2.2 塑料的性能

2.2.1 塑料的力學(xué)性能

塑料強(qiáng)度絕對(duì)值一般來(lái)說(shuō)低于金屬。未增強(qiáng)的塑料大部分拉伸強(qiáng)度不足102MPa，某些塑料拉伸強(qiáng)度略高于102MPa，約比碳鋼低數(shù)倍至一個(gè)數(shù)量級(jí)。增強(qiáng)塑料強(qiáng)度值可成倍或數(shù)倍提高，可以接近或達(dá)到有色金屬的水平。玻纖織物或高強(qiáng)纖維增強(qiáng)的某些塑料，強(qiáng)度值可達(dá)到碳鋼水平。

由于塑料密度小，所以比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度比值）與金屬的差距就明顯減少，許多塑料的比強(qiáng)度接近有色金屬，有些塑料的比強(qiáng)度可達(dá)到或超過(guò)高強(qiáng)鋼水平。

塑料剛度的絕對(duì)值與金屬的差距更大些。未增強(qiáng)的塑料拉伸彈性模量在（0.2～5）×103MPa之間，碳素結(jié)構(gòu)鋼及合金鋼在（2.0～2.8）×105MPa之間，相差約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。增強(qiáng)塑料拉伸剛度可提高到（0.3～4）×104MPa，與鋼材仍相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。但由于塑料密度小，比剛度（彈性模量與密度的比值）與金屬就比較接近，部分增強(qiáng)塑料比拉伸剛度與有色金屬及其合金相當(dāng)，高模量纖維增強(qiáng)的工程塑料（復(fù)合材料）的比拉伸剛度可達(dá)到或超過(guò)最好的鋼材。

硬度是材料抵抗壓入變形，特別是抵抗永久變形、抗壓痕、耐劃傷性的衡量尺度。熱塑性塑料硬度遠(yuǎn)低于金屬，固化后的熱固性塑料硬度較高，大約相當(dāng)于或略高于有色金屬，但也低于碳鋼與合金鋼。塑料硬度隨環(huán)境溫度和濕度不同會(huì)有所變化，溫度升高和濕度增大都會(huì)使硬度降低。

韌性表征著材料抵抗快速載荷引起破壞的能力，工程上主要用沖擊強(qiáng)度表示。不同塑料韌性的差異表現(xiàn)得比其他性能更明顯，這是由于載荷作用快，影響材料韌性的結(jié)構(gòu)因素表現(xiàn)得更充分。塑料的韌性，首先取決于樹(shù)脂分子鏈的柔曲性。分子鏈越柔曲，越容易解纏結(jié)，對(duì)外載更能迅速響應(yīng)，材料就會(huì)越表現(xiàn)出良好的韌性。樹(shù)脂分子量及分子量分布對(duì)韌性也有較明顯影響，同種塑料，分子量增大和分散性減小，都有利于提高韌性。塑料韌性值對(duì)加載速率非常敏感，速率越大，韌性越小，高速?zèng)_擊下，韌性良好的塑料也會(huì)表現(xiàn)出脆性，低速?zèng)_擊時(shí)，韌性差的塑料也會(huì)有較好的沖擊強(qiáng)度值。韌性對(duì)溫度也很敏感，溫度越低，韌性越差。試樣帶缺口可大大降低韌性，因?yàn)槿笨谔帟?huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，在沖擊載荷下產(chǎn)生三軸拉伸應(yīng)力，不產(chǎn)生可引起塑性變形的剪應(yīng)力，使韌性降低。

在恒定應(yīng)力作用下，材料應(yīng)變隨時(shí)間增大的現(xiàn)象稱為蠕變。隨應(yīng)力形式不同，有拉伸、壓縮、彎曲等蠕變。與金屬不同，塑料在室溫下就會(huì)有蠕變，溫度升高，蠕變更明顯，使塑料試樣或制品產(chǎn)生一定形變，維持該形變的應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間衰減，稱為應(yīng)力松弛。

不同塑料的蠕變和應(yīng)力松馳性能有很大差別，樹(shù)脂分子鏈柔曲性和分子鏈間作用力大小是關(guān)鍵因素。分子鏈越柔曲，分子鏈間作用力越小，塑料的蠕變和應(yīng)力松弛性就越明顯。相反，剛性分子鏈及鏈間作用力大的塑料，蠕變及應(yīng)力松弛性就小。熱固性塑料由于分子鏈間交聯(lián)，抗蠕變性和抗應(yīng)力松弛一般而言優(yōu)于熱塑性塑料。

疲勞是指在交變的周期性應(yīng)力或頻繁的重復(fù)應(yīng)力（如振動(dòng)）作用下，塑料力學(xué)性能衰減以至最終破壞的現(xiàn)象。疲勞使材料不能發(fā)揮固有的力學(xué)性能，在應(yīng)力遠(yuǎn)小于靜態(tài)應(yīng)力下的強(qiáng)度值時(shí)就會(huì)破壞。不致引起材料疲勞破壞的最高極限應(yīng)力稱為材料的疲勞強(qiáng)度。多數(shù)塑料的拉伸疲勞強(qiáng)度僅為靜拉伸強(qiáng)度的20%～25%。