第八章 聚合物的力学性能
（3）内力、应力 材料在外力作用下发生形变的同时，在其内部还会产生对抗 外力的附加内力，以使材料保持原状，当外力消除后，内力 就会使材料回复原状并自行逐步消除。当外力与内力达到平 衡时，内力与外力大小相等，方向相反。单位面积上的内力 定义为应力。
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第八章 聚合物的力学性能
（4）形变 化。 材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变
（5）应变 在应力作用下，单位长度（面积、体积）所发生 的形变来表征。 (6) 弹性模量 是引起单位应变所需要的应力。是材料刚硬度的 一种表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易形变程度的一种 表征，以J表示。 （7）强度 在一定条件下，材料断裂前所能忍受的最大应力， 称为强度，常用单位Pa。
强迫高弹形变产生的原因


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聚合物的力学性能
强迫高弹形变的定义 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，因此它在本质上仍 属高弹形变，并非粘流形变，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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聚合物的力学性能
8.2 聚合物的应力应变特性
材料的大形变—破坏过程 实验条件：一定拉伸速率和温度 在实验和应用中：
宽 度
厚度d
b
P
图1 Instron 5569电子万能材料试验机 （electronic material testing system）
必须标明温度和施力 速率（或形变速率）， 切勿将正常形变速率下 测得数据用于持久力作 用或冲击力作用下的场 合下；切勿将正常温度 下得到的数据用于低温 或高温下。
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第八章 聚合物的力学性能

（ 3）

（ 4）
（3）材料硬而强：在较大应力作用下，材料发生较小的应 变，在屈服点附近断裂，具高模量和抗张强度
（4）材料软而韧：模量低，屈服强度低，断裂伸长率大，断 裂强度较高，可用于要求形变较大的材料。
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第八章 聚合物的力学性能

（ 5）
（5）材料强而韧：具高模量和抗张强度，断裂伸长率较大， 材料受力时，属韧性断裂。
第八章 聚合物的力学性能
（2）外力 指牛顿力 即对材料所施加的使材料发生形变的力。通常称为负荷。 外力包括以下两类：
a、 按施力方向分：拉伸力、压缩力、剪切力、弯曲力、 摩擦力、扭转力等。
b、 按施力方式分：以恒定外力长期持续的作用，以一定 速度缓慢短期作用的，突然的力冲击作用的，继续反复作用的。
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A E A
O
y 图2 非晶态聚合物在玻璃态的应力 -应变曲线
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A
B
聚合物的力学性能
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聚合物的力学性能
从分子运动解释非结晶聚合物应力－应变曲线
（Molecular motion during tensile test 拉伸过程中高分子链的运动）
I Elastic deformation
图3 非晶态聚合物的应力-应变曲线 （玻璃态）
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Hale Waihona Puke 聚合物的力学性能 E－ ＝ exp E－链段运动活化能 0 松弛时间与应力的关系： kT －材料常数 由上式可见， 越大， 越小，即外力降低了链段在外力作用方向上的 运动活化能，因而缩短了沿力场方向的松弛时间，当应力增加致使链段 运动松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时，链段开始由蜷曲变 为伸展，产生强迫高弹变形。 也就是在外力的作用下，非晶聚合物中本来被冻结的链段被强迫运动， 使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚合物仍处于玻璃态，当外 力移去后，链段不能再运动，形变也就得不到回复，只有当温度升至Tg附 近，使链段运动解冻，形变才能复原。
聚合物的力学性能
强迫高弹形变产生的条件: 温度：Tb~Tg 施力：y≥ b当应力增加到一定值（屈服应力）时， 相应链段运动的松弛时间降到与外力的作用时间相当， 被冻结的高分子链段即能响应产生大的形变，可见增 加应力与升高温度对松弛时间的影响是相同的。
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聚合物的力学性能
Conclusion： 非结晶聚合物形变经历了普弹形变、应变软化（屈服）、塑 性形变(plastic deformation )（强迫高弹形变）、应变硬化四 个阶段
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
II Forced rubber-like deformation
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
III Viscous flow
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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聚合物的力学性能
非晶态聚合物
Point of elastic limit 弹性极限点 Yielding point 屈服点 Strain softening 应变软化
Y N A D B
Breaking point 断裂点
B Y A
plastic deformation 塑性形变
Strain hardening 应变硬化
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σ B
Y
σ
0
σ
y
B
εB
ε
材料在屈服点之间发生的断裂称为脆性断裂；在屈服点后发 生的断裂称为韧性断裂。
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脆性断裂：与材料的弹性响应相联系，在断裂前试样断裂均匀， 断裂时，裂纹迅速垂直于应力方向，断裂面不显出明显的推迟 形变，σ－ε曲线是线性的，ε<5%,断裂能小，由张应力引起 的－是键长变化的结果。 韧性断裂：屈服点以后的断裂，产生大形变，断面显示外延形 变（缩颈的结果），σ－ε曲线是非线性的，ε>5%，由剪切应 力引起的－链段运动的结果
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第八章 聚合物的力学性能
根据材料的力学性能及其应力-应变曲线特征，可将非晶态聚 合物的应力-应变曲线大致分为五类：
附：强与弱从断裂强度b比较；硬与软从模量E（/）比较； 脆与韧则可从断裂伸长率比较。
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第八章 聚合物的力学性能

（ 1） （ 2）
（1）材料软而弱：模量低，屈服强度低，中等断裂伸长率。 如未硫化的天然橡胶。 （2）材料硬而脆：在较大应力作用下，材料仅发生较小的应 变，并在屈服点之前发生断裂，具有高的模量和抗张强度，但 受力呈脆性断裂，冲击强度较差。