高分子物理—聚合物的应力应变行为

高分子物理—聚合物的应力应变行为

College of Materials Science and Engineering

Liaocheng University

第三组制作

高分子物理—聚合物的应力应变行为

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 在不同条件下聚合物表现出的力学行为： 1.小外力作用下聚合物表现为：高弹性、粘弹性和流动性

2.很大外力作用下表现为：极限力学行为(屈服、断裂)强度：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。 包括抗张强度、冲击强度、弯曲强度、压缩强度、硬度。

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8.1.1聚合物的应力-应变行为实验条件：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。温度：非晶态聚合物Tb---Tg; 晶态聚合物： Tg---Tm。

宽 度

厚度d

bP图1 Instron 5569电子万能材料试验机 (electronic material testing system)

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表征材料力学性能的基本物理量应变：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。 应力：材料单位面积上的附加内力叫应力。

硬度：是衡量材料表面承受外界压力能力的一种 指 标。硬度的大小与材料的拉伸强度和弹性模量有关。 强度：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。

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8.1.1.1

非晶态高聚物的应力-应变曲线

我们先对这条曲线定义几个术语： 1) 2) 3) 4) A点称为“弹性极限点”, A 弹性极限应变 ， A弹性极限应力 Y点称为“屈服点”,“屈服应力 y”和“屈服伸长εy” B点称为“断裂点“, “断裂强度 b”和“断裂伸长率 b”。 整个应力-应变曲线下的面积就是试样的断裂能。

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A E A

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， 其典型曲线可分成五个阶段： ①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 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。

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A E A

②屈服(yield,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“细颈”。此 后随应变增大，应力不再增加反而有所下降——应变软化。 细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。

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E

A A

③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 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，但试样加 热到Tg附近的温度时，形变可以缓慢恢复。

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A E

A

④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

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——“应 变硬化”。

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A E A

⑤断裂—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。

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Conclusion: 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(plastic deformation )(强迫高弹形 变)、应变硬化四个阶段。

应力-应变曲线描述了材料在大外力作用下的形变规律。

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从曲线上可得评价聚合物力学性能的参数:

聚合物的屈服强度 (Y点强度) 聚合物的屈服伸长率 (Y点伸长率) 聚合物的杨氏模量 (OA段斜率) 聚合物的断裂强度 (B点强度) 聚合物的断裂伸长 率(B点伸长率) 聚合物的断裂韧性 (曲线下面积)

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不同外界条件下的应力-应变曲线T

(a) 不同温度

T

Temperaturea: T<<Tg b: T<Tg c: T<Tg (几十度) d: T接近Tg

Example-PVC0° C 0~50°C 50~70°C 70°C

Results脆性断裂 屈服后断裂 韧性断裂 无屈服

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(b) 不同的拉伸速率拉伸速率

拉伸速率

Example: PMMA

Strain rate 1 2 3 4

.

.

.

.

时温等效原理：拉伸速度快 =时间短 温度低

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(c) 不同的化学结构

a: 脆性材料 b: 半脆性材料 c: 韧性材料 d: 橡胶

酚醛或环氧树脂 PS, PMMA PP, PE, PC Nature rubber, PIB

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二、影响聚合物拉伸行为的因素(1) 温度

T TExample-PVC

a: T<<Tg b: T<Tg d: Tg以上

脆断 屈服后断

c: T<Tg 几十度

韧断无屈服