关于塑料的物理性能和力学机械性能讨论.docx
《关于塑料的物理性能和力学机械性能讨论.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于塑料的物理性能和力学机械性能讨论.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
关于塑料的物理性能和力学机械性能讨论
关于塑料的物理性能和力学（机械）性能讨论
咱们在日常阅读资料或与客户交流时，最经常使用的是碰着塑料的物理力学性能或物理机械性能，通常而言，大伙儿以为塑料的物理力HI0:
;w6zEu）'学性能是一个概念，可能是指的其力学性能多一些。
但是，塑料的物理性能和力学性能是有严格概念并有严格区分的。
本文提出自己整理的一些概念和自己的一些明白得，希望大伙儿能够提出意见并进行讨论。
g`jsmo"{
hQ5第一部份：
塑料的物理性能（PhysicalProperties）
物理性能和术语（PhysicalPropertiesandTerminology）
（1）密度，Density9{;KgkQq;\
任何材料的密度是指材料单位体积内的质量。
VL\->]-T
2）比重，SpecificGravity）By}b:
比重是一个材料的密度除以水的密度。
*p;{!
AE
3）吸水率，WaterAbsorption$UR&（'-
吸水率是材料由于吸收水分而增加的重量百分比。
&lK!
wZ
4）模塑收缩率MoldShrinkage
H86^y
模塑收缩率是模塑后制品尺寸相对模具尺寸的减少比率。
e2&sZKE
}N
5）不透明度/透明度Opacity/Transparency$jHdT
通常以雾度和透光率来表示。
'f~2z
ic
6）弹性，Elasticity
fP.`_%-4
弹性是材料形变后回到其初始尺寸和形状的能力。
大多数塑料的弹性有限。
橡胶和热塑性弹性体具有优良的弹性。
q%AuL-,
7）塑性，Plasticity1YLb*z&）uC
塑性与弹性相反。
材料维持其形变的尺寸和形状即具有塑性。
塑料在超过其屈服点后通常表现出塑性。
fnV%g&（alv
8）延展性（延性），DuctilityQ~s0w
大体概念&^,OD[]\
z=xcXGY1）应力^a/;uf[
材料受到外力后所产生的抗击力。
关于任一受力面的任一点P上的应力S，分解为两个部份，一个垂直于受力面，称之为正应力σ，另一个平行于受力面，称之为剪应力，τ。
T|2FKO@
2）正应力|[r>>*>}]
正应力是施加的载荷与试样初始截面积的比值。
）XtWVeOk
σ=F/Ap@$L|S
3）正应变qi
-9>d3
应变是材料变形的量度，是一个无量纲的量。
应变=试样长度的转变/试样的初始长度\c~D-
ε=ΔL/L
图片:
图片:
4）弹性模量，ModulusofElasticityEt5|d3beY
弹性模量又称为杨氏模量，在塑料工业中又称为拉伸模量。
>S-
:
*
uM7lNE=σ/ε。
模量为应力-应变曲线上的初始斜率。
可是应该注意的一点是并非每一种弹性材料都要符合上述的虎克定律。
一种应力与应变不成比例的材料也能够在外力去除后回到其初始形状。
可是，若是一种材料复合虎克定律，那它必然是一种弹性材料。
\Hv$0G"z
关于许多塑料材料，在应力-应变曲线上找出直线部份的难度超级大，常常是一发觉直线部份即被以为是即可取得模量，通过这种方式取得的模量称之为“初始模量”。
关于一些塑料材料，初始模量常常引发人们的误解，因为这种材料表现出了非线性弹性。
出于这种考虑，一些供给商提供了1%正割模量作为这种材料的模量的一个专门好描述。
关于材料设计人员，必需要对材料供给商提供的数据表予以警戒，以区分是何种模量、杨氏模量、初始模量或是正割模量。
MgDYQ$A
k~;x9hd&'上图给出了一组应力-应变的关系示用意，图中各点的含义将在下面注意介绍。
NXpI"K'h
A、比例极限，ProportionalLimite|i{.@tZC
关于一些材料，在其应力-应变曲线上的一些点，其斜率开始发生转变，直线部份终止了。
比例极限是一个最大的应力，在此处材料能够经受施加的载荷，而不发生应力与应变不成比例的现象。
j_T4*P1F
B、屈服点，YieldPointUKVuQGA5
屈服点是工程应力-应变曲线被骗应变开始增加而应力却不增加的起始点，曲线在此点的斜率为0，注意一些材料没有屈服点。
!
FL6xfD
C、极限强度，UltimateStrength）_1q
极限强度是材料在载荷施加后的最大应力。
XvP~,T
D、弹性极限，ElasticLimit>5v6{q
弹性极限表示在应力-应变曲线上，若是载荷排除，那么材料将发生永久形变的起始点。
*!
）,=6
E、正割模量，SecantModulus#aP[z5s*
应力-应变曲线上的任一点，应力与应变的比值。
如图中，E的正割模量为直线OE的斜率。
y2K
o;8|F
F、屈服强度，YieldStrength=;f=b[.'!
屈服点处的应力:
j,/（_C
X、断裂强度，BreakingStrength_n/j>d:
应力-应变曲线上断裂点处的强度。
图片:
5）泊松比，Poisson’sRatioZXvE}%J'
在张应力载荷下，材料的纵向应变成/X,RLZ$
ε=ΔL/L2zXXDhv
横向应变成εlateral=-Δb/b=-Δd/d15[,L+Nc!
假定材料形变出于弹性范围，那么横向应变与纵向应变的比值老是为常数。
那个比值成为泊松比。
采纳希腊字母ν表示。
f\C@xz`
ν=横向应变/纵向应变。
关于许多工程材料而言，ν值介于之间。
泊松比关于应力和形变分析而言是一个必要的常数。
图片:
6）剪切应力，ShearStress]-!
@v
当材料表面受到一对大小相等、而方向相反的力作历时，就受到了剪切。
3（X#w!
@=k
剪切应力τ=剪切力/经受剪切的面积=Q/A6S=;gHYyg
γ，剪切应变{p|9j}f2
7）剪切模量,ShearModulus$00*gzJq
关于符合虎克定律的材料，剪切应变与剪切应力成正比。
因此=wuy[]rK
τ/γ=Gg;;dWvLc
G，称之为剪切模量，或刚性模量，以与正应力所致使的弹性模量进行对照。
图片:
2.材料常数之间的关联be]N'M{,
假定材料是线性弹性、均匀和各向同性，三个材料参数E G ν之间存在如下关系?
w,!
J\29
E=2G（1+ν）j,W6,@0}
那个关系关于大多数金属和注塑的热塑性塑料都是适用的。
可是，材料设计人员必需时刻牢记有一些塑料具有非线性和各向异性的本性，尤其是纤维增强和液晶材料。
[v{JQSA
1）真应力1Em^FcU）
尽管并非经常使用，但“真应力和应变”的概念也并非无用。
如下图，正应力的计算是基于慢慢增加的载荷施加于恒定面积的受力面上。
这种形式的正应力，通常被称为“工程应力”。
事实上，在受力进程中，大多数材料的截面积A并非是恒定的。
截面积发生缩小，变成A’，以A’为基础计算取得的应力通常称为“真应力”。
与此类似，应变也有“工程应变”和“真应变”之分。
因此，真实的应力-应变曲线将与“工程应力-工程应变”是不同的。
}sQC|
可是，通常，咱们目前所采纳的模量值和应力-应变曲线都是基于工程应力-应变的。
图片:
3.其他的强度和模量|[Dv_sfswv
关于许多被假定为线性弹性、均匀和各向同性的工程材料，拉伸和紧缩性能能够被以为是相同的。
如此就排除测量紧缩性能的必要性。
另外，若是拉伸和紧缩性能是相同的，那就没有必要去测量弯曲性能。
但是，考虑很多塑料都是非线性弹性和各向异性的特性，这些性能，尤其是挠曲性能，常常在产品数据表中表现出来。
x48'}7*H
1）紧缩强度和模量x3dN/]r
由于拉伸实验简单易行，人们常常进行材料的弹性模量的测量，并报导出一个拉伸的值。
材料也能够经受紧缩，关于设计人员而言，紧缩载荷下的应力-应变曲线通常也是必需的。
6*LAsLwGD;
关于大多数在低应力下的弹性材料，拉伸和紧缩载荷下的应力-应变曲线几乎是相同的，如下图。
可是在高应力状态下，紧缩应变相遇拉伸应变。
与拉伸载荷不同，紧缩应力产生缓慢的、不确信的屈服，很少致使断裂。
因此，紧缩强度通常表示为一个标准试样形变到某一应变时所需的应力。
;}3}Jo-rg`
紧缩弹性模量通常并非老是予以报导出来，因为报导在一个应变下的应力就等同于报导了一个正割模量。
可是，若是给出了紧缩弹性模量，那么那个值一般是一个初始模量。
nUSEUv"Z/
2）弯曲强度和模量*x_m+|O
弯曲强度能够采纳上图加以测量。
{tn^$&WkG*
弯曲应力σ=3FL/2bh2，弯曲模量E=FL3/4bh3Y，Y是弯曲点的挠度\7v{
.&
BZGag%zo4力学性能的速度依托性t产品手册里的拉伸和弯曲数据一般是在特定位移速度条件下测量而取得的。
可是这种位移速度很少与实际应用负载环境下的速度相符。
一样的塑料材料，在不同的速度条件下，其应力-应变曲线是不同的。
因此，设计人员必需要了解特殊条件的载荷速度和相应的数据。
通常这些数据很宝贵到。
因此进行实际应用条件下的性能测试是时刻需要牢记的一点。
图片:
图片:
5 力学性能与时刻的关系#%"!
f'idl
J;UU0J|以上所讨论的力学性能，涉及的是一种慢慢施加的、短时间的载荷。
接下来咱们要讨论的是载荷是与时刻有关的，包括长期载荷和极短时刻的载荷。
关于高性能的热塑性塑料，蠕变、冲击、疲劳等性能是需要紧密关注的。
但是存在的一个问题是实验室内测试的数据远不能直接用于评估实际的制品在应用环境中所产生的结构响应。
*^97XvPB
1）蠕变*{Do
当材料受到一给定的负载时，如形变持续增加而载荷或应力却未增加，那么咱们就以为材料发生了蠕变。
因此蠕变能够概念为在恒定应力存在的条件下，应变随时刻增加的现象。
材料的蠕变速度取决于施加的载荷、温度和时刻。
（*y:
'8|
蠕变实验能够在恒定的温度下通过拉伸、紧缩或弯曲进行。
一样而言，采纳四个不同程度的应力水平进行测试。
一样而言，结晶聚合物比无定形材料的蠕变速度要小。
玻璃增强剂常常能够提高塑料的耐蠕变性。
w）'+'c*y
蠕变模量Eapp=σ/εczQOcs\&+
σ——计算的应力:
?
3C
εc——一按时刻和温度下进行蠕变后的应变R-]Fz91
2）应力松弛1V}5|{Dd0S
在必然的温度下，应力随着恒定应变而慢慢衰减的现象称之为应力松弛。
这种现象关于一些应用如预紧螺栓或弹簧的应用超级重要。
DlH&~dZP
c`0efN3）冲击6MZYh;
W
只要制件经受快速的载荷，那么那个制件就受到了冲击负载。
任何移动的物体均有动能，当运动由于碰撞停止时，能量必需被消耗。
一个制件吸收能量的能力取决于它的形状、尺寸、厚度和材料的类型。
冲击测试关于评判材料的缺口灵敏性和耐冲击性能是很有价值的。
分为四类pa
QKjtq
a.Izod冲击=xGFSBcT
Izod冲击可能是应用最为普遍的冲击实验了。
在测试进程中，一个摆锤从某一高度落下冲击一个缺口悬臂梁，在测试试样断裂后，摆锤继续沿相同的方向运动，可是由于冲击了试样继续运动的能量很低，损失的能量（以J/m表示），即为Izod冲击强度。
这种测试能够采纳缺面试样或无缺面试样，相应的冲击强度为缺口冲击强度和无缺口冲击强度。
aMRv"cX
b.Charpy冲击D0-O!
<7-
Charpy冲击在美国很少采纳，但在欧洲却应用普遍。
这种冲击几乎与Izod冲击类似，除试样的放置方式不同之外。
与Izod类似，试样也能够是缺口或无缺口的。
U'Yu2T
c.拉伸冲击aL_0p
拉伸冲击的摆锤与Izod几乎类似，只是在其上安装了拉伸样条，测量由于拉伸冲击载荷致使试样断裂所消耗的能量。
#Yt"xBWc
d.落镖冲击IHGR3z4-
适用于厚度小于1mm的塑料薄膜或薄片在给定高度的自由落镖冲击下，测定塑料薄膜或薄片试样破损时的冲击强度。
。
量的描述是通过在必然的条件下薄膜样品破坏50％的重量来概念的。
>'QdLiE）
4）耐疲劳性nhBOw6
材料经受交变循环应力或应变时所引发的局部结构转变和内部缺点进展的进程。
它使材料的力学性能下降并最终致使龟裂或完全断裂。
通常通过疲劳曲线S-N曲线进行表示。
图片:
图片:
图片:
图片:
第三部份：
热性能，Thermal Properties~f&Ud_>9
为了使所选择的材料在最终应用的环境中维持适合的力学性能和尺寸稳固性，设计人员必需了解最终的制品所面临的正常和超级工作环境。
下面所谈到的是热塑料的一些热性能。
6qkHen
（1）熔点,MeltingPointG$b3mfuCS
热塑性塑料随温度增加变得加倍具有流动性。
结晶性聚合物具有超级清楚的熔点，而无定形聚合物的熔程较宽。
/zOfol
（２）玻璃化转变温度，ＧlassTransitionTemperature>y&!
P
处于玻璃化转变温度时，材料的性能经历超级大的转变。
通常，在玻璃化温度之下，材料关于负载表现出刚性、脆性相应，而在玻璃化温度之上，材料表现出延展性和类橡胶特性。
;FW52$b（c
（３）维卡软化点，VicatSofteningPoint?
<*j"
维卡软化点是一个温度值，在该温度下，将细小的、圆形的探针刺入测试试样内部规定的距离内。
这种测试关于结晶性聚合物超级有效，可是关于无定形聚合物有时不太适宜，因此它们在测试进程中容易发生蠕变。
{wwk{nk+db
进行维卡软化点测试的目的是为了评估热塑性塑料经受与一种加热表面进行短时间接触而不变形的能力。
[h（４）负荷变形温度，DeflectionTemperatureunderLoad负荷变形温度，又称为热变形温度，该温度是用于评估材料随温度升高而支撑必然负载的能力。
$9~,Npf$`
（５）线形热膨胀系数，CoefficientofLinearThermalExpansion2IVRT"M2}I
图片:
图片:
6）热导率，ThermalConductivityLI\~7BJ
材料沿其长度或厚度方向进行热能传导的能力。
Z$JOdw
7）高温老化,AgingatElevatedTemperature）"&<1
将试样置于特定的温度下，测量其力学性能、热性能、电性能等随时刻的转变，测试结果可用于衡量树脂的热稳固性。
}Z]Cai>_
8）可燃性,Flammabilityv{aKSu
用于评判塑料材料的抗燃烧性能，经常使用的指标包括：
6l+
s]\
燃烧品级（V0、V1、V2、5V、HB）#bl-*c8NL
b.氧指数（%），用于测量维持一种塑料材料燃烧所需要的氧气的百分比。
显然，氧指数越高，可燃烧性越低。
`ys=}6
9）温度对力学性能的阻碍EffectofTemperatureonMechanicalProperties|z$L4eEu
通常，随温度增加，材料的强度和模量下降，而伸长率增加。
，如下图。
Z\cM]2U
当温度升高时，模量一样慢慢降低直至玻璃化转变温度。
在玻璃化转变温度之上，无定形材料的模量迅速下降，而结晶性材料那么尽可能的维持其模量到熔点。
玻璃纤维增强能够大幅提高结晶性材料在玻璃化转变温度之上的材料的模量，而无定形材料及时进行了增强，其模量在玻璃化转变温度之上也下降迅速lx1:
>x而伸长率通常随温度的增加而增加。
图片:
图片:
图片:
第四部份：
电性能20`-6;
（1）固体导电性能v92@Y^}e
玻璃、陶瓷和塑料，不易导电，因此它们是绝缘体。
其他材料，如硅和锗，导电性能介于导体和绝缘体之间，北分为半导体。
IuLw3o#MO
（2）体积电阻率TD>!
@W1"S
测试材料沿其体积的电阻。
以Ω.cm表示。
材料的体积电阻率在108Ω.cm之上就被以为是绝缘体，108Ω.cm-101Ω.cm之间为部份导体。
~L"*eh!
（3）表面电阻率7
G{vA0qE
表面电阻率测量的是电流沿材料表面流动的能力。
与体积电阻率不同，测试电极全数置于测试试样的同一侧。
体积电阻率是材料的一种性能，而表面电阻率本质上是测量的材料对其表面电荷堆积的灵敏程度。
该数据常经常使用于需要对材料表面漏电做出评估时。
g~7tZphK
（4）介电强度@gr0pz;
当一个绝缘体经受持续增加的高电压时，它将最终破坏并许诺电流通过。
试样破坏之前的电压除以试样厚度，即为大伙儿所熟知的介电强度，以V/m表示。
DH]Ldo;Zo/
（5）介电常数（又称诱电率）T_1gKLK
当一个电场被强加于一个绝缘体时，分子被极化。
材料被极化的难易通过一个材料常数加以测量，那个常数为介电常数。
材料的介电常数与真空的介电常数之比（一样为1）称为相对介电常数，或加倍常见的是介电常数。
这是一个无量纲的常数，当塑料在高频应用中作为一种介电材料时尤其重要。
那个值随温度、湿度、频率和制品厚度转变专门大。
!
BKtT3C
（6）损耗因数KT>9Qdnf
损耗因数能够与介电常数同时在一个测试装置内进行测试。
损耗因数测量的是极化进程中的热损耗。
当塑料在高频环境中应历时，如在雷达和微波中应历时，一个低的损耗因数就超级重要。
:
pd7>
_
（7）抗电弧性G
$+n\]
若是一个电弧被强加到一个绝缘体的表面，材料将进展出一个导电途径。
抗电弧性测量的是产生那个途径的时刻。
那个时刻越长，关于塑料在可能发生电弧的场合中利用越有利。
利用的例子包括开关、断路器、汽车点火组件、高压设备等。
_m{（hcd/
（8）对照电弧径迹指数（CTI）U\）od'g=P
材料的CTI指数指的是在两个电极之间产生导电通路所需的电压值。
那个值超级有效，因为其测量的是抗电弧性。
Z4tsMp）8wh
图片:
图片:
图片:
第五部份：
环境因素Z
qH>U}Jd
当指定一种材料用于特定的环境中时，设计工程师必需认真考虑最终的应用环境。
犹如生锈和侵蚀损害金属一样，裂纹、银纹、褪色、性能丧失、熔融或溶解能够阻碍热塑性塑料，当存在化学物质、能源或辐射时。
阻碍材料抗环境性能的因素包括：
（Mht*&
（1）应力水平
（2）温度（3）暴露
升级会员 