塑料材料性能表征与测试.ppt

塑料材料性能表征与测试1现在学习的是第1页，共35页一、聚合物材料拉伸时的力学性能一、聚合物材料拉伸时的力学性能特点特点l 力学性能的数值很宽：力学性能的数值很宽：包括从熔体、软橡皮到很硬包括从熔体、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。的固体，各种聚合物对于机械应力的反应相差很大。l l高聚物由长链分子组成，运动单元具有多重性，高聚物由长链分子组成，运动单元具有多重性，高聚物由长链分子组成，运动单元具有多重性，高聚物由长链分子组成，运动单元具有多重性，分分子运动对温度和时间有强烈的依赖性子运动对温度和时间有强烈的依赖性松弛特性。松弛特性。松弛特性。松弛特性。力学性能也有松弛特性。力学性能也有松弛特性。表现为表现为表现为表现为粘弹性行为，粘弹性行为，粘弹性行为，粘弹性行为，同时同时同时同时具有粘性液体和纯粹弹性固体的行为具有粘性液体和纯粹弹性固体的行为具有粘性液体和纯粹弹性固体的行为具有粘性液体和纯粹弹性固体的行为 l l 强度低，模量低强度低，模量低Rubber 在低温下变硬在低温下变硬PMMA,T100 C,变软变软尽管结构无变化，但对于不同温度或外力，分尽管结构无变化，但对于不同温度或外力，分子运动是不同的，物理性质也不同子运动是不同的，物理性质也不同2现在学习的是第2页，共35页形变形变温度温度TgTf玻玻璃璃态态高弹态高弹态橡胶态橡胶态粘粘流流态态玻璃化转变区域玻璃化转变区域粘流转变区域粘流转变区域非非晶晶态态聚聚合合物物玻璃态转变为高弹态，转变温度称为玻璃化温度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高弹态转变为粘流态，转变温度称为粘流温度Tf3现在学习的是第3页，共35页哑铃型标准试样哑铃型标准试样哑铃型标准试样哑铃型标准试样 常用的哑铃型标准试样，试样中部常用的哑铃型标准试样，试样中部为测试部分，标距长度为为测试部分，标距长度为l l l l0 0 0 0，初始截，初始截面积为面积为A A A A0 0 0 0。1.1.典型聚合物应力典型聚合物应力-应变曲线应变曲线实验条件：一定拉伸速率和温度实验条件：一定拉伸速率和温度4现在学习的是第4页，共35页ABOCD明显的四个阶段明显的四个阶段1 1、普弹形变阶段、普弹形变阶段OAOA2 2、屈服阶段、屈服阶段ACAC（应变软化阶段）（应变软化阶段）3 3、强迫高弹形变阶段、强迫高弹形变阶段CDCD4 4、应变硬化阶段、应变硬化阶段DBDB5现在学习的是第5页，共35页ABPoint of elastic limit 弹性极限点弹性极限点OCD（1 1）OAOA段，段，为为普弹形变普弹形变普弹形变普弹形变区，应力应变呈直线关区，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。系变化，符合虎克定律，直线斜率为弹性模量。6现在学习的是第6页，共35页AYBYielding point 屈服点屈服点Strain softening 应变软化应变软化 y yOCD（2 2 2 2）屈服阶段）屈服阶段）屈服阶段）屈服阶段ACACACAC：越过越过越过越过A A A A点，应力应变曲线偏离直线，材料开始点，应力应变曲线偏离直线，材料开始点，应力应变曲线偏离直线，材料开始点，应力应变曲线偏离直线，材料开始发生塑性形变，极大值发生塑性形变，极大值发生塑性形变，极大值发生塑性形变，极大值Y Y Y Y点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）称屈服应力（或屈服强度）称屈服应力（或屈服强度）称屈服应力（或屈服强度）y y y y 和屈服应变和屈服应变和屈服应变和屈服应变y y y y 。发生屈服时，试样。发生屈服时，试样。发生屈服时，试样。发生屈服时，试样上某一局部会出现上某一局部会出现上某一局部会出现上某一局部会出现“细颈细颈细颈细颈”现象，材料应力略有下降，现象，材料应力略有下降，现象，材料应力略有下降，现象，材料应力略有下降，“应变软应变软应变软应变软化化化化”。7现在学习的是第7页，共35页（3 3）强迫高弹形变阶段）强迫高弹形变阶段CDCD：随着应变增加，在随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈细颈”区越区越来越大，发生来越大，发生“强迫高弹形变强迫高弹形变”。AYB强迫高弹形变强迫高弹形变 y yOCD8现在学习的是第8页，共35页AYB y yOCD（4 4 4 4）应变硬化）应变硬化）应变硬化）应变硬化DBDBDBDB：拉伸应变很大时，材料应力又急剧上升拉伸应变很大时，材料应力又急剧上升拉伸应变很大时，材料应力又急剧上升拉伸应变很大时，材料应力又急剧上升（应变硬化应变硬化应变硬化应变硬化），到达），到达），到达），到达B B B B点发生断裂。与点发生断裂。与点发生断裂。与点发生断裂。与B B B B点对应的应力、应变分点对应的应力、应变分点对应的应力、应变分点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）别称材料的拉伸强度（或断裂强度）别称材料的拉伸强度（或断裂强度）别称材料的拉伸强度（或断裂强度）b b 和断裂伸长率和断裂伸长率和断裂伸长率和断裂伸长率 b b ，是材，是材，是材，是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。料发生破坏的极限强度和极限伸长率。料发生破坏的极限强度和极限伸长率。料发生破坏的极限强度和极限伸长率。Breaking point 断裂点断裂点Strain hardening 应变硬化应变硬化9现在学习的是第9页，共35页AYBOCD（5 5）曲线下的面积等于）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，称断裂能或断裂相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，称断裂能或断裂相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，称断裂能或断裂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。功。它是表征材料韧性的一个物理量。功。它是表征材料韧性的一个物理量。功。它是表征材料韧性的一个物理量。10现在学习的是第10页，共35页拉伸过程中高分子链的运动拉伸过程中高分子链的运动非晶态聚合物的应力非晶态聚合物的应力-应应变曲线（玻璃态）变曲线（玻璃态）I I 普弹形变普弹形变小尺寸运动单元小尺寸运动单元的运动引起的运动引起键长键角变化。形变小可回键长键角变化。形变小可回复复11现在学习的是第11页，共35页拉伸过程中高分子链的运动拉伸过程中高分子链的运动II II 强迫高弹形变强迫高弹形变 在大外力作用下在大外力作用下冻结的链冻结的链段段沿外力方向沿外力方向取向取向12现在学习的是第12页，共35页拉伸过程中高分子链的运动拉伸过程中高分子链的运动III III 粘流形变粘流形变 在在分子链分子链伸展后继续拉伸整伸展后继续拉伸整链链取向取向排列，使材料的强度排列，使材料的强度进一步提高。形变不可回复。进一步提高。形变不可回复。13现在学习的是第13页，共35页处于玻璃态的处于玻璃态的非晶聚合物非晶聚合物在拉伸过程中在拉伸过程中屈屈服点后服点后产生的较大应变，移去外力后形变产生的较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试样温度升到其不能回复。若将试样温度升到其T Tg g附近，附近，该形变则可完全回复，是由高分子的该形变则可完全回复，是由高分子的链段链段运动运动所引起的。所引起的。这种形变称为这种形变称为强迫高弹形变。强迫高弹形变。强迫高弹形变（冷拉）强迫高弹形变（冷拉）14现在学习的是第14页，共35页T(a)Different temperature温度温度a:TTg 脆断脆断b:TTg 屈服后断屈服后断c:TTg 几十度几十度 韧断韧断d:Tg以上以上 无屈服无屈服 Example-PVC2.2.影响聚合物拉伸行为的因素影响聚合物拉伸行为的因素15现在学习的是第15页，共35页特征温度特征温度Tb：T17现在学习的是第17页，共35页a:脆性材料脆性材料 c:韧性材料韧性材料d:橡胶橡胶b:半脆性材料半脆性材料酚醛或环氧树脂酚醛或环氧树脂PP,PE,PCPS,PMMANature rubber,PI(c)Composition of Polymers 物质结构组成物质结构组成18现在学习的是第18页，共35页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，可分为五类有多种形状。归纳起来，可分为五类有多种形状。归纳起来，可分为五类有多种形状。归纳起来，可分为五类 。高分子材料应力高分子材料应力高分子材料应力高分子材料应力-应变曲线的类型应变曲线的类型应变曲线的类型应变曲线的类型3.3.聚合物应力聚合物应力-应变曲线的类型应变曲线的类型19现在学习的是第19页，共35页说明说明p“软软”和和“硬硬”用于区分模量的低或高用于区分模量的低或高p“弱弱”和和“强强”是指强度的大小是指强度的大小p“脆脆”是指无屈服现象而且断裂伸长率很小是指无屈服现象而且断裂伸长率很小p“韧韧”是指其断裂伸长率和断裂应力都较高是指其断裂伸长率和断裂应力都较高的情况，可将断裂功作为的情况，可将断裂功作为“韧性韧性”的标志。的标志。20现在学习的是第20页，共35页（2）硬而强型）硬而强型 此类材料弹性模量此类材料弹性模量此类材料弹性模量此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长率小。通高，断裂强度高，断裂伸长率小。通高，断裂强度高，断裂伸长率小。通高，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常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为（大约为（大约为（大约为5%5%）。硬质）。硬质）。硬质）。硬质PVCPVC制品属于这制品属于这制品属于这制品属于这种类型。种类型。种类型。种类型。（1）硬而脆型）硬而脆型 此类材料弹性模量此类材料弹性模量高（高（OA段斜率大）而断裂伸长率很段斜率大）而断裂伸长率很小。在很小应变下，材料尚未出现小。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温或室温之下，室温或室温之下，PS、PMMA、酚、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。21现在学习的是第21页，共35页硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、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。随着细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着细颈现象，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，直至全形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全形变的增大，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部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、胺、胺、胺、PCPC及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。料。料。料。（3 3 3 3）硬而韧型）硬而韧型）硬而韧型）硬而韧型 弹性模量、屈服应力弹性模量、屈服应力弹性模量、屈服应力弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，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，说明材应力应变曲线下的面积很大，说明材应力应变曲线下的面积很大，说明材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。料韧性好，是优良的工程材料。料韧性好，是优良的工程材料。料韧性好，是优良的工程材料。22现在学习的是第22页，共35页（4）软而韧型）软而韧型 此类材料弹性模此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大量和屈服应力较低，断裂伸长率大（20%1000%），断裂强度可），断裂强度可能较高，应力应变曲线下的面积能较高，应力应变曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑大。各种橡胶制品和增塑PVC具有具有这种应力应变特征。这种应力应变特征。（5）软而弱型）软而弱型 此类材料弹性模此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也量低，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不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。材料具有这种特性。23现在学习的是第23页，共35页注意注意l l 实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可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。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例如有的材料拉伸时存在明显的屈服和“颈颈缩缩”，有的则没有；有的材料断裂强度高，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于屈服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。度等。24现在学习的是第24页，共35页l l 材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）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，和测试条件（如拉伸速率）的影响，硬而强硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也会发生大于也会发生大于100%100%的断裂伸长率，显现出的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。硬而韧型特点。l l 因此规定标准的实验环境温度和标准拉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。伸速率是很重要的。25现在学习的是第25页，共35页（1）拉伸强度）拉伸强度 ：4.拉伸性能指标拉伸性能指标n nb 拉伸强度，拉伸强度，MPan n P 最大载荷，最大载荷，Nn n b 试样宽度，试样宽度，cmn n h 试样厚度，试样厚度，cm26现在学习的是第26页，共35页（2）断裂伸长率）断裂伸长率 ：n n 断裂伸长率，断裂伸长率，%n n Lb 试样破坏时标距内的伸长量，试样破坏时标距内的伸长量，cmn n L0 测量的标距，测量的标距，cm27现在学习的是第27页，共35页（3）拉伸弹性模量）拉伸弹性模量 ：n nP 载荷载荷-形变曲线上，初始直线段的载荷增量，形变曲线上，初始直线段的载荷增量，Nn n L 与载荷增量对应的标距与载荷增量对应的标距L0内的变形增量，内的变形增量，cm 28现在学习的是第28页，共35页（4）泊松比）泊松比 ：n n1、2 分别为载荷增量分别为载荷增量P对应的纵向应变和横对应的纵向应变和横向应变向应变n n L1、L2 分别与载荷增量分别与载荷增量P对应的标距对应的标距L1和和L2的变形增量，的变形增量，cm 29现在学习的是第29页，共35页1.2.4 材料的断裂材料的断裂n n固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为为断裂断裂n n材料的断裂是力对材料作用的最终结果，它意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。味着材料的彻底失效。n n 与其他失效方式相比（磨损、腐蚀），危害性最大，与其他失效方式相比（磨损、腐蚀），危害性最大，并可能出现并可能出现灾难性的后果灾难性的后果。n n 按照断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形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的程度分为韧性断裂韧性断裂和和脆性断裂脆性断裂30现在学习的是第30页，共35页脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂脆性断裂脆性断裂脆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。断裂前及过程中产生明显的宏观塑性变形。断裂前及过程中产生明显的宏观塑性变形。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。断裂纹扩展较慢，消耗大量的塑性变形能。断裂纹扩展较慢，消耗大量的塑性变形能。断裂纹扩展较慢，消耗大量的塑性变形能。断口呈暗灰色、纤维状。一些口呈暗灰色、纤维状。一些口呈暗灰色、纤维状。一些口呈暗灰色、纤维状。一些金属材料和高分金属材料和高分金属材料和高分金属材料和高分子材料子材料子材料子材料的静拉伸断裂。的静拉伸断裂。的静拉伸断裂。的静拉伸断裂。韧性断裂韧性断裂断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有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，明显预兆，表现为突然发生的快速断裂过程，明显预兆，表现为突然发生的快速断裂过程，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，呈放射状具有很大的危险性。断口齐平光亮，呈放射状具有很大的危险性。断口齐平光亮，呈放射状具有很大的危险性。断口齐平光亮，呈放射状或结晶状。或结晶状。或结晶状。或结晶状。淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃。31现在学习的是第31页，共35页n n金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限n n 规定：规定：5%5%5%，韧断，韧断n n 金属的脆性和韧性是根据一定条件下的塑性变形量来金属的脆性和韧性是根据一定条件下的塑性变形量来金属的脆性和韧性是根据一定条件下的塑性变形量来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决定的决定的决定的32现在学习的是第32页，共35页如何区分如何区分断裂形式？断裂形式？关键看屈服关键看屈服屈服前断脆屈服前断脆性断裂性断裂屈服后断韧屈服后断韧性断裂性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂屈服前屈服前屈服前屈服前断裂断裂断裂断裂无塑性无塑性流动流动表面光滑表面光滑韧性断裂韧性断裂屈服后屈服后断裂断裂有塑性流有塑性流有塑性流有塑性流动动动动表面粗糙表面粗糙表面粗糙表面粗糙聚合物材料聚合物材料33现在学习的是第33页，共35页p p 试样发生脆性或者韧性断裂与试样发生脆性或者韧性断裂与材料组成材料组成有有关，除此之外，同一材料是发生脆性或韧关，除此之外，同一材料是发生脆性或韧性断裂还与性断裂还与温度温度T 和和拉伸速度拉伸速度 有关有关p p 相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为粗糙，为粗糙，断裂伸长率较大断裂伸长率较大注意注意34现在学习的是第34页，共35页PSPS试样脆性断裂表面的电镜试样脆性断裂表面的电镜照片照片增韧改性增韧改性PVCPVC韧性断裂表韧性断裂表面的面的SEMSEM照片照片 脆性断裂和韧性断裂断口形貌脆性断裂和韧性断裂断口形貌 35现在学习的是第35页，共35页