2.4　高分子材料的力学性能

聚合物作为材料，必须具备所需要的力学强度。对于大多数高分子材料，力学性能是其最重要的性能。聚合物的力学特性是由其结构特性所决定的。

2.4.1　拉伸性能

在规定的试验温度、湿度与施力速度下，沿试样轴向方向施加拉伸载荷，直至试样破坏。试样断裂时所受的最大拉伸应力，称之为拉伸强度（tensile strength），又可称为抗张强度。拉伸强度（σt，单位Pa）按下式计算：

　　 （2-5）

式中，F为最大破坏载荷，N；b为试样初始宽度，m；d为试样初始厚度，m。

试样断裂时，其增加的长度与原始长度的百分率，称为断裂伸长率（elongation at break）。断裂伸长率（εt）按下式计算：

　　 （2-6）

式中，L0为试样原始有效长度，mm；L为试样断裂时的有效长度，mm。

在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值叫作泊松比（Poisson's ration）。泊松比（ν）可由下式计算：

　　 （2-7）

式中，εx为横向应变；εy为纵向应变。

在比例极限内，材料所受的拉伸应力（tensile strength）与其所产生的相应应变之比叫拉伸弹性模量（tensile modulus of elasticity），亦称为杨氏模量（Young's modulus）。拉伸弹性模量（Et，单位Pa）根据试验结果按下式计算：

　　 （2-8）

式中，σt为拉伸应力，Pa；εt为拉伸应变。

测试标准参考GB/T 1040.1—2006塑料拉伸性能的测定总则、GB/T 1040.2—2006模塑和挤塑塑料的试验条件、GB/T 1040.3—2006薄膜和薄片的试验条件。

2.4.2　压缩性能

在试样两端施加压缩载荷，直至试样破裂（脆性材料）或产生屈服（韧性材料）时所承受的最大压缩应力，称为压缩强度（compression strength）。压缩强度（σc，单位Pa）按下式计算：

　　 （2-9）

式中，F为破坏或屈服载荷，N；A为试样原始横截面积，m2。

在比例极限内压缩强度与其相应应变之比叫压缩弹性模量（compressive modulus），简称压缩模量（Ec，单位Pa）。压缩模量由下式计算：

　　 （2-10）

式中，σc为压缩应力，Pa；εc为压缩应变。

测试标准参考GB/T 1041—2008塑料　压缩性能的测定。

2.4.3　弯曲性能

材料在承受弯曲负荷下破坏或达规定挠度（指材料承受荷载时会产生弯曲，当弯曲达到一定限额时被认定为破坏，这种弯曲程度便称之为挠度）时所产生的最大应力，叫弯曲强度（flexural strength），也可称为抗弯强度或挠曲强度。弯曲强度（σf，单位Pa）按下式计算：

　　 （2-11）

式中，P为试样所承受的弯曲负荷，N；L为试样跨度，m；b为试样原始宽度，m；d为试样原始厚度，m。

塑料在比例极限内弯曲应力与其相应的应变之比叫弯曲弹性模量（flexural modulus of elasticity），或简称弯曲模量。弯曲模量（Ef，单位Pa）由下式计算：

　　 （2-12）

式中，σf为弯曲应力，Pa；εf为弯曲应变。

测试标准参考GB/T 9341—2008塑料　弯曲性能的测定。

2.4.4　冲击性能

冲击强度（impact strength），亦称抗冲强度，表示材料承受冲击负荷的最大能力，也即韧性（toughness）。即在冲击负荷下，材料破坏时所消耗的功与试样的横截面积之比。材料冲击强度的测试方法很多，如摆锤法、落重法、高速拉伸法等，不同方法常测出不同的冲击强度。最常用的冲击试验方法是摆锤法，按试样的安放方式又可分为两种：简支梁冲击试验（Charpy）和悬臂梁冲击试验（Izod）。

对于简支梁冲击试验方法，无缺口冲击强度（αn，单位J/m2）和缺口冲击强度（αk，单位J/m2）分别按下式计算：

　　 （2-13）

和

　　 （2-14）

式中，An为无缺口试样所消耗的功，J；Ak为带缺口试样所消耗的功，J；b为试样宽度，m；d为无缺口试样厚度，m；dk为带缺口试样缺口处剩余厚度，m。

对于悬臂梁冲击试验方法，使用带缺口试样，其冲击强度（αk，单位J/m2）按下式计算：

　　 （2-15）

式中，Ak为试样断裂时消耗的功，J；ΔE为抛弃断裂试样自由端所消耗的功，J；b为缺口处试样宽度，m；d为无缺口试样厚度，m。

测试标准参考GB/T 1043—2008塑料简支梁冲击性能的测定；GB/T 1843—2008塑料　悬臂梁冲击强度的测定。

2.4.5　剪切性能

材料试样在剪切力作用下断裂时，单位面积所承受的最大应力，称之为剪切强度（sheer strength）。剪切强度（σs，单位Pa）计算式为：

　　 （2-16）

式中，F为试样破坏时的最大剪切载荷，N；b为试样剪切宽度，m；l为试样剪切长度，m；对于单面剪切强度，n=1；双面剪切强度，n=2。

测试标准HG/T 3839—2006塑料剪切强度试验方法　穿孔法。

2.4.6　硬度

硬度（hardness）是指聚合物材料对压印、刮痕的抵抗能力。硬度的大小与材料的拉伸强度和弹性模量有关，所以有时用硬度作为拉伸强度和弹性模量的一种近似估计。根据测试方法，硬度有以下四种常用表示值。

布氏硬度HB（Brinell hardness）是把一定直径的钢球，在规定的负荷作用下，压入试样并保持一定时间后，以试样上压痕深度或压痕直径来计算单位面积上承受的力，用作硬度值的量度。其表达式分别为：

　　 （2-17）

或

　　 （2-18）

式中，HB为布氏硬度，Pa；P为所施加的负荷，N；D为钢球直径，m；d为压痕直径，m；h为压痕深度，m。测定布氏硬度较准确可靠，但一般适用于较软的金属材料。

邵氏硬度（Shore hardness）是在施加规定负荷的标准压痕器作用下，经规定时间，压痕器的压针压入试样的深度，作为邵氏硬度值的量度。邵氏硬度分为邵氏A（HA）和邵氏D（HD），前者适用于较软材料，后者适用于较硬的材料。

洛氏硬度（Rockwell hardness）。当材料HB>450Pa或者试样过小时，不能采用布氏硬度测试，但可用洛氏硬度测量。洛氏硬度的测试过程与布氏硬度相似，以一定直径的钢球，在规定的负荷作用下，压入试样的深度为硬度值的量度，以H表示。区别在于洛氏硬度是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或小尺寸钢球（1.59mm）作为测试头，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。锥形或小尺寸的球形测试头与样品的接触面积较小且易于压入，适用于小尺寸或硬度较高的样品。布氏硬度试验压痕面积大，数据稳定，精度高；若被测金属表面有明显凹痕或突起等，会影响压痕直径的测量，造成测量结果的不准确；布氏硬度的测试头体积较大，可压入样品的深度大且会大面积破坏样品，不适用于厚度较薄的样品或成品检测。洛氏硬度压痕小，对工件损伤小，归于无损检测一类，可对成品直接进行测量；测量范围广，可测量各种软硬不同、厚薄不同的材料。洛氏硬度缺点为测量结果有局部性，对每一个工件测量点数一般应不少于3个点。

巴氏硬度（Barcol hardness），又称巴柯尔硬度，是以特定压头在标准弹簧的压力作用下压入试样，以其压痕深度来表征该试样材料的硬度。本方法适用于测定纤维增强塑料及其制品的硬度，也可适用于测量其他硬塑料的硬度。

测试标准参考GB/T 3398.1—2008球压痕法、GB/T 3398.2—2008洛氏硬度；GB/T 2411—2008塑料和硬橡胶　使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）；GB/T 3854—2005纤维增强塑料巴氏（巴柯尔）硬度试验方法。

2.4.7　耐蠕变性

蠕变（creep）是指在低于材料屈服强度的应力长时间作用下材料发生永久性的变形。在恒定温度、湿度条件下，材料在恒定外力持续作用下，形变随时间延长而增加；在外力除去后形变也不会恢复。因外力性质不同，常可分为拉伸蠕变、压缩蠕变、剪切蠕变和弯曲蠕变。

测试标准参考GB/T 11546.1—2008拉伸蠕变。

2.4.8　持久强度

材料长时间经受静载荷的能力，称之为持久强度（long-term strength）。它是随外力作用时间的延长及温度升高而降低的函数，也称之为蠕变断裂强度。它们之间的关系可以描述为：

　　 （2-19）

式中，τ为持久时间，h；σ为应力，Pa；k为波尔兹曼常数（Boltzmann constant），1.4×10-23；T为热力学温度，K；τ0、U0、r为与聚合物有关的常数（τ0表示应力引起聚合物流动变形时材料的持久时间；U0表示聚合物的流动活化能；r为聚合物的应力集中系数）。

2.4.9　疲劳强度

疲劳（fatigue）是材料承受交变循环应力或应变时所引起的局部结构变化和内部缺陷发展的过程。它使材料力学性能显著下降，并最终导致龟裂或完全断裂。材料的疲劳强度σa可按下式计算：

σa=σu-klgN　　 （2-20）

式中，σu为材料的初始静态抗拉强度；N为反复应力的次数。实验表明，对于许多聚合物，存在疲劳极限σe，当σa<σe时，材料的疲劳寿命为无限大，即N→∞而不破裂。对于热塑性材料，疲劳极限约为静强度的1/4；对增强聚合物材料，此比值稍大一些；而对于某些聚合物该比值可达0.4～0.5。一般而言，该比值随分子量的增大及温度的提高而有所增加。

2.4.10　摩擦与磨损

两个相互接触的物体，彼此之间有相对位移或有相对位移趋势时，相互间产生阻碍位移的机械作用力，统称摩擦力。表示材料摩擦特性的有摩擦系数和磨损。

摩擦系数μ（coefficient of friction）可根据Amontons定律，按下式计算：

　　 （2-21）

式中，F为正压力，N；f为摩擦力，N。μ与接触面积无关。

Amontons定律对金属材料近似成立，而对高分子材料是不适用的。实际上看来是平滑的表面，在微观上并不平滑，是凹凸不平的。因此两个表面之间的实际接触面积远小于表观面积，整个负荷产生的法向力由表面上凹凸不平的顶端承受。在这些接触点上，局部应力很大，致使产生很大的变形，每个顶端都压成一个小平面。在这个小范围内，两个表面之间存在紧密的原子接触，产生黏合力。若使两个表面间产生滑动必须破坏这种黏合力，在靠近界面处发生剪切形变，这就是摩擦黏合机理的基本思想。据此得出修正后的摩擦力（F，单位N）：

F=Aσs　　 （2-22）

式中，A为接触面的实际面积，m2；σs为材料的剪切强度，Pa。

两种硬度差别很大的材料相对滑动时，例如聚合物在金属表面的情况，较硬材料的凹凸不平处嵌入到软质的表面，形成凹槽。当嵌入的尖端移动时，凹处或者复原或者软质材料被刮下来。材料在规定的试验条件下，经一定时间或历程摩擦后，材料损失量称之为磨损（abrasion）。耐磨损性越好的材料，其磨损量越小。

测试标准参考GB/T 5478—2008塑料　滚动磨损试验方法。