高分子物理—聚合物的应力应变行为课件.ppt

1、单击此处添加副标题内容高分子物理聚合物的应力应变行为College of Materials Science and EngineeringLiaocheng University第三组制作第三组制作聚合物的力学性能是其受力后的响应，如形变大小、形变的可聚合物的力学性能是其受力后的响应，如形变大小、形变的可逆性及抗破损性能等逆性及抗破损性能等在不同条件下聚合物表现出的力学行为：在不同条件下聚合物表现出的力学行为：强度强度：材料所能承受的最大载荷，表征了材料的受力极限，在材料所能承受的最大载荷，表征了材料的受力极限，在实际应用中具有重要的意义。实际应用中具有重要的意义。包括抗张强度、冲击强度、弯

2、曲强度、压缩强度、硬度。包括抗张强度、冲击强度、弯曲强度、压缩强度、硬度。1.小外力作用下聚合物表现为：高弹性、粘弹性和流动性小外力作用下聚合物表现为：高弹性、粘弹性和流动性厚度厚度d d宽宽度度b bP P图图1 Instron 5569电子万能材料试验机电子万能材料试验机（electronic material testing system）实验条件：一定温度下；试样在大外力实验条件：一定温度下；试样在大外力F的作用下以一定拉伸速率拉伸。的作用下以一定拉伸速率拉伸。温度：非晶态聚合物温度：非晶态聚合物Tb-Tg;晶态聚合物：晶态聚合物：Tg-Tm。8 8.1.1聚合物的应力聚合物的应力-应

3、变行为应变行为应变：当材料受到外力作用，几何形状和尺寸发生变化，这应变：当材料受到外力作用，几何形状和尺寸发生变化，这种变化叫应变。种变化叫应变。应力：材料单位面积上的附加内力叫应力。应力：材料单位面积上的附加内力叫应力。表征材料力学性能的基本物理量表征材料力学性能的基本物理量硬度硬度：是衡量材料表面承受外界压力能力的一种：是衡量材料表面承受外界压力能力的一种 指指标。标。硬度的大小与材料的硬度的大小与材料的拉伸强度拉伸强度和和弹性模量弹性模量有关。有关。强度强度：是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在一定：是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在一定条件下材料所能承受的最大应力。条件下材料所能承受

4、的最大应力。8.1.1.1 8.1.1.1 非晶态高聚物的应力非晶态高聚物的应力-应变曲线应变曲线我们先对这条曲线定义几个术语：我们先对这条曲线定义几个术语：1)A点称为点称为“弹性极限点弹性极限点”，A 弹性极限应变弹性极限应变，A弹性极限应力弹性极限应力2)Y点称为点称为“屈服点屈服点”，“屈服应力屈服应力 y”和和“屈服伸长屈服伸长y”3)B点称为点称为“断裂点断裂点“，“断裂强度断裂强度 b”和和“断裂伸长率断裂伸长率 b”。4)整个应力整个应力-应变曲线下的面积就是试样的断裂能。应变曲线下的面积就是试样的断裂能。AAE从应力从应力-应变曲线可以看出：以一定速率单轴拉伸非晶态聚合物，应

5、变曲线可以看出：以一定速率单轴拉伸非晶态聚合物，其典型曲线可分成五个阶段：其典型曲线可分成五个阶段：弹性形变区，从直线的斜率可以求出杨氏模量，从分子机理弹性形变区，从直线的斜率可以求出杨氏模量，从分子机理来看，这一阶段的普弹性是由于高分子的键长、键角和小的运来看，这一阶段的普弹性是由于高分子的键长、键角和小的运动单元的变化引起的动单元的变化引起的,移去外力后这部分形变会立即完全恢复。移去外力后这部分形变会立即完全恢复。AAE屈服（屈服（yield，又称应变软化点）点，超过了此点，冻结的，又称应变软化点）点，超过了此点，冻结的链段开始运动。材料发生屈服，试样的截面出现链段开始运动。材料发生屈服，

6、试样的截面出现“细颈细颈”。此。此后随应变增大，应力不再增加反而有所下降后随应变增大，应力不再增加反而有所下降应变软化。应变软化。细颈细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。屈服时，试样出现的局部变细的现象。AAE强迫高弹形变区（冷拉阶段），随拉伸不断进行，细颈沿试样强迫高弹形变区（冷拉阶段），随拉伸不断进行，细颈沿试样不断扩展直到整个试样都变成细颈，材料出现较大变形。强迫高不断扩展直到整个试样都变成细颈，材料出现较大变形。强迫高弹形变本质上与高弹形变一样，是链段的运动，但它是在外力作弹形变本质上与高弹形变一样，是链段的运动，但它是在外力作用下发生的。此时停止拉伸，去除外力形变不能恢复，但试样

7、加用下发生的。此时停止拉伸，去除外力形变不能恢复，但试样加热到热到Tg附近的温度时，形变可以缓慢恢复。附近的温度时，形变可以缓慢恢复。AAE应变硬化区，在应力的持续作用下，大量的链段开始运动，应变硬化区，在应力的持续作用下，大量的链段开始运动，并沿外力方向取向，使材料产生大变形，链段的运动和取向并沿外力方向取向，使材料产生大变形，链段的运动和取向最后导致了分子链取向排列，使强度提高。因此只有进一步最后导致了分子链取向排列，使强度提高。因此只有进一步增大应力才使应变进一步发展，所以应力又一次上升增大应力才使应变进一步发展，所以应力又一次上升“应应变硬化变硬化”。AAE断裂断裂试样均匀形变，最后应

8、力超过了材料的断裂强度，试样均匀形变，最后应力超过了材料的断裂强度，试样发生断裂。试样发生断裂。ConclusionConclusion：典型非结晶聚合物拉伸时形变经历普弹形变、应变软化典型非结晶聚合物拉伸时形变经历普弹形变、应变软化（屈服）、塑性形变（屈服）、塑性形变(plastic deformation(plastic deformation)（强迫高弹形强迫高弹形变变）、应变硬化四个阶段。）、应变硬化四个阶段。应力应力-应变曲线描述了材料在大外力作用下的形变规律。应变曲线描述了材料在大外力作用下的形变规律。聚合物的屈服强度聚合物的屈服强度（Y Y点强度）点强度）聚合物的屈服伸长率聚合物

9、的屈服伸长率（Y点伸长率）点伸长率）聚合物的杨氏模量聚合物的杨氏模量（OAOA段斜率）段斜率）聚合物的断裂强度聚合物的断裂强度（B B点强度）点强度）聚合物的断裂伸长率聚合物的断裂伸长率（B B点伸长率）点伸长率）聚合物的断裂韧性聚合物的断裂韧性（曲线下面积）（曲线下面积）从曲线上可得评价聚合物力学性能的参数从曲线上可得评价聚合物力学性能的参数:不同外界条件下的应力不同外界条件下的应力-应变曲线应变曲线(a)不同温度不同温度a:TTg c:TTg(几十度几十度)d:T接近接近Tgb:TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆性断裂脆性断裂 韧性断裂韧性断

10、裂无屈服无屈服屈服后断裂屈服后断裂Results TT(b)不同的拉伸速率不同的拉伸速率Strain rate拉伸速率拉伸速率Example:PMMA.4.3.2.1时温等效原理：拉伸速度快时温等效原理：拉伸速度快=时间短时间短 温度低温度低a:脆性材料脆性材料 c:韧性材料韧性材料d:橡胶橡胶b:半脆性材料半脆性材料酚醛或环氧树脂酚醛或环氧树脂PP,PE,PCPS,PMMANature rubber,PIB(c)不同的化学结构不同的化学结构(1)(1)温度温度a:TTg 脆断脆断b:TTg 屈服后断屈服后断c:TTg 几十度几十度 韧断韧断d:Tg以上以上 无屈服无屈服 TTExample-

11、PVC二、影响聚合物拉伸行为的因素二、影响聚合物拉伸行为的因素温度升高，材料逐步变软变韧，断裂强度下降，温度升高，材料逐步变软变韧，断裂强度下降，断裂伸长率增加；断裂伸长率增加；温度下降，材料逐步变硬变脆，断裂强度增加，温度下降，材料逐步变硬变脆，断裂强度增加，断裂伸长率减小断裂伸长率减小(2)(2)应变速率应变速率.4.3.2.1Strain rate：速度速度即即增加增加应变速率应变速率与与降低温度降低温度的效应是的效应是等效的。等效的。(3)(3)环境压力环境压力 研究发现，对许多非晶聚合研究发现，对许多非晶聚合物，如物，如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韧转变行为还与环境压力有关。韧转

12、变行为还与环境压力有关。右图可见，右图可见，PSPS在低环境压力在低环境压力（常压）下呈脆性断裂特点，（常压）下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低。随强度与断裂伸长率都很低。随着环境压力升高，材料强度增着环境压力升高，材料强度增高，伸长率变大，出现典型屈高，伸长率变大，出现典型屈服现象，材料发生脆服现象，材料发生脆-韧转变。韧转变。聚苯乙烯的应力聚苯乙烯的应力-应变曲线应变曲线随环境压力的变化（随环境压力的变化（T=31）n(4)屈服应力受流体静压力的影响：屈服应力受流体静压力的影响：压力增压力增大，屈服应力增大。大，屈服应力增大。研究发现，对许多非晶聚合物，研究发现，对许多非晶聚合物，如

13、如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韧转变行为与环境压力有关。韧转变行为与环境压力有关。1.7千千pa1pa0.69千千pa3.2千千pa切应力切应力切应变切应变OA-普弹形变普弹形变YN屈服，缩颈（应变变大，应力屈服，缩颈（应变变大，应力下降）下降）ND强迫高弹形变强迫高弹形变DB-细颈化试样重新被均匀拉伸，细颈化试样重新被均匀拉伸，应变随应力增加应变硬化应变随应力增加应变硬化 一、晶态聚合物在单向拉伸时典型的应力一、晶态聚合物在单向拉伸时典型的应力-应变曲线应变曲线 结晶聚合物的应力应变曲线结晶聚合物的应力应变曲线NYDBAO应应力力应变应变8.1.1.28.1.1.2晶态聚合物的应力一应变

14、曲线晶态聚合物的应力一应变曲线 整个曲线可分为三个阶段：到y点后，试样截面开始变得不均匀，出现“细颈”晶态聚合物晶态聚合物“冷拉冷拉”的原因：的原因：T Tm m以下，冷拉：拉伸成颈（球晶以下，冷拉：拉伸成颈（球晶中片晶的变形）中片晶的变形）非晶态：非晶态：T Tg g以下冷拉，只发生分以下冷拉，只发生分子链的取向子链的取向晶态：晶态：T Tm m以下，发生结晶的破坏，以下，发生结晶的破坏，取向，再结晶过程，与温度、应取向，再结晶过程，与温度、应变速率、结晶度、结晶形态有关变速率、结晶度、结晶形态有关 结晶聚合物的应力应变曲线结晶聚合物的应力应变曲线NYDBAO应应力力应变应变晶态聚合物的晶态

15、聚合物的“冷拉伸冷拉伸”图图8-8 8-8 结晶聚合物在不同温度下的应力结晶聚合物在不同温度下的应力-应变曲线应变曲线 结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种形变称结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种形变称“冷拉伸冷拉伸”。结晶聚合物具有与非晶聚合物相似的拉伸应力应变曲线，如结晶聚合物具有与非晶聚合物相似的拉伸应力应变曲线，如下图。下图。图中当环境温度低于熔图中当环境温度低于熔点时，虽然晶区尚未熔融，点时，虽然晶区尚未熔融，材料也发生了很大拉伸变材料也发生了很大拉伸变形。见图中曲线形。见图中曲线3 3、4 4、5 5。这种现象称这种现象称“冷拉伸冷拉伸”。（1 1）发生冷拉之前，材料有明显的屈服

16、现象，表现为试样测）发生冷拉之前，材料有明显的屈服现象，表现为试样测试区内出现一处或几处试区内出现一处或几处“颈缩颈缩”。随着冷拉的进行，细颈部。随着冷拉的进行，细颈部分不断发展，形变量不断增大，而应力几乎保持不变，直到分不断发展，形变量不断增大，而应力几乎保持不变，直到整个试样测试区全部变细。再继续拉伸，应力将上升（应变整个试样测试区全部变细。再继续拉伸，应力将上升（应变硬化），直至断裂。硬化），直至断裂。讨论讨论（2 2）虽然冷拉伸也属于强迫高弹形）虽然冷拉伸也属于强迫高弹形变，但两者的微观机理不尽相同。结变，但两者的微观机理不尽相同。结晶聚合物从远低于玻璃化温度直到熔晶聚合物从远低于玻璃

17、化温度直到熔点附近一个很大温区内都能发生冷拉点附近一个很大温区内都能发生冷拉伸。在微观上，冷拉伸是应力作用使伸。在微观上，冷拉伸是应力作用使原有的结晶结构破坏，球晶、片晶被原有的结晶结构破坏，球晶、片晶被拉开分裂成更小的结晶单元，分子链拉开分裂成更小的结晶单元，分子链从晶体中被拉出、伸直，沿着拉伸方从晶体中被拉出、伸直，沿着拉伸方向排列形成的。向排列形成的。图图 球晶拉伸形变时内部晶球晶拉伸形变时内部晶片变化示意图片变化示意图 图图 片晶受拉伸形变时内部晶片发生位错、转向、定向排列、拉伸示意图片晶受拉伸形变时内部晶片发生位错、转向、定向排列、拉伸示意图 玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较相似之

18、处：相似之处：两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都展大形变以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自发回复，而加热后则产生回复，故本质上两种拉不能自发回复，而加热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是高弹形变。该现象通常称为伸过程造成的大形变都是高弹形变。该现象通常称为“冷拉冷拉”。区别区别：（1）产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉温度区间是冷拉温度区间是Tb到到Tg，而结晶聚合物则为，而结晶聚合物则为Tg 至至Tm；（2）玻璃态聚合物在冷拉过程中聚

19、集态结构的变）玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶态聚合物简单得多，它只发生分子链的取向，并不化比晶态聚合物简单得多，它只发生分子链的取向，并不发生相变，而后者尚包含有发生相变，而后者尚包含有结晶的破坏，取向和再结晶等结晶的破坏，取向和再结晶等过程过程。注意：注意：（冷拉）强迫高弹形变，对于非晶聚合物，主要是链段取（冷拉）强迫高弹形变，对于非晶聚合物，主要是链段取向；对于结晶聚合物，主要是晶粒的变形。向；对于结晶聚合物，主要是晶粒的变形。这与两种拉伸过程造成的大形变都是这与两种拉伸过程造成的大形变都是链段运动所导致链段运动所导致高高弹形变并不矛盾。弹形变并不矛盾。8.1.1.38.1.

20、1.3应力一应变曲线类型应力一应变曲线类型“软软”和和“硬硬”用于区分模量的低或高，用于区分模量的低或高，“弱弱”和和“强强”是指是指强度的大小，强度的大小，“脆脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很小，是指无屈服现象而且断裂伸长很小，“韧韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况，有时可将断裂功作是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况，有时可将断裂功作为为“韧性韧性”的标志。的标志。（3）硬而韧型）硬而韧型 此类材料弹性模量、屈此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，应力应变曲线下的面积很大，说明材大，应力应变曲线下的面积很大，说明材料韧性好

21、，是优良的工程材料。料韧性好，是优良的工程材料。（1）硬而脆型）硬而脆型 此类材料弹性模量高（此类材料弹性模量高（OA段斜段斜率大）而断裂伸长率很小。在很小应变下，材料率大）而断裂伸长率很小。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。（2）硬而强型）硬而强型 此类材料弹性模量高，此类材料弹性模量高，裂强度高，断裂伸长率小。通常材料拉伸裂强度高，断裂伸长率小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破

22、坏（大约为到屈服点附近就发生破坏（大约为5%）。）。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。说明说明（5）软而弱型）软而弱型 此类材料弹性模量低，断此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。（4）软而韧型）软而韧型 此类材料弹性模量和此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大屈服应力较低，断裂伸长率大20%1000%），断裂强度可能较高，应力），断裂强度可能较高，应力应变曲线下的面积大。各种橡胶制应变曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力

23、应品和增塑聚氯乙烯具有这种应力应变特征。变特征。硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。硝酸纤维素等属于这种材料。聚合物力学类型聚合物力学类型软而弱软而弱软而韧软而韧硬而脆硬而脆硬而强硬而强硬而韧硬而韧聚合物应

24、力聚合物应力应变曲线应变曲线应应力力应应变变曲曲线线特特点点模模 量量（刚性）（刚性）低低低低高高高高高高屈服应力屈服应力（强度）（强度）低低低低高高高高高高极限强度极限强度（强度）（强度）低低中中中中高高高高断裂伸长断裂伸长（延性）（延性）中等中等按屈服应力按屈服应力低低中中高高应力应变曲线应力应变曲线下面积（韧）下面积（韧）小小中中小小中中大大实实例例聚合物凝胶聚合物凝胶橡胶橡胶.增塑增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固固化酚醛树脂断化酚醛树脂断裂前无塑性形裂前无塑性形变断裂前有银变断裂前有银纹纹硬硬PVCABS.PC.PE.PA有明显的有明显的屈服和塑性屈服和塑性形变形变.韧性好韧性好Thank you!谢谢观看谢谢观看共同学习相互提高