聚合物的屈服與斷裂

1、第八章,聚合物的屈服和斷裂,在較大外力的持續(xù)作用或強(qiáng)大外力的短期作用下，材料將發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂，對這種破壞或斷裂的抵抗能力稱為強(qiáng)度。 材料斷裂的方式與其形變性質(zhì)有著密切的關(guān)系。 脆性斷裂是缺陷的快速擴(kuò)展到結(jié)果，韌性斷裂是屈服后的斷裂。 高分子材料的屈服實(shí)際是材料在外力作用下產(chǎn)生的塑性形變。 為了有效的利用材料或?qū)Σ牧线M(jìn)行改性，需要具體了解材料的各項力學(xué)性能指標(biāo)：楊氏模量、屈服模量、屈服伸長、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長、斷裂能等，還要必須深入研究屈服和斷裂過程的物理本質(zhì)。,應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗是一種使用最廣泛的、非常重要而又實(shí)用的力學(xué)實(shí)驗。 實(shí)驗方法：在拉力f的作用下，式樣沿縱軸方向以均勻的速率被

2、拉伸，直到斷裂為止。 常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖8-1所示，試樣中部為測試部分，標(biāo)距長度為 ，初始截面積為a0。,8.1聚合物的塑性和屈服,8.1.1聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變行為,圖8-1 啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣,設(shè)以一定的力 f 拉伸試樣，使兩標(biāo)距間的長度增至 ，定義試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)椋?8.1聚合物的塑性和屈服,從實(shí)驗測得到應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)可以繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由該曲線可以得到一系列評價材料力學(xué)性能的物理量。,8.1.1.1非晶態(tài)高聚物,圖8-2 非晶態(tài)聚合物典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖,曲線特征：,（1）oa段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系變化，直線斜率 相當(dāng)于材料彈性模量。,（

3、2）越過a點(diǎn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線偏離直線，說明材料開始發(fā)生塑性形變，極大值y點(diǎn)稱材料的屈服點(diǎn)，其對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度） 和屈服應(yīng)變 。發(fā)生屈服時，試樣上某一局部會出現(xiàn)“細(xì)頸”現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降，發(fā)生“屈服軟化”。,（3）隨著應(yīng)變增加，在很長一個范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細(xì)頸”區(qū)越來越大。直到拉伸應(yīng)變很大時，材料應(yīng)力又略有上升（成頸硬化），到達(dá)b點(diǎn)發(fā)生斷裂。與b點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度） 和斷裂伸長率 ，它們是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限伸長率。,（4）曲線下的面積等于,相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，單位為jm-3，稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌

4、性的一個物理量。,由于聚合物的粘彈性本質(zhì)，其應(yīng)力-應(yīng)變行為明顯地受外界條件的影響。,1、溫度的影響,環(huán)境溫度對高分子材料拉伸行為的影響十分顯著。 溫度升高，分子鏈段熱運(yùn)動加劇，松弛過程加快，表現(xiàn)出材料模量和強(qiáng)度下降，伸長率變大，應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀發(fā)生很大變化。,圖8-4 聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變 曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）,若在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，則試樣已發(fā)生的大形變無法完全恢復(fù)；只有讓試樣的溫度升到tg附近，形變方可回復(fù)，因此，這種大形變在本質(zhì)上是一種高彈形變，而不是粘流形變，其分子機(jī)理主要是高分子的鏈段運(yùn)動，它只是在大外力的作用下的一種鏈段運(yùn)動。為區(qū)別于普通的高彈形變，可稱

5、之為強(qiáng)迫高彈性。,研究高聚物拉伸破壞行為時，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情形。對于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于 時，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形（參見圖8-4中t = 70，40的情形），這種變形稱強(qiáng)迫高彈形變。,非晶聚合物的強(qiáng)迫高彈形變,（2）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈段被強(qiáng)迫發(fā)生運(yùn)動、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強(qiáng)迫高彈形變在外力撤消后，通過適當(dāng)升溫（ ）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。,（1）這種現(xiàn)象既不同于高彈態(tài)下的高彈形變，也不同于粘流態(tài)下的粘性流動。這是一種獨(dú)特的力學(xué)行為。,（3）強(qiáng)迫高彈形變能夠產(chǎn)生

6、，說明提高應(yīng)力可以促進(jìn)分子鏈段在作用力方向上的運(yùn)動，如同升高溫度一樣，起到某種“活化”作用。從鏈段的松弛運(yùn)動來講，提高應(yīng)力降低了鏈段在作用力方向上的運(yùn)動活化能，減少了鏈段運(yùn)動的松弛時間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過勢壘而運(yùn)動。,討論,在tg以下，由于聚合物處于玻璃態(tài)，即使外力除去，已發(fā)生的大形變也不能自發(fā)回復(fù)。在材料出現(xiàn)屈服之前發(fā)生的斷裂稱為脆性斷裂，一般材料在發(fā)生脆性斷裂之前只發(fā)生很小的形變。而在材料屈服之后的斷裂，則稱為韌性斷裂。,存在一個特征溫度tb ，只要溫度低于tb，玻璃態(tài)高聚物就不能發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變，而必定發(fā)生脆性斷裂，這個溫度稱為脆化溫度tb。,圖8-5 斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫

7、度的變化趨勢 虛線高拉伸速率 實(shí)線低拉伸速率,材料的拉伸斷裂強(qiáng)度 和屈服強(qiáng)度 隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化，屈服強(qiáng)度受溫度變化的影響更大些。,在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點(diǎn)對應(yīng)的溫度稱脆-韌轉(zhuǎn)變溫度 。,當(dāng)環(huán)境溫度小于 時，材料的 ，受外力作用時，材料未屈服前先已斷裂，呈脆性斷裂特征。,環(huán)境溫度高于 時， ，受外力作 用時，材料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。,拉伸速率對材料的斷裂強(qiáng)度 和屈服強(qiáng)度 也有明顯影響 。,2、拉伸速率的影響,減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對材料拉伸行為有相似的影響，這是時-溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。,圖8-6斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉

8、伸速率的變化趨勢 實(shí)線低環(huán)境溫度 虛線高環(huán)境溫度,與脆-韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線交點(diǎn)，可以定義脆-韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率 。拉伸速率高于 時，材料呈脆性斷裂特征；低于 時，呈韌性斷裂特征。,3、環(huán)境壓力的影響,圖8-7 聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 隨環(huán)境壓力的變化（t=31）,右圖可見，ps在低環(huán)境壓力 （常壓）下呈脆性斷裂特點(diǎn)， 強(qiáng)度與斷裂伸長率都很低。隨 著環(huán)境壓力升高，材料強(qiáng)度增 高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈 服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。,研究發(fā)現(xiàn)，對許多非晶聚合物，如ps、pmma等，其脆-韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。,比較圖8-4和8-7可以發(fā)現(xiàn)，升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境壓力都能使高分子

9、材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。但兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式有很大差別。,兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式,升高溫度使材料變韌，但其拉伸強(qiáng)度明顯下降。 升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時，強(qiáng)度也得到提高，材料變得強(qiáng)而韌。 這兩種不同的脆-韌轉(zhuǎn)變方式給我們以啟發(fā)，告訴我們材料增韌改性并非一定要以犧牲強(qiáng)度為代價。設(shè)計恰當(dāng)?shù)姆椒?，就有可能在增韌的同時，保持或提高材料的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)既增韌又增強(qiáng)。塑料的非彈性體增韌改性技術(shù)就是由此發(fā)展起來的。,整個曲線可分為三個階段： 到y(tǒng)點(diǎn)后，試樣截面開始變得不均勻，出現(xiàn) “細(xì)頸”。,8.1.1.2晶態(tài)聚合物,晶態(tài)聚合物“冷拉”的原因： tm以下，冷拉：拉伸成頸（球晶中片晶的變形） 非晶態(tài)：tg以下冷拉，

10、只發(fā)生分子鏈的取向 晶態(tài)：tm以下，發(fā)生結(jié)晶的破壞，取向，再結(jié)晶過程，與溫度、應(yīng)變速率、結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)有關(guān)。,晶態(tài)聚合物的“冷拉伸”,圖8-8結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形，這種形變稱“冷拉伸”。結(jié)晶聚合物具有與非晶聚合物相似的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，如下圖。,圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔點(diǎn)時（ ），雖然晶區(qū)尚未熔融，材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見圖中曲線3、4、5。 這種現(xiàn)象稱“冷拉伸”。,（1）發(fā)生冷拉之前，材料有明顯的屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)為試樣測試區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一處或幾處“頸縮”。隨著冷拉的進(jìn)行，細(xì)頸部分不斷發(fā)展，形變量不斷增大，而應(yīng)力幾乎保持不變，直到整個試樣測試區(qū)全部變

11、細(xì)。再繼續(xù)拉伸，應(yīng)力將上升（應(yīng)變硬化），直至斷裂。,討論,（2）雖然冷拉伸也屬于強(qiáng)迫高彈形變，但兩者的微觀機(jī)理不盡相同。結(jié)晶聚合物從遠(yuǎn)低于玻璃化溫度直到熔點(diǎn)附近一個很大溫區(qū)內(nèi)都能發(fā)生冷拉伸。在微觀上，冷拉伸是應(yīng)力作用使原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，球晶、片晶被拉開分裂成更小的結(jié)晶單元，分子鏈從晶體中被拉出、伸直，沿著拉伸方向排列形成的。,圖89 球晶拉伸形變時 內(nèi)部晶片變化示意圖,圖810 片晶受拉伸形變時內(nèi)部晶片發(fā)生位錯、轉(zhuǎn)向、定向排列、拉伸示意圖,（4）環(huán)境溫度、拉伸速率、分子量都對冷拉有明顯影響。溫度過低或拉伸速率過高，分子鏈松弛運(yùn)動不充分，會造成應(yīng)力集中，使材料過早破壞。溫度過高或拉伸速率過低，

12、分子鏈可能發(fā)生滑移而流動，造成斷裂。分子量較低的聚合物，分子鏈短，不能夠充分拉伸、取向以達(dá)到防止材料破壞的程度，也會使材料在屈服點(diǎn)后不久就發(fā)生破壞。,（3）實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變和冷拉必須有一定條件。關(guān)鍵有 兩點(diǎn)，一是材料屈服后應(yīng)表現(xiàn)出軟化效應(yīng)；二是擴(kuò)大應(yīng)變 時應(yīng)表現(xiàn)出材料硬化效應(yīng)，軟、硬恰當(dāng)，才能實(shí)現(xiàn)大變 形和冷拉。,即兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應(yīng)變硬化等階段，其中大形變在室溫時都不能自發(fā)回復(fù)，而加熱后則產(chǎn)生回復(fù)，故本質(zhì)上兩種拉伸過程造成的大形變都是高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為“冷拉”。 兩種拉伸過程又有區(qū)別： 即產(chǎn)生冷拉的溫度范圍不同，玻璃態(tài)聚合物的冷拉溫度區(qū)間是tb到tg，而

13、結(jié)晶聚合物則為tg至tm；另一差別在于玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比晶態(tài)聚合物簡單得多，它只發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變，而后者尚包含有結(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程。,玻璃態(tài)聚合物的拉伸與結(jié)晶聚合物的拉伸相似之處,取向聚合物沿取向方向上的強(qiáng)度隨取向程度的增加而很快增大，分子量和結(jié)晶度的影響很小，性能主要由取向狀況所決定。 高度取向時，垂直于取向方向上材料的強(qiáng)度很小，容易開裂。 取向方向上，材料的模量也增大。通常平行方向上模量比未取向時增大很多。 雙軸取向時，在該雙軸構(gòu)成的平面內(nèi)，沒有性能薄弱的方向。利用雙軸取向，可以改進(jìn)材料的力學(xué)性能。,8.1.1.3 取向聚合物,8.1.1.

14、4 應(yīng)力一應(yīng)變曲線類型,“軟”和“硬”用于區(qū)分模量的低或高，“弱”和“強(qiáng)”是指強(qiáng)度的大小，“脆”是指無屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長很小，“韌”是指其斷裂伸長和斷裂應(yīng)力都較高的情況，有時可將斷裂功作為“韌性”的標(biāo)志。,（3）硬而韌型 此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強(qiáng)度都很高，斷裂伸長率也很大，應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積很大，說明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。,（1）硬而脆型 此類材料彈性模量高（oa段斜率大）而斷裂伸長率很小。在很小應(yīng)變下，材料尚未出現(xiàn)屈服已經(jīng)斷裂，斷裂強(qiáng)度較高。在室溫或室溫之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛樹脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。,（2）硬而強(qiáng)型 此類材料彈性模量高，斷裂強(qiáng)度高，

15、斷裂伸長率小。通常材料拉伸到屈服點(diǎn)附近就發(fā)生破壞（大約為5%）。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類型。,說明,（5）軟而弱型 此類材料彈性模量低，斷裂強(qiáng)度低，斷裂伸長率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。,（4）軟而韌型 此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長率大（20%1000%），斷裂強(qiáng)度可能較高，應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積大。各種橡膠制品和增塑聚氯乙烯具有這種應(yīng)力應(yīng)變特征。,硬而韌的材料，在拉伸過程中顯示出明顯的屈服、冷拉或細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測試區(qū)都變成細(xì)頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維素、硝酸纖維素等

16、屬于這種材料。,注意,材料拉伸過程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測試條件（如拉伸速率）的影響，硬而強(qiáng)型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也會發(fā)生大于100%的斷裂伸長率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點(diǎn)。,實(shí)際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典型性，或是幾種類型的組合。例如有的材料拉伸時存在明顯的屈服和“頸縮”，有的則沒有；有的材料斷裂強(qiáng)度高于屈服強(qiáng)度，有的則屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度等。,因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。,8.1.2屈服和冷拉機(jī)理,高聚物屈服點(diǎn)前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點(diǎn)后高聚物將在恒應(yīng)力下“塑性流動”，即鏈段沿外力方向開始取向。 高聚物在屈服點(diǎn)的應(yīng)變相當(dāng)大，剪

17、切屈服應(yīng)變?yōu)?0%-20%（與金屬相比）。 屈服點(diǎn)以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)變軟化。 屈服應(yīng)力對應(yīng)變速率和溫度都敏感。 屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產(chǎn)生“銀紋”或“剪切帶”，繼而整個樣條局部出現(xiàn)“細(xì)頸”。,屈服主要特征,strain softening 應(yīng)變軟化,彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱為繼續(xù)屈服，包括： 應(yīng)變軟化：屈服后，應(yīng)變增加，應(yīng)力反而有稍許下跌的現(xiàn)象，原因至今尚不清楚。 呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細(xì)頸。 塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。 發(fā)生“取向硬化”，應(yīng)力急劇上升。 試樣斷裂。,8.1.2.1 shear band 剪切帶,1.定義：韌性聚合物單軸拉伸至屈服點(diǎn)時

18、，可看到與拉伸方向成45的剪切滑移變形帶，有明顯的雙折射現(xiàn)象，分子鏈高度取向，剪切帶厚度約1m左右，每個剪切帶又由若干個細(xì)小的不規(guī)則微纖構(gòu)成。,剪切屈服帶,剪切屈服帶是材料內(nèi)部具有高度剪切應(yīng)變的薄層，是在應(yīng)力作用下材料局部產(chǎn)生應(yīng)變軟化形成的。剪切帶通常發(fā)生在缺陷、裂縫或由應(yīng)力集中引起的應(yīng)力不均勻區(qū)內(nèi)，在最大剪應(yīng)力平面上由于應(yīng)變軟化引起分子鏈滑動形成。,聚對苯二甲酸乙二酯中的剪切屈服帶,在拉伸實(shí)驗和壓縮實(shí)驗中都曾經(jīng)觀察到剪切帶,而以壓縮實(shí)驗為多。理論上剪切帶的方向應(yīng)與應(yīng)力方向成45角，由于材料的復(fù)雜性，實(shí)際夾角往往小于45。,2. 剪切屈服現(xiàn)象、機(jī)理及判據(jù),橫截面a0, 受到的應(yīng)力 0=f/a0

19、,拉伸中材料某個面受力分析,剪切屈服：即在細(xì)頸發(fā)生前，試樣表面出現(xiàn)與拉伸方向成45度角的剪切帶。why？,斜截面a,法向應(yīng)力,剪切應(yīng)力,抵抗外力的方式,抗張強(qiáng)度：抵抗拉力的作用,抗剪強(qiáng)度：抵抗剪力的作用,兩種,當(dāng)應(yīng)力0增加時，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同,抗張強(qiáng)度什么面最大？ =0， n=0,抗剪強(qiáng)度什么面最大？ =45， s=0/2,切應(yīng)力雙生互等定律,發(fā)生屈服,屈服判據(jù),雙軸拉伸,屈服判據(jù),當(dāng)=45時,發(fā)生屈服,屈服試樣的剪切變形帶和細(xì)頸,樣條尺寸：橫截面小的地方,應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方,出現(xiàn)“細(xì)頸”的位置,自由體積增加,松弛時間變短,出現(xiàn)“細(xì)頸”的原因,無外力,有外力,orient

20、ation,8.1.2.2 細(xì)頸 necking,細(xì)頸:屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。,necking 頸縮現(xiàn)象,為什么會出現(xiàn)細(xì)頸？應(yīng)力最大處。 哪里的應(yīng)力最大？,定義：銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，是聚合物在張應(yīng)力作用下，于材料的某些薄弱部分出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變的取向，以至在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為100m，寬度為10m左右，厚度為1m的微細(xì)凹槽現(xiàn)象。 特征：應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，密度為本體的50，高度取向的高分子微纖。銀紋進(jìn)一步發(fā)展裂縫脆性斷裂。,8.1.2.3 crazing 銀紋,拉伸試樣在拉斷前產(chǎn)生銀紋化現(xiàn)象，a圖為聚苯乙烯，b圖為有機(jī)玻璃 注意銀紋方向與應(yīng)力方向垂

21、直,銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，因此在銀紋和本體之間的界面上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會使銀紋消失 。,銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象,一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服,銀紋和剪切帶是高分子材料發(fā)生屈服的兩種主要形式。 銀紋是垂直應(yīng)力作用下發(fā)生的屈服，銀紋方向多與應(yīng)力方向垂直； 剪切帶是剪切應(yīng)力作用下發(fā)生的屈服，方向與應(yīng)力成45和135角。,無論發(fā)生銀紋或剪切帶，都需要消耗大量能量，從而使材料韌性提高。發(fā)生銀紋時材料內(nèi)部會形成微空穴（空穴化現(xiàn)象），體積略有漲大；形成剪切

22、屈服時，材料體積不變。,強(qiáng)度是指物質(zhì)抵抗破壞的能力,如何區(qū)分?jǐn)嗔研问剑?關(guān)鍵看屈服,屈服前斷脆性斷裂,屈服后斷韌性斷裂,8.3聚合物的斷裂與強(qiáng)度,1. 脆性斷裂與韌性斷裂,相比于脆性斷裂，韌性斷裂的斷裂面較為,大,小,斷裂伸長率較,脆性斷裂和韌性斷裂表面,左圖脆性試樣斷裂表面的照片；右圖韌性試樣斷裂表面的照片,左圖脆性試樣斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣斷裂表面的電鏡照片,2.材料的斷裂方式分析,聚合物材料的破壞可能是高分子主鏈的化學(xué)鍵斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。,在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)度在幾千mpa，而實(shí)際只有幾十mpa 。why？,polym

23、er based concrete containing spherical inorganic particles,fatigue fracture surface,comparing of brittle and ductile fractures（分析判斷）,脆韌轉(zhuǎn)變溫度 tb,tb is also called brittle temperature.,brittle ductile transition 脆韌轉(zhuǎn)變,脆化溫度，脆化點(diǎn),在一定速率下（不同溫度）測定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨溫度的變化曲線,斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對應(yīng)變速率更敏感？,脆性斷裂和韌性斷裂判斷,t

24、tb, 先達(dá)到b，脆性斷裂,t tb, 先達(dá)到y(tǒng)，韌性斷裂,對材料一般使用溫度為哪一段？, t tb,tb越低材料韌性越,好,差,example pc聚碳酸酯,tg=150c,tb= - 20c,室溫下易不易碎？,the influence on tb,（1）增加應(yīng)變速率，脆化溫度如何變化？,（2）存在缺口，形成應(yīng)力集中，趨向于脆性，脆化溫度升高。,8.4.1聚合物的拉伸強(qiáng)度tensile strength,拉伸強(qiáng)度t,b-試樣厚度，d-試樣寬度 p-最大載荷,1. 拉伸強(qiáng)度,2.影響拉伸強(qiáng)度的因素,分子間滑脫,主要方式,通過斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對強(qiáng)度影響最大,a、考慮分子結(jié)構(gòu)因

25、素,拉伸強(qiáng)度t,b、考慮外界因素,溫度高,應(yīng)變速率大,高,低,高,低,拉伸強(qiáng)度t,8.4.2 增強(qiáng) reinforcement,增強(qiáng)途徑,（1）活性粒子增強(qiáng),carbon black reinforcement 橡膠+碳黑,增強(qiáng)機(jī)理：活性粒子吸附大分子，形成鏈間物理交聯(lián)，活性粒子起物理交聯(lián)點(diǎn)的作用。,惰性填料？例：pvc+caco3，pp+滑石粉,（2）纖維增強(qiáng),glass steel boat glassy fiber+polyester,增強(qiáng)機(jī)理：纖維作為骨架幫助基體承擔(dān)載荷,例：尼龍+玻纖/碳纖維/晶須/硼纖維 增強(qiáng)效果與纖維的長度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關(guān),（3）液晶原位增強(qiáng),

26、增強(qiáng)機(jī)理：熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混物中形成微纖結(jié)構(gòu)而起到增強(qiáng)作用。由于微纖結(jié)構(gòu)是加工過程中由液晶棒狀分子在共混物基體中就地形成的，故稱做“原位”復(fù)合增強(qiáng)。,熱致液晶+熱塑性聚合物 共聚酯， 聚芳酯xydar, vector, rodrum,8.5 聚合物的韌性與增韌,8.5.1 沖擊強(qiáng)度 impact strength,是衡量材料韌性的一種指標(biāo),高分子材料抗沖擊強(qiáng)度是指標(biāo)準(zhǔn)試樣受高速沖擊作用斷裂時，單位斷面面積（或單位缺口長度）所消耗的能量。,它描述了高分子材料在高速沖擊作用下抵抗沖擊破壞的能力和材料的抗沖擊韌性，有重要工藝意義。但它不是材料基本常數(shù)，其量值與實(shí)驗方法和實(shí)驗條件有關(guān)。,采

27、用簡支梁式?jīng)_擊試驗時，將試樣放于支架上（有缺口時，缺口背向沖錘），釋放事先架起的沖錘，讓其自由下落，打斷試樣，利用沖錘回升的高度，求出沖斷試樣所消耗的功w，按下式計算抗沖擊強(qiáng)度：,抗沖擊強(qiáng)度單位為,簡支梁式?jīng)_擊試驗機(jī)（charpy）示意圖,拉伸斷裂實(shí)驗中，材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積（下圖）相當(dāng)于試樣拉伸斷裂所消耗的能量，也表征材料韌性的大小。很顯然，斷裂強(qiáng)度 高和斷裂伸長率 大的材料韌性也好。,但這個能量與抗沖擊強(qiáng)度不同。不同在于，兩種實(shí)驗的應(yīng)變速率不同，拉伸實(shí)驗速率慢而沖擊速率極快；拉伸曲線求得的能量為斷裂時材料單位體積所吸收的能量，而沖擊實(shí)驗只關(guān)心斷裂區(qū)表面吸收的能量。,三個階段中物料

28、吸收能量的能力不同，有些材料如硬質(zhì)聚氯乙烯，裂紋引發(fā)能高而擴(kuò)展能很低，這種材料無缺口時抗沖強(qiáng)度較高，一旦存在缺口則極容易斷裂。裂紋擴(kuò)展是材料破壞的關(guān)鍵階段，因此材料增韌改性的關(guān)鍵是提高材料抗裂紋擴(kuò)展的能力,沖擊破壞過程雖然很快，但根據(jù)破壞原理也可分為三個階段：一是裂紋引發(fā)階段，二是裂紋擴(kuò)展階段，三是斷裂階段。,沖擊實(shí)驗中材料受力及屈撓關(guān)系曲線 曲線下面積：白亮區(qū)域裂紋引發(fā)能 陰影區(qū)域裂紋擴(kuò)展能,（二）影響抗沖擊強(qiáng)度的因素,1、 缺口的影響,沖擊實(shí)驗時，有時在試樣上預(yù)置缺口，有時不加缺口。有缺口試樣的抗沖強(qiáng)度遠(yuǎn)小于無缺口試樣，原因在于有缺口試樣已存在表觀裂紋，沖擊破壞吸收的能量主要用于裂紋擴(kuò)展。

29、,另外缺口本身有應(yīng)力集中效應(yīng)，缺口附近的高應(yīng)力使局部材料變形增大，變形速率加快，材料發(fā)生韌-脆轉(zhuǎn)變，加速破壞。缺口曲率半徑越小，應(yīng)力集中效應(yīng)越顯著，因此預(yù)置缺口必須按標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格操作。,2、 溫度的影響,溫度升高，材料抗沖擊強(qiáng)度隨之增大。對無定形聚合物，當(dāng)溫度升高到玻璃化溫度附近或更高時，抗沖擊強(qiáng)度急劇增大。,對結(jié)晶性聚合物，其玻璃化溫度以上的抗沖擊強(qiáng)度也比玻璃化溫度以下的高，這是因為在玻璃化溫度附近時，鏈段運(yùn)動釋放，分子運(yùn)動加劇，使應(yīng)力集中效應(yīng)減緩，部分能量會由于材料的力學(xué)損耗作用以熱的形式逸散。右圖給出幾種聚丙烯試樣的抗沖強(qiáng)度隨溫度的變化，可以看出，在玻璃化溫度附近抗沖強(qiáng)度有較大的增長,幾種聚

30、丙烯試樣抗沖強(qiáng)度隨溫度的變化,3、 結(jié)晶、取向的影響,對聚乙烯、聚丙烯等高結(jié)晶度材料，當(dāng)結(jié)晶度為40-60%時，由于材料拉伸時有屈服發(fā)生且斷裂伸長率高，韌性很好。結(jié)晶度再增高，材料變硬變脆，抗沖擊韌性反而下降。這是由于結(jié)晶使分子間相互作用增強(qiáng)，鏈段運(yùn)動能力減弱，受到外來沖擊時，材料形變能力減少，因而抗沖擊韌性變差。,從結(jié)晶形態(tài)看，具有均勻小球晶的材料抗沖擊韌性好，而大球晶韌性差。球晶尺寸大，球晶內(nèi)部以及球晶之間的缺陷增多，材料受沖擊力時易在薄弱環(huán)節(jié)破裂。,對取向材料，當(dāng)沖擊力與取向方向平行，沖擊強(qiáng)度因取向而提高，若沖擊力與取向方向垂直，沖擊強(qiáng)度下降。,4、共混，共聚，填充的影響,實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，采用

31、與橡膠類材料嵌段共聚、接枝共聚或物理共混的方法可以大幅度改善脆性塑料的抗沖擊性能。,cpe在pvc/cpe共混物中的分散狀態(tài)與共混時間的關(guān)系,橡膠增韌塑料已發(fā)展為十分成熟的塑料增韌技術(shù)，由此開發(fā)出一大批新型材料，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益。,cpe用量對pvc/cpe共混物力學(xué)性能的影響,共聚、共混改性效果,采用丁二烯與苯乙烯共聚得到高抗沖聚苯乙烯；采用氯化聚乙烯與聚氯乙烯共混得到硬聚氯乙烯韌性體，都將使基體的抗沖強(qiáng)度提高幾倍至幾十倍。,在熱固性樹脂及脆性高分子材料中添加纖維狀填料，也可以提高基體的抗沖擊強(qiáng)度。纖維一方面可以承擔(dān)試片缺口附近的大部分負(fù)荷，使應(yīng)力分散到更大面積上，另一方面還可以吸收部分沖擊

32、能，防止裂紋擴(kuò)展成裂縫。,脆性基體中纖維對裂紋尖區(qū)的影響 wd纖維撕脫能，ws纖維滑動能，wp纖維拔出能，wmr基體脆斷能,韌性基體中纖維對裂紋尖區(qū)的影響 wd纖維撕脫能，ws纖維滑動能，wp纖維拔出能，wmr基體斷裂能， wm基體塑性變形能,填充、復(fù)合改性效果,與此相反，若在聚苯乙烯這樣的脆性材料中添加碳酸鈣之類的粉狀填料，則往往使材料抗沖擊性能進(jìn)一步下降。因為填料相當(dāng)于基體中的缺陷，填料粒子還有應(yīng)力集中作用，這些都將加速材料的破壞。 近年來人們在某些塑料基體中添加少量經(jīng)過表面處理的微細(xì)無機(jī)粒子，發(fā)現(xiàn)個別體系中，無機(jī)填料也有增韌作用。,韌性好壞順序,abcd,cdba,dcba,曲線下的面積代表所吸收能量,discussion,韌性,外界因素,沖擊強(qiáng)度i 即韌性,（三）高分子材料的增韌改性,1、 橡膠增韌塑料的經(jīng)典機(jī)理,橡膠增韌塑料的效果是十分明顯的。無論脆性塑料或韌性塑料，添加幾份到十幾份橡膠彈性體，基體吸收能量的本領(lǐng)會大幅度提高。尤其對脆性塑料，添加橡膠后基體會出現(xiàn)典型的脆-韌轉(zhuǎn)變。