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

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。

（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.

真应力-真应变

（2）简单切变

材料受到的力F是与截面相平行、大小相等、方向相反的两个力。这时材料将发生偏斜，偏斜角的正切值定义为切应变γ

（2）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。

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：

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

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。

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2GG，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。

1.2高分子材料的拉伸行为

哑铃状试件

          

 

 

1.2.1 线型非晶态高聚物的应力-应变曲线

 

拉伸过程高分子链的三种运动情况：

　　

▲弹性形变（开始～e点）

▲强迫高弹形变

▲塑性变形　　

弹性变形与塑性变形

Ø 弹性变形

材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段运动沿受力方向产生的伸展。

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。

Ø 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

3).橡胶态的高聚物：应力-应变不呈线性关系，

且变形量较大

Ø 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

（3）弹性极限σe： 是材料发生可逆的弹性变形的上限应力值，应力超过此值，则材料发生塑性变形 。

（4）弹性比功： 是材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功，又称弹性比能或应变比能，用αe表示，它在数值上等于应力-应变曲线弹性段以下所包围的面积

 

Ø 非理想弹性

（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

高分子材料的非理想弹性行为：滞弹性、粘弹性、内耗

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。

滞弹性示意图

正弹性后效

加载时应变落后于应力

反弹性后效

卸载时应变落后于应力

（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。

（3）内耗

 

Ø 塑性变形

是微观结构的相邻部分产生永久性位移，而不引起材料断裂的现象。塑性变形是一种不可逆变形.

塑性变形主要是由于切应力引起的。材料塑性变形过程中仍然保留着弹性变形，所以整个变形过程是弹性加塑性变形过程，可称为弹塑性变形。

Ø 高分子材料的塑性变形

结晶态高分子材料:

塑变机制：塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程

 

非晶态高分子材料：

塑变机制：在正应力作用下形成银纹和切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束

 

Ø 塑性变形的力学性能指标

（1）屈服极限：材料的屈服极限定义为应力-应变曲线上屈服平台的应力

（2）抗拉强度σb ：是试样拉断前所承受的最大应力，即试样所能承受的最大载荷Fb与其原始截面积的比值

（3）伸长率和断面收缩率

1.2.2 几种典型的高聚物应力-应变曲线

 

1.2.3 晶态高聚物的应力-应变曲线

第一阶段OY段：出现“细颈”。

第二阶段，细颈的发展阶段。

第三阶段（DB）：成颈变细的试样重新被均匀拉伸，直到断裂点B。

1.2.4 特殊的应力－应变曲线

 

SBS的应力-应变曲线              硬弹性聚丙烯的应力-应变曲线

1.2.5 影响拉伸行为的外部因素

1、温度的影响

Ø 非晶态高聚物不同温度下的应力-应变曲线

1，2-温度低于脆性温度，材料处于硬玻璃态，无强迫高弹性

3，4，5-温度处于脆性温度与玻璃化温度之间，为软玻璃态

6，7，8-温度处于玻璃化温度与黏流温度之间，为高弹态

9-温度处于黏流温度以上，为黏流态

Ø 晶态高聚物不同温度下的应力-应变曲线

 

1，2-温度低于脆性温度，拉伸行为类似弹性固体

3，4，5-温度介于脆性温度与玻璃温度之间，为软玻璃态

6-温度较高，低于熔点，拉伸行为类似非晶态橡胶

7-温度介于Tb与Tg之间，为软玻璃态，行为类似强迫高弹性

材料的拉伸断裂强度和屈服强度随环境温度而发生变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。

在温度升高过程中，材料发生脆-韧转变。两曲线交点对应的温度称脆-韧转变温度。

受外力作用时，材料未屈服前先已断裂，呈脆性断裂特征。

受外力作用时，材料先屈服，出现细颈和很大变形后才断裂，呈韧性断裂特征。

2、拉伸速率的影响

减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。

与脆-韧转变温度相似，根据图中两曲线交点，可以定义脆-韧转变（拉伸）速率

3、环境压力的影响

对许多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆-韧转变行为还与环境压力有关。

右图可见，PS在低环境压力

（常压）下呈脆性断裂特点，

强度与断裂伸长率都很低。随

着环境压力升高，材料强度增

高，伸长率变大，出现典型屈

服现象，材料发生脆-韧转变。

Ø 两种脆-韧转变方式

l 升高温度使材料变韧，但其拉伸强度明显下降。

l 升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，材料变得强而韧。

 

材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当的方法，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强度，实现既增韧又增强。