如何分析一条应力应变曲线( Stress-Strain Relationships)
额呵呵好好的哈
2022年07月04日 22:53
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总结

  • 破裂应变和破裂应力:样本破裂时(应力骤降)的应变和应力

  • 线性弹性:满足胡克定律的区域,小应变部分,斜率()即杨氏模量,弹性指的是,拉伸一段距离,物体又能会回到初始状态。

  • 屈服点:线性弹性开始的消失,样本屈服于外界施加的应力,应力甚至开始下降;主要原因是聚物内相互作用被克服,链之间变得更容易滑动。

  • 应变增强: 应力应变曲线斜率开始增加的部分,不一定能看到。一个可能的原因是,拉伸过程材料体积不变,但是横截面积收缩,链之间被压得更加紧凑。在扩展的样本中,例如物理交联开始以更加近的距离互相接触。

  • 应变软化: 应力应变曲线的斜率开始减少,也不一定能看到。它的原因是,抵抗进一步形变的相互作用都被克服了。链之间变得更加容易互相脱离,加快了扩展的进程。

汽车保险杠

橡皮筋

这些问题很重要。因此,我们需要探究在不同条件下材料是怎么表现的,以便我们可以更加高效的应用他们。

拉伸测试是最简单有效的方法探究材料是如何对力响应的。要记住的是,在这个实验中应力(stress)指的是力作用在材料单位横截面积上的力。正因为如此,它的单位和压强一致,例如Pascals(Pa).做这样的实验,样本的两端被两个夹子夹住,其中一端固定,另一端可移动。可移动的夹子然后被拉动,使得样本被延伸。施加在样本上的力被记录,给定垂直于力方向的样本横截面积,力就被转变成单位面积的了。

拉伸测试

这个实验也测量样本被延伸的距离。这个距离(%5CDelta%20L)通常与样本的原始长度($L$)做比,表达一个比值(%5CDelta%20L%2FL).它可以写成小数或者百分比。

在下面有个概要图,我们可以看看在这样的实验中一般发生了什么。样本被延伸(应变增加),并且开始变得难以延伸,因为可以看到要继续保持速度延伸它要求力的增加(也是应力的增加)。最终因为样本破裂,应力骤降(plummets)。

应力-应变曲线

在这张图里,我们可以从拉伸测试的中学到两个重要的信息点。

  • 其一,在样本破裂之前,我们将材料延伸多长?这个性质叫做 “strain at break”.在上面这个样本中破裂应变看起来在1.1或者110%;这意味着样本延伸到原长度的两倍.

  • 其二,在没有破裂(breaking)之前样本可以维持到多大应变。这个性质叫做 “ ultimate tensile strength”.在这个样本中,,最终拉力强度超过

如果我们更加仔细的看下面这个样本,我们将可以得到第三个重要的性质,并且看到一些额外的特点。这个重要性质可以从曲线第一部分(A)推导出,在这个部分应力随应变线性增加。在这个范围类,材料表现的像 “Hookean solid”,意味着它遵循这胡克定律。胡克定律说的是应力和应变直接成正比。在他的原始文章里,the extension is proportional to the force:

F%3Dkx

这里是外力,是固体的扩展长度,是比例扩展常数。

胡克定律是普遍运用于力学弹簧的力学行为的,但是也适用于其他固体材料。图里线性段A的斜率是等于(正比于,maybe)比例常数的,因为图展示的是. 在材料科学中,这个斜率更多的是被叫做 “Young's modulus ”.它是材料固有刚性的量度。

杨氏模量:E%3D%5Csigma%2F%5Cvarepsilon;其中%5Csigma是应力,%5Cvarepsilon是应变。

曲线中遵循胡克定律的初始部分,有时被叫做 “ 线性弹性区域”。在日常英语中单词“elastic”的确有着直接的含义,让我们想起被延伸的橡皮胶,因此当我们听到单词“elastic”我们认为是延伸的部分。然而,返回运动是弹性行为的重要特点。橡皮筋总是返回它原来的形状。类似的,在线性弹性区域,任何固体材料在被应力变形后,都可以返回它的原来形状。 对于大多数固体,例如铝或者混凝土,线性弹性区域是一个非常窄的应变范围。仅靠肉眼看,我们不会看到这些材料有任何的形变。然而,这种线性应力-应变关系是固体所固有的。在流变学中,那些行为被描述为弹性。当然,对于许多聚合物,样本被延伸足够远的话,我们可以用肉眼看见改变,并且它依然可以回到原来的形状(线性弹性区域)。 什么使聚合物不同呢?聚合物的长链结构确实使得他们表现的和其他材料不一样。这是由于,这些链可以经历一个构象转变:沿着链的每条键都可以旋转,使聚合物链转变成稍微不同的形状。这些特点给予了“soft material” 巨大的柔性。链的构型可以适应应力的改变,移动链转变到新的形状。在这个新的形状中,链以更加低的能量互相堆叠。当应力被移除,链最终滑动到他们原来的构型。他们回到他们的平衡位置。

物理或者化学交联点的存在帮助材料返回到它的初始形状,起到了支撑点的功能,以便链不会偏移的太远。Those interactions might be found in hard-phase interactions in a  microphase separated material, as illustrated here, although they could  also be found in a homogeneous material(困惑😖).

线性弹性区域并不是我们从上面stress-strain曲线可看到的全部。在点(B),线性关系突然消失。应力甚至也许掉落,正如我们在这个特殊案例所看见的。在这张图里的这个特点被叫做“yield point(屈服点,下降,被外界应力所屈服,maybe)”。材料所正在经历的应力,以及产生的应变,有变得足够充分来克服固体的自然弹性行为。正如之前所指出的,物理交联例如氢键帮助增强一个聚合物样本的弹性行为。在一些点,如果那些相互作用被克服,链之间开始比过去更容易相对滑动。

结果,材料的弹性丧失。当应力被释放,随着链进入新的构象平衡,材料依然会弹回。然而,那个平衡位置会和之前的不一样。新的物理交联点将新的基团并和他们遇到的最近邻的团体形成分子间相互作用。这些物理交联点和他们之前相互作用的基团总是在一起是不太可能的。因此,材料将形成略微不同的形状。你以前也学看到过这个发生。例如,橡皮筋被延伸的太远,太频繁,或者太久。链将会丢失他们老的相互作用,进而形成在扩展形状下容易形成的新的相互作用。 在图例的点C,曲线的斜率开始增加。在应力上相同的改变导致了更小应变改变;材料变得更硬了。这个现象叫做“strain harding(应变增强)”。这个特点并不总是可以被观察到。但是如果的确发生,该如何解释它? 在高分子中,一种可能的解释是,在延伸的过程中,材料的体积是不变。如果样本变得更长,那意味着样本变得更紧凑。

因此样本横截面积收缩,样本被压缩在一起。在一些点,临近的一些链开始出现物理交联。这些交联点不会出现像原始样本中的聚合链在平衡位置互相卷曲在一起的现象。当链被拉伸,这些交联点会以比正常样本更加紧密的接触距离互相平行。

接下来,我们看向相反的(D,当曲线的斜率开始减小。这个现象叫做“strain-softening”.同样,这个**可能也观察不到**。当它发生的时候,什么造成了它?在这个例子里,这个答案是简单的。克服了使链聚集在一起的相互作用,这而已经没有什么能抵抗进一步的形变。因为链开始摆脱互相之间的缠绕,它变得极其容易被互相分离,加快了样本的扩展或延伸。

最终,在破裂点(E),在样本的某些区域,链之间开始互相之间失去接触,导致了灾难性的样本破裂

原文:

  • https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Book%3A_Polymer_Chemistry_(Schaller)/04%3A_Polymer_Properties/4.07%3A_Stress-Strain_Relationships