关于塑料的物理性能和力学机械性能讨论

关于塑料的物理性能和力学（机械）性能讨论咱们在日常阅读资料或与客户交流时，最经常使用的是碰着塑料的物理力学性能或物理机械性能，通常而言，大伙儿以为塑料的物理力学性能是一个概念，可能是指的其力学性能多一些。

但是，塑料的物理性能和力学性能是有严格概念并有严格区分的。

本文提出自己整理的一些概念和自己的一些明白得，希望大伙儿能够提出意见并进行讨论。

第一部份：塑料的物理性能(Physical Properties)物理性能和术语（Physical Properties and Terminology)(1) 密度，Density任何材料的密度是指材料单位体积内的质量。

2）比重，Specific Gravity比重是一个材料的密度除以水的密度。

3）吸水率，Water Absorption吸水率是材料由于吸收水分而增加的重量百分比。

4）模塑收缩率 Mold Shrinkage模塑收缩率是模塑后制品尺寸相对模具尺寸的减少比率。

5）不透明度/透明度 Opacity/Transparency通常以雾度和透光率来表示。

6）弹性，Elasticity弹性是材料形变后回到其初始尺寸和形状的能力。

大多数塑料的弹性有限。

橡胶和热塑性弹性体具有优良的弹性。

7）塑性， Plasticity塑性与弹性相反。

材料维持其形变的尺寸和形状即具有塑性。

塑料在超过其屈服点后通常表现出塑性。

8）延展性（延性），Ductility大体概念1）应力材料受到外力后所产生的抗击力。

关于任一受力面的任一点P上的应力S，分解为两个部份，一个垂直于受力面，称之为正应力σ，另一个平行于受力面，称之为剪应力，τ。

2）正应力正应力是施加的载荷与试样初始截面积的比值。

σ=F/A3）正应变应变是材料变形的量度，是一个无量纲的量。

应变=试样长度的转变/试样的初始长度ε=ΔL/L图片:图片:4）弹性模量，Modulus of Elasticity弹性模量又称为杨氏模量，在塑料工业中又称为拉伸模量。

E=σ/ε。

模量为应力-应变曲线上的初始斜率。

可是应该注意的一点是并非每一种弹性材料都要符合上述的虎克定律。

一种应力与应变不成比例的材料也能够在外力去除后回到其初始形状。

可是，若是一种材料复合虎克定律，那它必然是一种弹性材料。

关于许多塑料材料，在应力-应变曲线上找出直线部份的难度超级大，常常是一发觉直线部份即被以为是即可取得模量，通过这种方式取得的模量称之为“初始模量”。

关于一些塑料材料，初始模量常常引发人们的误解，因为这种材料表现出了非线性弹性。

出于这种考虑，一些供给商提供了1%正割模量作为这种材料的模量的一个专门好描述。

关于材料设计人员，必需要对材料供给商提供的数据表予以警戒，以区分是何种模量、杨氏模量、初始模量或是正割模量。

上图给出了一组应力-应变的关系示用意，图中各点的含义将在下面注意介绍。

A、比例极限，Proportional Limit关于一些材料，在其应力-应变曲线上的一些点，其斜率开始发生转变，直线部份终止了。

比例极限是一个最大的应力，在此处材料能够经受施加的载荷，而不发生应力与应变不成比例的现象。

B、屈服点，Yield Point屈服点是工程应力-应变曲线被骗应变开始增加而应力却不增加的起始点，曲线在此点的斜率为0，注意一些材料没有屈服点。

C、极限强度，Ultimate Strength极限强度是材料在载荷施加后的最大应力。

D、弹性极限，Elastic Limit弹性极限表示在应力-应变曲线上，若是载荷排除，那么材料将发生永久形变的起始点。

E、正割模量，Secant Modulus应力-应变曲线上的任一点，应力与应变的比值。

如图中，E的正割模量为直线OE的斜率。

F、屈服强度，Yield Strength屈服点处的应力X、断裂强度，Breaking Strength应力-应变曲线上断裂点处的强度。

图片:5）泊松比，Poisson’s Ratio在张应力载荷下，材料的纵向应变成ε=ΔL/L横向应变成εlateral=-Δb/b=-Δd/d假定材料形变出于弹性范围，那么横向应变与纵向应变的比值老是为常数。

那个比值成为泊松比。

采纳希腊字母ν表示。

ν=横向应变/纵向应变。

关于许多工程材料而言，ν值介于之间。

泊松比关于应力和形变分析而言是一个必要的常数。

图片:6）剪切应力，Shear Stress当材料表面受到一对大小相等、而方向相反的力作历时，就受到了剪切。

剪切应力τ=剪切力/经受剪切的面积=Q/Aγ，剪切应变7）剪切模量, Shear Modulus关于符合虎克定律的材料，剪切应变与剪切应力成正比。

因此τ/γ=GG，称之为剪切模量，或刚性模量，以与正应力所致使的弹性模量进行对照。

图片:2. 材料常数之间的关联假定材料是线性弹性、均匀和各向同性，三个材料参数E G ν之间存在如下关系E=2G(1+ν)那个关系关于大多数金属和注塑的热塑性塑料都是适用的。

可是，材料设计人员必需时刻牢记有一些塑料具有非线性和各向异性的本性，尤其是纤维增强和液晶材料。

1）真应力尽管并非经常使用，但“真应力和应变”的概念也并非无用。

如下图，正应力的计算是基于慢慢增加的载荷施加于恒定面积的受力面上。

这种形式的正应力，通常被称为“工程应力”。

事实上，在受力进程中，大多数材料的截面积A并非是恒定的。

截面积发生缩小，变成A’，以A’为基础计算取得的应力通常称为“真应力”。

与此类似，应变也有“工程应变”和“真应变”之分。

因此，真实的应力-应变曲线将与“工程应力-工程应变”是不同的。

可是，通常，咱们目前所采纳的模量值和应力-应变曲线都是基于工程应力-应变的。

图片:3. 其他的强度和模量关于许多被假定为线性弹性、均匀和各向同性的工程材料，拉伸和紧缩性能能够被以为是相同的。

如此就排除测量紧缩性能的必要性。

另外，若是拉伸和紧缩性能是相同的，那就没有必要去测量弯曲性能。

但是，考虑很多塑料都是非线性弹性和各向异性的特性，这些性能，尤其是挠曲性能，常常在产品数据表中表现出来。

1）紧缩强度和模量由于拉伸实验简单易行，人们常常进行材料的弹性模量的测量，并报导出一个拉伸的值。

材料也能够经受紧缩，关于设计人员而言，紧缩载荷下的应力-应变曲线通常也是必需的。

关于大多数在低应力下的弹性材料，拉伸和紧缩载荷下的应力-应变曲线几乎是相同的，如下图。

可是在高应力状态下，紧缩应变相遇拉伸应变。

与拉伸载荷不同，紧缩应力产生缓慢的、不确信的屈服，很少致使断裂。

因此，紧缩强度通常表示为一个标准试样形变到某一应变时所需的应力。

紧缩弹性模量通常并非老是予以报导出来，因为报导在一个应变下的应力就等同于报导了一个正割模量。

可是，若是给出了紧缩弹性模量，那么那个值一般是一个初始模量。

2）弯曲强度和模量弯曲强度能够采纳上图加以测量。

弯曲应力σ=3FL/2bh2，弯曲模量E=FL3/4bh3Y，Y是弯曲点的挠度4 力学性能的速度依托性产品手册里的拉伸和弯曲数据一般是在特定位移速度条件下测量而取得的。

可是这种位移速度很少与实际应用负载环境下的速度相符。

一样的塑料材料，在不同的速度条件下，其应力-应变曲线是不同的。

因此，设计人员必需要了解特殊条件的载荷速度和相应的数据。

通常这些数据很宝贵到。

因此进行实际应用条件下的性能测试是时刻需要牢记的一点。

图片:图片:5 力学性能与时刻的关系以上所讨论的力学性能，涉及的是一种慢慢施加的、短时间的载荷。

接下来咱们要讨论的是载荷是与时刻有关的，包括长期载荷和极短时刻的载荷。

关于高性能的热塑性塑料，蠕变、冲击、疲劳等性能是需要紧密关注的。

但是存在的一个问题是实验室内测试的数据远不能直接用于评估实际的制品在应用环境中所产生的结构响应。

1）蠕变当材料受到一给定的负载时，如形变持续增加而载荷或应力却未增加，那么咱们就以为材料发生了蠕变。

因此蠕变能够概念为在恒定应力存在的条件下，应变随时刻增加的现象。

材料的蠕变速度取决于施加的载荷、温度和时刻。

蠕变实验能够在恒定的温度下通过拉伸、紧缩或弯曲进行。

一样而言，采纳四个不同程度的应力水平进行测试。

一样而言，结晶聚合物比无定形材料的蠕变速度要小。

玻璃增强剂常常能够提高塑料的耐蠕变性。

蠕变模量Eapp=σ/εcσ——计算的应力εc——一按时刻和温度下进行蠕变后的应变2）应力松弛在必然的温度下，应力随着恒定应变而慢慢衰减的现象称之为应力松弛。

这种现象关于一些应用如预紧螺栓或弹簧的应用超级重要。

3）冲击只要制件经受快速的载荷，那么那个制件就受到了冲击负载。

任何移动的物体均有动能，当运动由于碰撞停止时，能量必需被消耗。

一个制件吸收能量的能力取决于它的形状、尺寸、厚度和材料的类型。

冲击测试关于评判材料的缺口灵敏性和耐冲击性能是很有价值的。

分为四类a. Izod冲击Izod冲击可能是应用最为普遍的冲击实验了。

在测试进程中，一个摆锤从某一高度落下冲击一个缺口悬臂梁，在测试试样断裂后，摆锤继续沿相同的方向运动，可是由于冲击了试样继续运动的能量很低，损失的能量（以J/m表示），即为Izod冲击强度。

这种测试能够采纳缺面试样或无缺面试样，相应的冲击强度为缺口冲击强度和无缺口冲击强度。

b. Charpy 冲击Charpy冲击在美国很少采纳，但在欧洲却应用普遍。

这种冲击几乎与Izod 冲击类似，除试样的放置方式不同之外。

与Izod类似，试样也能够是缺口或无缺口的。

c. 拉伸冲击拉伸冲击的摆锤与Izod几乎类似，只是在其上安装了拉伸样条，测量由于拉伸冲击载荷致使试样断裂所消耗的能量。

d. 落镖冲击适用于厚度小于1mm的塑料薄膜或薄片在给定高度的自由落镖冲击下，测定塑料薄膜或薄片试样破损时的冲击强度。

量的描述是通过在必然的条件下薄膜样品破坏50％的重量来概念的。

4）耐疲劳性材料经受交变循环应力或应变时所引发的局部结构转变和内部缺点进展的进程。

它使材料的力学性能下降并最终致使龟裂或完全断裂。

通常通过疲劳曲线S-N曲线进行表示。

图片:图片:图片:图片:第三部份：热性能，Thermal Properties为了使所选择的材料在最终应用的环境中维持适合的力学性能和尺寸稳固性，设计人员必需了解最终的制品所面临的正常和超级工作环境。

下面所谈到的是热塑料的一些热性能。

（1）熔点, Melting Point热塑性塑料随温度增加变得加倍具有流动性。

结晶性聚合物具有超级清楚的熔点，而无定形聚合物的熔程较宽。

（２）玻璃化转变温度，Ｇlass Transition Temperature处于玻璃化转变温度时，材料的性能经历超级大的转变。

通常，在玻璃化温度之下，材料关于负载表现出刚性、脆性相应，而在玻璃化温度之上，材料表现出延展性和类橡胶特性。

（３）维卡软化点，Vicat Softening Point维卡软化点是一个温度值，在该温度下，将细小的、圆形的探针刺入测试试样内部规定的距离内。