个工府仰 第十二章 石尔子材邮力学行 能网络课程 anc 材料科学与工程学院王泓主编
第十二章 高分子材料的力学行为
个工府仰 的2言 高分子材料具有大分子链构和特寶的近动 决定了它具寶与低分子材料不同的物理性在。高 分子村料的力学行茵震大持点是它具有高弹性和 能网络课程 粘弹性。在外力和能量作用下,比金属材抖更 烈她受到温废和时间芋因素的影啪,其和学性 POLYTCHA 能变化幅度大。 材料科学与工程学院王泓主编
高分子材料具有大分子链结构和特有的热运动， 决定了它具有与低分子材料不同的物理性态。高 分子材料的力学行为最大特点是它具有高弹性和 粘弹性。在外力和能量作用下，比金属材料更为 强烈地受到温度和时间等因素的影响，其力学性 能变化幅度较大。 12.1 引言
个工府仰 米性晶态古分子衬的力骨符酋 尔界村料的给拘和力学行西特点 高分子材料与低尔子材料的主要国别列入表12-1f 性浓晶在高歌物是指结枸上无交联,歌集态无结晶 的高分子材料。随所处帕温度不同,这类高分子材 能网络课程 哿可处子玻嫣态,高弹在和粘篪态等力学性能三志 1见12-1。相态角看,力学性能三态属子 ,即尔子间的掀列是无序帕。其主要差刑是交 形能力不同,棋量不同,因而称作力学性能三态。 材料科学与工程学院王泓主编
12.2 线性非晶态高分子材料的力学行为 12.2.1 高分子材料的结构和力学行为特点 高分子材料与低分子材料的主要区别列入表12－1。线 性非晶态高聚物是指结构上无交联、聚集态无结晶 的高分子材料。随所处的温度不同，这类高分子材 料可处于玻璃态、高弹态和粘流态等力学性能三态 （见图12-1）。从相态角度看，力学性能三态均属于 液相，即分子间的排列是无序的。其主要差别是变 形能力不同，模量不同，因而称作力学性能三态
个工府仰 袁一1高尔子材料⑤尔子的特点 材料 高分子材料 低分子材料 特点 分子量 103~10 500 分子可否分割可分割成短链 不可分割 能网络课程 热运动单元链节、链段、整链等多重热运动单元整个分子或原子 结晶程度 非晶态或部分结晶 大部分或完全结晶 分子间力 加和后可大于主键力 极小 POLYTCHA 熔点 软化温度区间 固定 物理状态 只有液态和固态(包括高弹态) 气、液、固三态 材料料学与工程学院王泓主编
高 分 子 材 料 低 分 子 材 料 材料 特点 表12－1 高分子材料与低分子材料的特点 分子量 103~106 < 500 分子可否分割 热运动单元 结晶程度 分子间力 熔点 物理状态 可分割成短链 不可分割 链节、链段、整链等多重热运动单元 整个分子或原子 非晶态或部分结晶 大部分或完全结晶 加和后可大于主键力 极小 软化温度区间 固定 只有液态和固态（包括高弹态） 气、液、固三态
个工府仰 E A一玻璃态; B过渡态 C高弹态 D过渡态 B E—粘流态; A Th脆化温度 T玻璃化温度; 能网络课程 T粘流温度 温度/℃ anc 图B高费物在但定戴作用下的变形温度的我(但和速果 材料科学与工程学院王泓主编
图12-1 高聚物在恒定载荷作用下的变形温度-曲线（恒加载速率） A－玻璃态； B—过渡态； C—高弹态； D—过渡态； E—粘流态； Tb—脆化温度； Tg—玻璃化温度； Tf—粘流温度
个工府仰 温威佤于玻化温废T时,高贾物的力部构类似 于玻,故被猕玻璃态。室媪下处于玻嫣态舶高 聚物称必塑料。 能网络课程 岁温废Tb,高敷物处于硬玻璃态,拉抻试验 时发兰脆性断裂,试件的延仲很小,断口与拨力 古向垂应,弹性摸望地其它收在下的弹性摸量都要 大,无弹性俤后,弹性变形望很小。因此,将这种 弹性变形称普弹性变形。 材料科学与工程学院王泓主编
12.2.2 玻璃态 温度低于玻璃化温度 Tg 时，高聚物的内部结构类似 于玻璃，故被称为玻璃态。室温下处于玻璃态的高 聚物称为塑料。 当温度 T<Tb ，高聚物处于硬玻璃态，拉抻试验 时发生脆性断裂，试件的延伸率很小，断口与拉力 方向垂直，弹性模量比其它状态下的弹性模量都要 大，无弹性滞后，弹性变形量很小。因此，将这种 弹性变形称普弹性变形
个工府仰 其拔伸曲线见妇只中的曲熊a。因此,将1b称历塑的麗化温度。 T Tb Anc 程 下畅0-E曲线 材料科学与工程学院王泓主编
图12-2 脆性温度Tb 示意图 图12-3 线型无定高聚物在不同温度 下的σ-ε曲线(Ta <Tb <Tc <Td ) a Tb 其拉伸曲线见图12-3中的曲线a 。因此，将 Tb 称为塑料的脆化温度
个工府仰 当Tb<7<7g时,高物处子负玻嫦状态。普弹性 变形后的口S段所产的或形为受迫高弹性变形。在 外力除去后,受迫高弹性变形救娱留下来,成 久变形”,其数鱼题~100090。这种变 形在中质上是可逆的,但只寶加热到以上,变形 网的校夏才有了能 anc 程 材料科学与工程学院王泓主编
当Tb<T<Tg时，高聚物处于软玻璃状态。普弹性 变形后的 段所产生的变形为受迫高弹性变形。在 外力除去后，受迫高弹性变形被保留下来，成为 “永久变形”，其数值可达 。这种变 形在本质上是可逆的，但只有加热到 以上，变形 的恢复才有可能。 a s 300% ~1000% Tg
个工府仰 玻璃态的温度餐低,分子热动能力僚,处于所谓的“冻结”状态。 除链段和链节的热振动、键长和键角的变化外,链段不能作其它形式的 运动。因此,受力时产生的普弹性变形来源于键长及键角的改变 -0000082-4(a)示意地表 示主键受拉伸时产生 能@强Q伸长 弹性变形。而在受迫 高弹性变形时,外力 回缩 强迫本来不可运动的 取向 链段发生运动,导致 网络课程 分子沿受力方向取向 图12-4长链聚合物变形方式 材料料学与工程学院王泓主编
图12－4（a）示意地表 示主键受拉伸时产生 弹性变形。而在受迫 高弹性变形时，外力 强迫本来不可运动的 链段发生运动，导致 分子沿受力方向取向 图12-4 长链聚合物变形方式 玻璃态的温度较低，分子热运动能力低，处于所谓的“冻结”状态。 除链段和链节的热振动、键长和键角的变化外，链段不能作其它形式的 运动。因此，受力时产生的普弹性变形来源于键长及键角的改变
个工府仰 某些高聚物在玻璃态下拉伸时,会产生垂直于拉应 力方向的银纹( craze)(见圜12-5)。受力或环 境介质的作用都可能引发银纹。 能网络课程 0.5pm 0.31m 图12-5聚苯乙烯极中的银纹「 图中箭头指主友力方向;(4)是(a)中一段的放太样 材料料学与工程学院王泓主编
某些高聚物在玻璃态下拉伸时，会产生垂直于拉应 力方向的银纹（craze） （见图12－5）。受力或环 境介质的作用都可能引发银纹。 图12-5 聚苯乙烯板中的银纹[195] 图中箭头指主应力方向；（b）是图（a）中一段的放大照片 (a) (b)