拉伸弹性模量

1.2.3 聚合物材料拉伸时的力学性能
特点
力学性能的数值很宽：包括从熔体、软橡皮到 很硬的固体，各种聚合物对于机械应力的反应 相差很大。 高聚物由长链分子组成，运动单元具有多重性， 分子运动对温度和时间有强烈的依赖性 —— 松 PMMA, T>100 C, 变软 Rubber 在低温下变硬 弛特性。力学性能也有松弛特性。表现为粘弹 尽管结构无变化，但对于不同温度或外力， 性行为，同时具有粘性液体和纯粹弹性固体的 行为分子运动是不同的，物理性质也不同 强度低，模量低
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(b) Different strain rate应变速率
Strwk.baidu.comin rate
速度
1 2 3 4
速度
时温等效原理： 拉伸速度快=时间 短→温度低
.
.
.
.
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(c) Composition of Polymers 物质结构组成
a: 脆性材料
b: 半脆性材料 c: 韧性材料 d: 橡胶
材料性能测试技术
Performance Testing of Materials
主讲教师： 李爱香
上次课的主要内容
第一章 材料的力学性能
1.1 描述力学性能的基本物理量
1.2 材料单向静拉伸力学性能
1.2.1 低碳钢拉伸时的力学性能 1.2.2 灰口铸铁拉伸时的力学性能
塑性材料的特点：断裂前变形大，塑性指 标（δ、ψ）高，抗拉能力强。常用指标--弹性极限、屈服极限、强度极限；弹性 模量；断裂伸长率、断面收缩率。
Example-PVC a: T<<Tg 脆断
T
b: T<Tg d: Tg以上
屈服后断
韧断
c: T<Tg 几十度
无屈服
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温度升高，材料逐步变 软变韧，断裂强度下降， 断裂伸长率增加； 温度下降，材料逐步变 硬变脆，断裂强度增加， 断裂伸长率减小
特征温度Tb： T<Tb，玻璃态高聚物就不能发生强迫高 弹形变，而必定发生脆性断裂，这个温度 称为脆化温度Tb。

玻璃化转变区域
非 晶 态 聚 合 物
玻 璃 态
粘流转变区域 高弹态 粘 流 橡胶态 态
形变
温度 Tg Tf
玻璃化转变为高弹态，转变温度称为玻璃化温度Tg 高弹态转变为粘流态，转变温度称为粘流温度Tf
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1. 典型聚合物应力-应变曲线
常用的哑铃型标准试样，试样中部 为测试部分，标距长度为l0，初始 截面积为A0。
非晶态聚合物的应力应变曲线（玻璃态）
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强迫高弹形变（冷拉）
处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中
屈服点后产生的较大应变，移去外力后
形变不能回复。若将试样温度升到其Tg附
近，该形变则可完全回复，是由高分子
的链段运动所引起的。 这种形变称为强
迫高弹形变。
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2. 影响聚合物拉伸行为的因素
(a) Different temperature温度
B Y
C
A
D
O
B
（5）曲线下的面积等于
W d
0
B
相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，称断裂能 或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。
拉伸过程中高分子链的运动
I 普弹形变 小尺寸运动单元的运动引 起键长键角变化。形变小 可回复 II 强迫高弹形变 在大外力作用下冻结的 链段沿外力方向取向 III 粘流形变 在分子链伸展后继续拉伸 整链取向排列，使材料的 强度进一步提高。形变不 可回复。
脆性材料的特点：断裂前变形小，塑性指 标低。唯一指标---σb。
3
本次课的主要内容
第一章 材料的力学性能
1.2 材料单向静拉伸力学性能
1.2.3 聚合物拉伸时的力学性能 1.2.4 材料的断裂
1.3 材料压缩的力学性能
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本次课的重点、难点
重点： 聚合物应力-应变曲线，压缩强度 难点： 材料断裂方式的判断
“脆”是指无屈服现象而且断裂伸长率很 小 “韧”是指其断裂伸长率和断裂应力都较 高的情况，可将断裂功作为“韧性”的标志。

（1）硬而脆型 此类材料弹性模 量高（OA段斜率大）而断裂伸长 率很小。在很小应变下，材料尚未 出现屈服已经断裂，断裂强度较高。 在室温或室温之下，PS、PMMA、 酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行 为。 （2）硬而强型 此类材料弹性模 量高，断裂强度高，断裂伸长率 小。通常材料拉伸到屈服点附近 就发生破坏（大约为5%）。硬质 PVC制品属于这种类型。
哑铃型标准试样
实验条件：一定拉伸速率和温度
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B C A D
明显的四个阶段 1、普弹形变阶段OA 2、屈服阶段AC（应变软化阶段） 3、强迫高弹形变阶段CD 4、应变硬化阶段DB
9
O
Point of elastic limit 弹性极限点
C D
B
A
A
E
A A
O
A
（1）OA段，为普弹形变区，应力－应变呈直线 关系变化，符合虎克定律，直线斜率为弹性模 量。
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Yielding point 屈服点 Strain softening 应变软化 B
Y A
A
Y
C D
O
A y
（2）屈服阶段AC：越过A点，应力－应变曲线偏离直线， 材料开始发生塑性形变，极大值Y点称材料的屈服点，其对 应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）σy 和屈服 应变εy 。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈”现 象，材料应力略有下降， “应变软化”。 11
B
Y A
A
Y
C
D
强迫高弹形变
O
A y
（3）强迫高弹形变阶段CD：随着应变增 加，在很长一个范围内曲线基本平坦， “细颈”区越来越大，发生“强迫高弹形 变”。
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B Y A
A
B Y
Breaking point
断裂点
C
D
Strain hardening
应变硬化
O
A y
B
（4）应变硬化DB：拉伸应变很大时，材料应力又急剧 上升（应变硬化），到达B点发生断裂。与B点对应的应 力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度） σb 和断 裂伸长率εb ，是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。
酚醛或环氧树脂 PS, PMMA PP, PE, PC
Nature rubber, PI
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3. 聚合物应力-应变曲线的类型
由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力－应 变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类 。
高分子材料应力-应变曲线的类型
说明

“软”和“硬”用于区分模量的低或高


“弱”和“强”是指强度的大小