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32讲 5章2.ppt

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第32讲,5.3 聚合物的应力-应变关系,,5.3 聚合物的应力-应变关系,◆ 应力-应变关系是材料在应力作用下发生变形或断裂的图 形描述。,◆ 不同类型材料的应力-应变关系不同,这是决定材料使用性能和用途的主要力学依据。,图5-1 几种材料的典型应力-应变曲线,,图5-1 几种材料的典型应力-应变曲线,◆ 曲线a为一般脆性材料的应力-应变曲线,,弹性形变以后不经屈服而直接断裂,断裂应变值很小。,◆高取向度的非晶态和晶态聚合物;,◆一般无机材料;,◆热固性聚合物;,◆玻璃化温度或脆化点以下的低交联度聚合物(如橡胶等) ;,◆玻璃态或部分结晶态线性聚合物;,◆伸直链晶体的聚合物等一般都表现出这样的力学行为。,◆ 曲线b为延性材料的应力-应变曲线,这种材料在发生断裂之前首先发生屈服,◆ 曲线c为一般塑料的应力-应变曲线,材料发生屈服以后随即产生稳定而变形值很高的塑性形变。这种塑性形变使聚合物的结构强化,强度提高。,在聚合物工程中常常称为“冷拉”(即细颈拉伸),这种拉伸过程对于纤维和薄膜生产具有重要意义。,玻璃态热塑性聚合物以及部分结晶聚合物通常表现这种力学行为。,◆曲线d为典型橡胶的应力-应变曲线,显示橡胶受到不大的应力作用既不发生断裂,也不发生屈服,而发生大幅度的高弹形变。,5.4 聚合物的强度及其断裂行为,5.4.1 固体材料的理论强度和模量,当固体材料的化学物理结构明确、分子内化学键的热力学能函数已知时,原则上可以对材料的强度和模量进行理论计算;,◆ 然而,即使金属材料,由于其热力学能函数无法确定, 所以也不可能对其强度和模量进行精确的理论计算。,◆ 聚合物的结构层次复杂而多变,使其强度和模量的理论计算更加困难,多数情况下几乎都无法得到精确的结果。,进行强度或模量的理论计算,必须首先将聚合物的结构抽象为一个便于数学处理的模型。,◆早期曾按照大分子主链上化学键的键能及单位截面积材料所包含的分子链数目计算聚合物的断裂强度。,◆与实验结果比较发现,聚合物的实际强度大大低于如此 计算的理论强度(大约低2~3个数量级)。,由此可见,该计算过程所采用的“化学键强度×分子链数目”的简单模型与实际情况相差太远。,相对而言,橡胶态聚合物的弹性理论是目前最成熟,也最完善的聚合物分子力学理论,该理论能够准确预示橡胶态聚合物的应力-应变关系,但是目前却仍然无法准确计算材料的理论强度。,◆ “价键力场”,◆ Urey-Bradley 力场,,◆ 量子力学法,晶态聚合物大分子链方向理论模量计算的模型:,表5-1 聚合物晶体分子链方向的理论模量和实测模量(G Pa),表5-1显示以下两点规律:,◆ 聚乙烯等分子链上无取代基而以平面锯齿结构排列于晶 体之中,分子链方向上的模量很高;,◆ 聚丙烯等甲基的存在迫使分子链不得不以螺旋状结构排列于晶体之中,降低了分子链在晶体中的堆砌密度。由于螺旋状分子链容易通过松解和弯曲而产生变形,其模量一般都比较低。,
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