高分子材料性能測試力學性能PPT課件

1、第三章 高分子材料力學性能測試第1頁/共40頁3.1 拉伸性能3.2 彎曲性能3.3 壓縮性能3.4 沖擊性能3.5 剪切性能3.6 蠕變和應力相應3.7 硬度3.8 撕裂性能3 高分子材料的力學性能高分子材料的力學性能第2頁/共40頁材料力學性能材料力學性能The four types of stresses第3頁/共40頁Mechanical properties of materials強度強度(Strength)：材料在載荷作用下抵抗塑性變形或破材料在載荷作用下抵抗塑性變形或破壞的最大能力。壞的最大能力。屈服強度：表示材料發(fā)生明顯塑性變形的抗力屈服強度：表示材料發(fā)生明顯塑性變形的抗力

2、PsPs或或 抗拉強度：抗拉強度：b b=P=Pb b/F/F0 0 斷裂前單位面積上所承受的最斷裂前單位面積上所承受的最大應力大應力剛度剛度(Stiffness)：外應力作用下材料抵抗彈性變形能力。外應力作用下材料抵抗彈性變形能力。 彈性模量：彈性模量：E E/第4頁/共40頁韌性韌性(Ductility)：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。能量的能力。斷裂韌性：斷裂韌性：K KICIC塑性塑性(Plasticity)：外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破壞的能力。久性變形而不破壞的能力。Mechanical p

3、roperties of materials第5頁/共40頁應 力應 變強度范疇剛度范疇塑性范疇韌性范疇Mechanical properties of materials第6頁/共40頁3.1 拉伸性能應力應變曲線 1t應力應變曲線：A：脆性材料；B：具有屈服點的韌性材料；C：無屈服點的韌性材料拉伸強度；拉伸斷裂應力； 拉伸屈服應力；偏置屈服應力；拉伸時的應變；斷裂時的應變；屈服時的應變；偏置屈服時的應變 1t2t3t4t1t2t3t4t第7頁/共40頁高分子應力-應變過程 彈性形變彈性形變: （開始-Y）應力隨應變正比地增加，直線斜率=楊氏模量E。由高分子的鍵長鍵角變化引起的。 屈服應力屈

4、服應力： 應力在Y點達到極大值，這一點叫屈服點，其應力y為屈服應力。 強迫高彈形變強迫高彈形變（大形變） 過了Y點應力反而降低，由于此時在大的外力幫助下，玻璃態(tài)聚合物本來被凍結的鏈段開始運動，高分子鏈的伸展提供了材料的大的形變。這種運動本質上與橡膠的高彈形變一樣，只不過是在外力作用下發(fā)生的，為了與普通的高彈形變相區(qū)別，通常稱為強迫高彈形變。這一階段加熱這一階段加熱可以恢復可以恢復。 應變硬化應變硬化 繼續(xù)拉伸時，由于分子鏈取向排列，使硬度提高，從而需要更大的力才能形變。 斷裂斷裂 達到B點時材料斷裂，斷裂時的應力b即是抗張強度t；斷裂時的應變b又稱為斷裂伸長率。直至斷裂，整條曲線所包圍的面積S

5、相當于斷裂功。E越大，說明材料越硬，相反則越軟；b或y越大，說材料越強，相反則越弱；b或S越大，說明材料越韌，相反則越脆。第8頁/共40頁高分子典型應力應變曲線 I3.1 拉伸性能n(a)的特點是軟而弱。拉伸強度低，彈性模量小，且伸長率也不大，如溶脹的凝膠等。n(b)的特點是硬而脆。拉伸強度和彈性模量較大，斷裂伸長率小，如聚苯乙烯等。 第9頁/共40頁高分子典型應力應變曲線 I3.1 拉伸性能n(c)的特點是硬而強。拉伸強度和彈性模量大，且有適當?shù)纳扉L率，如硬聚氯乙烯等。n(d)的特點是軟而韌。斷裂伸長率大，拉伸強度也較高，但彈性模量低，如天然橡膠、順丁橡膠等。第10頁/共40頁3.1 拉伸性

6、能高分子典型應力應變曲線 IIIn (e)的特點是硬而韌。彈性模量大、拉伸強度和斷裂伸長率也大，如聚對苯二甲酸乙二醇酯、尼龍等第11頁/共40頁3.1 拉伸性能高分子材料的典型應力-應變特征性能模量屈服應力拉伸強度斷裂伸長軟而弱低低低中等硬而脆高無中等低硬而強高高高中等軟而韌低低中等高硬而韌高高高高高分子材料的典型應力-應變特征第12頁/共40頁3.1 常用高分子材料的應力-應變曲線硬塑料應力纖維軟塑料應變橡膠第13頁/共40頁3.1 拉伸性能第14頁/共40頁第15頁/共40頁第16頁/共40頁第17頁/共40頁定義拉伸強度拉伸強度：在拉伸試驗中，試樣直至斷裂為止所承受的最大拉伸應力。 拉伸

7、應力拉伸應力：試樣在計量標距范圍內，單位初始橫截面上承受的拉伸負荷。拉伸斷裂應力拉伸斷裂應力：曲線上斷裂時的應力。 拉伸屈服應力拉伸屈服應力：曲線上屈服點處的應力。斷裂伸長率斷裂伸長率：試樣斷裂時，標線間距離的增加量與初始標距之比。 彈性模量彈性模量：比例極限內，材料所受應力與產(chǎn)生的相應應變之比。 屈服點屈服點：曲線上不隨增加的初始點。 應變應變：材料在應力作用下，產(chǎn)生的尺寸變化與原始尺寸之比。3.1 拉伸性能第18頁/共40頁電子萬能試驗機電子萬能試驗機3.1 拉伸性能第19頁/共40頁3.1 拉伸性能拉伸性能測試原理拉伸試驗是對試樣延期縱軸方向施加靜態(tài)拉伸負荷，使其破壞，通過測量試樣的屈服

8、力、破壞力和試樣標距間的伸長來求得試樣的屈服強度拉伸強度和伸長率。第20頁/共40頁3.1 拉伸性能測量方法即實驗步驟 試樣的狀態(tài)調節(jié)和試驗環(huán)境按國家標準規(guī)定。在試樣中間平行部分做標線，示明標距。測量試樣中間平行部分的厚度和寬度，精確到0.01mm，II型試樣中間平行部分的寬度，精確到0.05mm，測3點，取算術平均值。夾具夾持試樣時，要使試樣縱軸與上下夾具中心連線重合，且松緊適宜。選定試驗速度，進行試驗。記錄屈服時負荷，或斷裂負荷及標距間伸長。試樣斷裂在中間平行部分之外時，此試樣作廢，另取試樣補做。第21頁/共40頁3.1 拉伸性能低碳鋼鋁合金鑄鐵高分子材料符合材料第22頁/共40頁第23頁

9、/共40頁3.1 拉伸性能高分子試樣的制備和尺寸要求I ：I型試樣及尺寸圖圖3-3 I型試樣型試樣表3-2 I I型試樣尺寸要求第24頁/共40頁3.1 拉伸性能II型試樣及尺寸圖圖3-3 II型試樣型試樣表3-2 II II型試樣尺寸要求第25頁/共40頁3.1 拉伸性能試樣的制備和尺寸要求III ：III型試樣及尺寸圖圖3-3 III型試樣型試樣表3-2 III III型試樣尺寸要求第26頁/共40頁3.1 拉伸性能試樣的制備和尺寸要求IV ：IV型試樣及尺寸圖圖3-3 IV型試樣型試樣表3-2 IV IV型試樣尺寸要求第27頁/共40頁試樣的制備和尺寸要求V ：塑料材料選擇試樣類型測試速

10、度參考 試樣材料類型試樣制備方法最佳厚度mm試驗速度硬質熱塑性塑熱塑性增強塑料注塑 模壓4B C D E F硬質熱塑性塑料板 熱固性塑料板含層壓板機械加工2A B C D E F G軟質熱塑性塑料及板注塑、模壓 板材機械加工和沖切加工2F G H I熱固性塑料(含填充、增強塑料）注塑 模壓C熱固性塑料板機械加工B C D3.1 拉伸性能A:150%，B:220%，C:520%，D:1020%，E:2010%，F(xiàn):5010%，G:10010%，H:20010%，I:50010%。第28頁/共40頁3.1 拉伸性能數(shù)據(jù)的處理n拉伸強度或拉伸斷裂應力、拉伸屈服應力、偏置屈服應力按下式計算：t=F/b

11、d t：拉伸強度或拉伸斷裂應力、拉伸屈服應力等，MPa；F：最大負荷或斷裂負荷、屈服負荷、偏置屈服負荷，N；b：試樣寬度，mm；d：試樣厚度，mm。n斷裂伸長率按下式計算：=(L-L0)/L0100% ：斷裂伸長率，%；L0：試樣原始標距，mm； L：試樣斷裂時標線間距離，mm。第29頁/共40頁3.1 拉伸性能影響拉伸性能的因(1)試樣尺寸：由試樣自身的微觀缺陷和微觀不同性引起 (2)拉伸速度：塑料屬于粘彈性材料，其應力松弛過程與變形速率緊密相關，需要一個時間過程 (3)溫度和濕度：溫度上升，濕度增大，強度下降 (4)預處理：材料在加工過程中，由于加熱和冷卻的時間和速度不同，易產(chǎn)生局部應力集

12、中，經(jīng)過在一定溫度下的熱處理或稱退火處理，可以消除內應力，提高強度 (5)材料性質：結晶度、取向、分子量及其分布、交聯(lián)度 (6)老化:老化后強度明顯下降 第30頁/共40頁3.2 彎曲性能3.2.1 定義n彎曲應力f：試樣跨度中心外表面的正應力，MPa。 n撓度s：彎曲試驗中，試樣跨度中心的頂面或底面偏離原始位置的距離，mm。 n彎曲強度fM：試樣在彎曲過程中承受的最大彎曲應力，MPa。n斷裂彎曲應力fB：試樣斷裂時的彎曲應力，MPa。n彎曲應變f：試樣跨度中心外表面上單元長度的微量變化，用無量綱的比或%表示。n斷裂彎曲應變fB：試樣斷裂時的彎曲應變，用無量綱的比或%表示。n試驗速度v：支座與

13、壓頭之間相對運動的速率，mm/min。第31頁/共40頁3.2 彎曲性能3.2.2 彎曲實驗的方法原理n三點法n四點法第32頁/共40頁3.2 彎曲性能3.2.3 彎曲實驗的試樣要求標準試樣長度l=802mm寬度 b=10.00.2mm厚度d=4.00.2mm l/d20非標試樣公稱厚度d寬度b0.5熱塑性模塑和擠塑料以及熱固性板材織物和長纖維增強的塑料1d325.015.03 d510.015.05d1015.015.010d2020.030.020d3535.050.035d5050.080.0表3-4 與厚度相關的寬度值b mm 第33頁/共40頁3.2 彎曲性能3.2.3 彎曲實驗的試

14、樣要求 含有粗粒填料的材料，其最小寬度應在2050mm之間。 各項異性材料：其物性如彈性與方向有關，應使試樣在試驗中受力方向與其產(chǎn)品在使用中受力方向相同。 試樣的制備:模塑或擠塑料：根據(jù)相關材料規(guī)范。片材：根據(jù)ISO2818制取。長纖維增強材料：根據(jù)ISO1268等制取。 試樣數(shù)量：在每一個試驗方向上至少應測試5個試樣。試樣在跨度中部1/3外斷裂的試驗結果應予廢除，并重新取樣試驗。第34頁/共40頁3.2 彎曲性能3.2.4 彎曲實驗的步驟測量試樣中部寬度b；厚度d，計算一組試樣厚度的平均值d；剔除厚度超過平均厚度允差0.5%的試樣；調節(jié)跨度L，使符合：L=（161）d。按受試材料標準規(guī)定設置

15、試驗速度，否則應選擇推薦試驗速度，使應變速率盡可能接近1%/min，例如推薦試樣的試驗速度為2mm/min。把試樣對稱地放在兩個支座上，并于跨度中心施力。記錄試驗過程中施加的力和相應的撓度。第35頁/共40頁3.2 彎曲性能3.2.5 計算公式彎曲應力彎曲模量撓度223bdFLfKbdLDdbFLEf333443drLD63f：彎曲應力或彎曲強度F：施加的力L：跨度b：試樣寬度h：試樣厚度 Ef：彎曲彈性模量K：負載-撓度取向上的斜率r：最大應變第36頁/共40頁3.2 彎曲性能3.2.6 影響實驗結果的因素(1)試樣跨厚比 (2)應變速率（加載速度）(3) 加載壓頭半徑和支座表面半徑 :支座表面半徑大小，要保證與試樣接觸為一條線， (4)溫度和濕度(5)材料性質(6)操作的影響第37頁/共40頁試驗速度對彎曲強度，MPa的影響如下：試驗速度mm/minPOMABSPSPP1.569.8265.81107.151.531.771.5966.62109.35