5-高聚物的力学性能(下)
高分子物理----高分子的力学性能
一般刻痕试样的冲击强度小于这一数值为脆性断裂，大
于这一数值时为韧性断裂。但这一指标并不是绝对的，
例如玻璃纤维增强的聚酯塑料，甚至在脆性破坏时也有
很高的冲击强度。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
2. 高聚物的理论强度 从分子结构的角度来看，高聚物的断裂要破坏分子 内的化学键，分子间的范德华力与氢键。
7.2 高弹态聚合物的力学性质
加入增塑剂虽然可以降低Tg，但有利条件，因此选
用增塑法来降低Tg必须考虑结晶速度增大和结晶形成的 可能性。
7.2 高弹态聚合物的力学性质
（2）共聚法
共聚法也能降低聚合物的Tg，如：PS的主链上带有体 积庞大的苯基，聚丙烯腈有强极性腈基存在，Tg都在室温 以上，只能作为塑料和纤维使用，如果用丁二烯分别与苯 乙烯和丙烯腈共聚可得丁苯橡胶和丁腈橡胶，使Tg下降。 例如：丁苯30，Tg=-53℃，丁腈26，Tg=-42℃。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（3）当温度升高到Tg以下几十度范围内，如曲线③，过
了屈服点后，应力先降后升，应变增大很多，直到C点断裂，
C点的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率ε 。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（4）当温度升至Tg以上，试样进入高弹态，在应力不大
时，就可发生高弹形变，如曲线④，无屈服点，而呈现一段
应力称为屈服应力或屈服强度。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
屈服点之后，应力有所下降，在较小的负荷下即可产生形 变，称为应变软化。之后应力几乎不变的情况下应变有很大 程度的增加，最后应力又随应变迅速增加，直到材料断裂。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
四、几类高聚物的拉伸行为 1. 玻璃态高聚物的拉伸
高分子物理习题集--答案
高分子物理习题集-答案第一章高聚物的结构4、高分子的构型和构象有何区别？如果聚丙烯的规整度不高，是否可以通过单键的内旋转提高它的规整度？答：构型：分子中由化学键所固定的原子或基团在空间的几何排列。
这种排列是稳定的，要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。
构象：由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。
构象的改变速率很快，构象时刻在变，很不稳定，一般不能用化学方法来分离。
不能。
提高聚丙烯的等规度须改变构型，而改变构型与改变构象的方法根本不同。
构象是围绕单键内旋转所引起的排列变化，改变构象只需克服单键内旋转位垒即可实现，而且分子中的单键内旋转是随时发生的，构象瞬息万变，不会出现因构象改变而使间同PP（全同PP）变成全同PP（间同PP）；而改变构型必须经过化学键的断裂才能实现。
5、试写出线型聚异戊二烯加聚产物可能有那些不同的构型。
答：按照IUPAC有机命名法中的最小原则，CH3在2位上，而不是3位上，即异戊二烯应写成CH2C3CH CH21234（一）键接异构：主要包括1，4-加成、1，2-加成、3，4-加成三种键接异构体。
CH2nCCH3CH CH21,4-加成CH2nCCH3CH CH21，2-加成CH2nC CH3CH CH23，4-加成（二）不同的键接异构体可能还存在下列6中有规立构体。
①顺式1，4-加成CH 2CH 2CH 2CH 2C CH 3C HCH 3C CH②反式1，4-加成2CH 2CH 2CH 2C CH 3C HCH 3C C③1，2-加成全同立构CH 2C C 3C C HHH HCH CH 2CH CH 3C C H HCH 2CHCH 3④1，2-加成间同立构CC 3CC HH H HCH 3C C H HCH 3RRRR=CHCH 2⑤3，4-加成全同立构CH 2C CH3C CC C HH H HC C H HCH 2C CH 3CH 2C CH3HH⑥3，4-加成间同立构C C CC HH H HC CH HRRRR=CH 2HH C 36．分子间作用力的本质是什么？影响分子间作用力的因素有哪些？试比较聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺（尼龙-66）、聚丙烯酸各有那些分子间作用力？ 答：分子间作用力的本质是：非键合力、次价力、物理力。
高聚物的力学性能
S f T ( )T ,V l
理想高弹体拉伸时，只引起熵变； 只有熵的变化对理想高弹体有贡献。
理想高弹体的高弹性即为熵弹性。
实际橡胶可看成理想高弹体，因此高弹性的本质为熵弹性。
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f
2、 fu =?
f
fs fu
6
四、影响高弹性的结构因素 1、相对分子质量大，分子链长且柔性好。 2、具有无定形态（非晶态）结构。 3、大分子链间有适度的交联。
外力作用在橡胶上，一方面使橡胶的内能随伸长而变化， 另一方面使橡胶的熵随伸长而变化。 橡胶的内部张力是由于变形时内能发生变化和熵发生变化引起的。
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三、橡胶弹性的热力学分析
由实验橡胶拉伸时f 、fu、fs与ε的关系曲线：
fu 0
3、理想高弹体及橡胶高弹性的本质 理想高弹体：等温等容形变过程中内能保持不变的弹性体。
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一、橡胶的使用温度范围
2、改善低温易脆性，降低Tg ，减少结晶，提高橡胶的耐寒性 耐寒性：抵抗低温易脆性的能力。 Tg 低，低温下，σi↑，耐寒性好。 橡胶的结晶度低、提高增塑剂的含量、共聚上可使Tg 降低的组分，耐寒 性都可提高。
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3
二、高弹性的特点
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7
聚合物在高弹态表现的力学性质为高弹性。 1、弹性模量小，形变量大，为高弹形变 2、弹性模量E与温度有关 模量其实是抵抗形变的能力， 高弹态大分子链段易活动，大分子链趋于卷曲，对橡胶施加外力时，橡胶 大分子有回缩力， 温度升高，链段活动能力↑，大分子链卷曲程度↑ ，回缩力↑， E↑。 3、形变需要时间，即高弹形变与时间有关 高弹形变是由链段的运动来实现的，而链段运动是松弛过程，因此高弹形 变需要时间，或者说形变落后于外力。 4、形变时有热效应 橡胶伸长变形时，①分子链排列规整性提高，熵值减小； ②分子间的内摩擦产生热量； ③由于分子链排列规整性提高，结晶，放热。 因此，橡胶被拉伸时放热，回缩时就会吸热。 金属材料被拉伸时吸热：金属为结晶材料，拉伸时结晶被破坏，吸热。
聚合物的力学性能
为伸展，产生强迫高弹变形。
也就是在外力的作用下，非晶聚合物中本来被冻结的链段被强迫运动，
使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚合物仍处于玻璃态，当外
力移去后，链段不能再运动，形变也就得不到回复，只有当温度升至Tg附
近，使链段运动解冻，形变才能复原。
若链段运动的松弛时间与外力作用速率相适应，材料在断裂
前可发生屈服，出现强迫高弹性，表现为韧性断裂
若外力作用时间越短，链段的松弛跟不上外力作用速率，为
使材料屈服需要更大的外力，材料的屈服强度提高，材料在断裂
前不发生屈服，表现为脆性断裂
所以，降低温度与提高外力作用速率有同样的效果，
这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。
的冷拉，由于局部的高度拉伸应变（1000％），造成了很大的横
向收缩，这种局部的收缩要大于材料整体的横向收缩，结果在局
部性的取向链束或片层间形成一定的空的体积，并在表面上出现
凹槽。也可以发生在材料内部形成内银纹。
精选课件
27
第八章 聚合物的力学性能
3.产生银纹的结果：
①银纹可发展成裂缝，使材料的使用性能降低。
强
度
B
＝A ，断裂强度
Mn
分子量
精选课件
33
第八章 聚合物的力学性能
②取向与结晶的影响
结晶度增加，强度增加韧性下降以PE为例。
聚乙烯强度与结晶度的关系
性形变(plastic deformation )（强迫高弹形变）、应变硬化四
个阶段
精选课件
11
第八章 聚合物的力学性能
σ
B
Y
σ
高聚物的力学性能
• 线型非晶聚合物的流动 Newtonian flow
假定高聚物服从牛顿流动定律，则有：
e III = s 0
• 全部蠕变为三部分应变之和
t
h
æ tö et = e I + e II + e III = s 0 ç J0 + Jey ( t ) + ÷ = s 0 Jt hø è
1 B
泊松比 Poisson's ratio
• 材料受拉伸或压缩力时，材料会发生变形，而其横向变形
量与纵向变形量的比值，就是泊松比 • 在均匀各向同性材料中，剪切模量G、杨氏模量E 和泊松比 ν三个量中只有两个是独立的，它们之间存在以下关系：
E G= 2 (1 + u )
不同材料的泊松比
材料名称 锌 钢 泊松比 0.21 0.25~0.35 材料名称 玻璃 石料 泊松比 0.25 0.16~0.34
*
G1 (w ) =
J1 (w ) J
* 2
G2 (w ) =
J 2 (w ) J
J(t)是恒定应力下 的蠕变柔量
• 聚合物的蠕变柔量范围达几个数量级，蠕变实验时间也由
数十到数百小时，一般采用双对数作图。恒定温度下高聚 物蠕变柔量J(t)随时间t变化的双对数图有如下图所示形状：
η：推迟时间，高聚物玻璃化转变的表征参数
• 上图可以看出，随着推迟时间η与加载时间相对尺度的不同，
高聚物或像一块弹性固体（加载时间远小于η），或是一个 黏弹固体（加载时间与η同数量级）。或像一块橡胶甚至液 体（加载时间大于η和远大于η）。 • 高聚物的推迟时间强烈依赖于温度，η随温度的升高而减小， 时间和温度对高聚物力学性能的影响存在着等当性。
5. 高聚物的力学性能
L
L
N
H
（1）温度
(1)
(3)
应力
(2)
(4)
应变
（2）应变速率
(1)
(3)
应力
(2)
(4)
应变
强迫高弹形变的定义
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，因此它在本质上 仍属高弹形变，并非粘流形变，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。
Stress
Yield stress
(4)断裂强度 (5)断裂伸长率 (6)断裂韧性
Strain
以应力应变曲线测定的韧性
d
量纲=Pam/m=N/m2 m/m= J/m3
材料在屈服点之前发生的断裂称为脆性断裂 brittle fracture ； 在屈服点后发生的断裂称为韧性断裂 ductile fracture 。
5.1.2细颈
1）细颈的形成原因
本质：剪切力作用下发生塑性流动 A0 F F
F
F
Fn F α F 正应力 0 A0 切向力 A Fs
A0 斜截面面积 A sin
F
法向力 Fn＝F·sinα
Fs＝F·cosα
A
法应力： n Fn 0 sin 2 切应力： S FS 0 sin cos 1 0 sin 2
A
plastic deformation 塑性形变
Strain hardening 应变硬化
A E A
O
A y
B
图 非晶态聚合物在玻璃态的应力-应变曲线
高聚物的力学性能
●相对分子质量及分布对强度的影响
规律：强度随相对分子质量的增大而增加，分布宽窄影响不大，但低聚物部分增加时，因低分子部分发生分子间断裂而使强度下降。
●低分子掺合物对强度的影响
规律：低分子物质的加入降低强度。
▓实例增塑剂的加入能降低强度，但对脆性高聚物而言，少量加入低分子物质，能增加强度。
●交联对强度的影响
规律：适度交联增加强度，但过度交联，在受外力时，会使应力集中而降低强度。
▓实例橡胶的适度交联。
●结晶对强度的影响
规律：结晶度增大，强度增加，但材料变硬而脆；大球晶增加断裂伸长率，小球晶增加韧性、强度、模量等；纤维状晶体强度大于折叠晶体强度。
▓实例缓慢降温有利形成大球晶，淬火有利形成小球晶。
●取向对强度的影响
规律：取向能增加取向方向上材料的强度。
§5高聚物的力学性能
特例：以橡胶为改性剂，提高高聚物材料抗冲击性能。
对橡胶的要求：玻璃化温度必须远低于使用温度；橡胶不溶于刚性高聚物而形成二相；两种高聚物溶解行为上相似，有利于相互黏着。
若三条件达不到，加入第三组分。
效果：原脆性高聚物的冲击强度提高5～10倍。
高聚物的力学性能
●相对分子质量及分布对强度的影响
规律：强度随相对分子质量的增大而增加，分布宽窄影响不大，但低聚物部分增加时，因低分子部分发生分子间断裂而使强度下降。
●低分子掺合物对强度的影响
规律：低分子物质的加入降低强度。
▓实例增塑剂的加入能降低强度，但对脆性高聚物而言，少量加入低分子物质，能增加强度。
●交联对强度的影响
规律：适度交联增加强度，但过度交联，在受外力时，会使应力集中而降低强度。
▓实例橡胶的适度交联。
●结晶对强度的影响
规律：结晶度增大，强度增加，但材料变硬而脆；大球晶增加断裂伸长率，小球晶增加韧性、强度、模量等；纤维状晶体强度大于折叠晶体强度。
▓实例缓慢降温有利形成大球晶，淬火有利形成小球晶。
●取向对强度的影响
规律：取向能增加取向方向上材料的强度。
§5高聚物的力学性能
特例：以橡胶为改性剂，提高高聚物材料抗冲击性能。
对橡胶的要求：玻璃化温度必须远低于使用温度；橡胶不溶于刚性高聚物而形成二相；两种高聚物溶解行为上相似，有利于相互黏着。
若三条件达不到，加入第三组分。
效果：原脆性高聚物的冲击强度提高5～10倍。
高聚物的力学性能-5.5
强迫高弹形变： 强迫高弹形变： 在温度位于Tg以下几十度的范围内拉伸高聚物试样，试 在温度位于 以下几十度的范围内拉伸高聚物试样， 样在屈服后出现较大的应变; 样在屈服后出现较大的应变 如果在试样断裂前停止拉伸，除去外力， 如果在试样断裂前停止拉伸，除去外力，大形变无法完 全回复； 全回复； 但是如果让试样的温度升到T 附近，则形变又回复了； 但是如果让试样的温度升到 g附近，则形变又回复了； 本质上是一种高弹形变，但表现的形式却有区别； 本质上是一种高弹形变，但表现的形式却有区别； 通常称玻璃态聚合物在大外力作用下发生的大形变为强 通常称玻璃态聚合物在大外力作用下发生的大形变为强 迫高弹形变。 迫高弹形变。
dσ 1 dσ ′ ′ = 0 = 1+ ε ) −σ 2 ( d ε (1 + ε ) dε
得
dσ ′ σ ′ σ ′ = = dε 1 + ε λ
或者
dσ ′ dσ ′ σ ′ = = dε dλ λ
Considere（康西特莱）作图法： （康西特莱）作图法：
σ' σ'y
-1
（5）根据拉伸情况，判断高聚物材料的类型 ）根据拉伸情况， 判断：强与弱、硬与软、韧与脆、 判断：强与弱、硬与软、韧与脆、等 p.267，图5-30 ，
小结： 小结： 强迫高弹性的影响因素 1) 温度 2) 外力的大小 3) 外力作用速率 4) 高聚物结构
高聚物具有可运动的链段
1. 应力-应变曲线 应力 应变曲线 （2）晶态高聚物的拉伸 ）
σ
Y
X
比玻璃态高聚物的拉 伸应力-应变曲线具有 伸应力 应变曲线具有 更为明显的转折
ε
结晶高聚物的应力-应变曲线 结晶高聚物的应力 应变曲线 及试样外形变化示意图
高聚物的物理性能
第五章 高聚物的物理性能第一节 高聚物的物理状态高聚物的聚集态结构，根据链结构的规整性和能否结晶可分为两类： 结晶性高聚物（有规则排列）非结晶性高聚物（无规则排列）链段运动——使高聚物具有高弹性高聚物热运动具有两重性整个分子链运动——使高聚物象液体一样具有粘流性热-机械曲线——形变-温度曲线：表示高聚物材料在一定负荷下，形变大小与温度的关系曲线。
按高聚物的结构可以分为：线型非晶高聚物形变-温度曲线结晶态高聚物形变-温度曲线 其他类型的形变-温度曲线三种一、线型非晶态高聚物的物理状态1.形变-温度曲线A B C D ET b T g 温度（℃） T fT b －脆化温度；T g －玻璃化温度；T f －粘流温度可分为五个区A 区（玻璃态）：内部结构类似玻璃，大分子不能运动，链段也不能运形变（%）动，在除去外力后，形变马上消失而恢复原状，可逆形变称为普弹性形变。
C 区（高弹态或橡胶态）：除了普弹形变外，主要发生了大分子的链段位移（取向）运动。
但整个大分子间并未发生相对位移，形变也可以消除，所以是可逆的弹性形变。
E 区（粘流态或塑化态）：当施加负荷时，高聚物象粘性液体一样，发生分子粘性流动，大分子能运动，链段也能运动，形变不能自动全部消除，这种不可逆特性，称为可塑性。
B 区和D 区：为过渡区。
其性质介于前后两种状态之间。
玻璃态物理力学三态高弹态 （是一般非晶态高聚物所共有的）粘流态2.非晶态高聚物三种物理状态的力学行为特征和形变机理3.三态之间的转变随温度的变化而逐渐变化过程 玻璃态 ⇔高弹态⇔ 粘流态 4.注意问题1/ T g 是大分子链段能运动的最低温度，高弹态的出现是链段运动的产物。
2/ T g 与柔性的关系：柔性大，T g 低，反之。
刚性大，T g 高。
3/ T g 与T f 的使用价值T g 是塑料、纤维的最高使用温度T f 是橡胶的最低使用温度，也是高聚物成型加工温度。
5.线型非晶态高聚物的物理力学状态与相对分子质量的关系不同相对分子质量的聚苯乙烯的热－机械曲线二、结晶态高聚物的物理状态晶态高聚物的形变-温度曲线 1－一般相对分子质量 2－相对分子质量很大1/ 结晶态高聚物按成型工艺条件的不同可以处于晶态和非晶态。
高分子材料的力学性能
（4）交联：适度的交联可以有效地增加分子链之间的联系，限
制分子链间的相对滑移及分子链的活动性，有利于强度的提高；
（交联反应：2个或者更多的分子相互键合交联成网络结构的较稳定分 子的反应。）
高分子材料的力学性能
（5）结晶和取向：结晶和取向可使分子链规整排列，分子间
影响抗拉强度的因素：
凡是有利于提高材料的弹性模量、有利于增 加断裂过程的表面功和增加分子稳定性的因素， 都使材料的强度提高；
凡是使材料应力分布的不均匀性增加的因素， 都使材料的强度下降。
总的来说可以分为两类：一类是与材料本 身结构有关的内因，一类是与材料受力环境有 关的外因。
高分子材料的力学性能
一、内因的影响
4、共聚和共混：
➢通过共聚将两种性质不同的单体经化学键结合， 形成综合两种以上均聚物性能的新材料，提高材料 的抗拉强度。 ➢共混是通过物理方法使两种及以上材料均匀混合 的改性手段，从而提升高聚物的强度。
5、填料：
高分子材料的力学性能
在高聚物中加入固体填料可得到多相复合材料
根据其在复合材料中的使用目的分类： 惰性填料：起填充稀释以降低制品的成本的作用， 材料的强度随之降低
67
聚甲醛
增强
82
未增强
67
尼龙
增强
210
高分子材料的力学性能
二、受力环境的影响：
施力强度的大小 施力速度的快慢 施力时的温度高低
高分子材料的力学性能
长期强度：
在工程地质学上是指使蠕变类型由趋稳蠕变类型转变 为典型蠕变类型的临界应力。（趋稳蠕变又称稳定型蠕变。 岩体在恒定荷载作用下，岩土的变形随时间而增长，但增 长的速率随时间而递减，最后使变形趋于某一稳定值的蠕 变类型。）
第七章 高聚物的力学性质(修改2)
⑴. 简单拉伸
(7-1) (7-2)
(7-3)
(7-4)
式中，F是垂直于截面积大小相等方向相反的两个作用力；l0为 材料起始的长度；l为变形后材料的长度；ε为拉伸应变；ζ为应力； A0为材料起始的横截面积；A为在拉力F的作用下，材料变形后 真实的截面积；δ为真应变。
⑵. 简单剪切
偏斜角θ 的正切定义为切应变：
④ T>Tg，高弹态，不出现
屈服点，出现很大的高弹 形变
2. 玻璃态高聚物的强迫高弹形变 玻璃态高聚物在大的外力作用下发生很大的形变称 为强迫高弹形变。
影响强迫高弹形变的因素:
⑴.外力的大小 玻璃态高聚物，外力作用的松弛时间η与应力ζ的关 系：
⑵.温度的影响
脆化温度：其是一个特征温度，用 Tb 表示，当温 度低于 Tb 时，玻璃态高聚物不能发生强迫高弹形变， 而必定发生脆性断裂，因此称 Tb 为脆化温度。 玻璃态 高聚物只有在 Tb ~ Tg 之间的温度范围内，才能在外力 作用下实现强迫高弹形变，而强迫高弹形变又是塑料 具有韧性的原因，因此 Tb 是塑料使用的最低温度。 ⑶.外力作用速度的影响
在试样上施加压缩载荷至其破裂（脆性材料）或产生 屈服现象（非脆性材料）时，原单位横截面上所能承 受的载荷称为压缩强度。
压缩强度：
压缩模量：
压缩模量等于拉伸模量
一般而言，塑性材料抵抗拉伸应力能力强，而脆性材 料抵抗压缩应力能力强。
3. 弯曲强度（也称为挠曲强度）
在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至 破裂时的载荷称为弯曲强度。
ζβn ＝ ζ0 cos2β= ζ0 sin2α ζβs ＝ ζ0 sin2β/2= -ζ0 sin2α/2
ζαn + ζβn ＝ ζ0
第六章聚合物的力学性能
第六章聚合物的⼒学性能第六章聚合物的⼒学性能对于⼤部分应⽤⽽⾔，⼒学性能⽐⾼聚物的其它物理性能显得更为重要。
⾼聚物作为材料使⽤时，⼈们⾸先关⼼的是它们是否牢固、耐⽤。
⼒学性能中有两种“性能”：⼀个是着重于物理特性的“基本性能”；另⼀个是着重于实际应⽤的“技术性能”。
这两者之间并不⽭盾。
但为了弄清这两者之间的关系，⾸先有必要深⼊了解⾼聚物的基本⼒学性能，然后，再弄清⼯业测试中选择这种或那种⽅法的原因。
§1 聚合物⼒学⾏为的特点及其表征⼀．聚合物⼒学性能特点1. ⼒学性能可变范围宽。
橡胶—塑料—纤维，为不同的应⽤提供了⼴阔的选择余地。
2. 强度低、模量低。
但由于其重量轻，故⽐强度⾼（强度/密度）。
3.⼒学性能与各种结构因素有关。
除化学结构外，包括：分⼦量及其分布、⽀化和交联、结晶度和结晶形态、共聚⽅式、分⼦取向、增塑及填料等。
从⽽也受加⼯条件及使⽤环境的影响。
4.⾼弹性和粘弹性。
⾼聚物极⼤的分⼦量以及分⼦链构象变化所导致的柔性，使⾼聚物具有独特的⾼弹性。
5. 对于⾼聚物来说，存在多种运动单元，尤其分⼦链由⼀种构象过渡到另⼀种构象所需时间很长。
因为链段⽐⼩分⼦⼤得多，内摩擦⼒也⼤，具有明显的松弛特性。
所以，其⼒学性能强烈地依赖于温度和受⼒时间。
⼆、三种基本形变类型及其相互关系⼒学⾏为是指施加⼀个外⼒在材料上，它产⽣怎样的形变（或称响应）。
a)简单切变切应变r=tanθ, 切应⼒σ=F/A,切变模量G=σ/r, 切变柔量J＝1/G，当r→0, G→∞材料越硬。
切变时，物体只改变形状，⽽不改变体积。
聚合物各种运动单元对切变敏感，故它是⼀种重要的研究⼒学⾏为的形变类型。
b) 均匀压缩)//(0V V P B ?=本体在流体静压⼒下，⽆论固体、流体或粘弹性，它们的⼒学⾏为都⽆甚差异，故在聚合物⼒学⾏为研究中⼀般不采⽤。
c) 简单拉伸拉伸应⼒0A F =σ（习⽤应⼒），AF =真σ习⽤应变（伸长率）000l ll l l ?=-=ε， 0ln 0l ll dl ll ii ==?真ε对于较⼤的形变：ll ?=真ε或3/]1[2λλ-，ελ+=1 +-+-=-3224321εεελl l=λ（拉伸⽐）杨⽒模量εσ=E （虎克定律），柔量ED 1=。
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2021/3/9
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二 高聚物的屈服
❖ （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
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❖ 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
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。
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（三）取向高聚物的应力-应变曲线
❖ 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。
2021/3/9
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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
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❖ 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：
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❖ 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。
❖ 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
展高弹形变(呈现一段较长的平台)，
曲线不再出现屈服点，试样断裂前，
应力又出现急剧上升。
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❖ 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
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)。
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❖ 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
❖ 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
颈部分逐渐缩短，直至整个试样完全变 细。
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❖ 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
❖ 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％。
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❖ 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。
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（二）晶态高聚物的应力-应变曲线
❖ 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：
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❖ 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”。
2021/3/9 拉伸试样示意图
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❖ 从试验测得的应力、应变数据可以绘制出应2021/3/9
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(一）玻璃态高聚物的应力-应变曲线
❖ 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：
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❖ 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，
❖ 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
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❖ 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
❖ C.适中：产生强迫高弹形变
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❖ （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。
❖ 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。
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❖ （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
第四节 高聚物的屈服、断裂和强度
❖ 一 玻璃态和结晶高聚物的拉伸
❖ 应力-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σ和应变ε 分别有下式 表示：
率↓
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❖ 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
2021不 线/3/同（9 应到变屈速服率点下为的止拉）伸应力-应变曲
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❖ 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。