第八章 高聚物的机械强度
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高聚物的断裂与强度20系 pb02206271 罗俊从使用观点来看,与其他材料相比,高聚物材料的最大优点是其内在的韧性,例如,当我们用同样重量的高度取向的等规立构聚丙烯长丝制成的绳子和钢丝来吊物体,测两者所能承受的最大负重,试验结果表明高度取向的等规立构聚丙烯长丝制成的绳子的最大负重是钢丝的将近三倍。
高聚物的韧性是指其在断裂前所能吸收的大量的能量,但因加载方式、温度、应变速率、式样形状和大小等的改变,高聚物材料的韧性会变坏,甚至以脆性形式断裂,高聚物被损,应尽力避免。
所以对高聚物断裂及强度的研究是很有必要的,我们也应学好这部分。
一.高聚物的断裂高聚物材料的破坏从本质上来讲是主链上化学键的断裂或是高分子链间相互作用力的破坏,高聚物有两种断裂形式:脆性断裂和韧性断裂 。
脆性断裂是由所加应力的张应力分量引起的,韧性断裂是由切应力分量引起的,而高聚物的断裂形式还取决于实际所加的应力体系和试样的几何形状,因为这些将影响试样中拉伸分量和剪切分量的相对值,例如流体静压力通常是使断裂由脆性变为韧性,尖锐的缺口在改变断裂由韧变脆方面有特别的效果。
一般认为脆性断裂和塑形屈服是各自独立的过程,但实际上,两者是可以相互转变的,当温度高于样品的脆韧转变点时,样品总是韧性的,这样就可以使材料总是处于韧性状态下工作,从而避免脆性断裂。
多种因素可以影响材料的脆韧转变:1. 应变速率和温度的影响。
虽然断裂应力受应变速率和温度的影响不大,但屈服应力随应变速率的增大而增大,随温度增大而降低,故脆韧转变点将随应变速率增大而增大,在超低温下,几乎所有的高分子材料都是非常脆的。
2. 分子量。
分子量虽对屈服应力无直接影响,但它将影响断裂应力,高聚物的抗拉强度随数均分子量减小而减小,例如,分子量很小的高聚物材料,如果其玻璃化温度比环境温度高,往往特别脆,容易碎裂成强度很小的碎片。
3. 支化。
因为支化影响高聚物的结晶性,故不同支化强度的高聚物,其屈服应力有明显的不同,对于相同分子量的同种高聚物,支化高分子材料的缠结数比线状高分子材料少,故其破坏强度往往较小。
第一章高聚物的结构高聚物的结构包括高分子链结构和聚集态结构,研究高聚物结构的根本目的,是了解高聚物结构与其物理性能之间的关系,以及高聚物分子运动的规律,为高聚物分子设计和材料设计建立科学基础,同时指导我们正确地选择和使用高聚物材料,更好地掌握高聚物的成型加工工艺条件,并通过各种途经,改变高聚物的结构,以达到改进性能。
高聚物结构有很多特点,高聚物是很多碳原子以共价键联结的大分子,分子链长,并具有多分散性,分子之间相互作用力大,机械强度高,高聚物在使用时还加入很多掺合物以达到提高性能、改进性能的目的。
1-1高分子高分子是由许多相同或不同的基本链节作为化学结构单元,通过共价键连接起来的大分子,又称高聚物、聚合物、大分子及高分子化合物。
1-2天然高分子像蛋白质、天然纤维和其他糖类等天然产物,具有特殊的结构特征,这些结构特征是分子长度均一,以及分子的化学结构完全相同,在这些化合物中,每一个分子具有不同单体单元构成完全相同的序列。
1-3合成高分子将一种或两种以上的单体,经人工合成的高分子化合物,是与天然高分子向对照而言的,如合成树脂、合成纤维、合成橡胶、合成皮革、合成涂料、合成胶粘剂等,都是以合成高分子为主的,合成高分子的分子量分布较天然高分子的多。
1-4碳链高分子高分子主链是由相同的碳原子,以共价键连结的长链分子,如聚乙烯CH2CH2n。
这类高聚物,工业产量最大,用途最广,除聚四氟乙烯外,可塑性好,容易成型加工,原料丰富,成本较低,但缺点是易老化,耐热性差。
1-5杂链高分子在高分子主链上,除碳原子外,还有氧(O)、氮(N)、硫(S)等元素组成,并以共价键连结。
如聚苯二甲酸乙二醇酯C C OOCH2CH2On聚酰胺NH(CH3)4NH CO(CH3)4COn这类高分子具有较高的耐热性和机械强度,比碳链高分子要高,但因主链上常有极性基团,容易水解,杂链高分子一般作为工程塑料用。
1-6元素有机高分子这种高分子主链上含有硅Si、磷P、钛Ti、砷As、锡Sn、锑Sb、锗Ge等元素和氧组成主链,但在侧基上还含有有机基团。
第八章高聚物的屈服、断裂和力学强度概述断裂——材料破碎成几块,产生新的表面。
强度——材料抵抗破坏的能力。
韧性——能够屈服,并在断裂前发生大形变。
(换言之,材料中断裂之前吸收了大量能量。
)屈服yeild——(1)材料在拉伸或压缩过程中,当应力超过弹性极限(比例极限)后,变形增加较快,材料失去了抵抗继续变形的能力。
当应力达到一定值时,应力虽不增加(或在微小范围内波动),而变形却急速增长的现象,称为屈服。
(2)在某应力状态下由弹性状态转变到塑性状态的现象。
(3)材料发生塑性形变。
(4)形变时某个位置出现“颈缩”。
聚集态结构对力学性能的影响远远超过化学结构的影响。
材料内部结构不均匀(晶区和非晶区、填充物、交联密度、内部应力),还有大量的缺陷(微小的空洞、裂纹)。
极大地影响强度,破坏首先发生在最薄弱位置。
高聚物材料的力学性能表现还对温度和形变速率(加载速率)有强烈依赖性(松弛特性的反映)。
温度低,试验速率快,表现脆性;温度高、实验速率小,表现韧性。
脆性——断裂前未屈服(断裂时形变很小)韧性——断裂前屈服(断裂时形变很大)材料是脆性还是韧性不是绝对的,随着实验条件变化而变化。
有很多力学性能指标和试验方法。
§8.1 等速拉伸应力-应变曲线8.1.1 典型的等速拉伸应力-应变曲线研究材料强度和破坏的重要实验手段是测量材料的拉伸应力-应变特性。
将材料制成标准试样,以规定的速度均匀拉伸,测量试样上的应力、应变的变化,直到试样破坏。
常用的哑铃型标准试样如下图所示,试样中部为测试部分,标距长度为l0,初始截面积为A0。
哑铃型标准试样应力(工程应力或名义应力)0F A σ=应变(工程应变或名义应变)000l l l l l ε-∆== 真应力——载荷除以真实截面积AF Aσ'= 真应变——00ln l l dl l l l δ==⎰式中,F 为载荷;A 0为试样的原始截面积;A 是试样的真实截面积;L 0为试样的原始标距长度;L 为试样变形后的长度。
高分子物理(鲁东大学)鲁东大学智慧树知到答案2024年第一章测试1.顺式聚丁二烯和反式聚丁二烯都不易结晶,室温下是弹性很好的橡胶。
()A:错 B:对答案:A2.通过单键的内旋转可以将无规立构的聚丙烯转变成全同立构的聚丙烯。
()A:对 B:错答案:B3.单键的内旋转是高分子链能够改变构象的原因。
()A:对 B:错答案:A4.由于双键不能内旋转,所以主链中含有双键的链是刚性链。
()A:对 B:错答案:B5.聚合物的性能只与化学结构有关,与构型无关。
()A:错 B:对答案:A6.柔性聚合物分子链都可以看作是等效自由结合链。
()A:对 B:错答案:A7.高分子链的柔性随相对分子质量的增加而减小。
()A:错 B:对答案:A8.SBS是由苯乙烯与丁二烯组成的嵌段共聚物。
()A:对 B:错答案:A9.ABS树脂是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯组成的接枝共聚物。
()A:对 B:错答案:A10.美国科学家Hermann Staudinger首次提出高分子的概念。
()A:错 B:对答案:A11.下列高分子中,可以重新熔融二次加工制成新的制品的是()。
A:热固性塑料 B:硫化橡胶 C:交联聚乙烯 D:线性低密度聚乙烯答案:D12.下列哪个物理量不能描述聚合物分子链的柔性()。
A:熔融指数 B:极限特征比 C:链段长度 D:均方末端距答案:A13.下列哪些因素会使聚合物的柔性增加()。
A:主链上引入孤立双键 B:结晶 C:形成分子间氢键 D:交联答案:A14.下列聚合物中,链柔顺性最好的是()。
A:聚氯乙烯 B:聚氯丁二烯 C:反式聚丁二烯 D:顺式聚丁二烯答案:D15.下列哪些聚合物不适合作弹性体()。
A:聚异戊二烯 B:聚丁二烯 C:聚氯乙烯 D:天然橡胶答案:C16.下列结构不属于一级结构范畴的是()。
A:化学组成 B:相对分子质量 C:顺反异构 D:头-尾键接答案:B17.聚异丁烯分子链的柔顺性比聚丙烯()。
A:不确定 B:差 C:好 D:一样答案:C18.下列高分子链中柔性最差的是()。
第八章高聚物的机械强度
1.名词解释
屈服强度
脆性破坏
韧性破坏
强迫高弹性
应变硬化
冲击强度
银纹
增韧
应变软化
脆化温度
2、下列曲线是在常温下测的材料的应力应变曲线,分析它们分别是什么材料,在什么条件下的拉伸过程,有什么
样的使用特点。
3、什么是理论强度,请用应力集中原理解释,为什么高聚物的实际强度总小于理论强度?
4、从分子链运动的角度说明非晶态高聚物的强迫高弹形变与结晶高聚物的冷拉有何异同。
5、定性说明柔顺性、分子量、结晶和取向及试样尺寸对聚合物强度的影响。
6、拉伸某试样,给出如下数据:(σ:106N/m2)
试作出应力应变曲线,并求出杨氏模量、屈服应力和屈服时的伸长率及断裂强度。
7、高聚物产生银纹的主要原因是什么?银纹有何特征?。