高分子材料力学性能

高分子材料力学性能

姓名：程小林学号：5701109004 班级：高分子091 学院：材料学院

研究背景：在世界范围内, 高分子材料的制品属於最年轻的材料．它不仅遍及各个工业领域, 而且已进入所有的家庭, 其产量已有超过金属材料的趋势, 將是２１世纪最活跃的材料支柱．高分子材料在我们身边随处可见。在我们的认识中，高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料。今天，我想就高分子材料为主线，简单研究一下高分子材料所具有的一些方面的力学性能。

从我们以前学过的化学知识中可以知道，高分子材料其实是有机化合物, 有机化合物是碳元素的化合物．除碳原子外, 其他元素主要是氢、氧、氮等．碳原子与碳原子之间, 碳原子与其他元素的原子之间, 能形成稳定的结构．碳原子是四价, 每个一价的价键可以和一个氢原子键连接, 所以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物．有机化合物的总数已接近千万种, 远远超过其他元素的化合物的总和, 而且新的有机化合物还不断地被合成出來．這样, 由於不同的特殊结构的形成, 使有机化合物具有很独特的功能．高分子中可以把某些有机物结构（又称为功能团）替换, 以改变高分子的特性．高分子具有巨大的分子量, 达到至少１万以上, 或几百万至千万以上, 所以, 人們將其称为高分子、大分子或高聚物．高分子材料包括三大

合成材料, 即塑料、合成纤维和合成橡胶

研究理论：高分子材料的使用性能包括物理、化学、力学等性能。对于用于工程中作为构件和零件的结构高分子材料，人们最关心的是它的力学性能。力学性能也称为机械性能。任何材料受力后都要产生变形，变形到一定程度即发生断裂。这种在外载作用下材料所表现的变形与断裂的行为叫力学行为，它是由材料内部的物质结构决定的，是材料固有的属性。同时, 环境如温度、介质和加载速率对于高分子材料的力学行为有很大的影响。因此高分子材料的力学行为是外加载荷与环境因素共同作用的结果。聚合物材料力学性能是材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。

在力学性能方面，它的高弹性、粘弹性和其力学性能对时间与温度强烈的依赖关系，是这类材料与金属材料显著的差别。高分子材料可以分为工程塑料、橡胶和合成纤维三大类，其中工程塑料可作为工程结构材料使用。工程塑料是热塑性材料和热固性材料总称。按力学性能可分为两类，一类是塑性很好，延伸率可达几十～几百％，一部分热塑性材料属于这种情况；一类是比较脆，其拉伸过程简单，拉伸曲线与铸铁类似，热固性材料都属于这种情况。

高分子材料拉伸试件一般为矩形截面的板状试件。试件形状和尺寸的设计可参考金属材料。

聚合物材料的力学性能通过材料的强度、刚度、硬度、塑性、韧性等方面来反映。定量描述这些性能的是力学性能指标。力学性能指标包括屈服强度、抗拉强度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性、疲劳

极限、断裂韧性等。这些力学性能指标是通过一系列试验测定的。实验包括静载荷试验、循环载荷试验、冲击载荷试验以及裂纹扩展试验。其中静载荷拉伸试验是测定大部分材料常用力学性能指标的通用办法。

下面主要介绍一下高分子材料的应力与应变、弹性变形与塑性变形。

高分子材料的应力与应变

高分子材料的应力一应变曲线除可由拉伸试验得到外，也可由弯曲和压缩试验得到，但得到的应力一应变曲线有所不同。一般压缩试验能表现纯粹高分子的特性，而拉伸试验则更多地表现出材料中裂纹的特性。因此，脆性材料的压缩强度比拉伸强度大。同时，弯曲强度往往也比拉伸强度大。

高分子材料的应力一应变特性一般可分为5种类型: ①软而弱，此类材料模量低，强度低，而断裂伸长为中等水平。②硬而脆，模量较高，强度大，但断裂伸长率低。③硬而强，模量、强度高，断裂伸长率可达5%。④软而韧，模量及屈服应力低，断裂伸长率大。⑤硬而韧，模量、强度及断裂伸长均大，屈服应力大，拉伸过程中出现细颈和冷拉现象。高分子材料的应力一应变特性对温度和时间具有很强的依赖性。对某种高分子材料，当温度在足够宽的范围内改变时，它可以呈现上述5种类型的应力一应变特性。当试验温度在玻璃化温度附近时，会出现屈服点。试验速度越快，出现屈服点的温度就越高。

对坚硬的高分子材料，试验速度越快、模量、屈服强度或破坏强度增加，而断裂伸长一般要减少。高分子材料的应力一应变特性与聚合物的分子量、交联、结晶、取向程度以及增塑剂含量也有密切关系。

拉伸试验：拉伸试验的条件是常温、静荷、轴向加载，即拉伸实验是在室温下以均匀缓慢的速度对被测试样施加轴向载荷的试验。试验一般在材料试验机上进行。拉伸试样应依据国家标准制作。进行单拉试验时，外力必须通过试样轴线以确保材料处于单向拉应力状态。试验机的夹具、万向联轴节和按标准加工的试样以及准确地对试样的夹持保证了试样测量部分各点受力相等且为单向受拉状态。试样所受到的载荷通过载荷传感器检测出来，试样由于受外力作用产生的变形可以借助横梁位移反映出来，也可以通过在试样上安装引伸计准确的检测出来。如果没有更多的测试要求，一般试验均利用横梁位移代表试样的伸长，在试验过程中自动记录被测试件的拉伸曲线。

拉伸曲线即P－ΔL曲线是观察材料的拉伸过程、描述材料的力学性能最好的办法。曲线的纵坐标为载荷P，单位是N或KN，横坐标为试样伸长ΔL，单位是mm。P－ΔL曲线形象地体现了材料变形过程以及各阶段受力和变形的关系, 但是P－ΔL曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样几何尺寸的影响。因此，P－ΔL曲线常常转化为名义应力、名义应变曲线即σ－ε曲线（如图1所示），即

式中A 0和L 0分别代表试样初始条件下的面积和标距。试样受到的载

荷除以试样原始面积就得到了名义应力，也叫工程应力，用σ表示，单位为Mpa 。同样，试样在标距之间的伸长除以试样的原始标距得到名义应变用ε表示，也叫工程应变。σ－ε曲线与P －ΔL 曲线形状相似，但消除了几何尺寸的影响，因此代表了材料属性。

高分子材料的弹性变形

高分子材料在单向拉伸中首先产生弹性变形，外力出去后，变形消失而恢复原状，

因此弹性变形有可逆性的特点。弹性变形都是可逆变形。材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子或分子自平衡位置产生可逆位移的反映

表征材料弹性变形的力学性能指标主要有：

1） 弹性模量，是指单位应变所需应力的大小。在工程中弹性模量是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生弹性变形就越小。但刚度和弹性是两个不同的概念。刚度表征材料对弹性变形的抗力，弹性模量越高，刚度也越高，弹性变形越困难；弹性则是表征材料弹性变形的能力通常以弹性比功的高低来区分材料弹性的好坏。

2） 比例极限σp ，是保持应力与应变成正比关系的最大应力。 0

L L

A P ∆=ε=σ