蠕变、应力松弛、滞后和内耗讲解共33页文档
高分子材料的力学状态.pptx
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）
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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
（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
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
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
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
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）
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2.2 高分子材料的力学性能
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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
6.6 蠕变及应力松弛试验
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试验操作
测量试样； 测量试样； 夹持试样； 夹持试样； 预加载试样； 预加载试样； 连续加载试样； 连续加载试样； 夹具的移动速度为 （5 ±1） mm/min； ） ； 测定蠕变极限强度
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结果处理
应变与时间的关系，绘出应变 的关系曲线 在此曲线上， 的关系曲线。 应变与时间的关系，绘出应变—的关系曲线。在此曲线上， 截取某一规定时间， 或其他时间， 截取某一规定时间，如1000h或其他时间，求得应力和相 或其他时间 对应的蠕变应变。 对应的蠕变应变。
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试验操作
先将试样连同夹具一起置于恒温箱中， 先将试样连同夹具一起置于恒温箱中，保持足够时间使试 样达到温度平衡，然后在一定时间内（ ） 样达到温度平衡，然后在一定时间内（6s）向试样施加一 定外力，使试样达到约20%的压缩变形。 的压缩变形。 定外力，使试样达到约 的压缩变形 加力必须均衡、稳步进行，防止冲击式地加力， 加力必须均衡、稳步进行，防止冲击式地加力，所施加的 力在整个试验过程中必须恒定不变，精度为± 力在整个试验过程中必须恒定不变，精度为±1% 。 加力后在内测初始变形，以后在规定时间间隔内测量变形， 加力后在内测初始变形，以后在规定时间间隔内测量变形， 一般时间间隔为100、1000、10000min；或1、2、4、7d， 一般时间间隔为 、 、 ； 、 、 、 ， 从而计算其蠕变值，蠕变测量的精度要求为± 从而计算其蠕变值，蠕变测量的精度要求为±0.1% 。
在恒定形变下应力随时间的衰减过程 拉伸一块未交联的橡胶到一定长度，并保持长度不变， 拉伸一块未交联的橡胶到一定长度，并保持长度不变， 随着时间的增长， 随着时间的增长，这块橡胶的回弹力会逐渐减小
原因？ 原因？
高聚物一开始被拉长时，其中分子处于不平衡的构象， 高聚物一开始被拉长时，其中分子处于不平衡的构象， 要逐渐过渡到平衡的构象， 要逐渐过渡到平衡的构象，也就是链段顺着外力的方向 运动以减少或消除内部应力
第六节-蠕变及应力松弛试验
和应力松弛就愈明显
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高分子材料分析与性能测试
第八节 疲劳试验
• 一块塑料片或细铁丝经过多次的弯折后会折断，这就 是材料的疲劳过程。
• 所有材料无论是合成的还是天然的都会受到疲劳现象 的影响。
• 80 ％～90 ％的设备使用损坏都是由疲劳引起的。
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高分子材料分析与性能测试
一、概念
• 疲劳试验分为拉压、弯曲、扭转、冲击、组合应力 等试验方法 。
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高分子材料分析与性能测试
杠杆式拉伸应力松弛仪
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高分子材料分析与性能测试
工作原理
• 平衡重锤 1 的重量和位置是固定的，由可移动重锤 2 的 位置来调节，通过载荷杆 4 加在试样上的负荷。
• 在初始时间 t0 时，快速施加一负荷，即可移动重锤 2 达 某一位置，使试样产生一定的形变和初始的应力，且使 杠杆支点“ o ”两边的力矩相平衡，此时触点开关 3 为 开启状态。
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高分子材料分析与性能测试
• 变形测量系统：在加载后，能随着加载时间的增加而 自动连续地侧定试样的形变。精度一般要求达到测定 形变的士 1 ％。
• 加热系统：温度和湿度的控制装置，采用恒温恒湿箱。 能自动连续地记录箱内温度和湿度的装置。
• 夹具：要求保证加载轴线与试样纵向轴线相重合，升 高载荷时，试样和夹具不允许有任何位移。
• 测试标准 GB 11546－1989
• 1．试验设备试验
• 加载荷系统：恒载荷和变载荷装置
• 形变小的材料，采用恒载荷装置；
• 形变较大的材料，由于试样的横截 面积变化较大，因此其应力变化也 大，为了保持其应力恒定，应采用 变载荷的加载装置。
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高分子材料分析与性能测试
蠕变、应力松弛、滞后和内耗讲解
b.温度：当不变的情况下,T很高滞后几乎不出现,温 度很低,也无滞后.在Tg附近的温度下，链段既可运动 又不太容易，此刻滞后现象严重。
c. : 外力作用频率低时,链段的运动跟的上外力 的 变化,滞后现象很小.
外力作用频率不太高时,链段可以运动,但是跟不上外 力的变化,表现出明显的滞后现象. 外力作用频率很高时,链段根本来不及运动,聚合 物好像一块刚性的材料,滞后很小
蠕变、应力松弛、滞后和内耗
弹
– 由于物体的弹性作用使之射出去。
弹簧 – 利用材料的弹性作用制得的零件，在外力 作用下能发生形变（伸长、缩短、弯曲、扭转 等），除去外力后又恢复原状。
粘
– 同黏：象糨糊或胶水等所具有的、能使 一个物质附着在另一个物体上的性质。
理想弹性固体
受到外力作用形变很小，符合胡克定律 ＝E
图3 理想粘性流动蠕变
当聚合物受力时，以上三种形变同时发生聚合 物的总形变方程:
1
2 + 3
1
t1 t2
2 3
t
( t ) 1 2 3 -t
(1 e ) t E1 E2 3
•加力瞬间，键长、键角立即产生形变，形变直线 上升 •通过链段运动，构象变化，使形变增大 •分子链之间发生质心位移
一般认为，在小变形下，或低变形速率下，
高分子材料主要表现线性粘弹性
力学松弛或粘弹现象
聚合物的力学性质随时间变化的现象，叫力学松弛或 粘弹现象。
蠕变:固定和T, 随t增加而逐渐 增大
静态的粘弹性 （粘弹性） 力学松弛 动态粘弹性
(交变应力或 应变)
(恒定应力或应变)
蠕变和应力松弛的概念
蠕变和应力松弛的概念1. 嘿，你知道蠕变是啥不？蠕变啊，就像是一个偷懒的小虫子，慢慢地往前挪。
我给你说啊，就像那老房子的木头梁，时间久了，虽然没什么特别大的压力在上面，可它自己就慢慢地变形了，这就是蠕变。
它是材料在恒定应力作用下，随着时间的推移而发生的缓慢而持续的变形呢。
你可别小瞧这蠕变，有时候它就像个隐藏的小恶魔，悄悄地改变着东西的形状，等你发现的时候，可能就已经晚啦。
2. 应力松弛呢，这概念有点意思。
想象一下，你手里紧紧握着一个气球，刚握的时候气球被你捏得紧紧的，可过了一会儿呢，你感觉手没那么累了，气球好像也没那么紧了。
这就是应力松弛在搞鬼。
应力松弛就是在应变保持不变的情况下，应力随着时间的推移而逐渐减小的现象。
就像那根扎头发的皮筋，刚扎上的时候紧紧的，过段时间就松了，真让人有点小烦恼呢。
3. 蠕变这个东西啊，就像是一个慢性子的家伙。
比如说那铁轨，火车每天在上面跑来跑去，虽然每一次的压力都不是那种能一下子把铁轨压垮的程度，但是随着时间一天天过去，铁轨就会慢慢发生变形。
这就好比一个人每天吃一点点垃圾食品，短时间内看不出啥问题，但是时间长了，身体就会像铁轨一样，慢慢出现毛病。
哎呀，这蠕变还真是个不容易被发现的捣蛋鬼呢。
4. 应力松弛啊，就像一场力量的悄悄撤退。
你看那拧紧的螺丝，刚拧紧的时候，它紧紧地把两个东西固定在一起，应力可大了。
可是过了一段时间呢，你再去看，可能就没那么紧了。
这就像两个人刚开始热情似火地拥抱，抱得紧紧的，但是随着时间，那种紧紧的力量就没那么强烈了。
这应力松弛有时候真的很让人生气，好好的东西就因为它变得不那么牢固了。
5. 咱们再来说说蠕变吧。
你有没有见过那种老的塑料水管，用了很多年之后，它就变得弯弯扭扭的了。
这就是蠕变在起作用呢。
蠕变就像是一个无声的破坏者，在材料里面悄悄地搞破坏。
材料在恒定的应力下，就像一个一直被人轻轻推着的小车，虽然每次推的力量不大，但是时间长了，小车就偏离原来的位置了，这多可怕呀。
材料在高温下的力学性能（蠕变、松弛）
材料在高温下的力学性能（蠕变、松弛）第7章材料在高温下的力学性能7.1 材料在高温下力学性能的特点有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。
材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。
首先，材料在高温将发生蠕变现象。
即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。
这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。
载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。
粗略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T>0.3-0.4TM ；(TM为材料的熔点以绝对温度K计)；对陶瓷约为T>0.4-0.5TM ；对高分子材料为T>Tg，Tg为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生蠕变。
由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。
而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。
除非试验时加载的应变速率非常高。
材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。
应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。
和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。
一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。
另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。
材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。
第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。
第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。
材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。
而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。
这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。
力学松弛-粘弹性
• 动态扭摆仪
• 扭摆测量原理：
由于试样内部高 分子的内摩擦作 用，使得惯性体 的振动受到阻尼 后逐渐衰减，振 幅随时间增加而 减小。
3-7 粘弹性模型
• 弹簧能很好地描述理想弹性体力学行为
（虎克定律）
• 粘壶能很好地描述理想粘性流体力学行
为（牛顿流动定律）
• 高聚物的粘弹性可以通过弹簧和粘壶的
• 这种由于力学滞后而
使机械功转换成热的 现象，称为力学损耗 或内耗。
• 以应力～应变关系作
图时，所得的曲线在 施加几次交变应力后 就封闭成环，称为滞 后环或滞后圈，此圈 越大，力学损耗越大
拉伸曲线 回缩曲线
• 例1：对于作轮胎的橡胶，则希望它有最小
的力学损耗才好
• 顺丁胶：内耗小，结构简单，没有侧基，
起始部分，要观察到全部曲线要几个 月甚至几年
• 如果 Tg 时作实验，只能看到蠕变
的最后部分
• 在 Tg 附近作试验可在较短的时间内
观察到全部曲线
• 交联高聚物的蠕变
无粘性流动部分
• 晶态高聚物的蠕变
不仅与温度有关，而且由于再结晶等 情况，使蠕变比预期的要大
• ⑺应用
各种高聚物在室温时的蠕变现象很不相同， 了解这种差别对于系列实际应用十分重要
（ ％）
2.0
8
7
1——PSF
6
2——聚苯醚
1.5
5
3——PC
4
3
4——改性聚苯醚
1.0
2
5——ABS（耐热）
0.5
1
6——POM
1000 2000
t 小时
7——尼龙 8——ABS
23℃时几种高聚物蠕变性能
蠕变及应力松弛试验
• 当试样发生应力松弛时，弹簧片逐渐回复原状，利 用差动变压器或应变电阻侧定弹簧片的回复形变， 然后换算成应力，即可测出高聚物试样的应力松弛 情况。
• CD 段，称为黏性流变，这是由于分子链之间产生了相 对滑动引起的形变，这种形变是会随时间无限发展的， 并且是不可逆形变。 • DE 段，为永久形变，由于黏性流动的不可逆形变造成 的。
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高分子材料分析与性能测试
蠕变的结果表示
• 蠕变应力：试样在加载后单位横截面上所承受的力
• 蠕变应变：试样在承受外力后单位长度的形变 • 蠕变模量：把蠕变应力与蟠变应变之比 • 在规定的温度和湿度下，在规定的时间内导致试验达 到规定的形变（应变）或导致试样断裂的应力称为蠕 变极限强度，用σt来表示。 • 蠕变断裂时间：从加满载荷时起，直至试样断裂时所 经过的时间称为，用τ来表示。
蠕变及应力松弛试验
• 一条已架设的硬聚氯乙烯管线，随着时间的增加它会 弯曲变形；一件经常挂在墙上的雨衣，由于它本身的 自重也会使它沿着悬挂方向变形。这些现象都认为是 材料的蠕变现象。 • 将一条橡皮拉伸到一定长度并使之固定起来，橡皮同 部会产生与所加外力大小相等方向相反的应力（弹 力），这种弹力会随着时间的延长而逐渐减小，慢慢 地松弛下来，这就是应力松弛。 • 蠕变现象是在恒定应力下形变随时间的发展过程； • 应力松弛是在恒定形变下应力随时间的衰减过程。 • 蠕变和应力松弛现象严重，意味着高聚物制品的尺寸 不稳定。
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高分子材料分析与性能测试
应力松弛仪示意图
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高分子材料分析与性能测试
工作原理
• 利用模量比试样的模量大得多的弹簧片，通过弹簧 片的形变来检测高聚物试样被拉伸时的应力松弛。 • 试样臵于恒温箱中，并且同弹簧片相连，当试样被 拉杆拉长时，弹簧片同时向下弯曲，试样拉伸应变 的大小由拉杆调节。 • 拉伸力为弹簧片的弹性力，通过差动变压器或应变 电阻测定弹簧片的形变量来确定。