工程材料力学性能91

在外力和能量作用下，比金属材料更 为强烈地受到温度和载荷作用时间等因 素的影响。因此，高分子材料的力学性 能变化幅度较大。本章主要论述高分子 材料的主要力学性能特点。
分子质量大于1万以上的有机化合物称为高分 子材料。它是由许多小分子聚合而成，故又称为聚 合物或高聚物。
原子之间由共价键结合，称为主价键； 分子之间由范德瓦尔键连接，称为次价键。 分子间次价键力之和远超过分子中原子间主价键 的结合力。拉伸时常常先发生原子键的断裂。而不 是分子链之间的滑脱。
聚合物的小分子化合物称为单体，组成聚合物 长链的基本结构单元则称为链节。
聚合物长链的重复链节数目，称为聚合度。 天然的聚合物有 木材、橡胶、棉花、丝、毛发 和角等。 人工合成聚合物有工程塑料、合成纤维、合成 橡胶等。
高分子材料
相对分子质量大于10000的有机化合物。
聚合物的三种典型结构
a) 线状非交联的纤维分子 b) 三维交联的分子链 c) 部分晶化非交联分子链的配置
化，
称为动态粘弹性现象。
§9.4 聚合物的强度与断裂
一、强度比金属低得多，但比强度较金属高。
一般为20～80MPa，实际强度仅为其理论值的 1／200。此与其结构缺陷(如裂纹、杂质、气泡、 空洞和表面划痕等)和分子链断裂不同时性有关。
主要的结构因素有： （1）高分子链极性大或形成氢键能显著提高强 度。
定义：线型非晶态聚合物
指结构上无交联、聚集态无结晶的高分子材料。 这类聚合物的力学行为随温度不同而变化，可处于 玻璃态、高弹态和粘流态三种力学状态。
形变
E
D
A
B
C
O tb
tg
温度
tf
tb一脆化温度 tg一玻璃化温度 tf一粘流温度
玻璃态下的变形
＜tb 聚合物处于硬玻璃态。 只有弹性变形阶段，且伸长率很小。靠主键 键长的微量伸缩和微小的键角变化来实现弹 性变形。也为普弹性变形。
聚氯乙烯塑料抗蠕变性能差，在架空时会因 蠕变而逐渐弯曲。
一、静态粘弹性－蠕变与应力松弛
粘弹性模型 麦克斯韦尔模型：
模拟了线形聚合物的应力松弛过程； 开尔文模型：
模拟交联聚合物的蠕变过程。
§9.3 聚合物的粘弹性
二、动态粘弹性－内耗
聚合物所受应力为时间的函数。且应
变随时间的变化始终落后于应力的变
tb<t<tg 聚合物处于软玻璃态。 a’点以下为普弹性变形； a’s段变形是由于外力作用迫使链段运动所引 起的，是为受迫高弹性变形。
玻璃态下的变形
去除外力后，温度在tg以下，受迫高弹性变形可保 留来，可达300％～1000 ％。在tg温度以上，这种变 形可以消除。
在s点屈服后，应力一般会有所下降。试样截面 积减小，分子链沿外力方向取向。
材料力学性能
Mechanical Properties of Materials
南京航空航天大学 材料科学与技术学院
第九章 聚合物材料的力学性能
§9.1 线型非晶态聚合物的变形 §9.2 结晶聚合物的变形 §9.3 聚合物的粘弹性 §9.4 聚合物的强度与断裂 §9.5 聚合物的疲劳强度
高分子材料(聚合物或高聚物)具有大 分子链结构和特有的热运动，这就决定 了它具有与低分子材料不同的物理性态。 高分子材料的力学性能与低分子材料的 也有所不同，其最大特点是它具有高弹 性和粘弹性。
聚合物的物理、力学性能特点
3. 弹性模量小 聚 合 物 约 弹 性 模 量 约 为 0.4~4.0GPa ， 而 金 属 则 为30～300GPa。（刚度差），因此刚度差。
4. 粘弹性明显 聚合物的高弹性对时间有强烈的依赖性，室温 下即会产生明显的蠕变变形及应力松弛。
§9.1 线型非晶态聚合物的变形
（2）主链刚性大，强度高，但是链刚性太 大，会使材料变脆。
（3）分子链支化程度增加，降低抗拉强度。 （4）分子间适度进行交联，提高抗拉强度；但交 联过多，因影响分子链取向，反而降低强度。
二、银纹与断裂
银纹： 局部塑性变形的结果。由空洞和称为银纹质的聚合 物组成。 断裂： 银纹的形成、银纹质的断裂、微裂纹的形成，扩展 和最后断裂。
塑性变形抗力增大，应力一应变曲线复又上升， 直至断裂。
聚合物在高弹态下的变形
tg＜t＜tf 高弹性 其弹性变形量可达1000％，而其弹性模量E值却只
有0.1～1GPa，约为钢的1／10。 链段的运动，引起分子构象的变化。 原卷曲的链沿拉力方向伸长，宏观上表现为很大
的弹性变形。去除外力后，接点及扭结的趋பைடு நூலகம்使聚合 物链又回复至卷曲状态，宏观变形消失(回复过程需 要一定时间)。
聚合物的普弹性变形是依靠主键键长的微量 伸缩和键角的微小变化来实现的，其余的变形 是通过巨分子链构象的变化实现的，这需要时 间。
一、静态粘弹性－蠕变与应力松弛
➢ 当应力或应变完全恒定，不是时间的函数时， 聚合物所表现的粘弹性称为静态粘弹性。
➢ 两种表现形式：蠕变与应力松弛。
一、静态粘弹性－蠕变与应力松弛
§9.4 聚合物的强度与断裂
§9.5 聚合物的疲劳强度
特点：
➢ 聚合物的疲劳强度低于金属。 ➢ 其疲劳强度随相对分子量的增大而提高，随
结晶度的增加而降低。
§9.5 聚合物的疲劳强度
两种破坏方式：
➢ 热疲劳： 因大范围滞后能累加产生的热量使其软化，丧 失承载能力。
➢ 机械疲劳： 疲劳载荷作用下裂纹萌生、扩展、断裂。
聚合物在粘流态下可具有部分弹性，其弹性变 形符合虎克定律，呈线性粘弹性行为。因为卷曲 的分子链在受载时可暂时伸长，卸载后又重新卷 曲。
§9.2 结晶聚合物的变形
结晶态聚合物由于晶区内的链段无法运动， 因此结晶度高的聚合物不存在高弹性，但具有 较高的强度和硬度，结晶态聚合物的力学状态 与相对分子质量和温度有关。
银纹区仍有力学强度，但其密度较低，银纹具 有可逆性，在压应力作用下或经玻璃化温度以上 退火处理，银纹将会减少和消失。
银纹是非晶态聚合物塑性变形的一种特殊形式， 银纹的形成增加聚合物的韧性，因为它使聚合物 的应力得到松弛；同时，银纹中的微纤维表面积 大，可吸收能量，对增加韧性也有作用。聚合物 形成银纹类似于金属韧性断裂前产生的微孔。
聚合物的物理、力学性能特点
1. 密度小 聚合物是密度最小的工程材料，其密度一般在 1.0~2.0g/cm3 之 间 。 是 钢 的 1/4 、 陶 瓷 的 1/2 。 重 量轻、比强度大是聚合物的突出优点。
2. 高弹性 高 弹 态 的 聚 合 物 其 弹 性 变 形 量 可 达 到 100 ％ ~1000%，一般金属材料只有0.1~1.0％。
温度升高，应力松弛速度加快；反之，温 度降低，松弛速度减慢。
凡是能增加分子间作用力和链段运动阻力的结 构因素，均能提高聚合物抗蠕变和应力松弛能力。 如：主链刚性大；相对分子质量高；分子极性强， 分子间作用力大；聚合物交联等。
聚四氟乙烯分子链虽然刚性大，但分子间作用 力小，所以抗蠕变松弛能力弱。
聚氨脂橡胶由于分子极性强，分子间作用力 大，所以抗蠕变性能好。
1. 蠕变与应力松弛的特点
蠕变变形除不可回复的粘性变形外，还包含普
弹性变形和高弹性变形。在外力去除后，普弹性
变形迅速回复，而高弹性变形则缓慢
地部分
回复，与金属蠕变的明显区别。
2. 影响蠕变与应力松弛的因素 聚合物的抗蠕变能力对温度很敏感，在某
些情况下对湿度也敏感。温度每变化一度(K)或相对 湿度每变化1％，某些聚合物的蠕变模量能改变4％。
聚合物在高弹态下的变形
tg＜t＜tf 高弹性 如果聚合物链的交联接点过多，会使交联点 间的链段变短、降低链段的活动性(柔性)， 使弹性下降以至消失，此时，弹性模量和硬 度增加。
聚合物在粘流态下的变形
＞tf 粘流状态 分子链在外力作用下可进行整体相对滑动，呈
粘性流动，导致不可逆永久变形。聚合物处于粘 流状态。
三、硬度与耐磨性：
硬度比金属低得多，由于聚合物具有较大的柔 性和弹性，故在不少场合下显示出较高的抗划 伤能力。
三、硬度与耐磨性：
聚合物的化学组成和结构与金属相差很 聚合物与金属之间的粘着倾向小；
大，
特有的高弹性，可使接触表面产生变形而 不是切削犁沟损伤，抗擦伤性磨粒磨损能力强；
在干摩擦条件下，聚合物－金属摩擦副的耐磨 性优于金属－金属组成的摩擦副。
结晶态聚合物的力学状态与相对分子量和温度的关系
＜tg ： 结晶态 tg＜t＜tm ： 结晶态聚合物形成强韧(晶区与非晶区复合作
用)的皮革态。 t＞tm ： 晶体相熔化，聚合物全部由非晶区组成，转
化成为高弹性的橡胶态。
§9.3 聚合物的粘弹性
聚合物在外力作用下，弹性和粘性两种变形 机制同时存在的力学行为称为粘弹性。