第十八章塑料材料性能表征与测试

1第十八章塑料材料性能表征与测试2一、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，分子运动对温度和时间有强烈的依赖性——松弛特性。力学性能也有松弛特性。表现为粘弹性行为，同时具有粘性液体和纯粹弹性固体的行为强度低，模量低Rubber在低温下变硬PMMA,T100C,变软尽管结构无变化，但对于不同温度或外力，分子运动是不同的，物理性质也不同3形变温度TgTf玻璃态高弹态橡胶态粘流态玻璃化转变区域粘流转变区域非晶态聚合物玻璃态转变为高弹态，转变温度称为玻璃化温度Tg高弹态转变为粘流态，转变温度称为粘流温度Tf4哑铃型标准试样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。1.典型聚合物应力-应变曲线实验条件：一定拉伸速率和温度5ABOCD明显的四个阶段1、普弹形变阶段OA2、屈服阶段AC（应变软化阶段）3、强迫高弹形变阶段CD4、应变硬化阶段DB6AAEABPointofelasticlimit弹性极限点AAOCD（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。7AYBYieldingpoint屈服点AAYStrainsoftening应变软化yOCD（2）屈服阶段AC：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”。8（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”。AYBY强迫高弹形变yOCDAA9AYBYyOCDAABB（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。Breakingpoint断裂点Strainhardening应变硬化10AYBOCDBBdW0（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。11拉伸过程中高分子链的运动非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）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12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13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。14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。强迫高弹形变（冷拉）15T(a)Differenttemperature温度a:TTg脆断b:TTg屈服后断c:TTg几十度韧断d:Tg以上无屈服Example-PVC2.影响聚合物拉伸行为的因素16特征温度Tb：TTb，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。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；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17(b)Differentstrainrate应变速率Strainrate时温等效原理：拉伸速度快=时间短→温度低速度速度....432118a:脆性材料c:韧性材料d:橡胶b:半脆性材料酚醛或环氧树脂PP,PE,PCPS,PMMANaturerubber,PI(c)CompositionofPolymers物质结构组成19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。高分子材料应力-应变曲线的类型3.聚合物应力-应变曲线的类型20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“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。21（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。（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。22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。（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。23（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。（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。24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。25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。26（1）拉伸强度：4.拉伸性能指标σb—拉伸强度，MPaP—最大载荷，Nb—试样宽度，cmh—试样厚度，cmbdPAPb027（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，cm0LLb28（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，cm0//llbdPE29（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ΔL1、ΔL2—分别与载荷增量ΔP对应的标距L1和L2的变形增量，cm12111LL222LL301.2.4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。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31脆性断裂与韧性断裂脆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。韧性断裂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。32金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限规定：Ψ5%，脆断；Ψ5%，韧断金属的脆性和韧性是根据一定条件下的塑性变形量来决定的33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屈服前断裂无塑性流动表面光滑韧性断裂屈服后断裂有塑性流动表面粗糙聚合物材料34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，断裂伸长率较大注意35PS试样脆性断裂表面的电镜照片增韧改性PVC韧性断裂表面的SEM照片脆性断裂和韧性断裂断口形貌