U S f l T ,V l T ,V
材料在等温、等容条件下发生弹性回复的驱动力由内能变 化和熵变两部分组成。
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高分子材料ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ能学
弹性变形的特点 1)可逆性：去掉外力后变形消失 弹性变形都是可逆变形 2).金属、陶瓷或结晶态高聚物：应力-应变线性 关系，弹性变形量都较小
●线型非晶态高聚物的形变-温度曲线
A-玻璃态
形变%
A B
C
D E
B-过渡区
C-高弹态
D-过渡区
Tb Tg
T/℃
Tf
E-黏流态
Tb-脆化温度；Tg-玻璃化温度；Tf-黏流温度
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高分子材料性能学
●线型非晶态高聚物的三种物理状态的对比
三种物理 状态
玻璃态 Tb～Tg 高弹态 Tg～Tf 黏流态
运动单元
加工工艺、成型 结构与性能关系 材料的使用性能 材料的分类与应用
实际 应用
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高分子材料性能学
三、材料性能的概念
1.材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或 表现 2.表征材料响应行为发生程度的参数，即性能 指标（如模量、强度等）
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高分子材料性能学
四、材料性能的划分
性 能 划 分 力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度 物理性能：热学、磁学、电学、光学 耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性
正切值定义为切应变γ
A0
F
F
剪切应变：
γ tanθ
F 剪切应力： A0
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高分子材料性能学
（3）均匀压缩
材料受到的是围压力（流体静压力）P。发生体积形
变，体积由V0缩小至V。
压缩应变：
A0
V 0V V V V0 V0
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高分子材料性能学
1.1.2 弹性模量 单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。模量 的倒数称为柔量，是材料容易形变程度的一种表征。 拉伸模量（杨氏模量）E： 剪切模量（刚性模量）G： 压缩模量（本体模量）K：
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高分子材料性能学
力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境 联合作用下所表现的行为—变形和断裂。即材料 抵抗外载引起变形和断裂的能力。 变形能力 弹性、塑性 韧性 硬度 强度
力 材料脆性 学 性 力学性能 能 材料软硬程度 表 征 材料抵抗外力能力
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高分子材料性能学
11
高分子材料性能学
五、材料性能的四个方面
υ与E和G之间有如下关系式：E = 2G(1+ υ) 因为0<υ≤0.5，所以2G<E≤3G。也就是说E>G， 即拉伸比剪切困难. 这是因为在拉伸时高分子链要断键，需要 较大的力；剪切时是层间错动，较容易实现。
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高分子材料性能学
单轴取向高分子材料
2个杨氏模量：
El为纵向杨氏模量 Et为横向杨氏模量
3).橡胶态的高聚物：应力-应变不呈线性关系，
且变形量较大
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高分子材料性能学
弹性变形的力学性能指标
（1）弹性模量：是单位应变所需应力的大小，物理意义是 产生100 %弹性变形所需的应力。 （2）比例极限σp：是保持应力与应变成正比关系的最大应力， 即在应力-应变曲线上刚开始偏离直线时的应力
p
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高分子材料性能学
（1）简单拉伸
外力F是垂直于截面积的大小相等、方向相反并
作用于同一直线上的两个力.
F
A0
A
拉伸应变：
l
l l0 l l0 l0
l0 l
拉伸应力：
F
F A0
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高分子材料性能学
真应力-真应变
真应力： 真
F A

真应变: 真 0
真
dl l d ln l0 l l0
弹性模量较大，约109~1010Pa。 形变小，机械性能随温度变化不大
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高分子材料性能学
二、 材料的四要素
成分/结构、制备/工艺、性质和使用性能
成分/结构、制备/工艺 决定固有性质
性质决定使用性能
使用性能决定材料 的用途
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高分子材料性能学
高分子科学各课程间的联系
成分/结构、制备 高分子化学 聚合反应工程 理论 和物质 高分子成型与加工 基础 高分子物理 高分子材料性能学 高分子材料 实用 价值

O e
a c d b H
反弹性后效

卸载时应变落后于应力
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高分子材料性能学
（2） 粘弹性
定义：材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理 同时存在的一种力学行为 粘性：液体或溶体内质点间或流层间因相对运动而 产生的内摩擦力以反抗相对运动的性质。
特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过 一个驰豫过程，卸载不留残余变形；应力和应变的关系与 时间有关。
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高分子材料性能学
八、本课程的学习方法
预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、 高分子物理 学习方法：性能的基本概念——物理本质—— 影响因素——性能指标的工程意义—— 指标的测试与评价
理论联系实际、重视实验
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高分子材料性能学
八、参考书目
1. 2. 3. 4. 5. 《材料性能学》王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年 《材料性能学》张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年 《高分子物理》何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年 《高分子物理》金日光等主编，化学工业出版社，2007年 《高聚物的力学性能》何平笙编著，中国科学技术大学出版社， 2008年 6. 《高分子材料强度及破坏行为》傅政编，化学工业出版社， 2005年 7. 《高分子材料强度学》朱锡熊等编，浙江大学出版社，1992 年 8. 《高分子概论》代丽君等主编，化学工业出版社，2006年 9. 《高分子材料概论》吴奇晔等编，机械工业出版社，2004年 10. 《近代高分子科学》张邦华等编，化学工业出版社，2006年
的能力
失效：材料在载荷与环境作用下服役，无法抵抗变形和断裂， 失去其预定的效能而损坏。 常见的三大失效形式：磨损、腐蚀、断裂
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高分子材料性能学
1.1 力学性能的基本指标
1.1.1 应力与应变 当材料受到外力作用，它所处的条件又不能产生
惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变
化就称为应变，亦可称为形变。 定义单位面积上的附加内力为应力。

e
e
e 1 ae e e 2 2E
2
提高弹性比功的方法： 提高σe 降低E（提高弹性极限应变εe）
o
e

橡胶低E和高弹性应变—高弹性 比功
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高分子材料性能学
非理想弹性 理想弹性行为：
E
（1）.应变-应力线性 （2）.应力和应变同相位 （3）.应变是应力的单值函数
E
G
KP


V
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高分子材料性能学
泊松比
材料在拉伸时，不仅有轴向伸长，同时有横向收缩。 横向应变对轴向应变之比称为泊松比，以ν 表示
m0 横向应变 l 轴向应变 l0 m
可以证明没有体积变化时，υ＝0.5，橡胶拉伸时 就是这种情况。其他材料拉伸时，υ<0.5.
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高分子材料性能学
宏观表征：表征材料性能的参数，如强度、硬度 微观本质：材料的性能是材料内部结构因素在一定 外界作用下的综合反映 影响因素：内因（材料结构），外因（温度等） 性能测试：测试原理、设备、方法
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高分子材料性能学
六、高分子材料性能学的主要内容
高分子材料的常规力学性能 （6课时） 高分子材料的高弹性与粘弹性 （5课时） 高分子材料的断裂 （5课时） 高分子材料的力学强度 （5课时） 高分子材料的疲劳性能 （3课时）
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高分子材料性能学
1.2 高分子材料的分子运动和力学状态转变
1.2.1 高分子材料的分子运动特点 （1）运动单元和模式的多重性 （2）分子运动的时间依赖性 （3）分子运动的温度依赖性
xt x0 e
oe
t /
E / RT
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高分子材料性能学
1.2.2 高分子材料的力学状态及转变
高分子材料的非理想弹性行为：
滞弹性、粘弹性、内耗
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高分子材料性能学
非理想弹性变形 （1）滞弹性 材料在快速加载或卸载后，随时间的延长 而产生的附加弹性应变的性能，又称弹性后效。
弹簧 薄膜传感器
动画引自九江学院杜大明《材料科学基础》ppt
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高分子材料性能学
滞弹性示意图

A
B
正弹性后效
加载时应变落后于应力
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高分子材料性能学
1.3 高分子材料的拉伸行为
哑铃状试件
L0=5.65A01/2 或11.3A0 1/2
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高分子材料性能学
1.3.1 线型非晶态高聚物的应力-应变曲线
e-弹性极限点
y -屈服点
σ
b y
应变软化 应变硬化 冷拉 p-比例极限 p-比例极限 b -断裂点
e
p
p e y
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高分子材料性能学
第1章 高分子材料的常规力学性能
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高分子材料性能学
力学性能：高分子材料抵抗变形和断裂的能力
弹性:材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力
塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力
强度:是材料对变形和断裂的抗力 寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效
高分子材料性能学
彭 志 平
材料科学与工程学院A323
高分子材料性能学
绪
一、材料分类
金属材料 无机非金属材料 高分子材料