chapter8聚合物的屈服和斷裂

1、1 第第 8 章章 聚合物的屈服和斷裂聚合物的屈服和斷裂 Yield and Fracture of Polymers Yield and Fracture of Polymers 2 聚合物的力學(xué)性能是其受力后的響應(yīng)，如形變大小、形變的聚合物的力學(xué)性能是其受力后的響應(yīng)，如形變大小、形變的可逆性及抗破損性能等?？赡嫘约翱蛊茡p性能等。在不同條件下聚合物表現(xiàn)出的力學(xué)行為：在不同條件下聚合物表現(xiàn)出的力學(xué)行為：玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)聚合物玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)聚合物強(qiáng)度強(qiáng)度：材料所能承受的最大載荷，表征了材料的受力極限，在材料所能承受的最大載荷，表征了材料的受力極限，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意

2、義。包括抗張強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、硬度、疲勞包括抗張強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、硬度、疲勞高彈性、粘彈性和流動性高彈性、粘彈性和流動性 Yield and Fracture of Polymers 3聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線聚合物的屈服與強(qiáng)度聚合物的屈服與強(qiáng)度影響聚合物強(qiáng)度的因素影響聚合物強(qiáng)度的因素聚合物改性途徑和機(jī)理聚合物改性途徑和機(jī)理本章的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容 Yield and Fracture of Polymers 48.1 8.1 聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線 Stress-strain curve 材料的大形變材料的大形變破壞過

3、程破壞過程厚度厚度d d寬寬度度b bP P圖圖1 Instron 5569電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)（electronic material testing system）實(shí)驗(yàn)條件：一定拉伸速率和溫度實(shí)驗(yàn)條件：一定拉伸速率和溫度在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中：在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中： 必須標(biāo)明溫度和施力必須標(biāo)明溫度和施力速率（或形變速率），速率（或形變速率），切勿將正常形變速率下切勿將正常形變速率下測得數(shù)據(jù)用于持久力作測得數(shù)據(jù)用于持久力作用或沖擊力作用下的場用或沖擊力作用下的場合下；切勿將正常溫度合下；切勿將正常溫度下得到的數(shù)據(jù)用于低溫下得到的數(shù)據(jù)用于低溫或高溫下?；蚋邷叵?。 Yield and Frac

4、ture of Polymers 5AAEAYBYielding point 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)Point of elastic limit 彈性極限點(diǎn)彈性極限點(diǎn)Breaking point 斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn)ABAYBStrain softening 應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化plastic deformation塑性形變塑性形變Strain hardening 應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化圖圖2 2 非晶態(tài)聚合物在非晶態(tài)聚合物在玻璃態(tài)玻璃態(tài)的應(yīng)力的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 y yO非晶態(tài)聚合物非晶態(tài)聚合物ND Yield and Fracture of Polymers 6Conclusion： 非結(jié)晶聚合物形變經(jīng)歷了普

5、彈形變、應(yīng)變軟化（屈服）、非結(jié)晶聚合物形變經(jīng)歷了普彈形變、應(yīng)變軟化（屈服）、塑性形變塑性形變(plastic deformation )（強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變）、應(yīng)變硬化）、應(yīng)變硬化四個階段四個階段材料在屈服點(diǎn)之前發(fā)生的斷裂稱為材料在屈服點(diǎn)之前發(fā)生的斷裂稱為脆性斷裂脆性斷裂brittle fracture ； 在屈服點(diǎn)后發(fā)生的斷裂稱為在屈服點(diǎn)后發(fā)生的斷裂稱為韌性斷裂韌性斷裂ductile fracture 。 Yield and Fracture of Polymers 7從曲線上可得評價聚合物性能的力學(xué)參數(shù)從曲線上可得評價聚合物性能的力學(xué)參數(shù): :Y: yield point屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)

6、 y yield strength 屈服強(qiáng)度yelongation at yield 屈服伸長率B: break point斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn)b break strength 斷裂強(qiáng)度 belongation at break 斷裂伸長率Tensile strength拉伸強(qiáng)度i （ y ，b ）Youngs Modulus 楊氏模量Fracture energy 斷裂能:OYB面積 Yield and Fracture of Polymers 8（Molecular motion during tensile test 拉伸過程中高分子鏈的運(yùn)動）拉伸過程中高分子鏈的運(yùn)動）從分子運(yùn)動解釋非結(jié)晶聚合物

7、應(yīng)力應(yīng)變曲線從分子運(yùn)動解釋非結(jié)晶聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線圖圖3 3 非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線（玻璃態(tài)）（玻璃態(tài)）I Elastic deformation 普彈形變普彈形變小尺寸運(yùn)動單元小尺寸運(yùn)動單元的運(yùn)動引起鍵的運(yùn)動引起鍵長鍵角變化。形變小可回復(fù)長鍵角變化。形變小可回復(fù)II Forced rubber-like deformation強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變 在大外力作用下在大外力作用下凍結(jié)的鏈凍結(jié)的鏈段段沿外力方向沿外力方向取向取向III Viscous flow粘流形變粘流形變 在在分子鏈分子鏈伸展后繼續(xù)拉伸整伸展后繼續(xù)拉伸整鏈鏈取向取向排列，使材料的強(qiáng)度排列

8、，使材料的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。形變不可回復(fù)進(jìn)一步提高。形變不可回復(fù) Yield and Fracture of Polymers 9 處于玻璃態(tài)的非晶聚合物在拉伸過程中處于玻璃態(tài)的非晶聚合物在拉伸過程中屈服點(diǎn)后屈服點(diǎn)后產(chǎn)生產(chǎn)生的較大應(yīng)變，移去外力后形變不能回復(fù)。若將試樣溫度的較大應(yīng)變，移去外力后形變不能回復(fù)。若將試樣溫度升到其升到其T Tg g附近，該形變則可完全回復(fù)，因此它在附近，該形變則可完全回復(fù)，因此它在本質(zhì)上本質(zhì)上仍屬高彈形變?nèi)詫俑邚椥巫?，并非粘流形變，是由高分子的，并非粘流形變，是由高分子的鏈段運(yùn)動鏈段運(yùn)動所引起的。所引起的。 這種形變稱為這種形變稱為強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變

9、的定義強(qiáng)迫高彈形變的定義 Yield and Fracture of Polymers 10強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的原因強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的原因 也就是在也就是在外力外力的作用下，非晶聚合物中本來被凍結(jié)的鏈段被強(qiáng)迫運(yùn)動，的作用下，非晶聚合物中本來被凍結(jié)的鏈段被強(qiáng)迫運(yùn)動，使高分子鏈發(fā)生伸展，產(chǎn)生大的形變。但由于聚合物仍處于玻璃態(tài)，當(dāng)外使高分子鏈發(fā)生伸展，產(chǎn)生大的形變。但由于聚合物仍處于玻璃態(tài)，當(dāng)外力移去后，鏈段不能再運(yùn)動，形變也就得不到回復(fù)，只有當(dāng)溫度升至力移去后，鏈段不能再運(yùn)動，形變也就得不到回復(fù)，只有當(dāng)溫度升至Tg附附近，使鏈段運(yùn)動解凍，形變才能復(fù)原。近，使鏈段運(yùn)動解凍，形變才能復(fù)原。材料常數(shù)鏈段運(yùn)

10、動活化能EkTE exp0 松弛時間與應(yīng)力的關(guān)系：松弛時間與應(yīng)力的關(guān)系：由上式可見，由上式可見， 越大，越大， 越小，即外力降低了鏈段在外力作用方向上的越小，即外力降低了鏈段在外力作用方向上的運(yùn)動活化能，運(yùn)動活化能，因而縮短了沿力場方向的松弛時間，當(dāng)應(yīng)力增加致使鏈因而縮短了沿力場方向的松弛時間，當(dāng)應(yīng)力增加致使鏈段運(yùn)動松弛時間減小到與外力作用時間同一數(shù)量級時，鏈段開始由蜷段運(yùn)動松弛時間減小到與外力作用時間同一數(shù)量級時，鏈段開始由蜷曲變?yōu)樯煺?，產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形。曲變?yōu)樯煺梗a(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形。 Yield and Fracture of Polymers 11強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的條件強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的

11、條件: :施力：施力： y b當(dāng)應(yīng)力增加到當(dāng)應(yīng)力增加到一定值（屈服應(yīng)力）時，一定值（屈服應(yīng)力）時，相相應(yīng)鏈段運(yùn)動的松弛時間降到應(yīng)鏈段運(yùn)動的松弛時間降到與外力的作用時間相當(dāng)，與外力的作用時間相當(dāng)，被被凍結(jié)的高分子鏈段即能響應(yīng)凍結(jié)的高分子鏈段即能響應(yīng)產(chǎn)生大的形變，可見產(chǎn)生大的形變，可見增加應(yīng)增加應(yīng)力與升高溫度對松弛時間的力與升高溫度對松弛時間的影響是相同的。影響是相同的。Tb Tg B y b 圖圖4產(chǎn)生屈服的條件產(chǎn)生屈服的條件溫度：溫度：TbTg Yield and Fracture of Polymers 12圖圖5 結(jié)晶聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線結(jié)晶聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線OA- -普彈形變普彈形變Y

12、N屈服，縮頸（應(yīng)變變大，應(yīng)力屈服，縮頸（應(yīng)變變大，應(yīng)力下降）下降）ND強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變DB- -細(xì)頸化試樣重新被均勻拉伸，細(xì)頸化試樣重新被均勻拉伸，應(yīng)變隨應(yīng)力增加應(yīng)變硬化應(yīng)變隨應(yīng)力增加應(yīng)變硬化 晶態(tài)聚合物在單向拉伸時典型的應(yīng)力晶態(tài)聚合物在單向拉伸時典型的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線如下圖：應(yīng)變曲線如下圖：結(jié)晶聚合物結(jié)晶聚合物NYDBAO應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)變應(yīng)變 Yield and Fracture of Polymers 13 非晶和晶態(tài)聚合物的拉伸過程本質(zhì)非晶和晶態(tài)聚合物的拉伸過程本質(zhì)上都屬高彈形變，但其產(chǎn)生高彈形變的上都屬高彈形變，但其產(chǎn)生高彈形變的溫度范圍不同，而且在玻璃態(tài)聚合物中溫度范圍不同，而

13、且在玻璃態(tài)聚合物中拉伸只使分子鏈發(fā)生取向。拉伸只使分子鏈發(fā)生取向。 在常溫下處于結(jié)晶態(tài)，在在常溫下處于結(jié)晶態(tài)，在TgTm之間進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)時，包括晶之間進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)時，包括晶區(qū)和非晶區(qū)的形變區(qū)和非晶區(qū)的形變。在接近或超過屈服點(diǎn)時，分子都在與拉伸方向相平行在接近或超過屈服點(diǎn)時，分子都在與拉伸方向相平行的方向開始取向，同時伴隨著凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，縮頸明顯。的方向開始取向，同時伴隨著凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，縮頸明顯。 圖圖6 球晶拉伸形變時內(nèi)部晶片變化示意圖球晶拉伸形變時內(nèi)部晶片變化示意圖而晶態(tài)聚合物在拉伸伴隨著而晶態(tài)聚合物在拉伸伴隨著凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，包凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，包含晶含晶面滑移、晶粒的取

14、向及再結(jié)面滑移、晶粒的取向及再結(jié)晶晶等相態(tài)的變化等相態(tài)的變化。 Yield and Fracture of Polymers 14非晶與結(jié)晶聚合物相比較非晶與結(jié)晶聚合物相比較相似點(diǎn)相似點(diǎn): :均經(jīng)歷了普彈形變，應(yīng)變軟化，塑性形變，應(yīng)變硬化四個階段。均經(jīng)歷了普彈形變，應(yīng)變軟化，塑性形變，應(yīng)變硬化四個階段。被拉伸后材料都出現(xiàn)各向異性，且產(chǎn)生大的形變，室溫不能回復(fù)，被拉伸后材料都出現(xiàn)各向異性，且產(chǎn)生大的形變，室溫不能回復(fù)，產(chǎn)生強(qiáng)迫形變產(chǎn)生強(qiáng)迫形變“冷拉冷拉”不同點(diǎn)不同點(diǎn)：冷拉的溫度范圍：冷拉的溫度范圍：非晶態(tài)非晶態(tài)TbTg結(jié)晶態(tài)結(jié)晶態(tài)TgTm對晶態(tài)聚合物拉伸過程，伴隨著凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的變化對晶態(tài)聚合物拉

15、伸過程，伴隨著凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的變化 Yield and Fracture of Polymers 15冷拉冷拉Cold drawing圖圖7 Necking and cold drawing 脆性聚合物在斷裂前試樣并脆性聚合物在斷裂前試樣并沒有明顯變化，斷裂面一般與拉沒有明顯變化，斷裂面一般與拉伸方向垂直，而且很光潔伸方向垂直，而且很光潔韌性聚合物在屈服后產(chǎn)生細(xì)頸韌性聚合物在屈服后產(chǎn)生細(xì)頸（neck），之后細(xì)頸逐漸擴(kuò)展，應(yīng)變增），之后細(xì)頸逐漸擴(kuò)展，應(yīng)變增加而應(yīng)力不變，這種現(xiàn)象稱為冷拉加而應(yīng)力不變，這種現(xiàn)象稱為冷拉（cold drawing），直至細(xì)頸擴(kuò)展到整），直至細(xì)頸擴(kuò)展到整個試樣，應(yīng)力才重新增

16、加并使試樣斷裂個試樣，應(yīng)力才重新增加并使試樣斷裂冷拉是強(qiáng)迫高彈形變，對于非晶冷拉是強(qiáng)迫高彈形變，對于非晶聚合物，主要是鏈段取向；對于結(jié)聚合物，主要是鏈段取向；對于結(jié)晶聚合物，主要是晶粒的變形晶聚合物，主要是晶粒的變形 Yield and Fracture of Polymers 16軟硬：模量軟硬：模量 強(qiáng)弱：屈服強(qiáng)度強(qiáng)弱：屈服強(qiáng)度 韌脆：斷裂能韌脆：斷裂能 Yield and Fracture of Polymers 17 高分子鏈運(yùn)動的特點(diǎn)，有明顯的時間、溫度高分子鏈運(yùn)動的特點(diǎn)，有明顯的時間、溫度依賴性依賴性松弛特性松弛特性，所以外力作用速度（拉伸，所以外力作用速度（拉伸速率）和溫度對聚合

17、物的應(yīng)力速率）和溫度對聚合物的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線有明顯的應(yīng)變曲線有明顯的影響影響。 硬而強(qiáng)型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很慢速率下硬而強(qiáng)型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也會發(fā)生大于拉伸也會發(fā)生大于100%的斷裂伸長率，顯現(xiàn)出硬的斷裂伸長率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點(diǎn)。而韌型特點(diǎn)。 Yield and Fracture of Polymers 188.1.4 外界條件對聚合物的拉伸破壞行為的影響外界條件對聚合物的拉伸破壞行為的影響TTb，硬玻璃態(tài)，脆性斷裂，硬玻璃態(tài)，脆性斷裂-1TbTTg，軟玻璃態(tài)，韌性斷裂，軟玻璃態(tài)，韌性斷裂-2、3TgTTf，粘流態(tài)，粘流態(tài)-5非晶聚合物在非晶聚合物在不同溫度下不同溫度

18、下的的 - 曲線如圖曲線如圖8：一、溫度的影響一、溫度的影響 12345圖圖8 非晶聚合物不同溫度下的非晶聚合物不同溫度下的 曲線曲線T Yield and Fracture of Polymers 19曲線曲線1：在玻璃態(tài)（：在玻璃態(tài)（TTb）：）：直線關(guān)系，直線關(guān)系，形變小，高模量，原因是由側(cè)基等運(yùn)動單形變小，高模量，原因是由側(cè)基等運(yùn)動單元引起鍵長鍵角的變化引起。元引起鍵長鍵角的變化引起。曲線曲線4：處于高彈態(tài)，：處于高彈態(tài)，無縮頸，不出現(xiàn)屈服無縮頸，不出現(xiàn)屈服點(diǎn)，形變大，原因是在不大外力作用下的點(diǎn)，形變大，原因是在不大外力作用下的高分子鏈沿外力取向，產(chǎn)生高彈形變。高分子鏈沿外力取向，產(chǎn)生

19、高彈形變。曲線曲線5：粘流態(tài)，：粘流態(tài)，熔體，模量很小。不可逆形變。熔體，模量很小。不可逆形變。分析：分析：曲線曲線2.3： TbTTg，軟玻璃態(tài)：，軟玻璃態(tài)：出現(xiàn)出現(xiàn)一個大的形變強(qiáng)迫高彈形變，外力除一個大的形變強(qiáng)迫高彈形變，外力除去后，形變不能回復(fù)，但是溫度升高到去后，形變不能回復(fù)，但是溫度升高到玻璃化溫度時，形變回復(fù)。玻璃化溫度時，形變回復(fù)。 12345圖圖8 非晶聚合物不同溫度下的非晶聚合物不同溫度下的 曲線曲線T Yield and Fracture of Polymers 20a: TbTTg c: TTg (幾十度幾十度)d: T接近接近Tgb: TTgExample-PVC050

20、70 70 050 Temperature脆性斷裂脆性斷裂 韌性斷裂韌性斷裂無屈服無屈服屈服后斷裂屈服后斷裂Results 圖圖9在不同溫度下在不同溫度下PVC的斷裂模式的斷裂模式T Yield and Fracture of Polymers 21溫度升高，材料逐步變軟變韌，斷裂強(qiáng)度溫度升高，材料逐步變軟變韌，斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長率增加；下降，斷裂伸長率增加；溫度下降，材料逐步變硬變脆，斷裂強(qiáng)溫度下降，材料逐步變硬變脆，斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長率減小度增加，斷裂伸長率減小 Yield and Fracture of Polymers 22Strain rate：1234二、應(yīng)變速率的影響二、

21、應(yīng)變速率的影響圖圖10 Stress-strain curve of PS拉伸速率拉伸速率圖圖11 不同應(yīng)變速率下聚合物的斷裂模式不同應(yīng)變速率下聚合物的斷裂模式 Yield and Fracture of Polymers 23 因?yàn)殒湺芜\(yùn)動是松弛過程，外力的作用使松弛時間下降因?yàn)殒湺芜\(yùn)動是松弛過程，外力的作用使松弛時間下降若鏈段運(yùn)動的松弛時間與外力作用速率相適應(yīng)，材料在斷裂若鏈段運(yùn)動的松弛時間與外力作用速率相適應(yīng)，材料在斷裂前可發(fā)生屈服，出現(xiàn)強(qiáng)迫高彈性，表現(xiàn)為韌性斷裂前可發(fā)生屈服，出現(xiàn)強(qiáng)迫高彈性，表現(xiàn)為韌性斷裂若外力作用時間越短，鏈段的松弛跟不上外力作用速率，為若外力作用時間越短，鏈段的松弛

22、跟不上外力作用速率，為使材料屈服需要更大的外力，材料的屈服強(qiáng)度提高，材料在斷裂使材料屈服需要更大的外力，材料的屈服強(qiáng)度提高，材料在斷裂前不發(fā)生屈服，表現(xiàn)為脆性斷裂前不發(fā)生屈服，表現(xiàn)為脆性斷裂所以，降低溫度與提高外力作用速率有同樣的效果，所以，降低溫度與提高外力作用速率有同樣的效果，這是時這是時-溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。 Yield and Fracture of Polymers 24Brittle-ductile Transformation脆韌轉(zhuǎn)變脆韌轉(zhuǎn)變材料從脆性斷裂向韌性斷裂的轉(zhuǎn)變材料從脆性斷裂向韌性斷裂的轉(zhuǎn)變t材料的斷裂過程是材料的斷裂

23、過程是松弛過程松弛過程圖圖12 斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化圖圖13 斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化 Yield and Fracture of Polymers 25聚合物力學(xué)性能的特點(diǎn)聚合物力學(xué)性能的特點(diǎn)1、力學(xué)性能的數(shù)值很寬：、力學(xué)性能的數(shù)值很寬：包括從熔體、軟橡皮到很硬的包括從熔體、軟橡皮到很硬的固體，各種聚合物對于機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)相差很大。舉例固體，各種聚合物對于機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)相差很大。舉例2、強(qiáng)度低，模量低、強(qiáng)度低，模量低3、具有高彈性和粘彈性、具有高彈性和粘彈性4、性能和結(jié)構(gòu)有關(guān)：、性能和結(jié)構(gòu)有關(guān)：由于聚合物由長

24、鏈大分子組成，分由于聚合物由長鏈大分子組成，分子間由范德華力相互作用，分子運(yùn)動具有明顯的松弛特子間由范德華力相互作用，分子運(yùn)動具有明顯的松弛特性。性。 Yield and Fracture of Polymers 268.2 8.2 聚合物的斷裂強(qiáng)度聚合物的斷裂強(qiáng)度脆性斷裂脆性斷裂：與材料的彈性響應(yīng)相聯(lián)系，在斷裂前試樣斷裂：與材料的彈性響應(yīng)相聯(lián)系，在斷裂前試樣斷裂均勻，斷裂時，裂紋迅速垂直于應(yīng)力方向，斷裂面不顯出均勻，斷裂時，裂紋迅速垂直于應(yīng)力方向，斷裂面不顯出明顯的推遲形變，明顯的推遲形變， 曲線是線性的，曲線是線性的， 5%，由，由剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力引起的鏈段運(yùn)動的結(jié)果引起的鏈段運(yùn)動的結(jié)果

25、Yield and Fracture of Polymers 27脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂 試樣發(fā)生脆性或韌性斷裂與材料組成有關(guān)，對同一材料試樣發(fā)生脆性或韌性斷裂與材料組成有關(guān)，對同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度T 和拉伸速率和拉伸速率 有關(guān)有關(guān)。 Yield and Fracture of Polymers 28圖圖13 PS試樣脆性斷裂表面的電鏡照片試樣脆性斷裂表面的電鏡照片圖圖14 增韌改性增韌改性PVC韌性斷裂表面的韌性斷裂表面的SEM照片照片 脆性斷裂和韌性斷裂斷口形貌脆性斷裂和韌性斷裂斷口形貌 Yield and Fracture of

26、Polymers 291 1、分別畫出等規(guī)分別畫出等規(guī)PP、乙丙橡膠（乙烯、乙丙橡膠（乙烯丙烯共聚物）丙烯共聚物）及無規(guī)及無規(guī)PP在在25時的應(yīng)力時的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并加以說明應(yīng)變曲線，并加以說明 圖圖9 9 三種聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線三種聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線思思 考考 題題 Yield and Fracture of Polymers 302、試比較非晶態(tài)高聚物的強(qiáng)迫高彈行和結(jié)晶高聚、試比較非晶態(tài)高聚物的強(qiáng)迫高彈行和結(jié)晶高聚物的冷拉和成頸。并指出強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的條件物的冷拉和成頸。并指出強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的條件3、研究玻璃態(tài)聚合物大形變，常采用什么實(shí)驗(yàn)、研究玻璃態(tài)聚合物大形變，常采用什么實(shí)驗(yàn)方法

27、？說明聚合物兩種斷裂的特點(diǎn)，并畫出兩方法？說明聚合物兩種斷裂的特點(diǎn)，并畫出兩種斷裂的應(yīng)力應(yīng)變曲線種斷裂的應(yīng)力應(yīng)變曲線4、聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線的類型、聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線的類型 Yield and Fracture of Polymers 318.2.2 強(qiáng)度理論強(qiáng)度理論 從分子水平上看，聚合物的斷裂要破壞分子內(nèi)的化學(xué)從分子水平上看，聚合物的斷裂要破壞分子內(nèi)的化學(xué)鍵和分子間的范德華力與氫鍵。鍵和分子間的范德華力與氫鍵。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞可歸結(jié)為以下三種情況：內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞可歸結(jié)為以下三種情況：化學(xué)鍵破壞化學(xué)鍵破壞分子間滑脫分子間滑脫范德華力或氫鍵破壞范德華力或氫鍵破壞 Yield and Fractur

28、e of Polymers 32理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度理論強(qiáng)度的計算：分子和原子間的最大內(nèi)聚力和單位面積的理論強(qiáng)度的計算：分子和原子間的最大內(nèi)聚力和單位面積的鍵數(shù)，內(nèi)聚力包括鍵能和分子間的作用力鍵數(shù)，內(nèi)聚力包括鍵能和分子間的作用力舉例：共價鍵的鍵能為舉例：共價鍵的鍵能為335378KJ/mol（56 10-19J/鍵鍵）鍵長鍵長1.5埃，兩個原子的相互吸引力埃，兩個原子的相互吸引力fw/d34 10-9N/鍵，鍵，對聚乙烯分子截面為對聚乙烯分子截面為20 1020m2則可以計算最大理論強(qiáng)度：則可以計算最大理論強(qiáng)度：2 1010N/m2，而實(shí)際的抗張強(qiáng)度僅為，而實(shí)際的抗張強(qiáng)度僅為1

29、08N/m2原因：實(shí)際的聚合物達(dá)不到那種完全規(guī)整原因：實(shí)際的聚合物達(dá)不到那種完全規(guī)整的水平，的水平，存在應(yīng)存在應(yīng)力集中（雜質(zhì)，小裂紋，空隙，缺口）力集中（雜質(zhì)，小裂紋，空隙，缺口） Yield and Fracture of Polymers 33所以，聚合物的實(shí)際強(qiáng)度為所以，聚合物的實(shí)際強(qiáng)度為10100MPa，與理論強(qiáng)度相，與理論強(qiáng)度相比有巨大的差距比有巨大的差距主要原因主要原因（1）由于材料內(nèi)部存在各種缺陷，缺陷造成的應(yīng)）由于材料內(nèi)部存在各種缺陷，缺陷造成的應(yīng)力集中使局部區(qū)域的應(yīng)力遠(yuǎn)高于平均應(yīng)力力集中使局部區(qū)域的應(yīng)力遠(yuǎn)高于平均應(yīng)力（2）因?yàn)槠茐目偸窍劝l(fā)生在某些薄弱環(huán)節(jié)，不可）因?yàn)槠茐目偸窍?/p>

30、發(fā)生在某些薄弱環(huán)節(jié)，不可能是那么多的化學(xué)鍵或分子間作用力同時破壞能是那么多的化學(xué)鍵或分子間作用力同時破壞（3）高分子材料的凝聚態(tài)（）高分子材料的凝聚態(tài)（agglomerate state）結(jié)構(gòu)不可能像理論計算時那么規(guī)整結(jié)構(gòu)不可能像理論計算時那么規(guī)整 Yield and Fracture of Polymers 348.2.3 Principle of Yielding 屈服原理屈服原理聚合物為什么會屈服？屈服后為什么會產(chǎn)生細(xì)頸？聚合物為什么會屈服？屈服后為什么會產(chǎn)生細(xì)頸？韌性聚合物在屈服點(diǎn)時?？煽吹巾g性聚合物在屈服點(diǎn)時?？煽吹皆嚇由铣霈F(xiàn)與拉伸方向成約試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成約45角傾斜的剪切滑移

31、變形帶角傾斜的剪切滑移變形帶（Shear band)，并且逐漸生成對，并且逐漸生成對稱的稱的細(xì)頸細(xì)頸圖圖14 Yield and Fracture of Polymers 35Fig15 Analysis of the stress during tensile test橫截面橫截面A0, 受到的應(yīng)力受到的應(yīng)力 0=F/A0斜截面斜截面法向應(yīng)力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力 Yield and Fracture of Polymers 36200coscos/cosnFA001sin cossin22sFA = 0 n = 0 s = 0 = 45 n = 0/2 s = 0/2 = 90 n =0

32、 s =0 0 /245o90o 0 0o an as抗張強(qiáng)度什么面最大？抗張強(qiáng)度什么面最大？ =0 ， n= 0抗剪強(qiáng)度什么面最大？抗剪強(qiáng)度什么面最大？ =45 ， s= 0/2圖圖16 Yield and Fracture of Polymers 37 本質(zhì)上，本質(zhì)上，法向應(yīng)力法向應(yīng)力與材料的抗拉伸能力有關(guān)，而抗拉伸能力極限值主與材料的抗拉伸能力有關(guān)，而抗拉伸能力極限值主要取決于分子主鏈的強(qiáng)度（鍵能）。因此材料在作用下發(fā)生破壞時，往要取決于分子主鏈的強(qiáng)度（鍵能）。因此材料在作用下發(fā)生破壞時，往往伴隨主鏈的斷裂。往伴隨主鏈的斷裂。 切向應(yīng)力切向應(yīng)力與材料的抗剪切能力相關(guān)，極限值主要取決于分子

33、間內(nèi)聚力。與材料的抗剪切能力相關(guān)，極限值主要取決于分子間內(nèi)聚力。材料在材料在 作用下發(fā)生屈服時，往往發(fā)生分子鏈的相對滑移（下圖）。作用下發(fā)生屈服時，往往發(fā)生分子鏈的相對滑移（下圖）。圖圖1717 垂直應(yīng)力下的分子鏈斷裂（垂直應(yīng)力下的分子鏈斷裂（a a）和剪切應(yīng)力下的分子鏈滑移（和剪切應(yīng)力下的分子鏈滑移（b b） Yield and Fracture of Polymers 38 在外力場作用下，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布與應(yīng)力變化十在外力場作用下，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布與應(yīng)力變化十分復(fù)雜，斷裂和屈服都有可能發(fā)生，處于相互競爭狀態(tài)分復(fù)雜，斷裂和屈服都有可能發(fā)生，處于相互競爭狀態(tài)。 韌性材料拉伸時，斜截面上的

34、最大切應(yīng)力首先增加到材料的剪韌性材料拉伸時，斜截面上的最大切應(yīng)力首先增加到材料的剪切強(qiáng)度，因此材料屈服，并出現(xiàn)與拉伸方向成切強(qiáng)度，因此材料屈服，并出現(xiàn)與拉伸方向成4545角的角的剪切滑移剪切滑移變形帶變形帶。進(jìn)一步拉伸時，剪切帶中由于分子鏈高度取向強(qiáng)度提高，。進(jìn)一步拉伸時，剪切帶中由于分子鏈高度取向強(qiáng)度提高，暫時不發(fā)生進(jìn)一步的變形。而其邊緣則進(jìn)一步發(fā)生剪切變形。同暫時不發(fā)生進(jìn)一步的變形。而其邊緣則進(jìn)一步發(fā)生剪切變形。同樣，在樣，在135135的斜截面上也發(fā)生剪切變形，因而試樣逐漸生成對稱的斜截面上也發(fā)生剪切變形，因而試樣逐漸生成對稱的細(xì)頸，直至細(xì)頸擴(kuò)展至整個試樣的細(xì)頸，直至細(xì)頸擴(kuò)展至整個試樣脆

35、性試樣在最大切應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度之前，橫截面上脆性試樣在最大切應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度之前，橫截面上的法向正應(yīng)力已達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度，因此試樣還來不的法向正應(yīng)力已達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度，因此試樣還來不及屈服就斷裂了，而且斷面與拉伸方向相垂直。及屈服就斷裂了，而且斷面與拉伸方向相垂直。 Yield and Fracture of Polymers 39 可以根據(jù)材料的本征強(qiáng)度對材料的脆、韌性規(guī)定一個判據(jù)：可以根據(jù)材料的本征強(qiáng)度對材料的脆、韌性規(guī)定一個判據(jù)： 凡凡 的，發(fā)生破壞時首先為脆性斷裂的材料為脆的，發(fā)生破壞時首先為脆性斷裂的材料為脆性材料；性材料； 凡凡 的，容易發(fā)生韌性屈服的材料為韌性材料。的，容易發(fā)

36、生韌性屈服的材料為韌性材料。 anasanasanas Yield and Fracture of Polymers 408.2.4 Shear band and Craze 剪切帶和銀紋剪切帶和銀紋（1）剪切帶是韌性聚合物在單向拉伸至屈服點(diǎn)時出）剪切帶是韌性聚合物在單向拉伸至屈服點(diǎn)時出現(xiàn)的與拉伸方向成約現(xiàn)的與拉伸方向成約45角傾斜的剪切滑移變形帶角傾斜的剪切滑移變形帶（2）剪切帶的厚度約）剪切帶的厚度約1m，在剪切帶內(nèi)部，高分子，在剪切帶內(nèi)部，高分子鏈沿外力方向高度取向鏈沿外力方向高度取向剪切帶內(nèi)部沒有空隙，剪切帶內(nèi)部沒有空隙，因此，形變過程沒有明顯的體積變化因此，形變過程沒有明顯的體積變化

37、（3）剪切帶的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量能量。同時，）剪切帶的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量能量。同時，由于發(fā)生取向硬化，阻止了形變的進(jìn)一步發(fā)展由于發(fā)生取向硬化，阻止了形變的進(jìn)一步發(fā)展圖圖18 Yield and Fracture of Polymers 41 1. 1.銀紋：銀紋：聚合物在張應(yīng)力作用下，在材料的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)力集中產(chǎn)生聚合物在張應(yīng)力作用下，在材料的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)力集中產(chǎn)生局部應(yīng)力塑性形變，而在材料表面或者內(nèi)部出現(xiàn)垂直于應(yīng)力局部應(yīng)力塑性形變，而在材料表面或者內(nèi)部出現(xiàn)垂直于應(yīng)力方向長度約方向長度約100 m，寬度約為，寬度約為10 m，厚度約，厚度約1 m的微細(xì)凹的微細(xì)凹槽或裂紋的現(xiàn)象。裂紋處的折光

38、指數(shù)低于聚合物體的折光指槽或裂紋的現(xiàn)象。裂紋處的折光指數(shù)低于聚合物體的折光指數(shù)，在兩者的界面上發(fā)生全反射現(xiàn)象，看上去呈發(fā)亮的銀色數(shù)，在兩者的界面上發(fā)生全反射現(xiàn)象，看上去呈發(fā)亮的銀色條紋，因此稱為銀紋。條紋，因此稱為銀紋。銀紋與裂紋的區(qū)別銀紋與裂紋的區(qū)別 Yield and Fracture of Polymers 42裂紋裂紋（crackcrack）銀紋（銀紋（crazecraze）圖圖19 Yield and Fracture of Polymers 432.2.銀紋與裂縫的區(qū)別：裂縫是空的，內(nèi)部無聚合物；而裂紋銀紋與裂縫的區(qū)別：裂縫是空的，內(nèi)部無聚合物；而裂紋內(nèi)部并不是完全空的，含有內(nèi)部并

39、不是完全空的，含有4040左右的聚合物仍然具有強(qiáng)度左右的聚合物仍然具有強(qiáng)度和粘彈現(xiàn)象稱為銀紋質(zhì)聯(lián)系起兩銀紋面的樹狀或者片狀和粘彈現(xiàn)象稱為銀紋質(zhì)聯(lián)系起兩銀紋面的樹狀或者片狀高度取向聚合物。銀紋處的密度低，折光指數(shù)低，故在界面高度取向聚合物。銀紋處的密度低，折光指數(shù)低，故在界面上出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。上出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。銀紋具有可逆性，在壓力或者玻璃化溫度以上退火時可回縮銀紋具有可逆性，在壓力或者玻璃化溫度以上退火時可回縮或者愈合，再拉伸時，它會出現(xiàn)。如果再受到拉伸作用，會或者愈合，再拉伸時，它會出現(xiàn)。如果再受到拉伸作用，會變成裂縫，最后整個材料斷裂。變成裂縫，最后整個材料斷裂。3.3.銀紋產(chǎn)生的機(jī)理：銀

40、紋產(chǎn)生的機(jī)理： Yield and Fracture of Polymers 44張應(yīng)力作用下的聚合物局部區(qū)域的塑性形變。在應(yīng)力集中的區(qū)域張應(yīng)力作用下的聚合物局部區(qū)域的塑性形變。在應(yīng)力集中的區(qū)域分子鏈將受到較大的應(yīng)力，導(dǎo)致沿應(yīng)力方向高度取向，產(chǎn)生局部分子鏈將受到較大的應(yīng)力，導(dǎo)致沿應(yīng)力方向高度取向，產(chǎn)生局部的冷拉，由于局部的高度拉伸應(yīng)變（的冷拉，由于局部的高度拉伸應(yīng)變（10001000），造成了很大的橫），造成了很大的橫向收縮，這種局部的收縮要大于材料整體的橫向收縮，結(jié)果在局向收縮，這種局部的收縮要大于材料整體的橫向收縮，結(jié)果在局部性的取向鏈?zhǔn)蚱瑢娱g形成一定的空的體積，并在表面上出現(xiàn)部性的取向

41、鏈?zhǔn)蚱瑢娱g形成一定的空的體積，并在表面上出現(xiàn)凹槽。也可以發(fā)生在材料內(nèi)部形成內(nèi)銀紋。凹槽。也可以發(fā)生在材料內(nèi)部形成內(nèi)銀紋。環(huán)境因素也可誘發(fā)銀紋：環(huán)境因素也可誘發(fā)銀紋：未松弛掉的局部的內(nèi)應(yīng)力，小，如果在促進(jìn)聚合物局部發(fā)生塑性未松弛掉的局部的內(nèi)應(yīng)力，小，如果在促進(jìn)聚合物局部發(fā)生塑性流動的環(huán)境因素如：溶劑銀紋：溶劑擴(kuò)散到聚合物表層造成區(qū)域流動的環(huán)境因素如：溶劑銀紋：溶劑擴(kuò)散到聚合物表層造成區(qū)域性的性的TgTg下降，或?qū)е陆Y(jié)晶的形成；非溶劑銀紋：非溶劑起到表面下降，或?qū)е陆Y(jié)晶的形成；非溶劑銀紋：非溶劑起到表面活性劑的作用，降低銀紋的表面能促進(jìn)了銀紋的形成與發(fā)展。活性劑的作用，降低銀紋的表面能促進(jìn)了銀紋

42、的形成與發(fā)展。 Yield and Fracture of Polymers 454.4.產(chǎn)生銀紋的結(jié)果：產(chǎn)生銀紋的結(jié)果：銀紋可發(fā)展成裂縫，使材料的使用性能降低。銀紋可發(fā)展成裂縫，使材料的使用性能降低。銀紋的產(chǎn)生可以改善聚合物的力學(xué)性能，它在產(chǎn)生時吸收銀紋的產(chǎn)生可以改善聚合物的力學(xué)性能，它在產(chǎn)生時吸收能量，提高了高聚物沖擊強(qiáng)度。能量，提高了高聚物沖擊強(qiáng)度。舉例：舉例：抗沖擊塑料：在塑料（抗沖擊塑料：在塑料（PSPS）中引入橡膠分散相（）中引入橡膠分散相（TgTg低，形成兩低，形成兩相體系且邊界黏著性好），橡膠顆粒在應(yīng)力的作用下除了本身相體系且邊界黏著性好），橡膠顆粒在應(yīng)力的作用下除了本身的形變

43、外，還可以引起顆粒周圍的塑料相產(chǎn)生很多銀紋，銀紋的形變外，還可以引起顆粒周圍的塑料相產(chǎn)生很多銀紋，銀紋的產(chǎn)生和塑性形變，消耗了大量的沖擊能量同時由一個顆粒邊的產(chǎn)生和塑性形變，消耗了大量的沖擊能量同時由一個顆粒邊緣產(chǎn)生的銀紋可為附近的另一個橡膠顆粒中止，防止了銀紋發(fā)緣產(chǎn)生的銀紋可為附近的另一個橡膠顆粒中止，防止了銀紋發(fā)展成裂縫從而抑制了材料破壞起到增韌的作用。展成裂縫從而抑制了材料破壞起到增韌的作用?？偨Y(jié)：銀紋的特點(diǎn)總結(jié)：銀紋的特點(diǎn) Yield and Fracture of Polymers 46銀紋和剪切帶銀紋和剪切帶主要區(qū)別主要區(qū)別剪切屈服剪切屈服銀紋屈服銀紋屈服形形 變變形變大幾十形變大

44、幾十幾百幾百%形變小形變小 10%曲線特征曲線特征有明顯的屈服點(diǎn)有明顯的屈服點(diǎn)無明顯的屈服點(diǎn)無明顯的屈服點(diǎn)體體 積積體體 積積 不不 變變體體 積積 增增 加加力力剪剪 切切 力力張張 應(yīng)應(yīng) 力力結(jié)結(jié) 果果冷冷 拉拉裂裂 縫縫一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象表表3 Yield and Fracture of Polymers 478.3 8.3 影響聚合物力學(xué)性能的因素影響聚合物力學(xué)性能的因素一、一次結(jié)構(gòu)：一、一次結(jié)構(gòu)：鏈節(jié)含有強(qiáng)極性基團(tuán)或氫鍵的基團(tuán)使得分子間作用力增大，

45、鏈節(jié)含有強(qiáng)極性基團(tuán)或氫鍵的基團(tuán)使得分子間作用力增大，強(qiáng)度提高強(qiáng)度提高聚合物聚合物PPPVCN-610N-66強(qiáng)度強(qiáng)度Pa2528506183 1 1、結(jié)構(gòu)因素、結(jié)構(gòu)因素 2 2、外在條件、外在條件鏈節(jié)的極性對鏈節(jié)的極性對polymerpolymer強(qiáng)度的影響強(qiáng)度的影響表表4 Yield and Fracture of Polymers 48交聯(lián)：適當(dāng)交聯(lián)，總是提高聚合物的強(qiáng)度，但如果交交聯(lián)：適當(dāng)交聯(lián)，總是提高聚合物的強(qiáng)度，但如果交聯(lián)度太大，會使其脆性太大而失去應(yīng)用價值。聯(lián)度太大，會使其脆性太大而失去應(yīng)用價值。交聯(lián)劑當(dāng)量濃度交聯(lián)劑當(dāng)量濃度0.10.31.02.53.58.0 b100092068

46、044028090斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度Pa6.471621.716.46.784.6 隨著極性基團(tuán)或氫鍵隨著極性基團(tuán)或氫鍵 ，強(qiáng)度，強(qiáng)度 ，但密度大，阻礙，但密度大，阻礙鏈段的運(yùn)動，不能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變鏈段的運(yùn)動，不能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變脆性斷裂脆性斷裂表表5 Yield and Fracture of Polymers 49空間立構(gòu)：結(jié)構(gòu)規(guī)整和等規(guī)度高的聚合物因結(jié)晶而強(qiáng)度提高空間立構(gòu)：結(jié)構(gòu)規(guī)整和等規(guī)度高的聚合物因結(jié)晶而強(qiáng)度提高。表表6 6 無規(guī)立構(gòu)含量對無規(guī)立構(gòu)含量對PPPP性能影響性能影響無規(guī)立構(gòu)含量無規(guī)立構(gòu)含量抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度Pa2.034.53.532.56.429 Yield and Fra

47、cture of Polymers 50支化：支化破壞了鏈的規(guī)整性結(jié)晶度降低，還增加了分支化：支化破壞了鏈的規(guī)整性結(jié)晶度降低，還增加了分子間的距離分子間力減小，都使強(qiáng)度降低。但是韌性有所子間的距離分子間力減小，都使強(qiáng)度降低。但是韌性有所提高。提高。聚合物聚合物抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度 b(%)支化程度支化程度LDPE715300支化多支化多HDPE212760支化少支化少表表7 支化度對聚合物力學(xué)性能的影響支化度對聚合物力學(xué)性能的影響 Yield and Fracture of Polymers 51二、二次結(jié)構(gòu)：二、二次結(jié)構(gòu)： 鏈的剛性鏈的剛性 高分子鏈剛性高分子鏈剛性增加，聚合物強(qiáng)度增加，韌性下降

48、，像主增加，聚合物強(qiáng)度增加，韌性下降，像主鏈含有芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的聚合物其強(qiáng)度和模量比脂肪族主鏈高。鏈含有芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的聚合物其強(qiáng)度和模量比脂肪族主鏈高。主鏈上含有大的側(cè)基，剛性大。如主鏈上含有大的側(cè)基，剛性大。如PE 24.5N/m2，PS 35.260N/m2， PET 80N/m2 Yield and Fracture of Polymers 52分子量與分子量分布：分子量與分子量分布：分子量是對高分子材料力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈性、韌性）分子量是對高分子材料力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈性、韌性）起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。強(qiáng)強(qiáng)度度分子量分子量斷裂強(qiáng)度。，nMBA當(dāng)分子量很小時，強(qiáng)度

49、隨著分子量增加而增加，當(dāng)分子量很小時，強(qiáng)度隨著分子量增加而增加，當(dāng)分子量大到一定值，強(qiáng)度與分子量無關(guān)。當(dāng)分子量大到一定值，強(qiáng)度與分子量無關(guān)。圖圖20 Yield and Fracture of Polymers 53 聚合物的沖擊強(qiáng)度隨著分子量的增大而增大。一般認(rèn)為聚合物的沖擊強(qiáng)度隨著分子量的增大而增大。一般認(rèn)為分子量分布寬時，強(qiáng)度明顯下降，這是因?yàn)榈头肿恿康奈镔|(zhì)分子量分布寬時，強(qiáng)度明顯下降，這是因?yàn)榈头肿恿康奈镔|(zhì)相當(dāng)于增塑劑的緣故。分子量分布窄時剛好相反。相當(dāng)于增塑劑的緣故。分子量分布窄時剛好相反。理論解釋：理論解釋： 強(qiáng)度是由強(qiáng)度是由分子間作用力和化學(xué)鍵決定分子間作用力和化學(xué)鍵決定，分子間

50、作用力具有，分子間作用力具有加和性，隨著分子量的增加和性，隨著分子量的增對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響而增加，當(dāng)而增加，當(dāng)分子量小時分子間作用力小于化學(xué)鍵，破壞發(fā)生在分子間，分子量小時分子間作用力小于化學(xué)鍵，破壞發(fā)生在分子間，當(dāng)分子量大到比化學(xué)鍵大時，破壞發(fā)生在化學(xué)鍵上，強(qiáng)度與當(dāng)分子量大到比化學(xué)鍵大時，破壞發(fā)生在化學(xué)鍵上，強(qiáng)度與分子量無關(guān)分子量無關(guān) Yield and Fracture of Polymers 54三、三次結(jié)構(gòu)：三、三次結(jié)構(gòu)：結(jié)晶度增加，強(qiáng)度增加韌性下降以結(jié)晶度增加，強(qiáng)度增加韌性下降以PE為例。為例。表表8 8 聚乙烯強(qiáng)度與結(jié)晶度的關(guān)系聚乙烯強(qiáng)度與結(jié)晶度的關(guān)系結(jié)晶度結(jié)

51、晶度（）（）657585斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度14.41825斷裂伸長斷裂伸長500300100圖圖21 結(jié)晶度對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響結(jié)晶度對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響 Yield and Fracture of Polymers 55晶體尺寸：晶體尺寸：表表9 PP球晶尺寸與力學(xué)性能的關(guān)系球晶尺寸與力學(xué)性能的關(guān)系球晶尺寸球晶尺寸（ m）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度（N/m2）斷裂伸長斷裂伸長(%)1030050020225253012525小球晶：小球晶： t 、E、斷裂伸長率、斷裂伸長率、 i高高大球晶：下降大球晶：下降圖圖22 球晶大小對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響球晶大小對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響 Yield and Fract

52、ure of Polymers 56結(jié)晶形態(tài)：同一類聚合物，伸直鏈強(qiáng)度最大，串晶次之，結(jié)晶形態(tài)：同一類聚合物，伸直鏈強(qiáng)度最大，串晶次之，球晶最小。球晶最小。取向：可使材料強(qiáng)度提高幾倍幾十倍，對纖維和薄膜，取向：可使材料強(qiáng)度提高幾倍幾十倍，對纖維和薄膜，取向是提高性能必不可少的措施。取向是提高性能必不可少的措施。原因：取向后分子沿外力的方向有序排列，斷裂時主價鍵原因：取向后分子沿外力的方向有序排列，斷裂時主價鍵比例增大，而使聚合物強(qiáng)度提高。比例增大，而使聚合物強(qiáng)度提高。注意：當(dāng)外力與取向方向平行，強(qiáng)度高，垂直，強(qiáng)度低。注意：當(dāng)外力與取向方向平行，強(qiáng)度高，垂直，強(qiáng)度低。應(yīng)力集中應(yīng)力集中: :高聚物

53、由于下列原因產(chǎn)生應(yīng)力集中，盡管試高聚物由于下列原因產(chǎn)生應(yīng)力集中，盡管試樣受力沒有達(dá)到破壞的程度，但是局部應(yīng)力集中可以超過樣受力沒有達(dá)到破壞的程度，但是局部應(yīng)力集中可以超過聚合物的強(qiáng)度。使強(qiáng)度降低。聚合物的強(qiáng)度。使強(qiáng)度降低。 Yield and Fracture of Polymers 57幾何尺寸的不連續(xù)：空口，空隙，銀紋，溝槽等幾何尺寸的不連續(xù)：空口，空隙，銀紋，溝槽等材料的不連續(xù)：雜質(zhì)材料的不連續(xù)：雜質(zhì)負(fù)荷的不連續(xù)：掛一個重物，載體上各處受力的程度不同，掛的地方負(fù)荷的不連續(xù)：掛一個重物，載體上各處受力的程度不同，掛的地方首先破壞。首先破壞。為了提高強(qiáng)度，必須消除應(yīng)力集中，如人們將纖維作的很

54、細(xì)，以消除缺為了提高強(qiáng)度，必須消除應(yīng)力集中，如人們將纖維作的很細(xì)，以消除缺陷，裂紋。陷，裂紋。裂紋形狀的影響：裂縫越尖，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，強(qiáng)度越低一般認(rèn)為：裂紋形狀的影響：裂縫越尖，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，強(qiáng)度越低一般認(rèn)為：裂縫裂縫橢圓橢圓cba圖圖27 Yield and Fracture of Polymers 84三、聚合物的增韌三、聚合物的增韌Toughening of Polymers ：常用的方法：常用的方法：彈性體增韌彈性體增韌剛性有機(jī)粒子增韌剛性有機(jī)粒子增韌超細(xì)無機(jī)粒子增韌超細(xì)無機(jī)粒子增韌 Yield and Fracture of Polymers 85Rubber toughenin

55、g 橡膠增韌橡膠增韌達(dá)到良好增韌效果的條件達(dá)到良好增韌效果的條件 a a、 橡膠相作為分散相存在橡膠相作為分散相存在 b b、橡膠相與塑料相有良好的界面粘接力、橡膠相與塑料相有良好的界面粘接力 c c、橡膠相的、橡膠相的TgTg遠(yuǎn)低于使用溫度遠(yuǎn)低于使用溫度 Yield and Fracture of Polymers 86圖圖28 Yield and Fracture of Polymers 87橡膠增韌機(jī)理橡膠增韌機(jī)理Mechanism of rubber toughing 多重銀紋機(jī)理多重銀紋機(jī)理：a、根據(jù)、根據(jù)Griffith理論，斷裂過程能否進(jìn)行取決于彈性儲能與理論，斷裂過程能否進(jìn)行取

56、決于彈性儲能與斷裂過程中新產(chǎn)生表面的表面能的相對大小斷裂過程中新產(chǎn)生表面的表面能的相對大小b、若只有極少數(shù)銀紋時，應(yīng)力全部集中在這幾個銀紋上，、若只有極少數(shù)銀紋時，應(yīng)力全部集中在這幾個銀紋上，很快發(fā)展為裂縫并迅速擴(kuò)展，只用很少的力就會使材料破壞很快發(fā)展為裂縫并迅速擴(kuò)展，只用很少的力就會使材料破壞c、分散的橡膠相起應(yīng)力集中體的作用，受沖擊時誘發(fā)大量、分散的橡膠相起應(yīng)力集中體的作用，受沖擊時誘發(fā)大量的銀紋（微裂紋），同時誘發(fā)的大量銀紋會吸收大量能量，的銀紋（微裂紋），同時誘發(fā)的大量銀紋會吸收大量能量，從而起增韌作用從而起增韌作用d、大量銀紋存在時，應(yīng)力場相互干擾，使銀紋端部的應(yīng)力、大量銀紋存在時，

57、應(yīng)力場相互干擾，使銀紋端部的應(yīng)力減小，而且銀紋端部發(fā)展到橡膠粒子時也可能被終止減小，而且銀紋端部發(fā)展到橡膠粒子時也可能被終止 Yield and Fracture of Polymers 88例題：說明例題：說明SBSSBS嵌段共聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，并從結(jié)構(gòu)角度考嵌段共聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，并從結(jié)構(gòu)角度考慮說明它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、動態(tài)力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度透慮說明它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、動態(tài)力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度透明性的特點(diǎn)。明性的特點(diǎn)。1）SBS是室溫下呈橡膠彈性，在是室溫下呈橡膠彈性，在120時是熔融體可塑性時是熔融體可塑性成型的彈性體，所以叫熱塑性彈體。成型的彈性體，所以叫熱塑性彈體。凝聚態(tài)為兩相結(jié)構(gòu)，凝

58、聚態(tài)為兩相結(jié)構(gòu)，兩端為兩端為PS，是塑料相，中間為，是塑料相，中間為PB，是，是橡膠相，橡膠相，PS聚集在一起形成微區(qū)，為分散相（聚集在一起形成微區(qū)，為分散相（PS團(tuán)簇），團(tuán)簇）， PB為連續(xù)的橡膠相。在室溫時，為連續(xù)的橡膠相。在室溫時，PS的的Tg高于室溫，使分子高于室溫，使分子鏈兩端變硬，起物理交聯(lián)的作用，阻止聚合物鏈的冷流，鏈兩端變硬，起物理交聯(lián)的作用，阻止聚合物鏈的冷流，而而PB的的Tg低于室溫，仍具有彈性。加熱時，低于室溫，仍具有彈性。加熱時，PS相被破壞，相被破壞，可以流動成型具有熱塑性?？梢粤鲃映尚途哂袩崴苄浴?Yield and Fracture of Polymers 89圖

59、圖29 SBSSBS熱塑性彈性體的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖熱塑性彈性體的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖 Yield and Fracture of Polymers 902 2）T Tg g：由于兩相互不相容，：由于兩相互不相容，因此共聚物具有各自的玻璃因此共聚物具有各自的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。無規(guī)共聚丁苯化轉(zhuǎn)變溫度。無規(guī)共聚丁苯橡膠只有一個。橡膠只有一個。3 3）動態(tài)力學(xué)性能：因?yàn)橛袃桑﹦討B(tài)力學(xué)性能：因?yàn)橛袃蓚€玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，所以有個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，所以有兩個內(nèi)耗峰。兩個內(nèi)耗峰。內(nèi)內(nèi)耗耗T T-73-73100100圖圖30 Yield and Fracture of Polymers 914 4）. .拉伸強(qiáng)度：拉伸

60、強(qiáng)度：SBSSBS嵌段共聚物中嵌段共聚物中PSPS含量達(dá)到含量達(dá)到2828時，應(yīng)力時，應(yīng)力應(yīng)變行為接近天然橡膠，應(yīng)力應(yīng)變曲線與其相似。拉伸應(yīng)變行為接近天然橡膠，應(yīng)力應(yīng)變曲線與其相似。拉伸強(qiáng)度超過丁苯橡膠（無規(guī)共聚）強(qiáng)度超過丁苯橡膠（無規(guī)共聚）圖圖31 Yield and Fracture of Polymers 92掌握內(nèi)容：掌握內(nèi)容：1、非晶態(tài)、結(jié)晶聚合物在不同溫度下的拉伸應(yīng)力應(yīng)變特、非晶態(tài)、結(jié)晶聚合物在不同溫度下的拉伸應(yīng)力應(yīng)變特性（性（-曲線）及強(qiáng)迫高彈形變與冷拉的概念，并從分子運(yùn)動解曲線）及強(qiáng)迫高彈形變與冷拉的概念，并從分子運(yùn)動解釋。釋。2、聚合物的宏觀斷裂方式、聚合物的宏觀斷裂方式3、