聚合物的黏弹现象及理解——蠕变及应力松弛概念解析

聚合物的黏弹现象及理解作者：李丽萍来源：《教育教学论坛》2015年第11期摘要：针对《高分子物理》课程中黏弹现象难于理解，作者根据教学经验对聚合物的黏弹性进行解析，通过理论联系实际，让学生加深对黏弹现象的理解，对于提高学生对课程的整体认识，强化学生对课程的理解，取得了良好的教学效果。

关键词：黏弹性；蠕变；应力松弛同一物体即可以是弹性的，也可以是黏性的，主要因环境温度或外力作用速率不同，在某些条件下主要表现为弹性，而在其他条件下主要表现黏性。

聚合物的这种特性称为黏弹性，对于黏性材料，应力不能保持恒定，而是以某一速率减小到零，其速率取决于施加的起始应力值和材料的性质。

这种现象称为应力松弛[1，2]。

在应力保持不变的情况下，材料可随时间继续变形，这种性能就是蠕变或流动，因此高分子材料具有黏弹性。

材料的黏弹性能主要表现在蠕变和应力松弛两个方面。

蠕变与力学松弛是材料在加载完成能够以后的力学反应，或衡量材料在使用过程中的尺寸稳定性[3，4]，本文结合聚合物的分子运动，阐述聚合物的蠕变和应力松弛过程。

一、蠕变（Creep）1.蠕变概念解析。

蠕变，是在一定温度及应力下，固体材料缓慢永久性的移动或者变形的趋势。

即在较小的恒定外力作用下，应变随时间延长而慢慢增加的现象。

它的发生是低于材料屈服强度的应力长时间作用下，材料内部通过链段与网链的蠕动、变形、调整位置，逐步达到与外应力相平衡的过程。

它不同于塑性变形，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，发生塑性形变时，微观结构相邻部分产生永久性位移，在外力去除后形变不能恢复，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现，当卸去载荷时，材料的变形部分地回复或完全地回复到起始状态。

由于高聚物既有弹性又有黏性，所以外力对他所做的功一部分以弹性能的形式储存起来，另一部分又以热的形式消耗掉。

外力去除后，弹性部分可回复，黏性部分不可回复。

而蠕变能否回复，取决于外力作用的时间及大小，从分子运动和变化的角度，蠕变包含三种形变，即普弹形变，高弹形变和永久形变或黏性流动，不同的蠕变过程分别与不同方式的分子运动相关联。

第七章聚合物的粘弹性一、概念1、蠕变在一定温度、一定应力的作用下，聚合物的形变随时间的变化称为蠕变。

2、应力松弛在固定的温度和形变下，聚合物的内部应力随时间的增加而衰减的现象称为应力松弛。

3、滞后现象与力学内耗滞后现象：聚合物在交变应力作用下，应变落后于应力的现象。

力学内耗：由于发生滞后现象，在每一循环变化中作为热损耗掉的能量与最大储存能量之比成为力学内耗。

4、时温等效原理从分子运动的松驰性质可知，同一力学松驰现象，既可在较高的温度下，较高的时间内观察到，也可以在较低的温度下，较长时间内观察到。

因此，升高温度与延长时间对分子运动是等效的，对聚合物的粘弹性也是等效的，这就是时温等效原理。

适用范围Tg ~ Tg+1005、Blotzmann叠加原理高聚物的力学松驰行为是其整个历史上诸松驰过程的线性加和的结果。

对于蠕变过程，每个负荷对高聚物的变形的贡献是独立的，总的蠕变是各个负荷起的蠕变的线性加和，对于应力松驰过程，每个应变对高聚物的应力松驰的贡献也是独立的，高聚物的总应力等于历史上诸应变引起的应力松驰过程的线性加和。

二、选择答案1、粘弹性是高聚物的重要特征，在适当外力作用下，（B ）有明显的粘弹性现象。

A、T g以下很多B、T g附近C、T g以上很多D、f附近2、关于WLF方程，说法不正确的为（A ）。

A、严格理论推导公式B、T g参考温度，几乎对所有聚合物普遍适用C、温度范围为T g～T g＋100℃D、WLF方程是时温等效原理的数学表达式3、（C ）模型基本上可用于模拟交联聚合物的蠕变行为。

A、Flory，B、Huggins，C、Kelvin，D、Maxwell4、（D ）模型可以用于模拟线性聚合物的应力松弛行为。

A、Flory，B、Huggins，C、Kelvin，D、Maxwell三、填空题1、Maxwell模型可模拟线性聚合物的应力松弛现象，而Kelvin模型基本上可用来模拟交联聚合物的蠕变行为。

聚合物蠕变的定义
聚合物蠕变的定义是指在一定温度和较小的恒定外力的作用下，材料的变形随时间的增加而逐渐增大的一种现象，主要的外力形式有：拉伸、弯曲、剪切、压缩等。

聚合物蠕变最为直接地表现了高聚物静态粘弹性能，也是材料寿命主要失效形式之一。

它与普通的塑性变形不同，塑性变形一般在应力超过弹性极限以后才产生，而蠕变变形是随时间变化的一种现象，只要作用时间足够长，没有达到弹性极限同样也会出现蠕变变形。

聚合物蠕变大致可划分为三个阶段。

第一阶段为减速螺变阶段，是指出现弹性形变以后的形变阶段，这个阶段的蠕变速率随时间地增长而不断下降；第二阶段为稳态螺变或着恒速蠕变阶段，蠕变速率保持不变，这个阶段的形变硬化与软化过程表现出一种平衡的状态，同时这一阶段的蠕变速率最小；第三阶段为加速蠕变阶段，蠕变速率随时间增长又开始大幅度地增加，最后导致材料断裂最终的破坏。

在聚合物科学中，蠕变、应力松弛、滞后和内耗是与聚合物材料的力学行为相关的术语。

蠕变（Creep）：蠕变是指在持续受到应力的情况下，聚合物材料会随着时间的推移发生形变。

蠕变是一个时间依赖的现象，即应力施加时间越长，形变越明显。

蠕变通常由于聚合物链的重新排列和滑移引起，导致聚合物结构的变化。

蠕变是一种可逆现象，当去除应力时，材料会回弹至原始形态。

应力松弛（Stress relaxation）：应力松弛是指在一定的应变条件下，聚合物材料所受的应力会随着时间的推移逐渐减小。

这是因为聚合物链在应力作用下发生重排，使得材料内部的应力逐渐减小。

与蠕变不同，应力松弛通常是在给定应变条件下观察到的。

滞后（Hysteresis）：滞后是指聚合物材料在循环加载和卸载的过程中，其应力和应变之间存在的差异。

在加载期间，聚合物会表现出较高的应力响应，但在卸载期间，应力并不完全消失。

这种差异是由于聚合物链的结构重排和能量耗散引起的。

滞后现象常见于高分子弹性材料，如弹簧和橡胶。

内耗（Internal friction）：内耗是指聚合物材料在受力或形变时，由于分子内部摩擦和相互作用而产生的能量损耗。

内耗可以导致材料的能量耗散和温升。

聚合物材料的内耗通常与材料的分子结构、聚合度和温度等因素有关。

内耗在聚合物的动态力学性能和阻尼特性中起着重要作用。

这些现象在聚合物工程和材料科学中具有重要的应用。

研究和了解聚合物的蠕变、应力松弛、滞后和内耗行为对于设计和开发具有特定力学性能和可靠性的聚合物制品非常重要。

01聚合物蠕变蠕变在恒定温度、较小的恒定外力作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象，称为形变。

蠕变过程中包括三种形变：（1）瞬时普弹形变（虎克弹性）特征：施加应力，形变瞬时产生，除去外力，立即恢复。

（2）高弹形变特征：通过链段的运动逐渐展开，形变量大，且形变的发展与时间有关，恢复也是逐渐进行的。

（3）黏性形变——永久变形特征：黏性形变的发展与时间呈线性关系，外力除去后，不能恢复。

例如,软PVC丝悬挂一定重量的砝码,就会慢慢地伸长,解下砝码后,又会慢慢缩回去,这就是典型的蠕变现象。

对于工程塑料,要求蠕变越小越好,对于蠕变严重的材料,使用时需采取必要补救措施。

如硬PVC有良好的抗腐蚀性能,可用于加工化工管道、容器等设备,但它容易蠕变,使用时必须增加支架以防止蠕变.PFTE是塑料中摩擦系数最小的,由于其蠕变现象严重,所以不能用作机械零件,但却是很好的密封材料.为探究GFRP锚杆在循环荷载下的黏结锚固性能，在软岩地基边坡开展GFRP 锚杆现场拉拔试验，通过光纤光栅应变传感器测量技术进行研究。

结果表明:循环荷载作用下锚杆杆体与锚固体的黏结蜕化深度小于锚杆的有效锚固长度,黏结蜕化深度以上锚杆杆体与锚固体界面提供摩擦力,黏结蜕化深度以下提供黏聚力。

当锚固界面受到破坏时，黏聚力将失去作用。

锚杆同-锚固深度处循环荷载作用的次数越多，锚固界面的黏结蜕化现象越严重;不同锚固深度处循环荷载作用的次数越多，黏结蜕化现象反而越不明显。

图7为GFRP锚杆杆体应变时程曲线，表明不同循环荷载对锚杆杆体黏结蜕化作用的影响。

通过多变量控制下的GFRP锚杆静载和反复荷载试验发现:在静载和反复荷载试验下，GFRP锚杆的破坏形式均为杆体拔出破坏;在反复荷载作用下，较少的循环次数对GFRP筋与混凝土黏结强度和锚杆滑移量影响不明显，当在低应力水平、反复荷载循环次数较少时，GFRP锚杆黏结强度退化不显著,反而在一定程度上有所增加;而在高应力反复荷载作用下，GFRP筋与混凝土间的黏结强度降低，黏结性能退化比较明显。

蠕变和应力松弛名词解释
嘿，你知道啥是蠕变不？打个比方哈，就像一块橡皮，长时间被压着，它就会慢慢地变形，这就是蠕变啦！想象一下，一些材料在持续
的外力作用下，随着时间慢慢发生变形，就像那慢慢流淌的溪水，不
知不觉中改变了河道。

那应力松弛又是啥呢？好比你拉着一根橡皮筋，刚开始拉得紧紧的，可过了一段时间，你会发现它没那么紧了，这就是应力松弛呀！就好
像一个人一直紧绷着神经，时间久了也会慢慢放松下来。

咱就说，生活中很多东西都有这样的现象呢！比如那些老旧的桥梁，长时间承受车辆的重压，不就会发生一些微小的变形嘛，这其实就是
蠕变在起作用呀！还有那些用久了的弹簧，是不是感觉没那么有弹性了，这就是应力松弛导致的呀！
再想想看，我们的身体有时候也会这样呢！长时间保持一个姿势，
肌肉不就会有点酸嘛，这也有点像材料的蠕变呀！而当我们紧张过后，会感觉一下子轻松了很多，这也跟应力松弛有点像呢！
蠕变和应力松弛可真是两个很奇妙的概念呀！它们在工程领域、材
料科学里都有着非常重要的地位呢！没有它们的研究，我们怎么能造
出更坚固、更耐用的东西呢？所以呀，可别小看了这两个名词，它们
背后蕴含的意义和价值可大着呢！它们就像隐藏在材料世界里的小秘密，等待着我们去探索和发现呀！。

应力松弛名词解释应力松弛是指在应力作用下，材料内部的原子结构发生变化以达到更稳定的状态的过程。

在材料受到应力作用时，原子之间的键会发生形变，使材料内部存在着能量积累和应力集中。

为了减少这种状态下的能量和应力，材料会通过一些机制进行松弛，恢复到较稳定的状态。

应力松弛主要包括两个方面的变化：原子间的位移和晶格缺陷的形成。

在受到应力作用下，材料中的原子会发生位移，以减少应力集中的程度。

原子位移的方式包括滑移、蠕变和回复等。

滑移是指原子围绕着一个固定的位错线沿着晶体内部发生移动的过程，通过滑移减少材料中的应力集中。

蠕变是指在高温下由应力作用引起的物质流动。

回复是指在松弛应力下，材料会逐渐恢复到初始无应力状态，原始晶格结构得到恢复。

应力松弛还涉及到晶格缺陷的形成，其中最常见的是位错和空位。

位错是晶体中某一原子排列的故障，它是一种原子间的错位或者位移，是材料中弹性形变存留下来的痕迹。

位错的形成可以减小应力集中，增强材料抵抗外力破坏的能力。

空位是指晶格中一部分原子缺失形成的缺陷，也可以通过空位的形成和移动来减少应力的影响。

应力松弛在材料加工、材料性能改善和材料的持久性能方面都有重要的意义。

在材料加工中，松弛可以使材料在加工后恢复原来的形状，在机械加工和热处理过程中起到重要的作用。

在材料性能改善方面，应力松弛可以减少材料的内部应力，提高材料的韧性和抗拉强度。

在材料的持久性能方面，应力松弛也起着重要的作用，可以减缓材料的老化过程和疲劳寿命。

总之，应力松弛是材料在受到应力作用下，通过原子位移和晶格缺陷的形成来减少应力集中，恢复到稳定状态的过程。

它在材料加工、材料性能改善和持久性能方面都有重要的作用，对于材料科学和工程具有很高的研究和应用价值。

应力松弛和蠕变的模型和原理应力松弛是指材料在一定的应力作用下，随着时间的推移，应力逐渐减小的现象。

应力松弛可以在高温、高应力或长时间作用下发生，它与材料的内部结构和微观运动有关。

蠕变是指材料在一定应力作用下，在一段较长时间内会产生徐变现象，即在应力作用下，材料会慢慢地变形。

应力松弛的模型和原理可以从两个方面来解释，即弹性变形和材料内部结构变化。

首先，从弹性变形的角度来看，应力松弛可以通过弹性模型来进行描述。

材料在受到外部应力作用时，会产生一定的弹性变形。

当应力持续作用时，材料的分子和晶格内部会发生弹性畸变，从而产生内应力。

这些内应力会逐渐使材料的原始应力减小，从而产生应力松弛现象。

其次，从材料内部结构变化的角度来看，应力松弛可以通过材料的内部结构演化进行解释。

材料的内部结构由分子、原子、晶粒等微观结构组成。

当材料受到应力作用时，这些微观结构会重新排列和变形，从而引发材料的应变和变形。

随着时间的推移，材料的内部结构会重新达到平衡状态，从而使应力逐渐减小，产生应力松弛现象。

蠕变是材料在一定应力作用下，长时间内发生的徐变现象。

蠕变可以通过材料的流变模型来进行解释。

蠕变的模型和原理可以从粘弹性和塑性变形两个方面来解释。

首先，从粘弹性的角度来看，蠕变可以通过粘弹性模型进行描述。

粘弹性是指材料同时具有弹性和粘性特性。

在蠕变作用下，材料会同时发生弹性变形和粘性变形。

弹性变形主要是由于材料的分子或晶粒内部发生位移和畸变，而粘性变形主要是由于材料内部分子的滑移和相对位移引起的。

蠕变的产生主要是由于长时间的粘性变形造成的。

其次，从塑性变形的角度来看，蠕变可以通过塑性流变模型进行解释。

在蠕变过程中，材料的内部结构会发生可塑性的变形，即原子、分子或晶粒之间的相对位移会发生变化，从而引发材料的塑性流动。

长时间的塑性流动会导致材料的徐变现象，从而产生蠕变。

综上所述，应力松弛和蠕变的模型和原理可以通过弹性变形、材料内部结构演化、粘弹性和塑性变形等方式进行解释。

蠕变和应力松弛的概念1. 嘿，你知道蠕变是啥不？蠕变啊，就像是一个偷懒的小虫子，慢慢地往前挪。

我给你说啊，就像那老房子的木头梁，时间久了，虽然没什么特别大的压力在上面，可它自己就慢慢地变形了，这就是蠕变。

它是材料在恒定应力作用下，随着时间的推移而发生的缓慢而持续的变形呢。

你可别小瞧这蠕变，有时候它就像个隐藏的小恶魔，悄悄地改变着东西的形状，等你发现的时候，可能就已经晚啦。

2. 应力松弛呢，这概念有点意思。

想象一下，你手里紧紧握着一个气球，刚握的时候气球被你捏得紧紧的，可过了一会儿呢，你感觉手没那么累了，气球好像也没那么紧了。

这就是应力松弛在搞鬼。

应力松弛就是在应变保持不变的情况下，应力随着时间的推移而逐渐减小的现象。

就像那根扎头发的皮筋，刚扎上的时候紧紧的，过段时间就松了，真让人有点小烦恼呢。

3. 蠕变这个东西啊，就像是一个慢性子的家伙。

比如说那铁轨，火车每天在上面跑来跑去，虽然每一次的压力都不是那种能一下子把铁轨压垮的程度，但是随着时间一天天过去，铁轨就会慢慢发生变形。

这就好比一个人每天吃一点点垃圾食品，短时间内看不出啥问题，但是时间长了，身体就会像铁轨一样，慢慢出现毛病。

哎呀，这蠕变还真是个不容易被发现的捣蛋鬼呢。

4. 应力松弛啊，就像一场力量的悄悄撤退。

你看那拧紧的螺丝，刚拧紧的时候，它紧紧地把两个东西固定在一起，应力可大了。

可是过了一段时间呢，你再去看，可能就没那么紧了。

这就像两个人刚开始热情似火地拥抱，抱得紧紧的，但是随着时间，那种紧紧的力量就没那么强烈了。

这应力松弛有时候真的很让人生气，好好的东西就因为它变得不那么牢固了。

5. 咱们再来说说蠕变吧。

你有没有见过那种老的塑料水管，用了很多年之后，它就变得弯弯扭扭的了。

这就是蠕变在起作用呢。

蠕变就像是一个无声的破坏者，在材料里面悄悄地搞破坏。

材料在恒定的应力下，就像一个一直被人轻轻推着的小车，虽然每次推的力量不大，但是时间长了，小车就偏离原来的位置了，这多可怕呀。

蠕变应力松弛相关介绍百若试验仪器服务范围：全系列电子萬能试验机、全系列电液伺服萬能试验机、全系列电液伺服压力试验机、全系列电液伺服疲劳试验机、应力腐蚀裂纹扩展速率试验机、应力腐蚀慢应变速率试验机、板材成形试验机、杯突试验机、紧固件横向振动疲劳试验机、多功能螺栓紧固分析系统、扭矩轴力联合试验机、松弛试验机、锚固试验机、扭转试验机、冲击试验机、压剪试验机、液压卧式拉力试验机、光缆成套试验设备等。

百若试验仪器就来说说蠕变应力松弛相关介绍蠕变定义：蠕变是在应力影响下，固体材料缓慢永久性的移动或者变形的趋势。

它的发生是低于材料屈服强度的应力长时间作用的结果。

这种变形的速率与材料性质、加载时间、加载温度和加载结构应力有关。

取决于加载应力和它的持续时间和环境温度，这种变形可能变得很大，以至于一些部件可能不再发挥它的作用。

阶段过程：1初步蠕变，形变率相对较大，但是随着应变的增加减慢。

2稳态蠕变，形变率达到一个最小值并接近常数，“蠕变应变率”就是指这一阶段的应变率。

3颈缩现象，应变率随着应变增大指数性的增长晶体蠕变（考虑金属）公式： Q m kTb d C e dt d εσ-=其中：ε是蠕变应变，C 是一个依赖于材料和特别蠕变机制的常数，m 和b 是依赖于蠕变机制的指数，Q 是蠕变机制的激活能，σ是加载应力，d 是材料的晶粒尺寸，k 是波尔兹曼常数，T 是绝对温度。

位错蠕变在相对于剪切模量的高应力条件下，蠕变是一个受位错控制的运动。

当应力加载在材料上时，由于滑移面中的位错移动而塑性变形发生。

位错蠕变中，self diffusion Q Q -=，46m =:，0b =。

因此位错蠕变强烈依赖于加载应力而不依赖于晶粒尺寸。

引入初始应力0σ，低于初始应力时无法测量。

这样，方程就写成0()Q m kT d C e dtεσσ-=-。

Nabarro-Herring 蠕变在N-H 蠕变中，原子通过晶格扩散，造成晶粒沿着应力轴伸长。