第十八章塑料材料性能表征与测试

•2. 影响聚合物拉伸行为的因 素
• (a) Different temperature温度
•Example-PVC
•T
•a: T<<Tg 脆断
•b: T<Tg 屈服后断
•c: T<Tg 几十度 韧
断
•d: Tg以上 无屈服
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第十八章塑料材料性能表征与测试
•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；
•非晶态聚合物的应力应变曲线（玻璃态）
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•拉伸过程中高分子链的运动
•II 强迫高弹形变 •在大外力作用下冻结 的链段沿外力方向取向
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第十八章塑料材料性能表征与测试
•拉伸过程中高分子链的运动
•III 粘流形变 •在分子链伸展后继续拉伸 整链取向排列，使材料的 强度进一步提高。形变不 可回复。
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•3. 聚合物应力-应变曲线的类型
•由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力－ 应变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类 。
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•高分子材料应力-应变曲线的类型
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•说明
“软”和“硬”用于区分模量的低或高
“弱”和“强”是指强度的大小
•（5）软而弱型 此类材料弹性 模量低，断裂强度低，断裂伸长 率也不大。一些聚合物软凝胶和 干酪状材料具有这种特性。
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•注意
实际高分子材料的拉伸行为非常复杂， 可能不具备上述典型性，或是几种类型 的组合。例如有的材料拉伸时存在明显 的屈服和“颈缩”，有的则没有；有的 材料断裂强度高于屈服强度，有的则屈 服强度高于断裂强度等。
➢ 按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变 形的程度分为韧性断裂和脆性断裂
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•脆性断裂与韧性断裂
•韧性断 裂
•断裂前及过程中产生明显的宏观塑性 变形。裂纹扩展较慢，消耗大量的塑性 变形能。断口呈暗灰色、纤维状。一些 金属材料和高分子材料的静拉伸断裂。
•脆性断 裂
“脆”是指无屈服现象而且断裂伸长率很 小
“韧”是指其断裂伸长率和断裂应力都较 高的情况，可将断裂功作为“韧性”的标志。
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•（1）硬而脆型 此类材料弹性模 量高（OA段斜率大）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。 在室温或室温之下，PS、PMMA、 酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行 为。
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4. 拉伸性能指标
（1）拉伸强度 ：
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➢ σb —拉伸强度，MPa ➢ P —最大载荷，N ➢ b —试样宽度，cm ➢ h —试样厚度，cm
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（2）断裂伸长率 ：
➢ δ —断裂伸长率，%
➢ ΔLb —试样破坏时标距内的伸长量，cm ➢ L0 —测量的标距，cm
试样发生脆性或者韧性断裂与材料组 成有关，除此之外，同一材料是发生脆
性或韧性断裂还与温度T 和拉伸速度 有
关
相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面 较为粗糙， 断裂伸长率较大
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第十八章塑料材料性能表征与测试
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2020/11/28
•. •. •. •.
>>3>
12
4
•时温等效原理：
拉伸速度快=时间
短→温度低
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(c) Composition of Polymers 物质结构组成
•a: 脆性材料 •b: 半脆性材料 •c: 韧性材料 •d: 橡胶
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•酚醛或环氧树脂 •PS, PMMA •PP, PE, PC •Nature rubber, PI
•断裂前基本不产生明显的宏观塑性变 形，没有明显预兆，表现为突然发生的 快速断裂过程，具有很大的危险性。断 口齐平光亮，呈放射状或结晶状。淬火 钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃。
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➢ 金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限 ➢ 规定：Ψ<5%，脆断； Ψ>5%，韧断 ➢ 金属的脆性和韧性是根据一定条件下的塑性变
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（3）拉伸弹性模量 ：
➢ ΔP —载荷-形变曲线上，初始直线段的载荷 增量，N
➢ ΔL —与载荷增量对应的标距L0内的变形增 量，cm
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（4）泊松比 ：
➢ ε1 、ε2 —分别为载荷增量ΔP对应的纵向应变
和横向应变
•3、强迫高弹形变阶段CD
•4、应变硬化阶段DB
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•Point of elastic limit 弹性极限点
•C •A
•B •D
•O
•（1）OA段，为普弹形变区，应力－应变呈直 线关系变化，符合虎克定律，直线斜率为弹性 模量。
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•Y •C
•A
•B •D
•O
•（5）曲线下的面积等于
•相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，称断裂 能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。
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•拉伸过程中高分子链的运动
•I 普弹形变 •小尺寸运动单元的运动引 起键长键角变化。形变小 可回复
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•Yielding point 屈服点
•Strain softening 应变软化•B
•Y
•C
•D
•A
•O •
•（2）屈服阶段ACy：越过A点，应力－应变曲线偏离直线，
材料开始发生塑性形变，极大值Y点称材料的屈服点，其对
应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）σy 和屈服 应变εy 。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈”现 象，材料应力略有下降， “应变软化”。
•1. 典型聚合物应力-应变曲线
•常用的哑铃型标准试样，试样中
部为测试部分，标距长度为l0，初 始截面积为A0。
•哑铃型标准试 样
•实验条件：一定拉伸速率和温度
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第十八章塑料材料性能表征与测试
•C •A
•B •D
•明显的四个阶段 •1、普弹形变阶段OA•O •2、屈服阶段AC（应变软化阶段）
•D
•Strain hardening
•应变硬化
•O •
y
•（4）应变硬化DB：拉伸应变很大时，材料应力又急剧 上升（应变硬化），到达B点发生断裂。与B点对应的应 力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度） σb 和断 裂伸长率εb ，是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。
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第十八章塑料材料性能表征与测试
第十八章塑料材料性能 表征与测试
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2020/11/28
第十八章塑料材料性能表征与测试
•一、聚合物材料拉伸时的力学性能
特点
力学性能的数值很宽：包括从熔体、软橡皮到 很硬的固体，各种聚合物对于机械应力的反应 相差很大。 高聚物由长链分子组成，运动单元具有多重性， 分子•运Ru动bb对er温在低度温和下时变间有强•烈PM的M依A,赖T>性10—0C—, 变松软 弛特硬性。力学性能也有松弛特性。表现为粘弹 性行•为尽，管同结时构具无有变粘化性，液但体对和于纯不粹同弹温性度固或体外的力， 行为分子运动是不同的，物理性质也不同 强度低，模量低
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第十八章塑料材料性能表征与测试
•强迫高弹形变（冷拉）
•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，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。
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第十八章塑料材料性能表征与测试
形量来决定的
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第十八章塑料材料性能表征与测试
•聚合物材料
•如何区分 •断裂形式？
•关键看屈 服
•屈服前断 脆性断裂
•屈服后断 韧性断裂
•脆性断 裂
•韧性断 裂
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•屈服 前断裂
•屈服 后断裂
•无塑 性流动
•表面光滑
•有塑性 流动
•表面粗 糙
第十八章塑料材料性能表征与测试
•注意
•（2）硬而强型 此类材料弹性模 量高，断裂强度高，断裂伸长率 小。通常材料拉伸到屈服点附近 就发生破坏（大约为5%）。硬质 PVC制品属于这种类型。
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•（3）硬而韧型 弹性模量、屈服 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，说明材料韧性好， 是优良的工程材料。
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材料拉伸过程还明显地受环境条件 （如温度）和测试条件（如拉伸速率） 的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品 在很慢速率下拉伸也会发生大于100%的 断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。
因此规定标准的实验环境温度和标准 拉伸速率是很重要的。
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•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
•特征温度Tb：
•T<Tb，玻璃态高聚物就不能发生强迫高 弹形变，而必定发生脆性断裂，这个温度
称为脆化温度Tb。
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(b) Different strain rate应变速率
•速度
•速度
•Strain rate
➢ ΔL1 、ΔL2 —分别与载荷增量ΔP对应的标距
L1和L2的变形增量，cm
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•1.2.4 材料的断裂
➢ 固体材料在力的作用下分成若干部分的现象 称为断裂
➢ 材料的断裂是力对材料作用的最终结果，它 意味着材料的彻底失效。
➢ 与其他失效方式相比（磨损、腐蚀），危害 性最大，并可能出现灾难性的后果。
•硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的 屈服、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成细颈。 很多工程塑料如聚酰胺、PC及醋酸纤维素、 硝酸纤维素等属于这种材料。
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•（4）软而韧型 此类材料弹性 模量和屈服应力较低，断裂伸长 率大（20%～1000%），断裂 强度可能较高，应力－应变曲线 下的面积大。各种橡胶制品和增 塑PVC具有这种应力－应变特征。
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•
• •
•玻璃化转变区域
•粘流转变区域
•形变
非 晶 态 聚
玻 璃 态
•高弹 态
•橡胶
态粘 流
合
态
物
•温度
•Tg
•Tf
•玻璃态转变为高弹态，转变温度称为玻璃化温度
Tg PPT文档演•模高板 弹态转变为粘流态，转变温度称第十为八章粘塑料材流料性温能表度征与测T试f
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第十八章塑料材料性能表征与测试
•Y
•C
•A
•强迫高弹形 变
•B •D
•O •
y
•（3）强迫高弹形变阶段CD：随着应变增
加，在很长一个范围内曲线基本平坦，
“细颈”区越来越大，发生“强迫高弹形
变”。
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•Y •C
•A
•B •Breaking
point 断裂点