高分子材料——5.力学性能-

0
εt ≺ 0
一般材料ν约为0.2~0.5 注意!上述四个参数中只有两个是独立的
不同材料的泊松比
材料名称 锌 钢 铜 铝 铅 汞 泊松比 0.21 0.25~0.35 0.31~0.34 0.32~0.36 0.45 0.50 材料名称 玻璃 石料 聚苯乙系 聚乙烯 赛璐珞 橡胶类 泊松比 0.25 0.16~0.34 0.33 0.38 0.39 0.49~0.50
2 —2 玻璃态非晶高聚物的拉伸
决定脆或韧的因素之一
227K
温度 σ(MPa)
293K 303K 313K
323K 333K 0 10 20
ε
30
2 —2 玻璃态非晶高聚物的拉伸
<2> 拉伸速率的影响 断裂强度 拉伸速率 相当于温度 断裂伸长率 拉伸速率 相当于温度
决定脆或韧的因素之二 不同应变速率下聚氯乙烯的应力-应变曲线 应变速率
常见塑料的拉伸和弯曲强度
塑料名称 低压聚乙烯 聚苯乙烯 ABS塑料 塑料 有机玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 尼龙66 尼龙66 尼龙6 尼龙 尼龙1010 尼龙 聚甲醛 聚碳酸酯 聚砜 聚酰亚胺 拉伸强度 （MPa） 22～39 35.2～63.3 16.9～63.3 49.2～77.3 33.7～42.2 35.2～63.3 83 74～78 52～55 62～68 67 72～85 94.5 伸长率 % 60～150 12～25 10～140 2～10 200～700 20～40 60 150 100～250 60～75 60～100 20～100 68 拉伸模量 （GPa） 0.84～0.95 2.8～3.5 0.7～2.9 3.2 1.2～1.4 2.5～4.2 3.2 3.3 3.2～3.3 2.6 1.6 2.8 2.2～2.4 2.5～2.9 弯曲强度 （MPa） 25～40 61.2～98.4 25.3～94.9 91.4～119 42.2～56.2 70.3～112 100 110 100～110 100 89 91～92 98～106 108～127 ＞100 2.9 3.0 2.9～3.0 2.4～2.6 1.3 2.6 2.0～3.0 2.8 3.2 1.2～1.6 3.0 弯曲模量 （GPa） 1.1～1.4
常用的几种力学强度
• 拉伸强度σt= P/bd （最大负荷/截面积)Mpa 拉伸强度σt= 最大负荷/截面积) 1 Mpa = 9.8 kg/cm2 ≈ 10 kg/cm2 • 弯曲强度 σf = 1.5(Plo/bd) MPa
• 冲击强度 σi = W/bd Kg cm/cm2 注意!不同方法测量结果会有不同
第五章 高聚物的力学性能
§5.1 概述 1-1 描述力学性能的基本物理量 1-2 高聚物力学性能的特点 §5.2 高聚物的拉伸行为 2-1 应力应变曲线 2-2 玻璃态非晶高聚物的拉伸 2-3 结晶高聚物的拉伸 2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据 §5.3 高聚物的强度 3-1 拉伸强度 3-2 冲击强度
比强度——单位重量材料能承受的 最大负荷
几种金属材料和塑料(增强) 几种金属材料和塑料(增强)的比强度
材 料 名 称
高级合金钢 A3钢 铝合金 铸铁 聚乙烯 尼龙66 玻璃增强尼龙66 聚酯玻璃钢 环氧玻璃钢 酚醛玻璃钢 玻璃增强聚碳酸酯 玻璃增强聚乙烯 玻璃增强聚丙烯 玻璃增强聚苯乙烯 玻璃增强聚砜 玻璃增强ABS
§5.1概述 5.1概述
1-1 描述力学性质的基本物理量
应力;应变 形变 模强度;硬度等 应力 应变(形变 模强度 硬度等 应变 形变);模强度 拉伸强度(断裂强度 断裂伸长率ε 断裂强度)σ;断裂伸长率 拉伸强度 断裂强度 断裂伸长率ε 三种基本的应变类型 简单拉伸 简单剪切 均匀压缩
三种基本应变的模量
比强度
160 50 160 32 31.6 74.1 143 160 280 115 92.9 57.3 50.8 64.6 86.9 97.8
§5.2 高聚物的拉伸行为
应力σ 应变ε 2—1 应力σ ～应变ε曲线
最常用于描述高聚物的力学性能 应力～应变曲线的形状取决于: 应力～应变曲线的形状取决于:
<1>高聚物的理论强度
• 次价力破坏——局部破坏 次价力破坏——局部破坏 ——
◘ 氢键解离能 ~ 20 kJ/mol 作用距离 ~3A
比 重
8.0 7.85 2.8 7.4 0.95 1.12 1.3～1.5 1.8 1.73 1.75 1.4 1.1 1.05～1.24 1.2～1.3 1.45 1.23～1.36
拉伸强度（MPa） 拉伸强度（
1280 400 420 240 30 83 98～218 290 500 200 120～130 63 42～63 63～84 126 59～133
结晶聚合物冷拉模型
真应力2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据
• 拉伸形变时截面积生变化 使 • 若形变时体积不发生变化则有 • 令:伸长比 伸长比 • 则有 则有:
A olo Ao A= = l 1+ ε
/
σ<σ
/
A o l o = Al
l lo + ∆ l λ= = = 1+ ε lo lo
F F (1 + ε ) σ = = = σ (1 + ε ) A Ao
真应力2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据
• 按照定义 屈服点为 按照定义:屈服点为 • 则有 则有:
dσ =0 dε σ/ d 1+ ε =0 ∴ dε
/
dσ −2 / −1 d σ = −(1 + ε ) σ + (1 + ε ) =0 dε dε d σ/ σ/ σ/ ∴ = = d ε 1+ ε λ
三种基本应变的模量
• 压缩:
体积模量 B (Kg) P ―流体静压力 ΔV ―体积变化 VO ―原始体积
P B= ∆V V0
三种应变模量的关系
对于各向同性的材料有 E = 2G (1+ν) = 3B (1-2 ν) ν(泊松比):横向形变与纵向形变之比
∆m γ=−
(横向形变 ) − ε m0 t = ∆ℓ (纵向形变 ) ε ℓ
拉断一根键的力: 达因/ * 拉断一根键的力: F=E/d≈4*10-4达因/键
<1>高聚物的理论强度
• 化学键破坏
PE的理论强度 的理论强度 晶胞计算得每cm 由PE晶胞计算得每 2有~5*1014根分子链 晶胞计算得每 5*10 达因/ ∴σ≈ (4*10-4达因/键)*(5*1014键/cm2) ≈ 2*105 kg/cm2 的实际强度: 200~400 PE 的实际强度: 200 400 kg/cm2
σ ~ε
/
为
曲线上屈线的斜率
真应力2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据
当
σ / = 0 时 1 + ε = 0 ∴ ε = −1 (或λ = 0)
§5.3
高聚物的强度
3-1 拉伸强度 <1>高聚物的理论强度 化学键破坏 高聚物拉断 分子间滑脱 次价力破坏
<1>高聚物的理论强度
• 化学键破坏 化学键破坏——分析思路
1-2
高聚物力学性能的特点
• 粘弹性 粘弹性——力学行为对温度和时间 力学行为对温度和时间 有强烈的依赖关系
为高聚物独特的力学行为 σ（应力） （应力） ε（应变） 在研究高聚物力学行为 （应变） T（温度） 时必须同时考虑 （温度） t（时间） （时间）
1-2
高聚物力学性能的特点
• 比强度特高
2—3 结晶高聚物的拉伸
曲线可分为三个阶段 • 试样均匀拉伸应力随应变线性 至Y • 出现”细径”并不断扩展 应力几乎恒定 出现”细径”并不断扩展, • 成径后继续均匀拉伸 应力 直至断裂 成径后继续均匀拉伸,
2-3 结晶高聚物的拉伸
• 分子机理:发热软化理论 分子机理:
◘ 外力作用 ◘ 缩径区分子链取向 ◘ 构象熵 S 减小 , ∆S<0 放热 ◘ 缩径区附近温度↑ 缩径区附近温度↑ ◘ 屈服强度↓ 屈服强度↓ ◘ 容易变形使缩径进一步扩大
共价键的键能 每根键的键能 拉断一根键的力 拉断单位面积的力(拉断强度) 拉断单位面积的力(拉断强度)
键的键能U: 350千焦 千焦/ * C-C键的键能U: 350千焦/克分子 每根键的键能: 尔格/ * 每根键的键能: E=U/N≈6*10-12尔格/键 ɺ * 共价键的原子位移: d ≤ 1 ⋅ 5 A 共价键的原子位移:
ΔE: 活化能 σ:外力 α: 材料常数 τ: 松弛时间 R : 气体常数 T : 温度
ห้องสมุดไป่ตู้
无定形聚合物的冷拉
冷拉过程又称强迫高弹形变，发生取向 Tg以下形变不可逆，保持取向状态 加热到Tg以上发生解取向，形变可部分恢复
• 出现条件
屈服应力σ 屈服应力 Y > 断裂应力σ 断裂应力 X 温度范围 Tb<T<Tg Tb为脆化温度 拉伸速率适当
stress PVC (23°C)
50%/min 5%/min 0.5%/min 0.05%/min
Strain
2 —2 玻璃态非晶高聚物的拉伸
<3> 受迫高弹态 有些玻璃态高聚物在大应力作用下 能产生大的形变(高弹形变) 能产生大的形变(高弹形变) • 产生原因:外力使链段运动松弛时间 产生原因 原因:
化学结构 化学组成 ,结构 分子量及其分布 支化交联 结局及取向 晶区大小与形状 加工形态
物理结构
温度、 试验测试条件——温度、速率等
典型的σ～ε曲线
12 10 σ, 1000 psi 8 6 4 2 0 0 1 2 3 ε 4 5
1psi = 6890Pa
注意细颈 现象