高分子材料的力学特征

6.1.1 材料的力学状态
• 玻璃化温度Tg,渐变区的折中温度。 • 金属、无机非金属和高分子材料都存在晶相 和非晶相两种状态，并显示出不同的力学特 征。
6.1.1.1 金属的力学状态
金属材料通常是晶态结构，具有较高的弹性模量和强 度，受力情况下一般开始弹性形变，接着有一段塑性 形变，然后才断裂，总形变能很大，如低碳钢。晶态 结构的金属材料无玻璃化转变温度，具有较高的熔点。
6.1.1.2 非金属的力学状态
陶瓷材料的内部呈晶相和非晶相共存结构。晶相：主晶 相、次晶相、第二晶相等，非晶相：玻璃相和气相。 玻璃相熔点低、热稳定性差，强度低于晶相；气相的存 在导致陶瓷的弹性模量和机械强度降低，因气孔是应力 集中的地方。 陶瓷的玻璃化转变温度Tg。
同质异晶的相转变，但力学性能无显著变化。
弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一 定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变 形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是 反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。 又称杨氏模量。弹性材料的一种最重要、最具特征的力学性质。是物体弹性t变形 难易程度的表征。用E表示。定义为理想材料有小形变时应力与相应的应变之比。 E以单位面积上承受的力表示，单位为牛/米2。
• AB二层最紧密置层最 紧密堆积 • 生成二种四面体空隙 (T+,T-)，一种八面体空 隙(Oct) •第三层密置层有两种堆积位置：a, c。
第六章 材wenku.baidu.com的性能
6.1 固体材料的力学性能
• 强度、弹性、硬度、塑性和韧性等。 • 建立模型和给出定量的处理方法。 • 借助微观分析,探索材料力学性能的实质，以 便能动地改进和提高材料的力学性能。
已是粘流态，但还未到熔点温度 已到融点，但不是粘流态
6.1.2 应力和应变
• 受力后具有弹塑性的材料，包括大多数金属结 构材料； • 受力后具有粘弹性的材料，包括塑料、橡胶、 玻璃、混凝土等非晶材料。 • 受力后一直到断裂都是弹性的材料，包括离子 晶体和共价晶体等。 • 弹性、塑性和粘性变形是三种基本变形。
B 结晶聚合物的力学状态。 不完整，因此结晶聚合物常存在一定的非晶部分，也有 玻璃化转变。 Tg以上，链段运动仍受到限制，模量下降不大。 Tm以上，模量迅速下降。 分子量很大，Tm<Tf，则在Tm与Tf之间将出现高弹态。 分子量低时，Tm>Tf则熔融之后变成粘流态。
RT，塑料玻璃态，橡胶处于高弹态。玻璃化温度是非晶 态塑料使用的上限温度，熔点是结晶聚合物使用的上限 温度。对于橡胶，玻璃化温度则是使用的下限温度。
电气石
电气石是一种硅酸岩矿物，其工艺名称为“碧玺”。电气石是多元素的天然矿物， 其化学通式为：NaR3Al6[Si6O18][BO3]3(OH,F)4，式中R代表金属阳离子，当R为 Mg2+ Fe2+或(Li+ 加Al3+)时，分别构成镁电气石、黑电气石和锂电气石三个端元矿 物种。电气石主要成分有镁，铝，铁，硼等10多种对人体有利的微量元素。 电气石最早发现于斯里兰卡，当时被视为与钻石、红宝石一样珍贵的宝石。人们注 意到这种宝石在受热时会带上电荷，这种现象称为热释电效应，故得名电气石。 电气石常具色带现象。条痕无色。玻璃光泽。无解理。硬度7.0-7.5。具脆性。比 重3.03-3.25。具压电性和热电性。在紫外线光照射下，不发荧光至发弱的荧光， 如红色者发弱紫色荧光。在显微镜透射光下具多色性。 电气石有镁电气石，锂电气石，铬电气石，铁电气石等。电气石的颜色随着成分不 同而异，富含铁的电气石呈黑色，富含锂的电气石呈玫瑰，亦有呈淡蓝色的；富含 镁的电气石呈褐色；富含铬的电气石呈深绿色。在自然界中，镁电气石，锂电气石 非常稀少，一般用于珠宝工艺品，很难应用于工业中。具有工业应用价值的为铁电 气石。 电气石一般有晶体状（含聚晶体即多个粗细不一的晶体单独集聚或与其它矿伴生集 聚）、纤维状（含聚束状）等形状。晶体状电气石又分单晶体及聚晶体两种，单晶 体规格一般0.1-10cm，有三棱柱细纹状及六面体晶面状。聚晶状电气石为多个单 晶体电气石的集合体，往往与石英伴生在一起，纯度不一，大小各异。 纤维状电气石亦称针状电气石，集合体呈棒状，束针状，放射状，也呈致密块状或 隐晶质状等形态。原矿纯度不一，因和石英等杂质的伴生程度差异很大，一般在 10-98%之间。经精选的纤维状电气石为95-98%。
扭转试验可测定塑性材料和脆性材料的剪切应变和断 裂的力学性能，有着独特的特点，是其它试验无法比 拟的。
变。弯曲形变多用 挠度计直接读出。
6.1.2.2 应力-应变曲线类型
拉伸试验是评价材料机械性能的一种方便方法， 以均匀的速率拉伸试样，用测力装置测量试样 伸长l所需要的垃力F，并用伸长计同时测量 l。 载荷-伸长曲线F-l，工程应力-应变曲线(-)， =F/S0和= l/l0。
钢的弹性模量E在204000214200MPa范围内。
恒弹性材料，温度对弹性模量的影响。
多晶由于晶界的滞弹性，温度较高时， E迅速下降。
金属的E取决于原子间的结合力，故其值主要取决于晶体中原 子的本性、原子间的结合力、晶格类型以及晶格常数等。
• 非晶态合金，具有很高的硬度和强度，延伸 率很低而并不脆。 • 升高到玻璃化温度，粘度明显降低，原子可 动性显著增大，发生晶化而失去非晶态结构。 • 合金元素降低弹性模量。 • 但如形成高熔点、高弹性模量的第二相质点， 则可提高弹性模量。铝合金中的硅；但第二 相合金的含量增多，将使塑性大幅度降低， 加工困难。
6.1.2.1 材料的应变方式
当材料受到外力作用而不产生惯性移动时，其几何形状 和尺寸会发生变化，这种变化称为应变或形变。宏观变 形时，内部分子及原子发生了相对位移，产生分子及原 子间对抗外力的附加内力，达到平衡时，附加内力与外 力大小相等，方向相反，定义为单位面积上的内力为应 力，其值与外加的应力相等，如面积为初始面积则应力 称为名义应力，面积为真实面积则称为真实应力。 各向同性的材料：简单拉伸、简单剪切和均匀压缩。静 加载下，还有扭转和弯曲形变。
原有结晶被破坏， 滑移而不是孪生
细紧屈服，载荷下降； 重新组合成新的方向 性好强度高的结晶结 构
体心立方体合金和 有色金属合金，有 屈服平台。
应力腐蚀与氢脆
• 机器零件受介质腐蚀和静应力联合作用而失 效，这种现象称为应力腐蚀破坏。 • 固体材料在环境介质恶劣时，受应力作用而 发生破坏的现象比单纯应力或单纯介质的破 环严重得多。 • 一些金属材料在应力腐蚀过程中，通常会产 生金属吸氢而引起的脆性破坏，即所谓氢脆 现象。
（1）简单拉伸
伸长率较小时，张应变为：
＝(l-l0)/l0=l/l0 应变、相对伸长，又称为伸长率。 名义（习用）应力， ＝F/S0 真=？
（2）简单剪切
当材料受到的力F是与截面平行、大小相等，方向相 反且不在同一直线上的两个力时，发生简单剪切，即 单剪： 切应变＝l/l（偏斜角的正切）。
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电气石的优点： 单晶体电气石最大的特点是能够永久性产生0.06mA的微弱电流，与通过人体 神经的电流类似，促使血液循环顺畅。（利用电气石的负离子和红外线功能 可治愈烦恼女性多年的四肢冰冷症、肩膀痛、腰痛、生理痛及神经痛等。） 电气石的优点不仅仅是产生电流，只要善加利用，就可得到各种效果，具有 其他矿物所没有的优点，其特性大致分为下列五种。 （1） 产生负离子 负离子又称为[ 空气的维生素 ],具有调节人体离子平衡作用，能使身心放松， 活化细胞，提高自然治愈率等作用，并能抑制身体的氧化或老化，现代的环 境具有许多促使正离子生成的要因，身体经常处于紧张状态，因此，负离子 是现代人不可或缺的物质，此外，负离子也具有除臭的功效。 （2） 电解水 水电解后，能获得界面的活性作用、氯的安定化、铁的钝化（预防红色铁锈 生成而发生红水）、水的还原化、去除二氧化硅与粘合物（微生物集合体） 等各种效果。电气石与水反应，就能处理连化学洗剂和化学物质都很难处理 的问题。 （3） 缩小水分子束 水分子（H2O）并非单独存在，其分子会相互结合，形成分子束。分子束较 小的水能去除氯或不纯物，味道佳，而且能够提高身体的渗透力。 （4） 放射远红外线（波长4—14微米的红外线） 远红外线能够渗透到身体深层部位，温暖细胞，促进血液循环，使新陈代谢 顺畅。电气石远红外线发射力将近100％，数值较其他矿物高。 （5） 含有有效微量矿物质
6.1.1.3 聚合物的力学状态
高分子材料的力学状态不同，多为非晶结构，即使晶态 聚合物，也常是不完整的结晶。 A 非晶态聚合物的三种力学状态。
玻璃态聚合物受热时，经高弹态转变为粘流态的温度Tf， 称为流动温度或粘流温度。
玻璃态、高弹态和粘流态称为非晶态聚合物的三态。
• （1）玻璃态 链段的运动处于“冻结”状态，只有 侧基、链节、链长、链角的局部运动，高模量 （1091010Pa）和小形变(1%)，具有虎克弹性行为， 质硬而脆。玻璃化转变区域，链段运动“解冻”，链 构象转变，进行延缩，力学松弛行为，坚韧的力学特 性。 • （2）高弹态 高弹性、链段的热运动充分发挥，弹 性模量下降（105106Pa左右）。在较小的应力下， 即可发生很大的形变，除去外力，形变可迅速恢复， 故称为高弹性或橡胶弹性。 104Pa左右表现粘性和弹 性形变。
陶瓷等弹性形变后没有塑性形变，立即发生脆性断裂，总弹性应 变能很小。
陶瓷具有高模量、高硬度、高强度和低延伸率。其弹 性模量比金属大得多，常高出1倍，甚至几倍。 陶瓷材料的键合 滑移不仅要受到密排面和密排方向的限制，而且还要 受到静电作用力的限制。
E与相的种类、分布比例及气孔率有关。
E=E0(1-k)
当切应变很小时，＝。
剪切力， s＝F/S0
（3）均匀压缩 当均匀压缩（液体静压）时，材料受到周围的压力p， 发生体积形变，体积由V0缩小成V，压缩成v： v=(V0-V)/V0= V0/V0
（4）扭转 材料在扭矩M作用下，产生切应力，此时切应力＝ M/W,W为截面系数。 切应变为： ＝tan=d0/(2l0)×100% 为圆杆表面任一行等于轴线的直线因切应力的作用 而转动的角度，为扭转角； l0为杆的长度，d0为外径 （直径）。
具有三维网络结构的微交联聚合物，则不发生粘性流动，只 有高弹行为；而高交联度的聚合物既无粘性流动也无高弹行 为；线型聚合物高弹态的温度随分子量的增大而增大。分子 量过小的聚合物无高弹态。
• （3）粘流态 处于粘流态的非晶态聚合物，由于波 段的剧烈运动，整个大分子链的重心发生相对位移， 产生不可逆形变，即粘性流动，聚合物成为粘性液体。 分子量越大，粘流温度Tf就越高，粘度也越大。交联 聚合物无粘流态存在，不能产生分子之间的相对位移。
氢脆对高强度钢和弹性制件的危害特别大，在人们没有认识氢脆的 危害以前，曾经因为氢脆的实际存在而造成过许多严重的质量事故， 造成严重的设备损坏和人员伤亡事故。因此在认识到氢脆的严重危害 性以后，防止氢脆就成为电镀等有渗氢可能的加工工艺的一项重要指 标。 • 二战时期，英国为了抵御德国军队的侵略，设计了喷火式战斗机与之 抗衡。不料试飞时，螺旋桨轴突然断了，机毁人亡。一时间英国上下 手足无措。后来年仅27岁的中国留学生李薰，因为具有创新意识、动 手能力强而被推荐研究该战斗机。 • 李薰历时半年，找到了问题的根源：任何材料如果本身有一些裂痕， 通过振动或抖动将产生更大的裂纹。英国多雨，天气比较潮湿，氢原 子侵入钢制的飞机主轴的空间或间隙里，在一定条件下，氢原子遇到 碰撞，变成分子，体积发生膨胀，使钢断裂。由此他提出了氢脆原理， 找到了解决问题的出口，帮助英国成功设计了喷火式战斗机，为击败 德军入侵立功。
应力-应变曲线(-)大致有五种类型： （1）纯线性型
（2）弹性-均匀塑性型
（3）弹性-不均匀塑性型
（4）弹性-不均匀塑性-均匀塑性型
（5）弹性-不均匀塑性性(屈服平台)-均匀塑性型。
机器零件受介质腐蚀和静应力联合作用而失效，这种 现象称为应力腐蚀破坏。金属析氢而引起的脆性破坏， 即所谓的氢脆现象。