5力学分析

高分子材料分析
•B点－－断裂点, σb–-断裂强度（即拉伸断裂强度或抗拉断裂强度） εb --断裂应变（断裂伸长率）
判断材料强与弱的指标—断裂强度 判断材料刚与软的指标—弹性模量 凡是能出现屈服点、断裂强度高、断裂伸长率大的材料一般 具有良好的韧性。
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高聚物固体材料的品种很多，它们的应力-应变行为差别很大， 大致可分为4类。
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第五篇 力学性能分析
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第十三章 力学性能分析
13.1 表征力学性能的基本物理量 13.2 高聚物的拉伸应力－应变曲线 13.3 影响高聚物强度和韧性的因素
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14.1 表征高分子材料力学性能的基本物理量
强度是衡量材料抵抗外力破坏的能力的量度，表征了材料 的受力极限。 高分子材料常用的力学强度试验包括拉伸、弯曲、冲击、 疲劳、硬度等。
主链含有芳杂环的高聚物，其强度和模量都比脂肪族主链的 高，新型的工程塑料大多是主链含芳杂环的。
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• 相对分子质量的影响
相对分子质量较低时，断裂强度随相对分子质量的增加 而提高； 相对分子质量较高时，强度对相对分子质量的依赖性逐渐 减弱； 相对分子质量足够高时，强度实际上与相对分子质量无关。
弯曲 强度
3l0 f max f 2 2bdfl Et 4bdFra bibliotek3 0 3
弯曲 模量
挠度
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万能材料试验机
高分子材料分析 (3) 高聚物的冲击韧性（冲击强度）
冲击试验是使材料在冲击作用力下折断。通常把折断时截面吸 收的能量定义为材料的冲击韧性（impact toughness)，它是评价 材料韧性的一项指标。 冲击试验主要有： •弯曲梁式（摆锤式）冲击 －－通过重锤摆动冲击标准试样，测定摆锤冲断试样所消耗 的功。 •落锤式冲击 －－是使球形或标形重物从一定高度自由下落到片状试样上， 根据重物的质量和刚好使试样产生裂痕或破坏时的临界 下落高度，计算使试样破坏的能量。 •高速拉伸试验 －－在高速拉伸试验中，拉断试样所做的功与受冲击破坏时试 样吸收的能量相当。
拉伸强度与压缩强度的相对大小同材料的性质有关，一般 来说，韧性材料的拉伸强度大，脆性材料的压缩强度较大。
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(2) 弯曲强度：
材料的弯曲试验是在规定的条件下对标准试样施加一弯曲力 矩，使试样折断。弯曲强度(bending strength)又称挠曲强度， 定义为试样折断前承受的最大应力。小形变时的弹性模量称 为弯曲模量（flexural modulus)。 弯曲强度和弯曲模量的计算：
max
l断－l0 100% l0
在小形变时应力与应变的关系服从虎克定律，杨氏模量可由 拉伸初始阶段的应力－应变曲线线性段的斜率求出。如果拉 伸应力增量为Δf 时长度增量为Δl ，则模量
f / b d E l / l0
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如果向试样施加单向压缩力，则可根据试样所承受的最大 压缩力与压缩曲线测定压缩强度与压缩模量。
d L E＝ d L
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•Y点－－屈服点, σY –屈服应力（屈服强度），εY --屈服应变。 σ>σL 时，应力－应变之间偏离线性关系。 应力增大到曲线上的极大值Y点时，出现应变增加而应力不变 或应力先下降后不变的现象。这一现象－－材料的屈服。 Y点把整个应力-应变曲线分为两部分 （1）在Y点之前，为弹性区，材料在除去应力后，形变可完全 回复，不留任何永久形变。 （2）在Y点之后，出现塑性行为，称为塑性区，材料在除去应 力后，留有永久形变。
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冲击强度的单位：
无缺口试样－－单位断口面积吸收的能量－－J/m2 ；
有缺口试样－－单位断口厚度吸收的能量－－ J/m 。
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摆锤冲击仪
高分子材料分析 (4) 硬度 是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。 硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有。 维氏硬度 洛氏硬度 布氏硬度 球压痕硬度 显微硬度
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13.2.2 温度和应变速率对高聚物拉伸应力－应变行为的影响
(1) 温度 由于高聚物具有突出的粘弹性，其应力-应变行为受温度、 应变速率的影响很大。 有机玻璃在室温附近几十度温度范围 内的应力－应变曲线表明： 随温度升高，有机玻璃的模量、屈服 强度和断裂强度下降，断裂伸长率增 加。 4℃ 时，有机玻璃是典型的刚而脆的 材料， 60℃时，有机玻璃是典型的刚而韧的 材料。
应变ε = Δl/ l0
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从应力－应变曲线上可获得多个物理量： •弹性模量， •屈服强度和屈服应变， •断裂强度和断裂应变、断裂能等。
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三个特征点：A、Y、B
•A点--弹性极限点，对应的应力－－比例极限σL σ<σL 时，应力－应变呈线性关系， 比例系数（直线的斜率）就是材料的弹性模量E。
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13.2 高聚物的拉伸应力－应变曲线
13.2.1 高聚物拉伸应力－应变曲线的类型 高聚物的应力－应变试验是研究高聚物形变与断裂中应用最 广泛的一种力学试验，通常在拉力下进行。 试样沿纵轴方向以均匀的速率被拉伸，直到断裂为止。 试验时，测量加于试样上的载荷和相应标线间长度的改变 Δl=l-l0。 如果试样的初始截面积为A0 ，标距的原长为l0， 那么 应力σ =F/A
(a)刚而脆，模量高、抗拉强度大、没有屈服点、断裂伸长率<2%。
(b)刚而强，模量高、抗拉强度大、断裂伸长率可达5%。
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(c)软而韧，模量低、屈服点低或者没有明显的屈服点、伸长率大 （20%-1000%）、断裂强度较高。
(d)刚而韧，模量高、没有明显的屈服，屈服强度和抗拉强度都高， 断裂伸长率较大。
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•交联的影响 适度的交联可有效地增加分子链间的作用力，使用高 聚物材料的断裂强度提高。 •凝聚态结构的影响
结晶、添加剂等
•受力环境的影响
高分子材料分析 本章要点：
1、高分子材料的力学强度包括哪些？
2、会分析拉伸应力-应变曲线，通过曲线会计算拉伸强度、
弹性模量、屈服强度、断裂伸长率、断裂强度等。
温度对有机玻璃拉伸应力－应变 行为的影响
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(2) 应变速率 高聚物材料的应力－应变曲线与应变速率有关。 拉伸速率一般为0.25-500mm/min。 应变速率增加时高聚物的抗拉强度和模量也增加，对于刚性 高聚物和一些橡胶，其断裂伸长通常随拉伸速率的增大而减 小。
应变速率对PMMA的应力－应变 行为的影响 1－5.2mm/min； 2－20.2mm/min； 3－30.6mm/min； 4－32.5mm/min
高分子材料分析 13.3 影响高聚物强度和韧性的因素 • 化学结构的影响 高聚物的强度来源于主链化学键和分子间的相互作用力， 所以增加高分子的极性或产生氢键都可以使材料强度提高。 PE拉伸强度15MP PVC拉伸强度50MP（有极性） 尼龙610拉伸强度60MP（有氢键）
极性基团或氢键的密度越大，强度越高。 尼龙66拉伸强度80MP（氢键密度大）
高分子材料分析 (1) 拉伸强度和压缩强度： 在规定的温度、湿度和拉伸速度下，在标准试样上沿轴向施 加拉伸力，直到使试样拉断。 拉伸强度(tensile strength)：试样断裂前所承受的最大拉伸 力与试样截面积的比值。
f max b bd
试样宽度 试样厚度
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拉伸断裂时的断裂伸长率(elongation)，定义为拉伸方向的 长度增量即拉伸应变在断裂时的百分率。
3 、通过应力-应变曲线能够判定材料的类型。
4、如何评价材料的冲击韧性？