塑料材料性能表征与测试讲稿.ppt

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1、塑料材料性能表征与测试1第一页，讲稿共三十五页哦一、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，分子分子运动对温度和时间有强烈的依赖性运动对温度和时间有强烈的依赖性松弛特性。松弛特性。力学性能也有松弛特性。力学性能也有松弛

2、特性。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第二页，讲稿共三十五页哦形变形变温度温度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

3、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第三页，讲稿共三十五页哦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，试样中部为测常用的哑铃型标准试样，试样中部为测常用的哑铃型标准试样，试样中部为测常用的哑铃型标准试样，试样中部为测试部分，标距长度为试部分，标距长度为试部分，标距长度为试部分，标距长度为l l0 0，初始截面积为，初始截面积为，初始截面积为，初始截面积为A A A A0 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

4、条件：一定拉伸速率和温度4第四页，讲稿共三十五页哦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第五页，讲稿共三十五页哦ABPoint of elastic limit 弹性极限点弹性极限点OCD（1 1 1 1）OAOAOAOA段，段，段，段，为为为为普弹形变普弹形变普弹形变普弹形变区，应力应变呈直线关系区，应力应变呈直线关系区，应力应变呈直线关系区，应力应变呈直线关系变化，符合虎克定律，直线斜率为弹

5、性模量。变化，符合虎克定律，直线斜率为弹性模量。变化，符合虎克定律，直线斜率为弹性模量。变化，符合虎克定律，直线斜率为弹性模量。6第六页，讲稿共三十五页哦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，材料点，应力应变曲线偏离直线，材料点，应力应变曲线偏离直线，材料点，应力应变曲线偏离直线，材料开始发生塑性形变，极大值开始发生塑性形变，极大值开始发生塑性形变，极大值开始发生塑性形变，极大值Y Y Y Y

6、点称材料的屈服点，其对应的应点称材料的屈服点，其对应的应点称材料的屈服点，其对应的应点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）力、应变分别称屈服应力（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，试样上某一局部会出现发生屈服时，试样上某一局部会出现发生屈服时，试样上某一局部会出现发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈细颈细颈细颈”现象，材料应力略有下现象，材料应力略有下现象，材料应力略有下现象，材料应力略有下降，降，降，降，“应变软化应变软化应变软化

7、应变软化”。7第七页，讲稿共三十五页哦（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，随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，在很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈细颈”区区越来越大，发生越来越大，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第八页，讲稿共三十五页哦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），

8、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、应变点对应的应力、应变点对应的应力、应变点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）分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 ，是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。，是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。，是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。，是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。Breaking point 断断裂点裂点Strain har

9、dening 应变硬化应变硬化9第九页，讲稿共三十五页哦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。或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。10第十页，讲稿共三十五页哦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-应变曲线（玻璃态）应变曲线（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第十一页，讲稿共三十五页哦拉伸过程中高分子

10、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第十二页，讲稿共三十五页哦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链伸展后继续拉伸整链取向取向排列，使材料的强度进一排列，使材料的强度进一步提高。形变不可回复。步提高。形变不可回复。13第十三页，讲稿共三十五页哦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服屈服点后点后产生的较大应变，移去外力后形变不能产生的较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试

11、样温度升到其回复。若将试样温度升到其T Tg g附近，该形变则附近，该形变则可完全回复，是由高分子的可完全回复，是由高分子的链段运动链段运动所引起所引起的。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第十四页，讲稿共三十五页哦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第十五页，讲稿共三十五页哦特征温度特征温度Tb：T17第十七页，

12、讲稿共三十五页哦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第十八页，讲稿共三十五页哦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

13、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第十九页，讲稿共三十五页哦说明说明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第二十页，讲稿共三十五

14、页哦（2 2）硬而强型）硬而强型）硬而强型）硬而强型 此类材料弹性模量高，此类材料弹性模量高，此类材料弹性模量高，此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长率小。通常材料断裂强度高，断裂伸长率小。通常材料断裂强度高，断裂伸长率小。通常材料断裂强度高，断裂伸长率小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为5%5%）。硬质）。硬质）。硬质）。硬质PVCPVC制品属于这种类型。制品属于这种类型。制品属于这种类型。制品属于这种类型。（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

15、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第二十一页，讲稿共三十五页哦硬而韧的材料，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

16、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、PC及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。材料。（3 3 3 3）硬而韧型）硬而韧型）硬而韧型）硬而韧型 弹性模量、屈服应弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率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，是优良的很大，说明材料韧性好，是优良的工程材料。工程材料。22第二十二页，讲稿共三十五页哦（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，断裂伸长率量和屈服应力较低，断裂伸长率大（大（20%1000

17、%），断裂强度），断裂强度可能较高，应力应变曲线下的可能较高，应力应变曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑面积大。各种橡胶制品和增塑PVC具有这种应力应变特征。具有这种应力应变特征。（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也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。酪状材料具有这种特性。23第二十三页，讲稿共三十五页哦注意注意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

18、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第二十四页，讲稿共三十五页哦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

19、 因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速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。率是很重要的。25第二十五页，讲稿共三十五页哦（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第二十六页，讲稿共三十五页哦（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第二十七页，讲稿共三十五页哦（3）拉伸弹性模量）拉

20、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第二十八页，讲稿共三十五页哦（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第二十九页，讲稿共三十五页哦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为固体材料在力的作用下分成若干部分的

21、现象称为断裂断裂n n材料的断裂是力对材料作用的最终结果，它意味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。着材料的彻底失效。n n 与其他失效方式相比（磨损、腐蚀），危害性最与其他失效方式相比（磨损、腐蚀），危害性最大，并可能出现大，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的程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度分为韧性断裂韧性断裂和和脆性断裂脆性断裂30第三十页，讲稿共三十五页哦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

22、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。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，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

23、危险性。断口齐平光裂过程，具有很大的危险性。断口齐平光亮，呈放射状或结晶状。亮，呈放射状或结晶状。淬火钢、灰铸铁、淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃。31第三十一页，讲稿共三十五页哦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：规定：规定：5%5%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

24、定的决定的决定的决定的32第三十二页，讲稿共三十五页哦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屈服前屈服前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第三十三页，讲稿共三十五页哦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性断关，除此之外，同一材料是发生脆性或韧性断裂还与裂还与温度温度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为相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为粗糙，粗糙，断裂伸长率较大断裂伸长率较大注意注意34第三十四页，讲稿共三十五页哦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第三十五页，讲稿共三十五页哦