高分子材料的力学状态演示课件
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高分子材料的力学状态PPT课件
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
扭转
F
17
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
电子万能材料试验机
18
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
19500%，可达1000%。普通金属材料的形
变量＜1％
23
2.2 高分子材料的力学性能
温度升高，弹性模量增大 ； 温度，链段运动加剧，回缩力，维持相同形变所需
的作用力 抵抗变形的能力升高。
高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性
高弹形变时分子运动需要时间
形变过程有明显的热效应
PC ABS HDPE
硫化橡胶 未硫化橡胶
软PVC
齐聚物
软~硬：模量 强~弱：拉伸强度 韧~脆：断裂22能
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性
高弹态聚合物最重要的力学
性能
聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特
的力学性质，又称橡胶弹性。
高弹性的特点：
弹性模量小；
橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa
没有气态； 具有非晶态； 结晶具有不完善性。
3
2.1 高分子材料的力学状态
线型无定形聚合物的力学三态及其转变
热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意 等速升温
4
2.1 高分子材料的力学状态
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg ）；
材料力学行为课件：第七章 高分子材料的力学行为
内耗的不利方面：加速橡胶制品的老化。
内耗的有利方面：内耗有力于减震作用。
4 高耐磨性 高聚物具有较高的耐磨性。 塑料经常用来制造轴承、轴套、凸轮等摩擦磨损零件。
二 高分子材料物理化学性能特点
1 高绝缘性能 导电能力低、介电常数小、介电损耗小、耐电弧性能好 塑料、橡胶厂用来做电机、电器电子工业的绝缘材料。
3 具有粘弹性特点 粘弹性：高聚物在外力作用下，同时发生高弹性变形和粘性流动， 其变形和时间相关。这种现象称为粘弹性。
高分子材料的粘弹性表现为：蠕变、应力松弛和内耗
内耗：在交变应力作用下，处于高弹态的高分子当变形速率跟不上应力变 化速率，出现应变滞后现象，导致有些能量消耗于材料中分子内摩擦并转 化为热能放出。由于力学滞后使机械能转化为热能的这种现象称为内耗。
第七章 高分子材料的力学行为
高分子材料：又称聚合物，由相对分子量大于5000的 高分子化合物为主要组分的材料。
第一节高分子材料的组织结构
一 高分子材料的概述
1 高分子链的合成
高分子链是由一种或者几种低分子化合物通过 聚合而重复链接成大分子链状结构。
链节：大分子材料中重复结构单元称为链节。 聚合度：链节的重复数目称为“聚合度”。
均聚物：有一种单体合成的高聚物称为均聚物，如聚乙烯、聚氯乙烯等。 共聚物：由两种或者两种以上的单体合成的高聚物称为共聚物。类似金属的合金
3 高分子链的特性
（1）高分子链的形态
按照几何形态，高分子链分为三种类型
线形：各链节以共价键连接成线形 长分子链，直径为几十到几百纳米， 长度可达几百纳米到几微米。
四 高分子链的聚集态和物理状态
（1）高聚物的结合力 高聚物的大分子链中各原子结合以共价键结合，这种共价键成为主价 力；结合强；影响高聚物的强度和熔化温度。 高分子链之间的吸引力为范特瓦尔力和氢键力，成为次价力。
高分子物理课件第五章
3l 0 f max t 2bd 2
3 fl0 Et 4bd 3来自 第一节材料的力学概念
冲击强度：又称抗冲强度，是指试样受冲击 负荷而破裂时单位面积所吸收的能量。
W i bd
(kJ / m )
2
第一节
材料的力学概念
七、硬度、回弹性、韧性及疲劳
硬度：表示材料抵抗其他较硬物体压入的能力。
断裂强度越大。
5、结晶形态：球晶越大，断裂强度越大，断裂伸长越 小，材料则逐步转向硬而脆。
第二节 固体高聚物的拉伸行为
第二节 固体高聚物的拉伸行为
断裂伸长率减小。
第二节 固体高聚物的拉伸行为
2、应变速率的影响
速度
第二节 固体高聚物的拉伸行为
随着拉伸速率的提高，高聚物的模量增
加，屈服应力、断裂强度增加，断裂伸长率
减小。增加应变速率与降低温度具有相同的 效果。
第二节 固体高聚物的拉伸行为
3、液体静压力的影响
聚苯乙烯的应力-应变曲线随环境压力的变化（T=31℃）
第二节 固体高聚物的拉伸行为
2、屈服点（Y点） 屈服：指在较大的外力作用下材料发生塑 性形变的行为。 形变特征：试样出现“细颈”现象。 分子运动机理：链段开始运动。 Y点称为“屈服点”， y 屈服应力， y 屈 服伸长。
第二节 固体高聚物的拉伸行为
3、应变软化区（YC段） 应变软化：随应变增大，应力不再增加反 而有所下降的现象。 形变特征：细颈处发生大的形变，直至稳 定。 分子运动机理：由键长键角运动转为链段 运动。
E
G
剪切模量
柔量J：模量的倒数称之为柔量。
第一节
六、强度
材料的力学概念
强度：在一定条件下，材料所能忍受的最大应力。
高分子材料的结构、物理状态及性能PPT(30张)
高分子化合物由低分子化合物通过聚合反应获 得。组成高分子化合物的低分子化合物称作单体。
二、高分子化合物的组成
简单的低分子化合物叫单体。由一种或几种简单的低分子 化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链。大分子链 中的重复结构单元叫链节。链节的重复次数即链节数叫聚合 度。例如：聚氯乙烯分子是由n个氯乙烯分子打开双键，彼此 连接起来形成的大分子链。可用下式表示：
(1) 热塑性塑料：加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却 后即成型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。这类塑料 有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚甲醛、聚碳 酸脂、聚苯醚、聚砜等。这类塑料加工成形简便，具有较高的 机械性能，但耐热性和刚性比较差。
(2) 热固性塑料: 初加热时软化，可塑造成形，但固化后 再加热将不再软化,也不溶于溶剂。这类塑料有酚醛、环氧、氨 基、不饱和聚酯、呋喃和聚硅醚树脂等。它们具有耐热性高， 受压不易变形等优点，但机械性能不好。
不同键接方式对性能 影响很大，头尾键接 强度最高。
三、大分子链的形态
⑴伸直链（又称线型链） 由许多链节组成的长链，通常 是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好， 硬度低，是热塑性材料的典型结构。
⑵带支链 支化型分子链，在主链上带有支链。这类结构 高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。
一、高聚物的三态
线型非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状态： 玻璃态、高弹态和粘流态。在恒定应力下的变形-温度பைடு நூலகம் 线如图所示。Tb为脆化温度，Tg为玻璃化温度，Tf 为粘流 温度，Td为化学分解温度。
玻璃化温度Tg是高聚 物保持玻璃态的最高温度， 可认为是大分子链段开始 运动的最低温度。
一、高聚物的三态
（6）氯纶 难燃、保暖、耐晒、耐磨、弹性好，但是染色性 差，热收缩大，限制了它的应用。
二、高分子化合物的组成
简单的低分子化合物叫单体。由一种或几种简单的低分子 化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链。大分子链 中的重复结构单元叫链节。链节的重复次数即链节数叫聚合 度。例如：聚氯乙烯分子是由n个氯乙烯分子打开双键，彼此 连接起来形成的大分子链。可用下式表示：
(1) 热塑性塑料：加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却 后即成型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。这类塑料 有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚甲醛、聚碳 酸脂、聚苯醚、聚砜等。这类塑料加工成形简便，具有较高的 机械性能，但耐热性和刚性比较差。
(2) 热固性塑料: 初加热时软化，可塑造成形，但固化后 再加热将不再软化,也不溶于溶剂。这类塑料有酚醛、环氧、氨 基、不饱和聚酯、呋喃和聚硅醚树脂等。它们具有耐热性高， 受压不易变形等优点，但机械性能不好。
不同键接方式对性能 影响很大，头尾键接 强度最高。
三、大分子链的形态
⑴伸直链（又称线型链） 由许多链节组成的长链，通常 是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好， 硬度低，是热塑性材料的典型结构。
⑵带支链 支化型分子链，在主链上带有支链。这类结构 高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。
一、高聚物的三态
线型非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状态： 玻璃态、高弹态和粘流态。在恒定应力下的变形-温度பைடு நூலகம் 线如图所示。Tb为脆化温度，Tg为玻璃化温度，Tf 为粘流 温度，Td为化学分解温度。
玻璃化温度Tg是高聚 物保持玻璃态的最高温度， 可认为是大分子链段开始 运动的最低温度。
一、高聚物的三态
（6）氯纶 难燃、保暖、耐晒、耐磨、弹性好，但是染色性 差，热收缩大，限制了它的应用。
《高分子材料性能学》PPT课件
14
八、本课程的学习方法
预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、 高分子物理
学习方法：性能的基本概念——物理本质—— 影响因素——性能指标的工程意义—— 指标的测试与评价
理论联系实际、重视实验
15
八、参考书目
1. 《材料性能学》王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年 2. 《材料性能学》张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年 3. 《高分子物理》何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年 4. 《高分子物理》金日光等主编，化学工业出版社，2007年 5. 《高聚物的力学性能》何平笙编著，中国科学技术大学出版社，
外界作用下的综合反映 影响因素：内因（材料结构），外因（温度等） 性能测试：测试原理、设备、方法
12
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 （6课时） • 高分子材料的高弹性与粘弹性 （5课时） • 高分子材料的断裂 （5课时） • 高分子材料的力学强度 （5课时） • 高分子材料的疲劳性能 （3课时） • 高分子材料的磨损性能 （3课时） • 高分子材料的热、电、磁、光学性能 （15课时） • 高分子材料的老化性能 （4课时）
3
2.橡胶：
天然橡胶
(聚异戊二烯)
合成橡胶
( 顺丁,丁苯,丁腈, 氯丁橡胶)
室温弹性高；形变大（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小， 约105~104Pa。
4
3.纤维
聚酯纤维(涤纶，如PET) 聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶）
腈纶(PAN) 丙纶(PP) 维纶（PVA）
弹性模量较大，约109~1010Pa。 形变小，机械性能随温度变化不大
9
力学性能：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— 变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。
八、本课程的学习方法
预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、 高分子物理
学习方法：性能的基本概念——物理本质—— 影响因素——性能指标的工程意义—— 指标的测试与评价
理论联系实际、重视实验
15
八、参考书目
1. 《材料性能学》王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年 2. 《材料性能学》张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年 3. 《高分子物理》何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年 4. 《高分子物理》金日光等主编，化学工业出版社，2007年 5. 《高聚物的力学性能》何平笙编著，中国科学技术大学出版社，
外界作用下的综合反映 影响因素：内因（材料结构），外因（温度等） 性能测试：测试原理、设备、方法
12
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 （6课时） • 高分子材料的高弹性与粘弹性 （5课时） • 高分子材料的断裂 （5课时） • 高分子材料的力学强度 （5课时） • 高分子材料的疲劳性能 （3课时） • 高分子材料的磨损性能 （3课时） • 高分子材料的热、电、磁、光学性能 （15课时） • 高分子材料的老化性能 （4课时）
3
2.橡胶：
天然橡胶
(聚异戊二烯)
合成橡胶
( 顺丁,丁苯,丁腈, 氯丁橡胶)
室温弹性高；形变大（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小， 约105~104Pa。
4
3.纤维
聚酯纤维(涤纶，如PET) 聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶）
腈纶(PAN) 丙纶(PP) 维纶（PVA）
弹性模量较大，约109~1010Pa。 形变小，机械性能随温度变化不大
9
力学性能：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— 变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。
第一章 3高分子材料的结构特点和力学性能PPT课件
或在单体聚合过程中在二维或三维空间交联形成空间 网络，分子彼此固定。----热稳定性高。酚醛、环氧、 聚脂等树脂的最终产物属此结构。
高分子化合物基本性能（一）
质轻 密度一般在0.9-2.2g/cm3之间，平均约为 铝的1/2，钢的1/5，混凝土的1/3，与木材相近。
比强度高 其强度与表观密度之比接近甚至超 过钢材。---长链型的高分子化合物分子与分子 之间的接触点很多，相互之间的作用力很大； 同时，分子链是蜷曲的，互相纠缠在一起。
非线性弹性的特点
形变量大； 变形完全能恢复，但不是瞬间恢复，需要
一定时间； 时间依赖性；应变随时间而增长，并达到
一个平衡值； 在非线性模式中讨论的是平衡时的应力应
变关系，已无时间依赖性。
非线性弹性的特点
小应变时符合线性弹性,但弹性模量很低, 约为0.1-1MPa。比玻璃态聚合物的弹性 模量低3-4个数量级。
非线性粘性流动
流动特性与聚合物分子结构有关。存在两种现象。 1、粘度随应变速率增大而下降-----假塑性----可逆性。
适用于大多数聚合物溶液。 2、粘度随剪切速率的增大而上升。这种性质称为膨
胀性，也称为剪切稠化 。
粘弹性
高聚物的粘弹性是指高聚物材料不 仅具有弹性材料的一般特性，同时 还具有粘性流体的一些特性 。
材料受到围压力P的作用，形状不变，体 积发生改变。
P
V V0
拉伸变形
F
l0
F
张应变：
1
l l0 l0
l l0
拉伸应力： F / A0
泊松比的定义
材料在伸长或压缩时，伴有横向收缩或膨胀。 横向变形与轴向变形之比定义为泊松比。
2 1
形变性能分类（液体---固体） 线性弹性
高分子化合物基本性能（一）
质轻 密度一般在0.9-2.2g/cm3之间，平均约为 铝的1/2，钢的1/5，混凝土的1/3，与木材相近。
比强度高 其强度与表观密度之比接近甚至超 过钢材。---长链型的高分子化合物分子与分子 之间的接触点很多，相互之间的作用力很大； 同时，分子链是蜷曲的，互相纠缠在一起。
非线性弹性的特点
形变量大； 变形完全能恢复，但不是瞬间恢复，需要
一定时间； 时间依赖性；应变随时间而增长，并达到
一个平衡值； 在非线性模式中讨论的是平衡时的应力应
变关系，已无时间依赖性。
非线性弹性的特点
小应变时符合线性弹性,但弹性模量很低, 约为0.1-1MPa。比玻璃态聚合物的弹性 模量低3-4个数量级。
非线性粘性流动
流动特性与聚合物分子结构有关。存在两种现象。 1、粘度随应变速率增大而下降-----假塑性----可逆性。
适用于大多数聚合物溶液。 2、粘度随剪切速率的增大而上升。这种性质称为膨
胀性，也称为剪切稠化 。
粘弹性
高聚物的粘弹性是指高聚物材料不 仅具有弹性材料的一般特性，同时 还具有粘性流体的一些特性 。
材料受到围压力P的作用，形状不变，体 积发生改变。
P
V V0
拉伸变形
F
l0
F
张应变：
1
l l0 l0
l l0
拉伸应力： F / A0
泊松比的定义
材料在伸长或压缩时，伴有横向收缩或膨胀。 横向变形与轴向变形之比定义为泊松比。
2 1
形变性能分类（液体---固体） 线性弹性
高分子材料——力学性能-(课堂PPT)
Stress
Elongation at yield
Elongation at break
Yield stress
Strain
Ultimate strength
五个重要性质： (1)杨氏模量 (2)屈服强度 (3)抗张强度 (4)断裂伸长率 (5)断裂韧性
18
应力-应变过程的不同阶段
I II III IV
• 若形变时体积不发生变化则有
Aolo Al
• 令:伸长比 • 则有:
A Aolo Ao l 1
l lo l 1
lo
lo
/ F F1 1
A
Ao
31
2-4 真应力-应变曲线及其屈服判据
• 按照定义:屈服点为
d 0 d
d
/ 1
0
d
• 则有:
d 1 2 / 1 1 d / 0
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
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
泊松比 0.25 0.16~0.34 0.33 0.38 0.39 0.49~0.50
7
常用的几种力学强度
• 拉伸强度σt= P/bd （最大负荷/截面积)Mpa 1 Mpa = 9.8 kg/cm2 ≈ 10 kg/cm2
• 弯曲强度 σf = 1.5(Plo/bd) MPa
高分子材料的力学状态
2.2 高分子材料的力学性能
高分子材料的力学性能特点
强度低，比强度高;
高弹性，弹性模量低;
橡胶 — 典型的高弹性材料：弹性变形率为100%～1000%
高耐磨性；
弹性模量仅为～1MPa
塑料的摩擦系数小，有些塑料具有自润滑性能。
具有粘弹性
2.2 高分子材料的力学性能
表2.1 几种材料的机械强度
没有气态； 具有非晶态； 结晶具有不完善性。
2.1 高分子材料的力学状态
线型无定形聚合物的力学三态及其转变
热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意 等速升温
2.1 高分子材料的力学状态
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg ）；
一定拉伸速率和温度22高分子材料的力学性能?应力应变曲线stressstraincurve标准哑铃型试样图23高分子材料三种典型的应力应变曲线22高分子材料的力学性能aae????d??daybyieldingpoint屈服点pointofelasticlimit弹性极限点breakingpoint断裂点a?b?a?y?b?strainsoftening应变软化plasticdeformation塑性形变strainhardening应变硬化??yyond图图24非晶态聚合物的应力应变曲线玻璃态22高分子材料的力学性能22高分子材料的力学性能序号12345类型硬而脆硬而强强而韧软而韧软而弱曲线模量高高高高高高低低低低拉伸强度中中高高高高中中低低断裂伸长率小小中中大大很大中中断裂能小小中中大大大大小小实例pspmma酚醛树脂硬硬pvc增韧eppcabshdpe硫化橡胶软软pvc未硫化橡胶齐聚物软硬
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10
2.1 高分子材料的力学状态
? 结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩 尔平均质量。
不呈现高弹态
呈现高弹态
图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线
11
2.1 高分子材料的力学状态
问题： 交联、网状聚合物是否有粘流态？
Cross-linked 交联
Network（3D） 网状
答案： 不出现粘流态。
（2）力学特征：形变量很大（流动）
形变不可逆
模量极小
（3）Tf与摩尔平均质量有关
9
2.1 高分子材料的力学状态
? 结晶聚合物的力学三态及其转变
? 结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 ? 轻度结晶聚合物
? 晶区起交联点作用。温度? ，非晶区进入高弹态， 整个材料具有韧性和强度。
? 结晶度>40% ? 晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象。
12
2.1 高分子材料的力学状态
? 玻璃化转变现象及Tg的重要性
自由体积?理玻论璃化转变是高聚物的一种普遍现象。
? 发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能： ? T>Tg 时高聚物处于高弹态（弹性体） ? T<Tg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）
? Tg是决定材料使用范围的重要参数： ? Tg 是橡胶的最低使用温度 ? Tg 是塑料的最高使用温度
PMMA 酚醛树脂
增韧EP
PC ABS HDPE
硫化橡胶 未硫化橡胶
软PVC
齐聚物
软~硬：模量 强~弱：拉伸强度 韧~脆：断裂22能
2.2 高分子材料的力学性能
? 高弹性
高弹态聚合物最重要的力学
性能
聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特
的力学性质，又称橡胶弹性。
? 高弹性的特点：
? 弹性模量小；
高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（Tf）
5
2.1 高分子材料的力学状态
Tg
Tf
Td
玻璃态
T<T
g
（1）分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动。
（2）力学特征：形变量小 (0.01 ～ 1%)，模量高 (109 ～ 1010 Pa)。 形变与时间无关，呈普弹性。
（3）常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料。
13
2.2 高分子材料的力学性能
? 表征材料力学性能的基本指标
? 应力-应变
? 弹性模量 - ? 拉伸（杨氏）模量
? 剪切（刚性）模量
? 硬度
? 体积（本体）模量
? 机械强度 - ? 拉伸（抗张）强度 ? 弯曲强度 ? 冲击强度
14
2.2 高分子材料的力学性能
? 应力-应变
? 应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时其 几何形状和尺寸所发生的变化。
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
8
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa ；HDPE: 200 MPa ；PS:2500 MPa
? 形变量很大；
形变量一般～ 500%，可达 1000%。普通金属材料的形
变量＜ 1％
23
2.2 高分子材料的力学性能
? 温度升高，弹性模量增大 ； 温度? ，链段运动加剧，回缩力 ? ，维持相同形变所需
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变? 压缩应变
F
F
扭转
17
2.2 高分子材料的力学性能
? 应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
电子万能材料试验机
18
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
19
2.2 高分子材料的力学性能
Point of elastic limit 弹性极限点
Yielding point 屈服点
Breaking point 断裂点
Strain softening 应变软化 B
?B ?Y
Y
N
D
?A A
plastic deformation
塑性形变
Strain hardening 应变硬化
E ? D? ? ? A
D? ? A
O ? A ?y
?B
图2.4 非晶态聚合物的应力 -应变曲线（玻璃态）
20
2.2 高分子材料的力学性能
21
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低Байду номын сангаас
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
实例
PS
硬PVC
的作用力 ? ? 抵抗变形的能力升高。
? 高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性
高弹形变时分子运动需要时间
材料
外力作
用 发生形变
材料欲保持原
状
产生附加内力
外力卸载
内力使形变回复并自行逐步消除
? 应力：单位面积上的内力。
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2.2 高分子材料的力学性能
? 材料受力方式的基本类型
F
A0
A
A0
l0 l F
F Dl
F ?
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
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2.2 高分子材料的力学性能
1
2.1 高分子材料的力学状态
? 物质的物理状态
相态 凝胶态
热力学概念 动力学概念
凝胶态
力学状态
? 根据物质对外场（外部作用）特别是外力场 的响应特性划分。
? 按物质力学性能随温度变化的特性划分。
2
2.1 高分子材料的力学状态
? 物质的力学三态
气态 液态 固态
温度增加
? 聚合物力学状态具有特殊性。原因：
6
高弹态
Tg ～Tf
（1）分子运动机制：链段 “解冻”，可以运动 形变量大， 100-1000 ﹪
（2）力学特征： 模量小， 105-107Pa 形变可逆，一个松弛 过程
（3）常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料 。 7
分子运动特点之一：时间依赖性
物质从一种平衡状态
外场作用下 通过分子运动
与外界条件相适 应的另一种平衡状态
? 没有气态； ? 具有非晶态； ? 结晶具有不完善性。
3
2.1 高分子材料的力学状态
? 线型无定形聚合物的力学三态及其转变
热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意 等速升温
4
2.1 高分子材料的力学状态
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
?线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 ? 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg ）；
2.1 高分子材料的力学状态
? 结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩 尔平均质量。
不呈现高弹态
呈现高弹态
图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线
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2.1 高分子材料的力学状态
问题： 交联、网状聚合物是否有粘流态？
Cross-linked 交联
Network（3D） 网状
答案： 不出现粘流态。
（2）力学特征：形变量很大（流动）
形变不可逆
模量极小
（3）Tf与摩尔平均质量有关
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2.1 高分子材料的力学状态
? 结晶聚合物的力学三态及其转变
? 结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 ? 轻度结晶聚合物
? 晶区起交联点作用。温度? ，非晶区进入高弹态， 整个材料具有韧性和强度。
? 结晶度>40% ? 晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象。
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2.1 高分子材料的力学状态
? 玻璃化转变现象及Tg的重要性
自由体积?理玻论璃化转变是高聚物的一种普遍现象。
? 发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能： ? T>Tg 时高聚物处于高弹态（弹性体） ? T<Tg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）
? Tg是决定材料使用范围的重要参数： ? Tg 是橡胶的最低使用温度 ? Tg 是塑料的最高使用温度
PMMA 酚醛树脂
增韧EP
PC ABS HDPE
硫化橡胶 未硫化橡胶
软PVC
齐聚物
软~硬：模量 强~弱：拉伸强度 韧~脆：断裂22能
2.2 高分子材料的力学性能
? 高弹性
高弹态聚合物最重要的力学
性能
聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特
的力学性质，又称橡胶弹性。
? 高弹性的特点：
? 弹性模量小；
高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（Tf）
5
2.1 高分子材料的力学状态
Tg
Tf
Td
玻璃态
T<T
g
（1）分子运动机制：键长、键角的改变或支链、侧基的运动。
（2）力学特征：形变量小 (0.01 ～ 1%)，模量高 (109 ～ 1010 Pa)。 形变与时间无关，呈普弹性。
（3）常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料。
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2.2 高分子材料的力学性能
? 表征材料力学性能的基本指标
? 应力-应变
? 弹性模量 - ? 拉伸（杨氏）模量
? 剪切（刚性）模量
? 硬度
? 体积（本体）模量
? 机械强度 - ? 拉伸（抗张）强度 ? 弯曲强度 ? 冲击强度
14
2.2 高分子材料的力学性能
? 应力-应变
? 应变（形变）：外力作用而不产生惯性移动时其 几何形状和尺寸所发生的变化。
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
8
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
橡胶: 0.2-8 MPa 钢：20000 MPa ；HDPE: 200 MPa ；PS:2500 MPa
? 形变量很大；
形变量一般～ 500%，可达 1000%。普通金属材料的形
变量＜ 1％
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2.2 高分子材料的力学性能
? 温度升高，弹性模量增大 ； 温度? ，链段运动加剧，回缩力 ? ，维持相同形变所需
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变? 压缩应变
F
F
扭转
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2.2 高分子材料的力学性能
? 应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
电子万能材料试验机
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2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
19
2.2 高分子材料的力学性能
Point of elastic limit 弹性极限点
Yielding point 屈服点
Breaking point 断裂点
Strain softening 应变软化 B
?B ?Y
Y
N
D
?A A
plastic deformation
塑性形变
Strain hardening 应变硬化
E ? D? ? ? A
D? ? A
O ? A ?y
?B
图2.4 非晶态聚合物的应力 -应变曲线（玻璃态）
20
2.2 高分子材料的力学性能
21
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低Байду номын сангаас
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
实例
PS
硬PVC
的作用力 ? ? 抵抗变形的能力升高。
? 高弹形变有时间依赖性，具有力学松弛特性
高弹形变时分子运动需要时间
材料
外力作
用 发生形变
材料欲保持原
状
产生附加内力
外力卸载
内力使形变回复并自行逐步消除
? 应力：单位面积上的内力。
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2.2 高分子材料的力学性能
? 材料受力方式的基本类型
F
A0
A
A0
l0 l F
F Dl
F ?
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
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2.2 高分子材料的力学性能
1
2.1 高分子材料的力学状态
? 物质的物理状态
相态 凝胶态
热力学概念 动力学概念
凝胶态
力学状态
? 根据物质对外场（外部作用）特别是外力场 的响应特性划分。
? 按物质力学性能随温度变化的特性划分。
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2.1 高分子材料的力学状态
? 物质的力学三态
气态 液态 固态
温度增加
? 聚合物力学状态具有特殊性。原因：
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高弹态
Tg ～Tf
（1）分子运动机制：链段 “解冻”，可以运动 形变量大， 100-1000 ﹪
（2）力学特征： 模量小， 105-107Pa 形变可逆，一个松弛 过程
（3）常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料 。 7
分子运动特点之一：时间依赖性
物质从一种平衡状态
外场作用下 通过分子运动
与外界条件相适 应的另一种平衡状态
? 没有气态； ? 具有非晶态； ? 结晶具有不完善性。
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2.1 高分子材料的力学状态
? 线型无定形聚合物的力学三态及其转变
热机械曲线（形变-温度曲线）实验示意 等速升温
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2.1 高分子材料的力学状态
图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线
?线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态 ? 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃化转变温（Tg ）；