5高聚物的力学性能下[1]

❖ 曲线（3）：温度升至Tg以下几十度 的范围内时，屈服点之后，试样在不 增加外力或者外力增加不大的情况下， 能发生很大的应变，然后应力又增加， 直至断裂
❖ 曲线（4）：温度升至T＞Tg，试样
玻璃态高聚物在不同温度下的应
力-应变曲线
进入高弹态，在不大的应力下便可发
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展高弹形变(呈现一段较长的平台)，
❖ 曲线（1）：T＜＜Tg，应力随 应变成正比地增加，最后，应
变不到10％就发生断裂。
❖ 曲线（2）：温度略微升高以后，
出现了一个转折点Y，即屈服点。
玻璃态高聚物在不同温度下的应 力-应变曲线
应力在Y点处达极大值。过了Y
点，应力降低，应变增大，直
至试样断裂，但总应变≤20％ (如曲线(2)所示)。
❖ ③ 高聚物的屈服应力有很大的应变速率依赖性，随 应变速率的增大而增大
❖ ④ 高聚物的屈服应力随T↑而↓，在到达它们的Tg时， 屈服应力降低为零
❖ ⑤ 与金属材料相比，高聚物的屈服应力对流体静压 力非常敏感。该压力↑，屈服应力随之增大。
❖ （二）高聚物的屈服机理 ❖ 两种可能的屈服形式： ❖ A.银纹屈服 ❖ B.剪切屈服 ❖ 都表现为不均匀的局部应变
❖ 1 银纹屈服（轴向屈服）
❖ 1）银纹概述
❖ 定义：银纹是在拉伸应力作用下高聚物中某些薄弱 部位由于应力集中而产生的空化条纹状形变区。
❖ 2）银纹的微结构
❖ 银纹的微结构的示意图如下：
❖ 由示意图可以看到，银纹平面垂直于张应力， 银纹体中有许多小的空穴，空穴和空穴之间 是高分子链构成的微纤，又称银纹质。
❖ 3）银纹的分类
❖ A.应力银纹
❖ B.环境银纹
❖ ① 应力银纹：玻璃态高聚物在张应力作用下，特别 是双轴、三轴拉伸时，由于其表面缺陷、刻痕和内 部的小空隙等导致应力集中而引发的银纹。该种银 纹是有规则排列的。
5高聚物的力学性能下
❖ 一 玻璃态和结晶高聚物的拉伸
❖ -应变实验通常在张力F的作用下进行。试样，如下图，沿 纵轴方向以均匀的速率被拉伸，直到断裂为止。试验时，测 量加于试样上的载荷和相应标线间长度的改变Δl=l-l0，如果 试样的初始截而积为A0，标距的原长为l0，应力σε分别有下 式 表示：
拉伸试样示意图
❖ ①拉伸初期，σ↑很快而ε ↑很小，σ随ε 线性↑，符合虎克定律，它代表普弹形 变
❖ ② A.达Y点后进入拉伸的第二阶段，Y 点后，试样的截面积突然变得不均匀， 出现一个或几个“细颈”。
❖ B.细颈与非细颈部分的截面积分别
维持不变，而细颈部分不断扩展；非细
结晶高聚物拉伸过程应力-应变曲 线及试样外形变化示意图
❖ 随着拉伸速率的提高，高聚物的屈服应力σY 和拉伸强度都相应提高。所以，拉伸速率↑和 T↓对应力-应变性质的影响是等效的。其中， 屈服应力对应变速率具有更大的依赖性。
❖ 总的来说，拉伸速率对强迫高弹形变的影响 为：
❖ A.太快：强迫高弹形变来不及发生或得不到 充分发展
❖ B.太慢：可能发生一部分粘性流动，形变无 法恢复
应力-应变曲线的类型Types of stress-strain curve
软－硬：模量 强－弱：屈服强度 韧－脆：断裂能
5高聚物的力学性能下
❖ （一）高聚物屈服点的特征 ❖ ① 高聚物的屈服应变比金属大得多。 ❖ ② 许多高聚物在过了屈服点以后，均有一个
应力不大的下降，叫做应变软化。这时，应 变增加，应力反而下降
❖ 已取向的非晶高聚物的应力-应变曲线与取向 晶态高聚物相似，也表现出各向异性。其特 点为：
❖ ① 沿取向方向拉伸时，若原来取向程度已较 高，则曲线可能不再出现屈服伸长而断裂。 一般说来，沿取向方向的拉伸强度较大。
❖ ② 沿垂直取向方向拉伸时，若在拉伸过程中 分子链可再取向，则断裂伸长率及拉伸强度 均较大；若在拉升时强迫高弹形变不能发生， 则称脆性断裂（即在Y点之前断裂），且强度 较低。
❖ Y点称为屈服点，经过此点 后，应力不再增加，材料 仍能继续发生一定的伸长。
玻璃态高聚物典型的应力-应变曲线
❖ 曲线最后一段表明增加应 变需要增大应力，直至试 样断裂。B点为断裂点
❖ 所谓断裂能，是指应力-应 变曲线下的面积
❖ 2 影响因素 ❖ （1）外因—温度、拉伸速率 ❖ ① 温度
❖ 温度不同，同一高聚物的应力-应变曲线形状 也不同，如下图所示：
❖ C.适中：产生强迫高弹形变
❖ （2）内因—结构 ❖ 产生强迫高弹性的必要条件是：高聚物具有
可运动的链段。但是，强迫高弹性又不同于 一般的高弹性。后者要求高分子链柔顺性好， 而前者则要求高分子链不能太柔顺。
5高聚物的力学性能下
❖ 典型的末取向晶态高聚物在单轴拉伸时的应 力-应变曲线如下图所示，它比玻璃态高聚物 的拉伸曲线具有更为明显的转折，整个曲线 可分为三段：
❖ 从试验测得的应力、应变数据可以绘制出应 力-应变曲线，如下图所示：
应力-应变曲线示意图
5高聚物的力学性能下
❖ 1 特征及分析
❖ 典型的玻璃态高聚物试样当温度在Tg以下几十度的 范围内以一定速率被单轴拉伸时，其应力-应变曲线 如下图所示：
❖ 曲线上A点之前，σ-δ关系 服从虎克定律，所以A点为 弹性极限点，
曲线不再出现屈服点，试样断裂前，
应力又出现急剧上升。
❖ T↑，材料变的软而韧，断裂强度↓，断裂伸长率↑； ❖ T↓，材料逐步变的硬而脆，断裂强度↑，断裂伸长
率↓
❖ ② 拉伸速率
❖ 同一高聚物，在一定温度，不同拉伸速率下的应力应变曲线如下图所示：
所用应变速率（mm/min）注明 在曲线上
不同应变速率下的拉伸应力-应变曲 线（到屈服点为止）
颈部分逐渐缩短，直至整个试样完全变 细。
❖ C.应力几乎不变而应变不断增加， 但总的应变值随高聚物不同而不 同。
❖ ③ A.成颈后的试样重新被均匀拉 伸
❖ B.须进一步增大应力，才能使
结晶高聚物拉伸过程应力-应变曲 线及试样外形变化示意图
微晶间或者分子间发生位移，最 后导致分子链的断裂以致材料破
坏。
5高聚物的力学性能下
❖ 对于已取向的晶态高聚物的应力-应变曲线， 其特点为：
❖ ① 沿取向方向技伸时，伸长率极小，不出现细颈， 如前面结晶高聚物拉伸过程应力-应变曲线中的第③ 段直线。
❖ ② 沿垂直于取向方向拉伸时，其过程与末取向试样 相似， 最后得到与原取向垂直的新的取向试样， 伸长率可达500-800％。