《高分子材料性能学》PPT课件
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16
第1章 高分子材料的常规力学性能
17
力学性能：高分子材料抵抗变形和断裂的能力
弹性:材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力
塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力 强度:是材料对变形和断裂的抗力 寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效
的能力 失效：材料在载荷与环境作用下服役，无法抵抗变形和断裂， 失去其预定的效能而损坏。
常见的三大失效形式：磨损、腐蚀、断裂
18
1.1 力学性能的基本指标
1.1.1 应力与应变 当材料受到外力作用，它所处的条件又不能产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会
发生变化，这种变化就称为应变，亦可称为形变。 定义单位面积上的附加内力为应力。
19
（1）简单拉伸 外力F是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个力.
3
2.橡胶：
天然橡胶
(聚异戊二烯)
合成橡胶
( 顺丁,丁苯,丁腈, 氯丁橡胶)
室温弹性高；形变大（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小， 约105~104Pa。
4
3.纤维
聚酯纤维(涤纶，如PET) 聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶）
腈纶(PAN) 丙纶(PP) 维纶（PVA）
弹性模量较大，约109~1010Pa。 形变小，机械性能随温度变化不大
5
二、 材料的四要素
成分/结构、制备/工艺、性质和使用性能
成分/结构、制备/工艺决定固有性质 性质决定使用性能 使用性能决定材料 的用途
6
高分子科学各课程间的联系
成分/结构、制备
高分子化学 聚合反应工程
加工工艺、成型
高分子成型与加工
理论 和物质 基础
结构与性能关系 材料的使用性能 材料的分类与应用
14
八、本课程的学习方法
预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、 高分子物理
学习方法：性能的基本概念——物理本质—— 影响因素——性能指标的工程意义—— 指标的测试与评价
理论联系实际、重视实验
15
八、参考书目
1. 《材料性能学》王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年 2. 《材料性能学》张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年 3. 《高分子物理》何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年 4. 《高分子物理》金日光等主编，化学工业出版社，2007年 5. 《高聚物的力学性能》何平笙编著，中国科学技术大学出版社，
外界作用下的综合反映 影响因素：内因（材料结构），外因（温度等） 性能测试：测试原理、设备、方法
12
六、高分子材料性能学的主要内容
• 高分子材料的常规力学性能 （6课时） • 高分子材料的高弹性与粘弹性 （5课时） • 高分子材料的断裂 （5课时） • 高分子材料的力学强度 （5课时） • 高分子材料的疲劳性能 （3课时） • 高分子材料的磨损性能 （3课时） • 高分子材料的热、电、磁、光学性能 （15课时） • 高分子材料的老化性能 （4课时）
9
力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为— 变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。
变形能力
力
学
材料脆性
性
力能表 学性能
征
材料软硬程度
材料抵抗外力能力
弹性、塑性 韧性 硬度
强度
10
11
五、材料性能的四个方面
宏观表征：表征材料性能的参数，如强度、硬度 微观本质：材料的性能是材料内部结构因素在一定
23
1.1.2 弹性模量
单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易 形变程度的一种表征。
拉伸模量（杨氏模量）E： 剪切模量（刚性模量）G： 压缩模量（本体模量）K：
E
G
K
P
V
24
泊松比
材料在拉伸时，不仅有轴向伸长，同时有横向收缩。横向应变对轴向应变之比称 为泊松比，以ν 表示
F
A0
l0
l F
A
拉伸应变： l l0 l
l0
l0
l
拉伸应力： F
A0
20
真应力-真应变
真应力：
真
F A
真应变:
真
d
0
l dl
l
ln
l0 l
l0
,真
真
ln l l0
ln l0
l0
l
ln(1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
)
真应力-应变曲线 工程应力-应变曲线
,真
真 (1 ) 证明？
21
（2）简单切变
材料受到的力F是与截面相平行、大小相等、方向相反的两个力。这时材料将 发生偏斜，偏斜角的正切值定义为切应变γ
A0
F
F
剪切应变： γ tan θ
剪切应力： F
A0
22
（3）均匀压缩
材料受到的是围压力（流体静压力）P。发生体积形 变，体积由V0缩小至V。
压缩应变：
A0
V
V 0V V0
V V0
横向应变 轴向应变
m l
m0
l0
可以证明没有体积变化时，υ＝0.5，橡胶拉伸时就是这种情况。其他材料拉伸时，
υ<0.5.
25
高分子材料性能学
彭志平
材料科学与工程学院A323
一、材料分类 绪 论
• 金属材料 • 无机非金属材料 • 高分子材料 • 复合材料
2
1.塑料
热固性塑料
(酚醛、脲醛等)
热塑性塑料
(PE,PP,PVC,PS,PMMA等)
塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约 107~108Pa；受力形变可达百分之几至几百。
2008年 6. 《高分子材料强度及破坏行为》傅政编，化学工业出版社，
2005年 7. 《高分子材料强度学》朱锡熊等编，浙江大学出版社，1992 年 8. 《高分子概论》代丽君等主编，化学工业出版社，2006年 9. 《高分子材料概论》吴奇晔等编，机械工业出版社，2004年 10. 《近代高分子科学》张邦华等编，化学工业出版社，2006年
13
七、本课程的主要学习任务
1.掌握高分子材料各种主要性能的宏观规律、物理本质和工程意义 2.了解影响高分子材料性能的主要因素 3.掌握改善或提高高分子材料性能指标主要途径 4.了解高分子材料性能测试的原理、方法及相关仪器设备 5.初步具备选用高分子材料、开发新型高分子材料的必备基础知识与基本技能
高分子物理 高分子材料性能学
实用 价值
高分子材料
实际 应用
7
三、材料性能的概念
1.材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或 表现 2.表征材料响应行为发生程度的参数，即性能 指标（如模量、强度等）
8
四、材料性能的划分
力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度
性
能 划
物理性能：热学、磁学、电学、光学
分 耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性
第1章 高分子材料的常规力学性能
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力学性能：高分子材料抵抗变形和断裂的能力
弹性:材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力
塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力 强度:是材料对变形和断裂的抗力 寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效
的能力 失效：材料在载荷与环境作用下服役，无法抵抗变形和断裂， 失去其预定的效能而损坏。
常见的三大失效形式：磨损、腐蚀、断裂
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1.1 力学性能的基本指标
1.1.1 应力与应变 当材料受到外力作用，它所处的条件又不能产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会
发生变化，这种变化就称为应变，亦可称为形变。 定义单位面积上的附加内力为应力。
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（1）简单拉伸 外力F是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个力.
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2.橡胶：
天然橡胶
(聚异戊二烯)
合成橡胶
( 顺丁,丁苯,丁腈, 氯丁橡胶)
室温弹性高；形变大（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小， 约105~104Pa。
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3.纤维
聚酯纤维(涤纶，如PET) 聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶）
腈纶(PAN) 丙纶(PP) 维纶（PVA）
弹性模量较大，约109~1010Pa。 形变小，机械性能随温度变化不大
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二、 材料的四要素
成分/结构、制备/工艺、性质和使用性能
成分/结构、制备/工艺决定固有性质 性质决定使用性能 使用性能决定材料 的用途
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高分子科学各课程间的联系
成分/结构、制备
高分子化学 聚合反应工程
加工工艺、成型
高分子成型与加工
理论 和物质 基础
结构与性能关系 材料的使用性能 材料的分类与应用
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八、本课程的学习方法
预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、 高分子物理
学习方法：性能的基本概念——物理本质—— 影响因素——性能指标的工程意义—— 指标的测试与评价
理论联系实际、重视实验
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八、参考书目
1. 《材料性能学》王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年 2. 《材料性能学》张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年 3. 《高分子物理》何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年 4. 《高分子物理》金日光等主编，化学工业出版社，2007年 5. 《高聚物的力学性能》何平笙编著，中国科学技术大学出版社，
外界作用下的综合反映 影响因素：内因（材料结构），外因（温度等） 性能测试：测试原理、设备、方法
12
六、高分子材料性能学的主要内容
• 高分子材料的常规力学性能 （6课时） • 高分子材料的高弹性与粘弹性 （5课时） • 高分子材料的断裂 （5课时） • 高分子材料的力学强度 （5课时） • 高分子材料的疲劳性能 （3课时） • 高分子材料的磨损性能 （3课时） • 高分子材料的热、电、磁、光学性能 （15课时） • 高分子材料的老化性能 （4课时）
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力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为— 变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。
变形能力
力
学
材料脆性
性
力能表 学性能
征
材料软硬程度
材料抵抗外力能力
弹性、塑性 韧性 硬度
强度
10
11
五、材料性能的四个方面
宏观表征：表征材料性能的参数，如强度、硬度 微观本质：材料的性能是材料内部结构因素在一定
23
1.1.2 弹性模量
单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易 形变程度的一种表征。
拉伸模量（杨氏模量）E： 剪切模量（刚性模量）G： 压缩模量（本体模量）K：
E
G
K
P
V
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泊松比
材料在拉伸时，不仅有轴向伸长，同时有横向收缩。横向应变对轴向应变之比称 为泊松比，以ν 表示
F
A0
l0
l F
A
拉伸应变： l l0 l
l0
l0
l
拉伸应力： F
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真应力-真应变
真应力：
真
F A
真应变:
真
d
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l dl
l
ln
l0 l
l0
,真
真
ln l l0
ln l0
l0
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ln(1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
)
真应力-应变曲线 工程应力-应变曲线
,真
真 (1 ) 证明？
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（2）简单切变
材料受到的力F是与截面相平行、大小相等、方向相反的两个力。这时材料将 发生偏斜，偏斜角的正切值定义为切应变γ
A0
F
F
剪切应变： γ tan θ
剪切应力： F
A0
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（3）均匀压缩
材料受到的是围压力（流体静压力）P。发生体积形 变，体积由V0缩小至V。
压缩应变：
A0
V
V 0V V0
V V0
横向应变 轴向应变
m l
m0
l0
可以证明没有体积变化时，υ＝0.5，橡胶拉伸时就是这种情况。其他材料拉伸时，
υ<0.5.
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高分子材料性能学
彭志平
材料科学与工程学院A323
一、材料分类 绪 论
• 金属材料 • 无机非金属材料 • 高分子材料 • 复合材料
2
1.塑料
热固性塑料
(酚醛、脲醛等)
热塑性塑料
(PE,PP,PVC,PS,PMMA等)
塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约 107~108Pa；受力形变可达百分之几至几百。
2008年 6. 《高分子材料强度及破坏行为》傅政编，化学工业出版社，
2005年 7. 《高分子材料强度学》朱锡熊等编，浙江大学出版社，1992 年 8. 《高分子概论》代丽君等主编，化学工业出版社，2006年 9. 《高分子材料概论》吴奇晔等编，机械工业出版社，2004年 10. 《近代高分子科学》张邦华等编，化学工业出版社，2006年
13
七、本课程的主要学习任务
1.掌握高分子材料各种主要性能的宏观规律、物理本质和工程意义 2.了解影响高分子材料性能的主要因素 3.掌握改善或提高高分子材料性能指标主要途径 4.了解高分子材料性能测试的原理、方法及相关仪器设备 5.初步具备选用高分子材料、开发新型高分子材料的必备基础知识与基本技能
高分子物理 高分子材料性能学
实用 价值
高分子材料
实际 应用
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三、材料性能的概念
1.材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或 表现 2.表征材料响应行为发生程度的参数，即性能 指标（如模量、强度等）
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四、材料性能的划分
力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度
性
能 划
物理性能：热学、磁学、电学、光学
分 耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性