聚合物的应力应变曲线省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第八章第八章 聚合物屈聚合物屈服和断裂服和断裂桂林工学院材料与化学工程系高分子教研室彭锦雯 主讲第1页内容提要内容提要v教学内容:聚合物塑性与屈服,聚合物应力:聚合物塑性与屈服,聚合物应力-应变曲应变曲线,细颈,银纹,屈服判据;聚合物断裂与强度,断线,细颈,银纹,屈服判据;聚合物断裂与强度,断裂理论,影响聚合物强度原因与增强,聚合物增韧。裂理论,影响聚合物强度原因与增强,聚合物增韧。v基本要求:识别非晶态聚合物、晶态聚合物和取向聚:识别非晶态聚合物、晶态聚合物和取向聚合物应力合物应力-应变曲线,掌握细颈和银纹现象与理论解释,应变曲线,掌握细颈和银纹现象与理论解释,掌握屈服判据,区分脆性断裂与韧
2、性断裂,明确聚合掌握屈服判据,区分脆性断裂与韧性断裂,明确聚合物强度概念,了解断裂理论,掌握影响聚合物强度原物强度概念,了解断裂理论,掌握影响聚合物强度原因及增强伎俩,认识聚合物增韧路径与机理及影响原因及增强伎俩,认识聚合物增韧路径与机理及影响原因。因。v重点难点:应力:应力-应变曲线,细颈和银纹现象了解,应变曲线,细颈和银纹现象了解,屈服判据,聚合物增强与增韧。屈服判据,聚合物增强与增韧。第2页本章内容本章内容v8.1 聚合物塑性和屈服聚合物塑性和屈服 8.1.1应力应变曲线应力应变曲线 8.1.2 聚合物屈服聚合物屈服v8.2 高聚物断裂和强度高聚物断裂和强度 8.2.1 脆性断裂与韧性断
3、裂脆性断裂与韧性断裂 8.2.2 聚合物强度聚合物强度 8.2.3 断裂理论断裂理论 8.2.4 影响聚合物强度和韧性原因影响聚合物强度和韧性原因-增强与增韧增强与增韧 8.2.5 疲劳疲劳第3页表征材料力学性能基本物理量受受力力方方式式 简单拉伸 简单剪切 均匀压缩 参数受受力力特特点点v外力外力F是与截是与截面垂直,大面垂直,大小相等,方小相等,方向相反,作向相反,作用在同一直用在同一直线上两个力。线上两个力。v外力外力F是与界是与界面平行,大面平行,大小相等,方小相等,方向相反两个向相反两个力。力。v材料受到材料受到是围压力。是围压力。FFFF第4页应变应变张应变:真应变:切应变:是偏斜
4、角压缩应变:应力应力张应力:真应力:切应力:压力P第5页弹弹性性模模量量杨氏模量:泊淞比:切变模量:体积模量:柔柔量量拉伸柔量:切变柔量:可压缩度:第6页不一样材料泊松比材料名称泊松比材料名称泊松比锌0.210.21玻璃0.250.25钢0.250.30.250.35 5石料0.160.30.160.34 4铜0.310.30.310.34 4聚苯乙系0.330.33铝0.320.30.320.36 6聚乙烯0.380.38铅0.450.45有机玻璃0.330.33汞0.500.50橡胶类0.490.50.490.50 0第7页几个惯用力学强度v拉伸强度 t=P/bd(最大负荷/截面积)MPa
5、 1 MPa=9.8 kg/cm2 10 kg/cm2 v弯曲强度 f=1.5(Pl/bd)MPav冲击强度 i=W/bd Kgcm/cm2 注意!不一样方法测量结果会有不一样不一样方法测量结果会有不一样第8页常见塑料拉伸和弯曲强度塑料名称塑料名称拉伸强度拉伸强度(MPMPa a)伸长率伸长率%拉伸模量拉伸模量(GPGPa a)弯曲强度弯曲强度(MPMPa a)弯曲模量弯曲模量(GPGPa a)聚乙烯2239601500.840.9525401.11.4聚苯乙烯35.263.312252.83.561.298.4ABS塑料16.963.3101400.72.925.394.93.0有机玻璃49
6、.277.32103.291.4119聚丙烯33.742.22007001.21.442.256.21.21.6聚氯乙烯35.263.320402.54.270.3112尼龙6683603.23.31001102.93.0尼龙674781502.61002.42.6尼龙101052551002501.6891.3聚甲醛626860752.891922.6聚碳酸酯67601002.22.4981062.03.0聚砜7285201002.52.91081272.8聚酰亚胺94.5681003.2聚苯醚86.589.530802.62.8981372.02.1氯化聚醚42.3601601.17077
7、0.9线性聚酯802002.9117聚四氟乙烯14252503500.41114第9页聚合物力学性质特点聚合物力学性质特点vv是已知材料中变性范围最宽力学性质是已知材料中变性范围最宽力学性质是已知材料中变性范围最宽力学性质是已知材料中变性范围最宽力学性质。即力学性质多。即力学性质多样性。比如液体有软弹性、硬弹性、刚性、脆性、韧样性。比如液体有软弹性、硬弹性、刚性、脆性、韧性等。能够从纯粘性经粘弹性到纯弹性,为应用提供性等。能够从纯粘性经粘弹性到纯弹性,为应用提供了辽阔选择余地。了辽阔选择余地。v例子:例子:1.PS制品很脆,一敲就碎(脆性)2.尼龙制品很坚韧,不易变形,也不易破碎(韧性)3.轻
8、度交联橡胶拉伸时,可伸长好几倍,力解除后基本恢复原状(弹性)4.胶泥变形后,却完全保持新形状(粘性)vv力学性对温度和时间有强烈信赖性力学性对温度和时间有强烈信赖性力学性对温度和时间有强烈信赖性力学性对温度和时间有强烈信赖性。造成以上特点原。造成以上特点原因:归结为聚合物长链分子结构。因:归结为聚合物长链分子结构。第10页v高弹性高聚物特有高聚物特有 显示高弹性温度范围(TgTf)分子量温度范围(TgTf)增宽(TgTf)范围决定了橡胶使用温度范围第11页v粘弹性力学行为对温度和时间 有强烈依赖关系为高聚物独特力学行为 (应力)(应变)在研究高聚物力学行为 T(温度)时必须同时考虑 t(时间)
9、第12页v比强度特高比强度单位重量材料能承受最大负荷第13页几个金属材料和塑料(增强)比强度材 料 名 称比 重拉伸强度(MPa)比 强 度高级合金钢8.01280160A3钢7.8540050铝合金2.8420160铸铁7.424032聚乙烯0.953031.6尼龙661.128374.1玻璃增强尼龙661.31.598218143聚酯玻璃钢1.8290160环氧玻璃钢1.73500280玻璃增强聚碳酸酯1.412013092.9芳香聚酰胺纤维1.4528001900聚酯纤维1.381100800超高分子量聚乙烯纤维0.9735003400聚苯并噁唑(纤维)1.5658003700第14页8
10、.1 聚合物塑性和屈服聚合物塑性和屈服vv8.1.18.1.1应力应变曲线应力应变曲线应力应变曲线应力应变曲线玻玻玻玻璃璃璃璃态态态态高高高高聚聚聚聚物物物物塑塑塑塑性性性性与与与与屈服屈服屈服屈服:小形变情况小形变情况小形变情况小形变情况 大形变情况大形变情况大形变情况大形变情况 研究玻璃态高聚物大形变研究玻璃态高聚物大形变研究玻璃态高聚物大形变研究玻璃态高聚物大形变惯用应力惯用应力惯用应力惯用应力-应变试验,判断高应变试验,判断高应变试验,判断高应变试验,判断高聚物材料强弱,硬软,韧脆。聚物材料强弱,硬软,韧脆。聚物材料强弱,硬软,韧脆。聚物材料强弱,硬软,韧脆。第15页1.1.经典应力经
11、典应力-应变曲线应变曲线 -以屈服点以屈服点A A为界分成为界分成两部分两部分:vv A A A A点以前是点以前是点以前是点以前是弹性区域弹性区域弹性区域弹性区域,可恢复原样。,可恢复原样。,可恢复原样。,可恢复原样。vv A A A A点点点点以以以以后后后后呈呈呈呈塑塑塑塑性性性性行行行行为为为为,不不不不可可可可恢恢恢恢复复复复原原原原样,发生永久变形,材料屈服。样,发生永久变形,材料屈服。样,发生永久变形,材料屈服。样,发生永久变形,材料屈服。其中:其中:其中:其中:A A A A点为点为点为点为屈服点屈服点屈服点屈服点,对应应力和应变,对应应力和应变,对应应力和应变,对应应力和应变
12、为为为为屈服应力屈服应力屈服应力屈服应力 和和和和屈服应变屈服应变屈服应变屈服应变 AB AB AB AB 段叫段叫段叫段叫应变软化应变软化应变软化应变软化 BC BC BC BC 段段段段颈缩颈缩颈缩颈缩阶段阶段阶段阶段 CD CD CD CD 段段段段取向硬化取向硬化取向硬化取向硬化 D D D D点发生点发生点发生点发生断裂断裂断裂断裂,对应应力为,对应应力为,对应应力为,对应应力为抗拉抗拉抗拉抗拉强度强度强度强度 第16页应力应变曲线应力应变曲线断裂点断裂点B point:Breaking point 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 B 断裂伸长率断裂伸长率
13、B断裂强度断裂强度 Y 屈服应力屈服应力屈服点屈服点Y point:Yielding point弹性极限点弹性极限点A point:Point of elastic limit第17页v 应应力:力:=F/A0v 应变应变:=l/l0v 材料材料杨杨氏模量氏模量E为应为应力力-应变应变曲曲线线起始部分斜起始部分斜率率 E=tg=/第18页应力应变曲线形变过程分析应力应变曲线形变过程分析vv弹性形变弹性形变弹性形变弹性形变屈服屈服屈服屈服应变软化应变软化应变软化应变软化冷拉冷拉冷拉冷拉应变硬化应变硬化应变硬化应变硬化断裂断裂断裂断裂第19页2、外界条件对应力、外界条件对应力-应变曲线影响应变曲线
14、影响vv(1 1)不一样温度)不一样温度)不一样温度)不一样温度随温度增加应力随温度增加应力随温度增加应力随温度增加应力-应变曲线类型从硬应变曲线类型从硬应变曲线类型从硬应变曲线类型从硬而脆变为软而韧。而脆变为软而韧。而脆变为软而韧。而脆变为软而韧。TTa:TTg 脆断b:TTg 屈服后断c:TTg 几十度 韧断d:Tg以上 无屈服 第20页vv(2 2)不一样拉伸速)不一样拉伸速)不一样拉伸速)不一样拉伸速率率率率速度速度拉伸速率拉伸速率时温等效原理:时温等效原理:时温等效原理:时温等效原理:拉伸速度快拉伸速度快拉伸速度快拉伸速度快=时间短时间短时间短时间短 温度低温度低温度低温度低第21页
15、v(3)物质结构组成)物质结构组成a:脆性材料 c:韧性材料d:橡胶b:半脆性材料酚醛或环氧树脂PP,PE,PCPS,PMMANature rubber,PI第22页v(4)结晶结晶v应变软化更显著应变软化更显著v冷拉时晶片倾斜、冷拉时晶片倾斜、滑移、转动,形成滑移、转动,形成微晶或微纤束微晶或微纤束第23页v(5)球晶大小球晶大小第24页v(6)结晶度结晶度第25页3.3.晶态聚合物应力一应变曲线晶态聚合物应力一应变曲线整个曲整个曲线线可分可分为为三个三个阶阶段:段:到到y点后,点后,试样试样截面开始截面开始变变得不得不均匀,出均匀,出现现“细颈细颈”。晶态聚合物“冷拉”原因:Tm以下,冷拉
16、:拉伸成颈(球晶中片晶变形)非晶态:Tg以下冷拉,只发生分子链取向晶态:Tm以下,发生结晶破坏,取向,再结晶过程,与温度、应变速率、结晶度、结晶形态相关。第26页v玻璃态聚合物拉伸与结晶聚合物拉伸相同之处:即两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变以及应即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不能自发回复,而加变硬化等阶段,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,故本质上两种拉伸过程造成大形变都是高热后则产生回复,故本质上两种拉伸过程造成大形变都是高弹形变。该现象通常称为弹形变。该现象通常称为“冷拉”。v两种拉伸过程又有区分:即产
17、生冷拉温度范围不一样,玻璃态聚合物冷拉温度区间是即产生冷拉温度范围不一样,玻璃态聚合物冷拉温度区间是Tb到到Tg,而结晶聚合物则为,而结晶聚合物则为Tg至至Tm;另一差异在于玻璃态;另一差异在于玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构改变比晶态聚合物简单得多,聚合物在冷拉过程中聚集态结构改变比晶态聚合物简单得多,它只发生分子链取向,并不发生相变,而后者尚包含有结晶它只发生分子链取向,并不发生相变,而后者尚包含有结晶破坏,取向和再结晶等过程。破坏,取向和再结晶等过程。第27页4、聚合物含有应力、聚合物含有应力-应变曲线类型:应变曲线类型:(1 1 1 1)硬而脆)硬而脆)硬而脆)硬而脆(聚苯乙烯,(聚
18、苯乙烯,(聚苯乙烯,(聚苯乙烯,PMMAPMMAPMMAPMMA等)等)等)等)(2 2 2 2)硬而韧)硬而韧)硬而韧)硬而韧(尼龙等)(尼龙等)(尼龙等)(尼龙等)(3 3 3 3)硬而强)硬而强)硬而强)硬而强(PVCPVCPVCPVC与与与与PSPSPSPS共共共共混物)混物)混物)混物)(4 4 4 4)软而韧)软而韧)软而韧)软而韧(橡胶)(橡胶)(橡胶)(橡胶)(5 5 5 5)软而弱)软而弱)软而弱)软而弱 (无规无规无规无规PP)PP)PP)PP)第28页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力聚合物应力应变曲线应变曲
19、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应力应变曲线下面积线下面积(韧性)(韧性)小小中中小小中中大大v五种不一样类型材料比较五种不一样类型材料比较第29页v例子例子聚合物聚合物力学类力学类型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聚合物应力应力应变应变曲线曲线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
20、化酚醛树固化酚醛树脂断裂前无脂断裂前无塑性形变断塑性形变断裂前有银纹裂前有银纹硬硬PVCvABS.PC.PE.vPA有有显著屈显著屈服和塑服和塑性形变性形变.韧性韧性好好第30页8.1.2 聚合物屈服1.高聚物屈服点特征大多数高聚物有屈服现象,最显著屈服现象是拉伸中出现细颈现象。它是独特力学行为。并不是全部高聚物材料都表现出屈服过程,这是因为温度和时间对高聚物性能影响往往掩盖了屈服行为普遍性,有高聚物出现细颈和冷拉,而有高聚物脆性易断。第31页关于关于细颈现象细颈现象样条尺寸:横截面小地方样条尺寸:横截面小地方应变软化:应力集中地方应变软化:应力集中地方出现出现“细细颈颈”位置位置自由体积增加
21、自由体积增加松弛时间变短松弛时间变短出现出现“细颈细颈”原因原因无外力无外力有外力有外力Orientation细颈稳定细颈稳定取向硬化取向硬化Considre作图法作图法唯象角度唯象角度判据判据细颈细颈:屈服时,试样出现局部变细现象。屈服时,试样出现局部变细现象。第32页(1)屈服应变大屈服应变大:高聚物屈服应变比:高聚物屈服应变比金属大得多,金属金属大得多,金属0.01左右,高聚物左右,高聚物0.2左右(比如左右(比如PMMA切变屈服为切变屈服为0.25,压缩屈服为,压缩屈服为0.13)(2)屈服过程有应变软化现象屈服过程有应变软化现象:许多高:许多高聚物在过屈服点后都有一个应力不太聚物在过
22、屈服点后都有一个应力不太大下降,叫应变软化,这时应变增大下降,叫应变软化,这时应变增大,应力反而下降。大,应力反而下降。第33页(3)屈服应力依赖应变速率屈服应力依赖应变速率:应变速率增大,:应变速率增大,屈服应力增大。屈服应力增大。应变速率对应变速率对PMMA真应力应变曲线影响真应力应变曲线影响应应变变速速率率增增大大123410.2吋分吋分真应变真应变 41.28吋吋/分分31.13吋吋/分分20.8吋吋/分分真应力真应力第34页(4)屈服应力依赖于温度屈服应力依赖于温度:温度升高,屈服应力:温度升高,屈服应力下降。在温度到达下降。在温度到达时,屈服应力等于时,屈服应力等于0 0温度对醋酸
23、纤维素应力应变曲线影响温度对醋酸纤维素应力应变曲线影响应力应力应变应变80655025025第35页(5)屈服应力受流体静压力影响屈服应力受流体静压力影响:压力增大,:压力增大,屈服应力增大。屈服应力增大。1.7千巴千巴1巴巴0.69千巴千巴3.2千巴千巴切应力切应力切应变切应变第36页(6)高聚物屈服应力不等于压缩屈服应高聚物屈服应力不等于压缩屈服应力力,普通后者大一些。所以高聚物取,普通后者大一些。所以高聚物取向薄膜不一样方向上屈服应力差异很向薄膜不一样方向上屈服应力差异很大。大。(7)高聚物在屈服时体积略有缩小。高聚物在屈服时体积略有缩小。第37页vv高聚物屈服特征小结高聚物屈服特征小结
24、(1 1)屈服应变大屈服应变大屈服应变大屈服应变大(2 2)应变软化现象应变软化现象应变软化现象应变软化现象(3 3)屈服应力应变速率依赖性屈服应力应变速率依赖性屈服应力应变速率依赖性屈服应力应变速率依赖性(4 4)屈服应力温度依赖性屈服应力温度依赖性屈服应力温度依赖性屈服应力温度依赖性(5 5)流体静压力对屈服应力有影响流体静压力对屈服应力有影响流体静压力对屈服应力有影响流体静压力对屈服应力有影响(6 6)高聚物屈服应力不等于压缩屈服应高聚物屈服应力不等于压缩屈服应高聚物屈服应力不等于压缩屈服应高聚物屈服应力不等于压缩屈服应力(7 7)高聚物在屈服时体积稍有缩小高聚物在屈服时体积稍有缩小高聚
25、物在屈服时体积稍有缩小高聚物在屈服时体积稍有缩小第38页关于关于工程应力和真应力v应应力力:=F/A0v真真应应力:力:真真=F/A A=A0l0/l=A0/(1+)因因为为:A 第39页Considere作图法(真应力作图法(真应力-应变曲线)应变曲线)(P180)v在横坐在横坐标标=-1处处向真向真应应力力-应变应变曲曲线线作切作切线线就是表就是表观观屈服点,屈服点,有:有:d 真真/d =真真/(1+)=真真/这这种以真种以真应应力作力作图图求表求表观观屈服点方法就是屈服点方法就是Considere作图法作图法。Y点在真应力在真应力-应变曲线上确定与应变曲线上确定与工程应力工程应力-应变
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