第八章高聚物的力學(xué)性能

1、第八章高聚物的力學(xué)性能第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第一節(jié) 描述力學(xué)行為的基本物理量力學(xué)行為： 施加一個(gè)外力在材料上，材料所發(fā)生的形變（響應(yīng)）。內(nèi)力、應(yīng)力： 材料為反抗外力，力求使自己保持原狀而產(chǎn)生的一種與外力相平衡的力，是內(nèi)力。與外力大小相等，方向相反，單位面積上的這種平衡力為應(yīng)力。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第一節(jié) 描述力學(xué)行為的基本物理量形變： 材料的變形值。應(yīng)變： 在應(yīng)力作用下，單位長(zhǎng)度（面積、體積）所發(fā)生的形變。彈性模量： 簡(jiǎn)稱模量。是引起單位應(yīng)變所需的應(yīng)力。是材料剛硬度的一種表示。用E表示。 E=/柔量： 模量的倒數(shù)。是材料容易形變程度的一種表征。

2、用J表示。 J=1/E強(qiáng)度： 在一定條件下，材料斷裂前所能忍受的最大應(yīng)力，稱為強(qiáng)度。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第一節(jié) 描述力學(xué)行為的基本物理量第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第二節(jié) 聚合物的應(yīng)力應(yīng)變特性應(yīng)力一應(yīng)變實(shí)驗(yàn)是最廣泛的，重要、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)。在應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)中，以某一給定的應(yīng)變速率對(duì)試樣施加負(fù)荷，直到試樣斷裂為止。實(shí)驗(yàn)大多采用拉伸方式。 第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第二節(jié) 聚合物的應(yīng)力應(yīng)變特性典型高聚物的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線A：彈性極限 (point of elastic limit)A：彈性強(qiáng)度極限A：彈性伸長(zhǎng)極限Y：屈服點(diǎn) (yield

3、ing point)Y：屈服強(qiáng)度Y：屈服伸長(zhǎng)率B：斷裂點(diǎn)B：斷裂強(qiáng)度B：斷裂伸長(zhǎng)率典型高聚物的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第二節(jié) 聚合物的應(yīng)力應(yīng)變特性脆性斷裂： 材料在屈服點(diǎn)之前發(fā)生斷裂，稱為脆性斷裂。這種情況下材料在斷裂前只發(fā)生很小的形變。韌性斷裂： 材料在屈服點(diǎn)之后發(fā)生斷裂，稱為韌性斷裂。材料在屈服后產(chǎn)生較大的形變。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第二節(jié) 聚合物的應(yīng)力應(yīng)變特性應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型和脆韌性“軟軟”和“硬硬”用于區(qū)分模量的低或高，“弱弱”和“強(qiáng)強(qiáng)”是指強(qiáng)度的大小，“脆脆”是指無(wú)屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長(zhǎng)很小，“韌韌”是指其斷裂伸長(zhǎng)和斷

4、裂應(yīng)力都較高的情況，有時(shí)可將斷裂功作為“韌性”的標(biāo)志。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第二節(jié) 聚合物的應(yīng)力應(yīng)變特性應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型和脆韌性第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第二節(jié) 聚合物的應(yīng)力應(yīng)變特性應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型和脆韌性1 硬而脆彈性模量較高，斷裂強(qiáng)度中等，不出現(xiàn)屈服點(diǎn)，拉伸度較小時(shí)斷裂。低相對(duì)分子質(zhì)量PS、PMMA、酚醛樹(shù)脂在室溫及室溫以下表現(xiàn)此種狀態(tài)。2 硬而強(qiáng)彈性模量高，斷裂強(qiáng)度大，斷裂伸長(zhǎng)率約5%，破壞出現(xiàn)在屈服點(diǎn)附近。高相對(duì)分子質(zhì)量的PS、PMMA或硬PVC屬此類。3 強(qiáng)而韌彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂伸長(zhǎng)率都很高，伸長(zhǎng)率也大，曲線下覆蓋的面積也大。

5、尼龍、PC、POM、醋酸纖維屬此類。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第二節(jié) 聚合物的應(yīng)力應(yīng)變特性應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型和脆韌性4 軟而韌彈性模量高，屈服應(yīng)力低，斷裂伸長(zhǎng)大，約20%1000%，斷裂強(qiáng)度高。軟PVC及硫化橡膠屬此類。5 軟而弱彈性模量低，斷裂強(qiáng)度也低，斷裂伸長(zhǎng)中等。高聚物的軟凝膠、低相對(duì)分子質(zhì)量聚合物屬此類。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線AYBC玻璃態(tài)聚合物典型玻璃態(tài)聚合物典型的應(yīng)力的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線Tg以下進(jìn)行的拉伸第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為

6、1 0-A段 形變?yōu)閺椥孕巫儯ㄆ諒椥巫儯?，?yīng)力-應(yīng)變成正比。符合虎克定律=E。此高模量、小形變的彈性行為由高分子的鍵長(zhǎng)、鍵角的變化引起。AYBC玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為AYBC玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2 A-B段 形變?yōu)閺?qiáng)迫高彈形變。這段明顯展示了高分子在Tg以下不該有的鏈段運(yùn)動(dòng)行為，但由于外力不斷增大的作用，達(dá)到了鏈段運(yùn)動(dòng)的能量，所以玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間與應(yīng)變速率在同一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，使材料產(chǎn)生了大的形變。形變完全由于外力作用下導(dǎo)致鏈段運(yùn)動(dòng)，稱強(qiáng)迫高彈形變。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能

7、高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線AYBC強(qiáng)迫高彈形變?cè)赥b-Tg之間才能在外力作用下產(chǎn)生。去除外力形變不能自行恢復(fù)。因?yàn)樵赥g以下，缺少鏈段運(yùn)動(dòng)的能量，但加熱到Tg以上形變又可恢復(fù)，因?yàn)門g以上鏈段又可以運(yùn)動(dòng)了。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線AYBC屈服點(diǎn)產(chǎn)生的原因：上升是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的分子間作用力保持著固定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)外力作用時(shí)，只要沒(méi)達(dá)到一個(gè)確定的值，材料內(nèi)部的分子間作用力及結(jié)構(gòu)都不會(huì)變化，但一旦外力超過(guò)了這一確定值時(shí)，材料內(nèi)部的分子間作用力及結(jié)構(gòu)就無(wú)法再支撐了，開(kāi)始解體。形成

8、屈服點(diǎn)。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線AYBC應(yīng)變軟化（Strain softening）：高聚物在Tb-Tg之間進(jìn)行拉伸時(shí)，在屈服點(diǎn)之前曲線先上升，到了高點(diǎn)后又下降。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線AYBC應(yīng)變軟化產(chǎn)生的原因：拉伸時(shí)截面積變小，所施加的外力減?。?拉伸時(shí)由于分子運(yùn)動(dòng)的摩擦力所導(dǎo)致的放熱，使分子運(yùn)動(dòng)方便，所用的應(yīng)力會(huì)減??；由于Tg以下，物理交聯(lián)點(diǎn)多，拉伸后交聯(lián)點(diǎn)破壞了許多，到了屈服點(diǎn)這種破壞達(dá)到一定程度，致使應(yīng)力下降。第八章第八章 高聚物

9、的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線平穩(wěn)區(qū)：應(yīng)力變化不大，形變變化很大。因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的結(jié)構(gòu)還在繼續(xù)破壞，同時(shí)分子鏈段又在順著外力方向運(yùn)動(dòng)或逐步排列取向。AYBC第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為AYBC玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線3 B-C段 應(yīng)變硬化(Strain hardening)階段：主要形成原因是大量的分子鏈段不斷伸展排列后繼續(xù)拉伸，導(dǎo)致了整個(gè)分子鏈的取向排列，使材料強(qiáng)度進(jìn)一步提高，需要更大外力進(jìn)行拉伸，應(yīng)力迅速上升，直到斷裂。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行

10、為玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變硬化主要由整個(gè)大分子的運(yùn)動(dòng)所致，形變不可逆，是永久性的。由于它是在強(qiáng)力作用下發(fā)生的大分子鏈的相對(duì)滑脫，又稱冷流。AYBC 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(wú)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?cè)诒举|(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(dòng)，它只是在大外力的作用下的一種鏈段運(yùn)動(dòng)。為區(qū)別于普通的高彈形變，可稱之為強(qiáng)強(qiáng)迫高彈性迫高彈性。 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，脆性斷裂，一般材料在發(fā)生脆性

11、斷裂之前只發(fā)生很小的形變。而在材料屈服之后的斷裂，則稱為韌性斷裂韌性斷裂。存在一個(gè)特征溫度存在一個(gè)特征溫度Tb ，只，只要溫度低于要溫度低于Tb，玻璃態(tài)高聚，玻璃態(tài)高聚物就不能發(fā)生物就不能發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變，而必定發(fā)生脆性斷裂，這個(gè)而必定發(fā)生脆性斷裂，這個(gè)溫度稱為溫度稱為脆化溫度脆化溫度Tb。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1 0-Y段 應(yīng)力隨應(yīng)變線性增加，符合虎克定律，為普彈形變。試樣被均勻拉長(zhǎng)，到達(dá)Y點(diǎn)后，試樣突然出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)“細(xì)頸”。N

12、DC晶態(tài)聚合物的應(yīng)晶態(tài)聚合物的應(yīng)力力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線.swf第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為NDC晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2 N-D段 細(xì)頸發(fā)展階段。伸長(zhǎng)不斷增加，應(yīng)力幾乎不變。拉伸應(yīng)變值可達(dá)100%-1000%，直到整個(gè)試樣變細(xì)。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線NDC3 D-C段 已被細(xì)頸化的試樣重新被均勻拉伸，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾樱钡綌嗔?。力學(xué)拉伸力學(xué)拉伸.swf.swf第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線NDC冷拉（

13、Cold drawing）： 本質(zhì)上是受迫高彈形變。主要原因是鏈段受晶格的束縛，只有在一定的拉力下才能有助于大分子鏈段克服這種束縛而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的形變。當(dāng)去掉外力，加熱到接近熔點(diǎn)的溫度，可以恢復(fù)原狀。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線NDC平臺(tái)區(qū)產(chǎn)生的原因：1）破壞晶格，減少?gòu)?qiáng)度；2）分子取向，增加強(qiáng)度；二者抵消。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線NDC應(yīng)變硬化：在更強(qiáng)的外力下已經(jīng)取向的分子又高度取向，形成新的晶體，更高一級(jí)的晶體，所以強(qiáng)度更高，直到斷裂。各種

14、情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a) Different temperaturea: TTg 脆斷脆斷b: TTg 屈服后斷屈服后斷c: TTg 幾十度幾十度 韌斷韌斷d: Tg以上以上 無(wú)屈服無(wú)屈服 TTExample-PVC第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為(b) Different strain rate.4.3.2.1Strain rate時(shí)溫等效原理：拉伸速度時(shí)溫等效原理：拉伸速度快快=時(shí)間短時(shí)間短溫度低溫度低速度各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為a: 脆性材料 c: 韌性材料d: 橡膠

15、b: 半脆性材料酚醛或環(huán)氧樹(shù)脂PP, PE, PCPS, PMMANature rubber, PI(c) Composition of Polymers 物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為(d) Crystallization 結(jié)晶應(yīng)變軟化更應(yīng)變軟化更明顯明顯冷拉時(shí)晶片的傾斜、冷拉時(shí)晶片的傾斜、滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)，形成微滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)，形成微晶或微纖束晶或微纖束各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破

16、壞行為各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(e) The Size of Spherulites 球晶大小第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(f) The Degree of Crystallization 結(jié)晶度第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的因素1 溫度的影響溫度的影響溫度上升，斷裂強(qiáng)度下降。溫度上升，斷裂強(qiáng)度下降。隨溫度上升材料由硬而脆轉(zhuǎn)隨溫度上升材料由硬而脆轉(zhuǎn)為軟而韌。為軟而韌。溫度低，鏈段運(yùn)動(dòng)困難，形溫度低，鏈段運(yùn)動(dòng)困難，形變??；溫度高，鏈段運(yùn)動(dòng)容易變??；溫度高，鏈段

17、運(yùn)動(dòng)容易，形變大，斷裂伸長(zhǎng)加大。，形變大，斷裂伸長(zhǎng)加大。TT第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的因素TgTTbyb0溫度越低，屈服應(yīng)力越高，溫度越低，屈服應(yīng)力越高，斷裂應(yīng)力越高，但屈服應(yīng)力斷裂應(yīng)力越高，但屈服應(yīng)力比斷裂應(yīng)力曲線上升得快。比斷裂應(yīng)力曲線上升得快。當(dāng)當(dāng)b=y時(shí)，時(shí)，T=Tb(脆化溫脆化溫度）度）Tb以下晶態(tài)和非晶態(tài)都不能以下晶態(tài)和非晶態(tài)都不能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變。產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變。當(dāng)當(dāng)by時(shí)，拉伸中出現(xiàn)強(qiáng)時(shí)，拉伸中出現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變。迫高彈形變。當(dāng)當(dāng)by時(shí)，

18、拉伸中不出現(xiàn)時(shí)，拉伸中不出現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變。強(qiáng)迫高彈形變。脆韌轉(zhuǎn)變溫度脆韌轉(zhuǎn)變溫度 TbTb is also called brittle temperature.Brittle ductile transition 脆韌轉(zhuǎn)變?cè)谝欢ㄋ俾氏拢ú煌瑴囟龋y(cè)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脆化溫度，脆化點(diǎn)脆化溫度，脆化點(diǎn)第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的因素第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的因素脆性斷裂和韌性斷裂判斷脆性斷裂和韌性斷裂判斷TTb, 先達(dá)到

19、y，韌韌性斷裂第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的因素 T TbTb越低材料韌性越越低材料韌性越對(duì)材料一般使用溫度一般使用溫度為哪一段？第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的因素Tg=150CTb=-20C室溫下易不易碎？室溫下易不易碎？PC聚碳酸酯聚碳酸酯PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100C室溫下脆還是韌？室溫下脆還是韌？第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的因素Tb=90C第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高

20、聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的因素2 形變速率的影響形變速率的影響1） 形變速率上升（相當(dāng)于溫度下降）形變速率上升（相當(dāng)于溫度下降） 被拉伸材料會(huì)被拉伸材料會(huì)從軟而韌趨向于硬而脆。即外力作用時(shí)間短，鏈段來(lái)不從軟而韌趨向于硬而脆。即外力作用時(shí)間短，鏈段來(lái)不及運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力就要增加，斷裂伸長(zhǎng)及韌性減小。及運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力就要增加，斷裂伸長(zhǎng)及韌性減小。2） 形變速率下降（相當(dāng)于溫度上升）形變速率下降（相當(dāng)于溫度上升） 外力作用時(shí)間外力作用時(shí)間增大到與松弛時(shí)間同一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，拉伸時(shí)表現(xiàn)出較大增大到與松弛時(shí)間同一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，拉伸時(shí)表現(xiàn)出較大的形變和較低的溫度。的形變和較低的溫度。第

21、八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的因素HDPE(1)和和LDPE(2)拉伸拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲的應(yīng)力應(yīng)變曲線線第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第三節(jié) 聚合物的拉伸破壞行為晶態(tài)聚合物與玻璃態(tài)聚合物拉伸破壞情況的異同1 兩者拉伸均出現(xiàn)細(xì)頸。玻璃態(tài)高聚物只有在Tb-Tg之間才出現(xiàn)細(xì)頸；結(jié)晶態(tài)高聚物在Tb-Tm之間才出現(xiàn)細(xì)頸。2 兩者所產(chǎn)生的大形變，本質(zhì)上都是在外力作用下產(chǎn)生的強(qiáng)迫高彈形變，加熱后可以恢復(fù)。玻璃態(tài)高聚物的形變要加熱到Tg以上才能恢復(fù)；結(jié)晶態(tài)高聚物的形變要加熱到Tm以上才能恢復(fù)。3 玻璃態(tài)高聚物在拉伸過(guò)程中沒(méi)有相變過(guò)程，

22、只有分子鏈的取向；結(jié)晶態(tài)高聚物在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生相變，包括結(jié)晶破壞，分子取向而后再結(jié)晶的過(guò)程。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度：拉伸強(qiáng)度：在規(guī)定的溫度、濕度及加載速度下，在規(guī)定的溫度、濕度及加載速度下，在標(biāo)準(zhǔn)試樣上沿軸向施加拉伸力直至斷裂時(shí)試在標(biāo)準(zhǔn)試樣上沿軸向施加拉伸力直至斷裂時(shí)試樣所承受的最大載荷樣所承受的最大載荷p p與試樣截面積與試樣截面積A A的比值。的比值。沖擊強(qiáng)度：沖擊強(qiáng)度：也叫做抗沖擊強(qiáng)度，是衡量材料也叫做抗沖擊強(qiáng)度，是衡量材料韌性的一種強(qiáng)度指標(biāo)。為試樣受沖擊載荷韌性的一種強(qiáng)度指標(biāo)。為試樣受沖擊載荷W

23、W而破裂時(shí)單位截面積所吸收的能量。而破裂時(shí)單位截面積所吸收的能量。抗彎強(qiáng)度：抗彎強(qiáng)度：也叫做撓曲強(qiáng)度。是在規(guī)定的實(shí)也叫做撓曲強(qiáng)度。是在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣施加靜變曲力矩，直到驗(yàn)條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣施加靜變曲力矩，直到試樣斷裂時(shí)為止的最大載荷試樣斷裂時(shí)為止的最大載荷p p。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度高分子鍵斷裂及分子間作用力破壞的示意高分子鍵斷裂及分子間作用力破壞的示意.swf.swf1 1 化學(xué)鍵斷裂化學(xué)鍵斷裂高聚物的斷裂必須破壞

24、截面積上所有的分子鍵。高聚物的斷裂必須破壞截面積上所有的分子鍵。理論強(qiáng)度為：理論強(qiáng)度為：2 21010 10 10 N/MN/M2 2 分子間滑脫分子間滑脫高聚物的斷裂必須是分子間的氫鍵、范德華力全部破高聚物的斷裂必須是分子間的氫鍵、范德華力全部破壞。壞。3 3 范德華力和氫鍵破壞范德華力和氫鍵破壞高聚物的斷裂須是分子間的氫鍵、范德華力部分破壞。高聚物的斷裂須是分子間的氫鍵、范德華力部分破壞。理論強(qiáng)度與實(shí)際測(cè)得的高度取向的纖維的強(qiáng)度比較接近，理論強(qiáng)度與實(shí)際測(cè)得的高度取向的纖維的強(qiáng)度比較接近，屬同數(shù)量級(jí)。屬同數(shù)量級(jí)。在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物

25、理論斷裂強(qiáng)度在幾千強(qiáng)度在幾千MPaMPa，而實(shí)際只有幾十，而實(shí)際只有幾十Mpa Mpa 。WHYWHY？e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryeriment)100011001(exp第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度高分子材料實(shí)高分子材料實(shí)際強(qiáng)度與理論際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的比較強(qiáng)度的比較第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的原因：實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的原因： 1.1.理論計(jì)算中假定分子是較規(guī)則排列或高度取向理

26、論計(jì)算中假定分子是較規(guī)則排列或高度取向的，實(shí)際上任何材料都不可能達(dá)到理論假設(shè)的規(guī)的，實(shí)際上任何材料都不可能達(dá)到理論假設(shè)的規(guī)則排列或高度取向狀態(tài)；則排列或高度取向狀態(tài)；2.2.材料結(jié)構(gòu)中存在各種缺陷，或是裂縫，或是雜材料結(jié)構(gòu)中存在各種缺陷，或是裂縫，或是雜質(zhì)氣泡空洞，或是端基等，缺陷處應(yīng)力集中，材質(zhì)氣泡空洞，或是端基等，缺陷處應(yīng)力集中，材料容易從此處破壞；料容易從此處破壞；3.3.材料在運(yùn)輸和使用中經(jīng)摩擦容易在表面產(chǎn)生劃材料在運(yùn)輸和使用中經(jīng)摩擦容易在表面產(chǎn)生劃痕，使強(qiáng)度下降。痕，使強(qiáng)度下降。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度p

27、olymer based concrete containing spherical inorganic particlesfatigue fracture surface第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論斷裂的裂縫理論（ Griffith crack theory）為什么材料的實(shí)際強(qiáng)為什么材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度？度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度？存在缺陷存在缺陷為什么在缺陷處斷裂？為什么在缺陷處斷裂？缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力多大？缺陷處應(yīng)力多大？Griffith theory第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚

28、物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論斷裂的裂縫理論考察橢圓周圍什么地方受力最大？應(yīng)力集中處（多大？）應(yīng)力集中處（多大？）Ellipsoidab第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論斷裂的裂縫理論)21 (0bat當(dāng)當(dāng)ab時(shí)，縫尖端處的最大應(yīng)力為：時(shí)，縫尖端處的最大應(yīng)力為：m=0(1+2 a/)20 a/)a:裂縫長(zhǎng)度之半； :裂縫尖端的曲率半徑。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論斷裂的裂縫理論結(jié)論：結(jié)論： 1.1.只要材料存在裂縫，就必定有應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力只要材料存在裂縫，就必定有應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中到

29、一定程度時(shí)，即超過(guò)了分子或原子之間的作集中到一定程度時(shí)，即超過(guò)了分子或原子之間的作用力，材料就斷裂破壞；用力，材料就斷裂破壞；2.2.如果要增加材料的強(qiáng)度，就要設(shè)法消除裂縫或鈍如果要增加材料的強(qiáng)度，就要設(shè)法消除裂縫或鈍化它。比如用氫氟酸處理粗玻璃纖維，其強(qiáng)度會(huì)顯化它。比如用氫氟酸處理粗玻璃纖維，其強(qiáng)度會(huì)顯著提高。著提高。3.3.測(cè)定強(qiáng)度的樣品必須有一定的規(guī)格尺寸。測(cè)定強(qiáng)度的樣品必須有一定的規(guī)格尺寸。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論斷裂的裂縫理論銀紋銀紋：銀紋：高聚物材料處于玻璃態(tài)時(shí)，常常出現(xiàn)一些微細(xì)的裂高聚物材料處于玻璃態(tài)時(shí)，常常出現(xiàn)一些微

30、細(xì)的裂紋，這些裂紋由于光的反射，好像湖面上閃亮的鱗紋，這些裂紋由于光的反射，好像湖面上閃亮的鱗波，稱為銀紋。波，稱為銀紋。銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，是聚合物在張應(yīng)力作用銀紋現(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(zhǎng)度為于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長(zhǎng)度為100m100m，寬度為，寬度為10m10m左右，左右，厚度為厚度為1m1m的微細(xì)凹槽現(xiàn)象。的微細(xì)凹槽現(xiàn)象。特征：應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，密度為本體的特征：應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，密度為本體

31、的5050，高度取，高度取向的高分子微纖。銀紋進(jìn)一步發(fā)展向的高分子微纖。銀紋進(jìn)一步發(fā)展裂縫裂縫脆性斷脆性斷裂。裂。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論斷裂的裂縫理論銀紋分分類類環(huán)境銀紋環(huán)境銀紋溶劑銀紋溶劑銀紋應(yīng)力銀紋應(yīng)力銀紋一些透明的高聚物，一些透明的高聚物，如如PSPS、PCPC、PMMAPMMA等熱塑等熱塑性塑料最易產(chǎn)生銀紋。性塑料最易產(chǎn)生銀紋。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論銀紋方向和分子鏈方向銀紋不是空的，銀紋體的密銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的度為本體密度的50%50%，折

32、光指，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，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因此在銀紋和本體之間的界面上將對(duì)光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，上將對(duì)光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會(huì)使稱應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會(huì)使銀紋消失銀紋消失 。斷裂的裂縫理論銀紋第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論斷裂的裂縫理論銀紋裂紋裂紋.swf.swf銀紋與裂紋的區(qū)別：銀紋與裂紋的區(qū)別：1.1.裂縫的質(zhì)量為零，銀紋的質(zhì)量不為零，密度裂縫的質(zhì)量為零，銀紋的質(zhì)量不為零，密度相當(dāng)于本體密度的相當(dāng)于本體密度的40%

33、40%60%60%。2.2.銀紋具有可逆性，加熱到銀紋具有可逆性，加熱到TgTg以上可以消除，以上可以消除，光學(xué)性質(zhì)可與無(wú)銀紋一樣。裂縫只能靠腐蝕表光學(xué)性質(zhì)可與無(wú)銀紋一樣。裂縫只能靠腐蝕表面來(lái)消除。面來(lái)消除。3.3.銀紋仍具有強(qiáng)度。如銀紋仍具有強(qiáng)度。如PSPS塑料發(fā)生銀紋后仍具塑料發(fā)生銀紋后仍具有一半以上的拉伸強(qiáng)度。能吸收能量，提高沖有一半以上的拉伸強(qiáng)度。能吸收能量，提高沖擊強(qiáng)度，有一定的韌性。擊強(qiáng)度，有一定的韌性。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論Griffith crack theory 斷裂理論討論什么時(shí)候裂紋開(kāi)始擴(kuò)展討論什么時(shí)候裂紋開(kāi)

34、始擴(kuò)展aEGccE-彈性儲(chǔ)存能彈性儲(chǔ)存能Gc-拉伸過(guò)程中材料所吸收的能量拉伸過(guò)程中材料所吸收的能量a-裂縫長(zhǎng)度的一半裂縫長(zhǎng)度的一半裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力Griffith從能量平衡的觀點(diǎn)分析斷裂過(guò)程，結(jié)果：從能量平衡的觀點(diǎn)分析斷裂過(guò)程，結(jié)果：第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論影響高聚物實(shí)際強(qiáng)度的因素1 1 內(nèi)因的影響內(nèi)因的影響1 1） 鏈結(jié)構(gòu)的影響鏈結(jié)構(gòu)的影響有極性基團(tuán)或形成氫鍵時(shí)，明顯提高材料的強(qiáng)度。有極性基團(tuán)或形成氫鍵時(shí)，明顯提高材料的強(qiáng)度。一些高分子的拉伸強(qiáng)度一些高分子的拉伸強(qiáng)度名稱名稱 拉伸強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度（MPaMPa）名

35、稱）名稱 拉伸強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度（MPaMPa）PE 20 PC 67 PE 20 PC 67 PVC 50 PET 80PVC 50 PET 80NYLON-610 60 NYLON-610 60 NYLON-66 83NYLON-66 83第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論影響高聚物實(shí)際強(qiáng)度的因素支化的影響：支化的影響：LDPELDPE、MDPEMDPE、HDPEHDPE的拉伸強(qiáng)度依次增加，老化性的拉伸強(qiáng)度依次增加，老化性能依次增強(qiáng)，伸長(zhǎng)率依次減小。能依次增強(qiáng)，伸長(zhǎng)率依次減小。交聯(lián)的影響：交聯(lián)的影響：既提高拉伸強(qiáng)度，又提高沖擊強(qiáng)度。既提高拉伸

36、強(qiáng)度，又提高沖擊強(qiáng)度。相對(duì)分子質(zhì)量的影響：相對(duì)分子質(zhì)量的影響：M拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度與相對(duì)分拉伸強(qiáng)度與相對(duì)分子質(zhì)量的關(guān)系子質(zhì)量的關(guān)系第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論影響高聚物實(shí)際強(qiáng)度的因素2 2） 取向與結(jié)晶的影響取向與結(jié)晶的影響取向提高了材料的強(qiáng)度。取向提高了材料的強(qiáng)度。結(jié)晶度越高，材料強(qiáng)度越大；結(jié)晶度太高，材結(jié)晶度越高，材料強(qiáng)度越大；結(jié)晶度太高，材料的斷裂伸長(zhǎng)和沖擊性能下降。料的斷裂伸長(zhǎng)和沖擊性能下降。結(jié)晶的形態(tài)、尺寸對(duì)材料的強(qiáng)度也有很大影響：結(jié)晶的形態(tài)、尺寸對(duì)材料的強(qiáng)度也有很大影響：小球晶賦予材料較高的拉伸強(qiáng)度，大球晶賦予材小球晶賦予材料

37、較高的拉伸強(qiáng)度，大球晶賦予材料較低的拉伸強(qiáng)度；伸直鏈晶體拉伸強(qiáng)度最大，料較低的拉伸強(qiáng)度；伸直鏈晶體拉伸強(qiáng)度最大，球晶最小，串晶介于兩者之間。球晶最小，串晶介于兩者之間。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論影響高聚物實(shí)際強(qiáng)度的因素3)3)應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中對(duì)材料的強(qiáng)度影響很大。但如果對(duì)有應(yīng)力集中對(duì)材料的強(qiáng)度影響很大。但如果對(duì)有缺陷的材料進(jìn)行某些有效的處理，則能提高材缺陷的材料進(jìn)行某些有效的處理，則能提高材料的強(qiáng)度。料的強(qiáng)度。4)4)增塑劑的影響增塑劑的影響增塑劑含量上升，拉伸強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率增大。增塑劑含量上升，拉伸強(qiáng)度降低，伸

38、長(zhǎng)率增大。在一定增塑劑含量下，沖擊強(qiáng)度上升，有一定在一定增塑劑含量下，沖擊強(qiáng)度上升，有一定最大值，若再加大含量，則沖擊強(qiáng)度顯著下降。最大值，若再加大含量，則沖擊強(qiáng)度顯著下降。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第四節(jié) 高聚物的內(nèi)聚力與高聚物的斷裂理論影響高聚物實(shí)際強(qiáng)度的因素2 2 外因的影響外因的影響施力強(qiáng)度大，材料面臨的破壞危險(xiǎn)大。施力強(qiáng)度大，材料面臨的破壞危險(xiǎn)大。施力速度快，分子鏈段運(yùn)動(dòng)跟不上外力的作用，施力速度快，分子鏈段運(yùn)動(dòng)跟不上外力的作用，分子呈現(xiàn)剛性，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度上升，斷裂時(shí)將成為分子呈現(xiàn)剛性，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度上升，斷裂時(shí)將成為脆性斷裂。脆性斷裂。若拉伸速度與分子鏈段運(yùn)動(dòng)的松

39、弛時(shí)間相匹配，若拉伸速度與分子鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間相匹配，材料在斷裂前出現(xiàn)屈服，產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變，斷裂材料在斷裂前出現(xiàn)屈服，產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變，斷裂為韌性斷裂。為韌性斷裂。施力時(shí)溫度高，分子運(yùn)動(dòng)比較容易，材料顯得柔施力時(shí)溫度高，分子運(yùn)動(dòng)比較容易，材料顯得柔韌些；反之材料顯示剛性、發(fā)脆。韌些；反之材料顯示剛性、發(fā)脆。對(duì)同一材料，降低溫度與提高作用力等效。對(duì)同一材料，降低溫度與提高作用力等效。第八章第八章 高聚物的力學(xué)性能高聚物的力學(xué)性能第五節(jié) 高聚物的增強(qiáng)活性粒子活性粒子（ Powder）纖維纖維 Fiber C ，SiO2Glass fiber, Carbon fiberPolyesterFiller填料增強(qiáng)途徑第八章第八章 高聚物