出版社，2008年年6.高分子材料强度及破坏行为高分子材料强度及破坏行为傅政编，化学工业出版社，傅政编，化学工业出版社，2005年年7.高分子材料强度学高分子材料强度学朱锡熊等编，浙江大学出版社，朱锡熊等编，浙江大学出版社，1992 年年8.高分子概论高分子概论代丽君等主编，化学工业出版社，代丽君等主编，化学工业出版社，2006年年9.高分子材料概论高分子材料概论吴奇晔等编，机械工业出版社，吴奇晔等编，机械工业出版社，2004年年10.近代高分子科学近代高分子科学张邦华等编，化学工业出版社，张邦华等编，化学工业出版社，2006年年 第1章 高分子材料的常规力学性能力学性能：高分子材料抵抗变形和断裂的能力力学性能：高分子材料抵抗变形和断裂的能力弹性弹性: :材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力 塑性塑性: :是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力强度强度: :是材料对变形和断裂的抗力是材料对变形和断裂的抗力 寿命寿命: :是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效 的能力的能力失效：失效：材料在载荷与环境作用下服役，无法抵抗变形和断裂，材料在载荷与环境作用下服役，无法抵抗变形和断裂，失去其预定的效能而损坏。失去其预定的效能而损坏。 常见的三大失效形式：常见的三大失效形式：磨损、腐蚀、断裂磨损、腐蚀、断裂1.1 1.1 力学性能的基本指标力学性能的基本指标1.1.1 1.1.1 应力与应变应力与应变 当材料受到外力作用，它所处的条件又不能产生惯当材料受到外力作用，它所处的条件又不能产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化就性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化就称为称为应变应变，亦可称为，亦可称为形变形变。 定义单位面积上的附加内力为定义单位面积上的附加内力为应力应力。 （1 1）简单拉伸）简单拉伸 外力外力F F是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个力用于同一直线上的两个力. .拉伸应变：拉伸应变：拉伸应力：拉伸应力：A0l0l lAFF真应力真应力-真应变真应变真应力：真应力： 真应变真应变: : 证明？真应力真应力- -应变曲线应变曲线工程应力工程应力- -应变曲线应变曲线（2 2）简单切变）简单切变 材料受到的力材料受到的力F F是与截面相平行、大小相等、方是与截面相平行、大小相等、方向相反的两个力。这时材料将发生偏斜，偏斜角的向相反的两个力。这时材料将发生偏斜，偏斜角的正切值定义为切应变正切值定义为切应变 剪切应变：剪切应变：剪切应力：剪切应力：A0FF （3 3）均匀压缩）均匀压缩 材料受到的是围压力（流体静压力）材料受到的是围压力（流体静压力）P。发生体积形。发生体积形变，体积由变，体积由V0缩小至缩小至V。 压缩应变：压缩应变：A01.1.2 1.1.2 弹性模量弹性模量单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。模量单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易形变程度的一种表征。的倒数称为柔量，是材料容易形变程度的一种表征。 拉伸模量（杨氏模量）拉伸模量（杨氏模量）E E： 剪切模量（刚性模量）剪切模量（刚性模量）G G： 压缩模量（本体模量）压缩模量（本体模量）K K： 泊松比泊松比 材料在拉伸时，不仅有轴向伸长，同时有横向收缩。材料在拉伸时，不仅有轴向伸长，同时有横向收缩。横向应变对轴向应变之比称为泊松比，以横向应变对轴向应变之比称为泊松比，以 表示表示 可以证明没有体积变化时，可以证明没有体积变化时，0.50.5，橡胶拉伸时，橡胶拉伸时就是这种情况。其他材料拉伸时，就是这种情况。其他材料拉伸时，0.5.0.5.与与E和和G之间有如下关系式：之间有如下关系式：E = 2G(1+ )因为因为00.5，所以，所以2GG，即拉伸比剪切困难即拉伸比剪切困难. 这是因为在拉伸时高分子链要断键，需要较这是因为在拉伸时高分子链要断键，需要较大的力；剪切时是层间错动，较容易实现。大的力；剪切时是层间错动，较容易实现。单轴取向高分子材料单轴取向高分子材料2 2个杨氏模量：个杨氏模量： El为纵向杨氏模量为纵向杨氏模量 Et为横向杨氏模量为横向杨氏模量2 2个切变模量：个切变模量： Gtt为横向切变模量为横向切变模量 Glt为纵向切变模量为纵向切变模量1 1个本体模量个本体模量K K2 2个泊松比：个泊松比： 对纵向力为对纵向力为Vtt 对横向力为对横向力为Vtl 双轴取向高分子材料双轴取向高分子材料5 5个独立的弹性模量：个独立的弹性模量： Ep为面向杨氏模量为面向杨氏模量 Et为侧向杨氏模量为侧向杨氏模量 Gp为面向切变模量为面向切变模量 Gt为侧向切变模量。为侧向切变模量。2 2个泊松比：个泊松比： 对面向力为对面向力为Vpt 对侧向力为对侧向力为Vtp 1.2 1.2 高分子材料的分子运动和力学状态转变高分子材料的分子运动和力学状态转变 1.2.1 1.2.1 高分子材料的分子运动特点高分子材料的分子运动特点（1 1）运动单元和模式的多重性）运动单元和模式的多重性 （2 2）分子运动的时间依赖性）分子运动的时间依赖性（3 3）分子运动的温度依赖性）分子运动的温度依赖性1.2.2 1.2.2 高分子材料的力学状态及转变高分子材料的力学状态及转变线型非晶态高聚物的形变线型非晶态高聚物的形变- -温度曲线温度曲线ABCD ETbTgTfT/ 形变形变%A-玻璃态玻璃态B-过渡区过渡区C-高弹态高弹态D-过渡区过渡区E-黏流态黏流态Tb-脆化温度；脆化温度；Tg-玻璃化温度；玻璃化温度；Tf-黏流温度黏流温度线型非晶态高聚物的三种物理状态的对比线型非晶态高聚物的三种物理状态的对比三种物理三种物理状态状态运动单元运动单元力学行为特征力学行为特征应用应用玻璃态玻璃态TbTg键长、键角键长、键角基团基团形变小，并且形变可逆，形变小，并且形变可逆，属于普弹性能。结构类似属于普弹性能。结构类似玻璃，弹性模量大。玻璃，弹性模量大。塑料、纤维塑料、纤维高弹态高弹态TgTf链段链段形变大，形变可逆，弹性形变大，形变可逆，弹性模量较小。模量较小。橡胶橡胶黏流态黏流态TfTd链段、大分链段、大分子链子链形变为不可逆，属于永久形变为不可逆，属于永久形变，无强度。流动取决形变，无强度。流动取决于相对分子质量大小。于相对分子质量大小。成型加工、油漆、成型加工、油漆、黏合剂黏合剂结晶态高聚物的形变结晶态高聚物的形变- -温度曲线温度曲线12形变形变% %TgTmTfT/ 1-1-相对分子质量较小相对分子质量较小2-2-相对分子质量很大相对分子质量很大Tg T Tf 粘流态粘流态交联高聚物的温度交联高聚物的温度- -形变曲线形变曲线T交联度增加交联度增加l 交联度较小时：交联度较小时：有有Tg ，根据环境温度高或低于，根据环境温度高或低于Tg，可判断材料处于高弹态或玻璃态。，可判断材料处于高弹态或玻璃态。 l交联度大时：交联度大时：链段运动困难，玻璃化转变难以发链段运动困难，玻璃化转变难以发生，材料始终处于玻璃态生，材料始终处于玻璃态 1.3 高分子材料的拉伸行为高分子材料的拉伸行为哑铃状试件哑铃状试件 L0=5.65A01/2或或11.3A0 1/2 y -y -屈服点屈服点e-e-弹性极限点弹性极限点冷拉冷拉应变软化应变软化应变硬化应变硬化 e b y e b yp-比例极限比例极限 p pb -b -断裂点断裂点p-比例极限比例极限1.3.1 线型非晶态高聚物的应力线型非晶态高聚物的应力-应变曲线应变曲线拉伸过程高分子链的三种运动情况：拉伸过程高分子链的三种运动情况：弹性形变（开始弹性形变（开始e e点）点）强迫高弹形变强迫高弹形变塑性变形塑性变形ey（屈服点）（屈服点）动画引自九江学院杜大明材料科学基础ppt弹性变形与塑性变形弹性变形与塑性变形l弹性变形 材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子（离子）或分子材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。橡胶类材料则是呈卷曲状自平衡位置产生可逆位移的反映。橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段运动沿受力方向产生的伸展。的分子链在力的作用下通过链段运动沿受力方向产生的伸展。 材料在等温、等容条件下发生弹性回复的驱动力由内能变材料在等温、等容条件下发生弹性回复的驱动力由内能变化和熵变两部分组成。化和熵变两部分组成。 l弹性变形的特点弹性变形的特点1)1)可逆性可逆性：去掉外力后变形消失：去掉外力后变形消失 弹性变形都是可逆变形弹性变形都是可逆变形2).2).金属、陶瓷或结晶态高聚物：应力金属、陶瓷或结晶态高聚物：应力- -应变线性应变线性关系，弹性变形量都较小关系，弹性变形量都较小3).3).橡胶态的高聚物：应力橡胶态的高聚物：应力- -应变不呈线性关系，应变不呈线性关系，且变形量较大且变形量较大 l弹性变形的力学性能指标弹性变形的力学性能指标 （1）弹性模量：）弹性模量：是单位应变所需应力的大小，物理意义是是单位应变所需应力的大小，物理意义是产生产生100 %弹性变形所需的应力。弹性变形所需的应力。（2）比例极限）比例极限p：是保持应力与应变成正比关系的最大应力，是保持应力与应变成正比关系的最大应力，即在应力即在应力-应变曲线上刚开始偏离直线时的应力应变曲线上刚开始偏离直线时的应力 （3）弹性极限）弹性极限e： 是材料发生可逆的弹性变形的上限应力值，是材料发生可逆的弹性变形的上限应力值，应力超过此值，则材料发生塑性变形应力超过此值，则材料发生塑性变形 。（4）弹性比功：）弹性比功： 是材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的是材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功，又称弹性比能或应变比能，用弹性变形功，又称弹性比能或应变比能，用e表示，它在数值表示，它在数值上等于应力上等于应力-应变曲线弹性段以下所包围的面积应变曲线弹性段以下所包围的面积 eo提高弹性比功的方法：提高弹性比功的方法： 提高提高e 降低降低E（提高弹性极限应变（提高弹性极限应变e）橡胶低橡胶低E和高弹性应变和高弹性应变高弹性高弹性比功比功l非理想弹性非理想弹性理想弹性行为：理想弹性行为：（1）.应变应变-应力线性应力线性（2）.应力和应变同相位应力和应变同相位（3）.应变是应力的单值函数应变是应力的单值函数高分子材料的非理想弹性行为：高分子材料的非理想弹性行为：滞弹性、粘弹性、内耗滞弹性、粘弹性、内耗（1）滞弹性）滞弹性 材料在快速加载或卸载后，随时间的延长材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能，又称而产生的附加弹性应变的性能，又称弹性后效。弹性后效。弹簧弹簧薄膜传感器薄膜传感器动画引自九江学院杜大明材料科学基础ppt非理想弹性变形非理想弹性变形 滞弹性示意图滞弹性示意图ABabcedOH正弹性后效正弹性后效加载时应变落后于应力加载时应变落后于应力反弹性后效反弹性后效卸载时应变落后于应力卸载时应变落后于应力定义定义：材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理：材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理同时存在的一种力学行为同时存在的一种力学行为粘性粘性：液体或溶体内质点间或流层间因相对运动而：液体或溶体内质点间或流层间因相对运动而产生的内摩擦力以反抗相对运动的性质。产生的内摩擦力以反抗相对运动的性质。（2 2） 粘弹性粘弹性特征：特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过一个驰豫过程，卸载不留残余变形；应力和应变的关系与一个驰豫过程，卸载不留残余变形；应力和应变的关系与时间有关。时间有关。（3 3） 内耗内耗理想弹性行为理想弹性行为0ACDBE橡胶拉伸和回缩的应力-应变曲线内耗也称为材料循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆变内耗也称为材料循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆变形供的能力，又称消振性形供的能力，又称消振性l塑性变形塑性变形 是微观结构的相邻部分产生永久性位移，而不引起是微观结构的相邻部分产生永久性位移，而不引起材料断裂的现象。材料断裂的现象。塑性变形是一种不可逆变形塑性变形是一种不可逆变形. .塑性变形主要是由于塑性变形主要是由于切应力切应力引起的。材料塑性变形引起的。材料塑性变形过程中仍然保留着弹性变形，所以整个变形过程是过程中仍然保留着弹性变形，所以整个变形过程是弹性加塑性变形过程，可称为弹塑性变形。弹性加塑性变形过程，可称为弹塑性变形。l高分子材料的塑性变形高分子材料的塑性变形结晶态高分子材料结晶态高分子材料: :塑变机制：塑变机制： 塑性变形是由薄晶塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程的微纤维束的过程非晶态高分子材料：非晶态高分子材料：塑变机制：在正应力作用下形成银纹和塑变机制：在正应力作用下形成银纹和切应力作用切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束下无取向分子链局部转变为排列的纤维束银纹的产生银纹的产生（1）屈服极限：）屈服极限：材料的屈服极限定义为应力材料的屈服极限定义为应力-应变曲线应变曲线上屈服平台的应力上屈服平台的应力 （2）抗拉强度）抗拉强度b ：是试样拉断前所承受的最大应力，即：是试样拉断前所承受的最大应力，即试样所能承受的最大载荷试样所能承受的最大载荷Fb与其原始截面积的比值与其原始截面积的比值 l塑性变形的力学性能指标 （3）伸长率和断面收缩率伸长率和断面收缩率硬而脆硬而脆酚醛塑料酚醛塑料硬而强硬而强硬硬PVCPVC强而韧强而韧PCPC软而韧软而韧HPPEHPPE软而弱软而弱天然橡胶天然橡胶1.3.2 1.3.2 几种典型的高聚物应力几种典型的高聚物应力- -应变曲线应变曲线弱而脆弱而脆低聚物低聚物1.3.3 1.3.3 晶态高聚物的应力晶态高聚物的应力- -应变曲线应变曲线第一阶段第一阶段OY段：段：出现出现“细颈细颈”。第二阶段，第二阶段，细颈的发展阶段。细颈的发展阶段。第三阶段（第三阶段（DB）：）：成颈变细成颈变细的试样重新被均匀拉伸，直的试样重新被均匀拉伸，直到断裂点到断裂点B。 1.3.4 1.3.4 特殊的应力应变曲线特殊的应力应变曲线图1-16 SBS的的应力力-应变曲曲线 图1-17 硬硬弹性聚丙性聚丙烯的的应力力-应变曲曲线 1.3.5 1.3.5 影响拉伸行为的外部因素影响拉伸行为的外部因素1、温度的影响、温度的影响123456 789l非晶态高聚物不同温度下的应力非晶态高聚物不同温度下的应力- -应变曲线应变曲线1，2-温度低于脆性温度，材料处于硬玻璃温度低于脆性温度，材料处于硬玻璃态，无强迫高弹性态，无强迫高弹性3，4，5-温度处于脆性温度与玻璃化温度温度处于脆性温度与玻璃化温度之间，为软玻璃态之间，为软玻璃态6，7，8-温度处于玻璃化温度与黏流温度温度处于玻璃化温度与黏流温度之间，为高弹态之间，为高弹态9-温度处于黏流温度以上，为黏流态温度处于黏流温度以上，为黏流态1234567l晶态高聚物不同温度下的应力晶态高聚物不同温度下的应力- -应变曲线应变曲线1 1，2-2-温度低于脆性温度，拉伸行为温度低于脆性温度，拉伸行为类似弹性固体类似弹性固体3 3，4 4，5-5-温度介于脆性温度与玻璃温度介于脆性温度与玻璃温度之间，为软玻璃态温度之间，为软玻璃态7-7-温度介于温度介于T Tb b与与T Tg g之间，为软玻璃态，之间，为软玻璃态，行为类似强迫高弹性行为类似强迫高弹性6-6-温度较高，低于熔点，拉伸行为类似温度较高，低于熔点，拉伸行为类似非晶态橡胶非晶态橡胶图图1-19 断裂强度断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势和屈服强度随温度的变化趋势 虚线虚线高拉伸速率高拉伸速率 实线实线低拉伸速率低拉伸速率 材料的拉伸断裂强度材料的拉伸断裂强度 和屈服强度和屈服强度 随环境温度而发生随环境温度而发生变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。 在温度升高过程中，材料发生脆在温度升高过程中，材料发生脆- -韧转变。两曲线交点对韧转变。两曲线交点对应的温度称脆应的温度称脆- -韧转变温度韧转变温度 。 T Tb， ，受外力作用，受外力作用时，材料先屈服，出现细颈和时，材料先屈服，出现细颈和很大变形后才断裂，呈韧性断很大变形后才断裂，呈韧性断裂特征。裂特征。 2 2、拉伸速率的影响、拉伸速率的影响 减慢拉伸速率与升高环境温度减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的影响，对材料拉伸行为有相似的影响，这是时这是时- -温等效原理在高分子力温等效原理在高分子力学行为中的体现。学行为中的体现。 与脆与脆- -韧转变温度相似，根据图韧转变温度相似，根据图中两曲线交点，可以定义脆中两曲线交点，可以定义脆- -韧转韧转变（拉伸）速率变（拉伸）速率 。拉伸速率高。拉伸速率高于于 时，材料呈脆性断裂特征；时，材料呈脆性断裂特征；低于低于 时，呈韧性断裂特征。时，呈韧性断裂特征。 3 3、环境压力的影响、环境压力的影响图图1-21 聚苯乙烯的应力聚苯乙烯的应力-应变曲线应变曲线随环境压力的变化（随环境压力的变化（T=31） 右图可见，右图可见，PS在低环境压力在低环境压力（常压）下呈脆性断裂特点，（常压）下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低。随强度与断裂伸长率都很低。随着环境压力升高，材料强度增着环境压力升高，材料强度增高，伸长率变大，出现典型屈高，伸长率变大，出现典型屈服现象，材料发生脆服现象，材料发生脆-韧转变。韧转变。 对许多非晶聚合物，如对许多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韧转变行为还韧转变行为还与环境压力有关。与环境压力有关。材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当的方法，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强的方法，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强度，实现既增韧又增强。度，实现既增韧又增强。两种脆两种脆- -韧转变方式韧转变方式 升高温度使材料变韧，升高温度使材料变韧，但其拉伸强度明显下降。但其拉伸强度明显下降。 升高环境压力则在使升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度材料变韧的同时，强度也得到提高，材料变得也得到提高，材料变得强而韧。强而韧。1.4 1.4 高分子材料的屈服与银纹化高分子材料的屈服与银纹化1.4.1 1.4.1 高聚物的屈服行为高聚物的屈服行为脆性断裂时，试样没有明显的变化，断裂面一般与拉伸方脆性断裂时，试样没有明显的变化，断裂面一般与拉伸方向垂直（图向垂直（图a），断裂面很光洁；），断裂面很光洁；韧性破坏过程中，当拉伸至屈服点时，试样常出现与拉伸韧性破坏过程中，当拉伸至屈服点时，试样常出现与拉伸方向呈约方向呈约45角倾斜的剪切滑移变形带角倾斜的剪切滑移变形带 uConsidere法确定屈服点法确定屈服点 （1 1）拉伸形变中的屈服）拉伸形变中的屈服（2 2）压缩形变中的屈服点）压缩形变中的屈服点非晶高聚物压缩变形中的屈服点的确定：非晶高聚物压缩变形中的屈服点的确定： 真应力应变曲线的极大点或应力开始变平坦的点真应力应变曲线的极大点或应力开始变平坦的点可做为屈服点。可做为屈服点。 在真应力应变曲线中直线段部分发生偏折的点可在真应力应变曲线中直线段部分发生偏折的点可做为屈服点。做为屈服点。结晶高聚物压缩变形中的屈服点的确定：结晶高聚物压缩变形中的屈服点的确定： 由真应力应变曲线的斜率发生急剧变化的点确定，或由真应力应变曲线的斜率发生急剧变化的点确定，或者沿应力应变曲线的起始部分和最终部分作二条切线的者沿应力应变曲线的起始部分和最终部分作二条切线的交点确定。交点确定。 1.4.2 1.4.2 高聚物屈服点的特征高聚物屈服点的特征（1 1）屈服应变大）屈服应变大 （2 2）屈服后出现应变软化）屈服后出现应变软化 （3 3）屈服应力随应变速率的增大而增大）屈服应力随应变速率的增大而增大 图1-26 PMMA的的压缩屈服屈服应力与力与应变速率的关系速率的关系 图1-27 PMMA拉伸屈服拉伸屈服应力与力与应变速率的关系速率的关系 （4 4）屈服应力的温度依赖性强）屈服应力的温度依赖性强 图1-28 PMMA屈服屈服应力与温度的关系力与温度的关系（5 5）屈服应力随流体静压力的增加而迅速提高）屈服应力随流体静压力的增加而迅速提高 图图1-29 压力下压力下PE的应力的应力-应变曲线应变曲线（6 6）屈服应力对高聚物材料的淬火处理很敏感）屈服应力对高聚物材料的淬火处理很敏感 （7 7）高聚物屈服时体积略有缩小，试验表明非晶态高聚物的）高聚物屈服时体积略有缩小，试验表明非晶态高聚物的屈服无论在拉伸或压缩试验时，都使材料的密度增加约屈服无论在拉伸或压缩试验时，都使材料的密度增加约0.25%0.25%。 （8 8）压缩屈服应力比拉伸屈服应力大，高分子材料的压缩）压缩屈服应力比拉伸屈服应力大，高分子材料的压缩屈服应力大于拉伸屈服应力的现象叫做鲍辛格屈服应力大于拉伸屈服应力的现象叫做鲍辛格（BauschingerBauschinger）效应）效应 1.4.3 1.4.3 屈服行为的理论解析屈服行为的理论解析（1 1）TrescaTresca屈服判据屈服判据对于单轴拉伸，对于单轴拉伸， 屈服判据是屈服判据是 （2 2）Von MisesVon Mises屈服判据屈服判据对简单拉伸试验，发生屈服时的屈服应力为对简单拉伸试验，发生屈服时的屈服应力为拉伸中发生屈服时各正应力的均方根为拉伸中发生屈服时各正应力的均方根为其正应力为其正应力为 屈服判据式为屈服判据式为 （3 3）CoulombCoulomb屈服判据屈服判据发生屈服的平面上的临界剪切应力（发生屈服的平面上的临界剪切应力（）与该平面上的正应力）与该平面上的正应力（n）呈一定的线性关系）呈一定的线性关系 1.4.4 1.4.4 应变软化现象应变软化现象应变软化现象是指在高分子材料屈服以后，为使材料继续形应变软化现象是指在高分子材料屈服以后，为使材料继续形变的真应力就有一个不大的下跌变的真应力就有一个不大的下跌 ，相应于应力，相应于应力-应变曲线中的应变曲线中的YC段段 。a.聚甲基丙烯酸甲酯；b.聚碳酸酯；c.聚苯乙烯；d.聚氯乙烯图图1-34 四种高聚物的压缩应力四种高聚物的压缩应力-应变曲线应变曲线1.4.5 1.4.5 冷拉和成颈冷拉和成颈图图1-35 高聚物冷拉过程中的应力高聚物冷拉过程中的应力-应变应变曲线及试样形状变化曲线及试样形状变化玻璃态高聚物在玻璃态高聚物在TbTg之间之间部分结晶高聚物在部分结晶高聚物在TbTm之间之间 1 1、玻璃态高聚物的强迫高弹形变、玻璃态高聚物的强迫高弹形变 聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变曲线随环境温度的变化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下） 对于玻璃态高聚物，当环境温对于玻璃态高聚物，当环境温度处于度处于 Tb T Tg时，虽然材料时，虽然材料处于玻璃态，链段冻结，但在恰处于玻璃态，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百当速率下拉伸，材料仍能发生百分之几百的大变形（参见图中分之几百的大变形（参见图中T = 80，60的情形），这种变形的情形），这种变形称强迫高弹形变。称强迫高弹形变。 （2 2）强迫高弹形变的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链）强迫高弹形变的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的段被强迫发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（情形。这种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（T T T Tg g）仍可恢复或部分恢复。）仍可恢复或部分恢复。 （1 1）既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘流态下的）既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘流态下的粘性流动，是一种独特的力学行为。粘性流动，是一种独特的力学行为。（3 3）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种“活化活化”作用。作用。l玻璃态高聚物强迫高弹形变的特点玻璃态高聚物强迫高弹形变的特点 越大，越大， 越小，应力降低了链段运动活化能。当应力越小，应力降低了链段运动活化能。当应力增加致使链段运动松弛时间减小到与外力作用时间同一数量增加致使链段运动松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时，就可能产生强迫高弹变形。级时，就可能产生强迫高弹变形。（4 4）链段松弛时间）链段松弛时间 与外应力与外应力 之间有如下关系：之间有如下关系： 强迫高弹形变是产生在强迫高弹形变是产生在Tg与与Tb之间的，而之间的，而Tb则是塑料使则是塑料使用的最低温度用的最低温度 刚性高分子，刚性高分子，Tb远离远离Tg柔性很大的橡胶，柔性很大的橡胶，Tb值非常接近值非常接近Tg值值 高聚物分子量的影响高聚物分子量的影响拉伸速度的影响拉伸速度的影响l 强迫高弹形变和强迫高弹形变和T Tb b的影响因素的影响因素 2 2、结晶态高聚物的、结晶态高聚物的“冷拉伸冷拉伸” 结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种在较低的温度下出在较低的温度下出现细颈的不均匀拉伸现细颈的不均匀拉伸形变称形变称“冷拉伸冷拉伸”。影响冷拉伸的因素影响冷拉伸的因素: : 当温度过低、拉伸速率过快，产生断裂；当温度过低、拉伸速率过快，产生断裂； 当温度过高、分子量过低，拉伸时产生流动断裂当温度过高、分子量过低，拉伸时产生流动断裂冷拉伸的应用冷拉伸的应用: :塑料薄膜塑料薄膜; ;纤维丝纤维丝; ;中空制品中空制品实现强迫高弹形变和冷拉伸需要的条件实现强迫高弹形变和冷拉伸需要的条件: （1）材料有由屈服点表现出来的软化作用）材料有由屈服点表现出来的软化作用 （2）有应力硬化过程）有应力硬化过程（a）冷拉前；（b）晶片滑移与分子链伸展；（c）晶片倾斜与转动；（d）晶片分段与滑移；（e）晶片和分子链高度取向形成颈缩图1-36 部分部分结晶高聚物冷拉中球晶内部晶区与非晶区取向晶高聚物冷拉中球晶内部晶区与非晶区取向过程示意程示意 l成颈的成颈的ConsidereConsidere作图判据作图判据0 1 2 30 1 2 30 1 2 3AB由由 = 0 无无法法作作切线，不能成颈切线，不能成颈由由 = 0 可可作作两两条条切切线线，有有两两个个点点满满足足屈屈服服条条件件，A点点时时屈屈服服点点，B点开始冷拉点开始冷拉由由 = 0 可可作作一一条条切切线线，曲曲线线上上有有一一个个点点满满足足 ，此此点点为为屈屈服服点点，在在此此点点高高聚聚物物成成颈颈l结晶聚合物与非晶聚合物拉伸行为的比较结晶聚合物与非晶聚合物拉伸行为的比较（1 1）拉伸产生的高弹性变机理）拉伸产生的高弹性变机理 非晶聚合物：分子链及链段的缠结解开，沿外力方向取向。非晶聚合物：分子链及链段的缠结解开，沿外力方向取向。 结晶聚合物：非晶区的链段取向，晶区晶体的滑移和破碎，结晶聚合物：非晶区的链段取向，晶区晶体的滑移和破碎， 新晶体的产生并沿拉什方向取向，裂纹的形成。新晶体的产生并沿拉什方向取向，裂纹的形成。（2 2）拉伸产生的高弹性变对材料的力学性能和热性能的差异）拉伸产生的高弹性变对材料的力学性能和热性能的差异 非晶聚合物：受迫高弹态产生在非晶聚合物：受迫高弹态产生在TgTg以下温度，以下温度， 拉伸取向后强度较低，拉伸取向后强度较低， 取向后热稳定性差，解取向容易。取向后热稳定性差，解取向容易。 结晶聚合物：受迫高弹态产生在结晶聚合物：受迫高弹态产生在TgTg以上温度。以上温度。 拉伸取向后强度较高，拉伸取向后强度较高， 取向后热稳定性好，解取向难。取向后热稳定性好，解取向难。 1.4.6 1.4.6 高聚物大变形的热效应高聚物大变形的热效应1.4.7 1.4.7 取向硬化取向硬化表1-4 不同高聚物的细颈应变高聚物高聚物细颈应变细颈应变聚氯乙烯聚氯乙烯0.4 1.5聚碳酸酯聚碳酸酯2.24聚酰胺聚酰胺2.8 3.5聚苯乙烯聚苯乙烯(100 )3.5线形聚乙烯线形聚乙烯8 100 1 2 3AB1.4.8 1.4.8 剪切带和银纹化剪切带和银纹化在单向拉伸到屈服点时出现与拉伸方向成450的剪切带 l银纹银纹 银纹是高聚物所特有的一种现象，脆性材料拉伸中的微观银纹是高聚物所特有的一种现象，脆性材料拉伸中的微观屈服现象主要是银纹屈服现象主要是银纹 （a）有序）有序银纹 （b）无序）无序银纹 图图1-44 1-44 银纹的结构示意银纹的结构示意图图1-45 1-45 银纹内自尖至底几个银纹内自尖至底几个部位的结构示意图部位的结构示意图 银纹面之间是由维系两银纹面的银纹质银纹面之间是由维系两银纹面的银纹质 高度取向的微纤束和空穴组成的高度取向的微纤束和空穴组成的 l银纹的内部结构银纹的内部结构l银纹产生的原因：银纹产生的原因： 高聚物受到张应力作用时，在材料某些薄弱环节上应力集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于应力方向的微细凹槽或“裂纹裂纹”的现象的现象环境因素也会促进银纹产生，化学物质扩散到高聚物中，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，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，有利于银纹产生这些缺陷造成应力集中，有利于银纹产生银银纹纹的的扩扩展展中间分子链中间分子链断裂断裂扩展扩展形成裂纹形成裂纹银纹对断裂的影响银纹对断裂的影响裂缝从某个银纹中发展，该银纹称主银纹裂缝增长前锋发生大量银纹，称次级银纹分子量越高，引发的银纹越多裂缝裂缝银纹银纹银纹和剪切带均有分子链取向，吸收能量，呈现银纹和剪切带均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象屈服现象一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服主要区别主要区别剪切屈服剪切屈服银纹屈服银纹屈服形变形变形变大几十形变大几十几百几百%形变小形变小 maxmax。 几乎所有材料都会产生塑性变形。几乎所有材料都会产生塑性变形。(2)(2)设备简单，操作方便快捷，故被广泛应用。设备简单，操作方便快捷，故被广泛应用。(3)(3)可视为无损检测。可视为无损检测。锤击法锤击法-（锤击）布氏硬度（锤击）布氏硬度压入法压入法刻划法刻划法动态压入动态压入静态压入静态压入回跳法回跳法-肖氏硬度肖氏硬度球体压入球体压入锥体压入锥体压入布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维氏硬度维氏硬度显微硬度显微硬度莫氏硬度顺序法莫氏硬度顺序法锉刀法锉刀法硬度试验方法二、二、 硬度试验方法硬度试验方法1布氏硬度布氏硬度淬火钢球或硬质合金球淬火钢球或硬质合金球D(mm)压入试样表面压入试样表面 测量圆形压痕测量圆形压痕d, d, 圆形压痕表面积圆形压痕表面积S S Brinell,1900年年 (1) (1)布氏硬度布氏硬度HBHB： 淬火钢球：淬火钢球： HBS450 硬质合金球：硬质合金球：HBW=450650。 (2)HB表示方法：表示方法： 数字数字 + 硬度符号硬度符号 + 数字数字 / 数字数字 / 数字数字 硬度值硬度值 (HBW或或HBS) 钢球直径钢球直径 载荷载荷 定时定时 280 HBS10/3000/30； 50 HBW5/750。(3)(3)压痕几何相似原理压痕几何相似原理两个条件：两个条件：1.1.为常数；为常数；2.F/D2.F/D2 2为常数为常数=2874od=（0.240.6）D优点：优点：压痕面积大压痕面积大 反映较大区域内各组成相的平均反映较大区域内各组成相的平均性能；性能； 适合灰铸铁、轴承合金等测量。适合灰铸铁、轴承合金等测量。压痕面积较大压痕面积较大 试验数据稳定，重复性高。试验数据稳定，重复性高。缺点：缺点：压痕直径大压痕直径大 不宜在成品件上直接进行检验；不宜在成品件上直接进行检验；硬度不同硬度不同 更换压头直径更换压头直径D和载荷和载荷F ；压痕直径的测量也比较麻烦。压痕直径的测量也比较麻烦。(4)布氏硬度的优缺点：布氏硬度的优缺点： 2洛氏硬度洛氏硬度（1）测量原理）测量原理测量压痕深度值的大小测量压痕深度值的大小金刚石压头金刚石压头k=0.2淬火钢球淬火钢球k=0.26Rockwell, 1919年年洛氏硬度计洛氏硬度计HRAHRBHRC适用于：适用于： 测定极薄工件；测定极薄工件； 经各种表面处理后工件的表面层硬度。经各种表面处理后工件的表面层硬度。(2)(2)表面洛氏硬度：表面洛氏硬度：与洛氏硬度区别：与洛氏硬度区别：预加载荷为预加载荷为30N30N，总载荷比较小，总载荷比较小取残余压痕深度为取残余压痕深度为0.1mm0.1mm时的洛氏硬度为零，时的洛氏硬度为零，深度每增加深度每增加0.001mm0.001mm，表面洛氏硬度减小一单位，表面洛氏硬度减小一单位（3）洛氏硬度的优缺点优点优点简便迅速，效率高简便迅速，效率高对试样表面造成损伤小，可用于成品零件检测对试样表面造成损伤小，可用于成品零件检测有预加载荷，可消除表面轻微的不平度对试验有预加载荷，可消除表面轻微的不平度对试验 结果的影响结果的影响缺点缺点不同标尺的硬度值无法相互比较不同标尺的硬度值无法相互比较压痕小，对材料组织不均匀性很敏感，重复性差压痕小，对材料组织不均匀性很敏感，重复性差3 3维氏硬度与显微硬度维氏硬度与显微硬度（1 1）测量原理：）测量原理：单位压痕表面积上所承受的压力单位压痕表面积上所承受的压力1925年由年由R.Smith和和G.Sandland提出的，在提出的，在Vickers厂最早使用而得名厂最早使用而得名 (2)表示方法：表示方法： 数字数字 + 硬度符号硬度符号 + 数字数字 / 数字数字 硬度值硬度值 (HV) 载荷载荷 定时定时 640HV30/20； 50 HV5。（3 3）显微硬度）显微硬度维氏显微硬度和努氏显微硬度测定各种组成相的硬度以及研究金属化学成分、测定各种组成相的硬度以及研究金属化学成分、组织状态与性能的关系组织状态与性能的关系(4)(4)优缺点：优缺点：优点：优点： 采用对角线长度计量，精确可靠采用对角线长度计量，精确可靠 可以任意选择载荷可以任意选择载荷 比洛氏硬度所测试件更薄，测表面硬化层和仪比洛氏硬度所测试件更薄，测表面硬化层和仪表零件的硬度表零件的硬度缺点：缺点：测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小，测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小，代表性差，不宜用于成批生产的常规检验。代表性差，不宜用于成批生产的常规检验。5. 努氏硬度试验：努氏硬度试验：一种显微硬度试验方法一种显微硬度试验方法与维氏显微硬度区别：与维氏显微硬度区别：1.1.压头形状不同压头形状不同2.2.硬度值为试验力除以硬度值为试验力除以压痕投影面积压痕投影面积Knoop压痕细长，且只测量长对角线长度，精确度较高。压痕细长，且只测量长对角线长度，精确度较高。适于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度，可以适于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度，可以测定渗层截面上的硬度分布等。测定渗层截面上的硬度分布等。一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面，根据重锤回跳的高度来表征高度落向试样表面，根据重锤回跳的高度来表征材料硬度值大小。（材料硬度值大小。（KS）6.6.肖氏硬度试验肖氏硬度试验优缺点：优缺点： 一般为手提式，使用方一般为手提式，使用方便，便于携带可测现场大便，便于携带可测现场大型工件的硬度型工件的硬度 其缺点是试验结果的准其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大，确性受人为因素影响较大，测量精度较低测量精度较低Shore7.7.莫氏硬度莫氏硬度 1.6.6 1.6.6 常用高分子材料的硬度常用高分子材料的硬度 高聚物高聚物硬度硬度/(kgf/mm2)高聚物高聚物硬度硬度/(kgf/mm2)轴承钢（正轴承钢（正火）火）200聚氯乙烯聚氯乙烯14 17金刚石金刚石6000 10000 ABS8 10高压聚乙烯高压聚乙烯40 70聚碳酸酯聚碳酸酯9 10酚醛塑料酚醛塑料（填料）（填料）30聚甲醛聚甲醛10 11聚苯乙烯聚苯乙烯17聚四氟乙烯聚四氟乙烯10 13有机玻璃有机玻璃16聚砜聚砜10 13