第八章聚合物的屈服與斷裂

1、8.1.1非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線8.1聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服 研究材料強度和破壞的重要實驗手段是測量材料的研究材料強度和破壞的重要實驗手段是測量材料的拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)力- -應(yīng)變特性。應(yīng)變特性。 將材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，以規(guī)定的速度均勻拉伸，測將材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，以規(guī)定的速度均勻拉伸，測量試樣上的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，直到試樣破壞。量試樣上的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，直到試樣破壞。圖圖8-1 8-1 啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣 常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖8-18-1所示，試樣中部為測試所示，試樣中部為測試部分，標(biāo)距長度為部分，標(biāo)距長度為l l

2、0 0，初始截面積為初始截面積為A A0 0。 設(shè)以一定的力設(shè)以一定的力 F F 拉伸拉伸試樣，使兩標(biāo)距間的長度試樣，使兩標(biāo)距間的長度增至增至 ，定義試樣中的應(yīng)，定義試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)椋毫蛻?yīng)變?yōu)椋?l0AF000lllll圖圖8-2 非晶態(tài)聚合物非晶態(tài)聚合物典型的拉伸應(yīng)力典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖應(yīng)變曲線示意圖 曲線特征：曲線特征：（1 1）OAOA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力應(yīng)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，直線斜率變呈直線關(guān)系變化，直線斜率 相當(dāng)于材料相當(dāng)于材料彈性模量。彈性模量。 Edd（2）越過）越過A點，應(yīng)力應(yīng)變曲線偏離直線，說明材料開點，應(yīng)力

3、應(yīng)變曲線偏離直線，說明材料開始發(fā)生塑性形變，極大值始發(fā)生塑性形變，極大值Y點稱材料的屈服點，其對應(yīng)點稱材料的屈服點，其對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強度）的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強度） 和屈服和屈服應(yīng)變應(yīng)變 。發(fā)生屈服時，試樣上某一局部會出現(xiàn)。發(fā)生屈服時，試樣上某一局部會出現(xiàn)“細頸細頸”現(xiàn)現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降，發(fā)生象，材料應(yīng)力略有下降，發(fā)生“屈服軟化屈服軟化”。（3 3）隨著應(yīng)變增加，在很長一個范圍內(nèi)曲線基本平坦，）隨著應(yīng)變增加，在很長一個范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細頸細頸”區(qū)越來越大。直到拉伸應(yīng)變很大時，材料應(yīng)力又區(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）

4、，到達略有上升（成頸硬化），到達B B點發(fā)生斷裂。與點發(fā)生斷裂。與B B點對應(yīng)的點對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強度（或斷裂強度）應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強度（或斷裂強度） 和和斷裂伸長率斷裂伸長率 ，它們是材料發(fā)生破壞的極限強度和極，它們是材料發(fā)生破壞的極限強度和極限伸長率。限伸長率。 BBBdW0（4 4）曲線下的面積等于）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，單位為相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，單位為J Jm m-3-3，稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個物理量。稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個物理量。 A 彈性極限應(yīng)變彈性極限應(yīng)變 A彈性極限應(yīng)力彈

5、性極限應(yīng)力 B 斷裂伸長率斷裂伸長率 B斷裂強度斷裂強度 Y 屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力Y point: Yielding point 屈服點屈服點A point: Point of elastic limit 彈性極限點彈性極限點AAEB point: Breaking point 斷裂點斷裂點y1、溫度的影響、溫度的影響 環(huán)境溫度對高分子材環(huán)境溫度對高分子材料拉伸行為的影響十分料拉伸行為的影響十分顯著。顯著。溫度升高，分子鏈段熱溫度升高，分子鏈段熱運動加劇，松弛過程加運動加劇，松弛過程加快，表現(xiàn)出材料模量和快，表現(xiàn)出材料模量和強度下降，伸長率變大，強度下降，伸長率變大，應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀發(fā)應(yīng)力應(yīng)變曲線

6、形狀發(fā)生很大變化。生很大變化。 圖圖8-4 8-4 聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力- -應(yīng)變應(yīng)變曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）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溫度升到Tg附近，形變方可回復(fù)，因此，這種附近，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，其分子機理主要是高分子的鏈段運動，形變，其分子機理主要是高分子的鏈段運動，它只是在大外力的作用下的一種

7、鏈段運動。為它只是在大外力的作用下的一種鏈段運動。為區(qū)別于普通的高彈形變，可稱之為區(qū)別于普通的高彈形變，可稱之為強迫高彈性強迫高彈性。 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)下的拉伸、屈服、斷裂的情形。對于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于環(huán)境溫度處于 時，雖然材料處于玻璃態(tài)，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（參見圖之幾百的大變形（參見圖8-48-4中中T T = 80= 80，6060的情的情形），這種變

8、形稱強迫高彈形變。形），這種變形稱強迫高彈形變。bTTgT非晶聚合物的強迫高彈形變非晶聚合物的強迫高彈形變 （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迫）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迫發(fā)生運動、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這發(fā)生運動、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強迫高彈形變在外力撤消后，通過適當(dāng)升溫（種強迫高彈形變在外力撤消后，通過適當(dāng)升溫（ ）仍可）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)?；謴?fù)或部分恢復(fù)。 TgT（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）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。這是一種獨特的力學(xué)行為。流態(tài)

9、下的粘性流動。這是一種獨特的力學(xué)行為。（3）強迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說明提高應(yīng)力可以促進分子鏈）強迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說明提高應(yīng)力可以促進分子鏈段在作用力方向上的運動，如同升高溫度一樣，起到某種段在作用力方向上的運動，如同升高溫度一樣，起到某種“活化活化”作用。從鏈段的松弛運動來講，提高應(yīng)力降低了鏈作用。從鏈段的松弛運動來講，提高應(yīng)力降低了鏈段在作用力方向上的運動活化能，減少了鏈段運動的松弛時段在作用力方向上的運動活化能，減少了鏈段運動的松弛時間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過勢壘而運動。間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過勢壘而運動。 討論討論在在Tg以下，由于聚合物處于玻璃態(tài)，即使外力以下，由

10、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，一一般材料在發(fā)生脆性斷裂之前只發(fā)生很小的形變。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，則稱為而在材料屈服之后的斷裂，則稱為韌性斷裂韌性斷裂。v 存在一個特征溫度存在一個特征溫度Tb ，只要溫度低于只要溫度低于Tb，玻璃玻璃態(tài)高聚物就不能發(fā)生強迫高彈形變，而必定發(fā)態(tài)高聚物就不能發(fā)生強迫高彈形變，而必定發(fā)生脆性斷裂，這個溫度稱為脆化溫度生脆性斷裂，這個溫度稱為脆化溫度Tb。圖圖8-5 8-5

11、 斷裂強度和屈服強度隨溫度的變化趨勢斷裂強度和屈服強度隨溫度的變化趨勢 虛線虛線高拉伸速率高拉伸速率 實線實線低拉伸速率低拉伸速率 材料的拉伸斷裂強度材料的拉伸斷裂強度 和屈服強度和屈服強度 隨環(huán)境溫度而隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化，屈服強度受溫度變化的影響更大些。發(fā)生變化，屈服強度受溫度變化的影響更大些。 By 在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆- -韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點對應(yīng)的溫度稱脆對應(yīng)的溫度稱脆- -韌轉(zhuǎn)變溫度韌轉(zhuǎn)變溫度 。 bT 當(dāng)環(huán)境溫度小于當(dāng)環(huán)境溫度小于 時，時，材料的材料的 ，受外，受外力作用時，材料未屈服前力作用時，材料未屈服前先已斷裂，呈脆性斷裂

12、特先已斷裂，呈脆性斷裂特征。征。 BybT 環(huán)境溫度高于環(huán)境溫度高于 時，時， ，受外力作，受外力作用時，材料先屈服，出現(xiàn)用時，材料先屈服，出現(xiàn)細頸和很大變形后才斷裂，細頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。呈韌性斷裂特征。 BybT拉伸速率對材料的斷裂強度拉伸速率對材料的斷裂強度 和屈服強度和屈服強度 也有明顯影響也有明顯影響 。2 2、拉伸速率的影響、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，這是時影響，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)。 B圖圖8-68-6斷裂強度

13、和屈服強度隨拉伸速率的變化趨勢斷裂強度和屈服強度隨拉伸速率的變化趨勢實線低環(huán)境溫度 虛線高環(huán)境溫度y 與脆與脆- -韌轉(zhuǎn)變溫度相似，韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線交點，可根據(jù)圖中兩曲線交點，可以定義脆以定義脆- -韌轉(zhuǎn)變（拉伸）韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率速率 。拉伸速率高于。拉伸速率高于 時，材料呈脆性斷裂特征；時，材料呈脆性斷裂特征；低于低于 時，呈韌性斷裂特時，呈韌性斷裂特征。征。 ttt3、環(huán)境壓力的影響、環(huán)境壓力的影響圖圖8-7 聚苯乙烯的應(yīng)力聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線隨環(huán)境壓力的變化（隨環(huán)境壓力的變化（T=31） 右圖可見，右圖可見，PS在低環(huán)境壓力在低環(huán)境壓力（常壓）下呈脆性斷裂特點

14、，（常壓）下呈脆性斷裂特點，強度與斷裂伸長率都很低。隨強度與斷裂伸長率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料強度增著環(huán)境壓力升高，材料強度增高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。韌轉(zhuǎn)變。 研究發(fā)現(xiàn)，對許多非晶聚合研究發(fā)現(xiàn)，對許多非晶聚合物，如物，如PS、PMMA等，其等，其脆脆-韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。有關(guān)。 比較圖比較圖8-48-4和和8-78-7可以發(fā)可以發(fā)現(xiàn)，升高環(huán)境溫度和升高現(xiàn)，升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境壓力都能使高分子材環(huán)境壓力都能使高分子材料發(fā)生脆料發(fā)生脆- -韌轉(zhuǎn)變。但兩種韌轉(zhuǎn)變。但兩種脆脆- -韌轉(zhuǎn)變方式

15、有很大差別。韌轉(zhuǎn)變方式有很大差別。兩種脆兩種脆- -韌轉(zhuǎn)變方式韌轉(zhuǎn)變方式 升高溫度使材料變韌，但其拉伸強度明顯下降。升高溫度使材料變韌，但其拉伸強度明顯下降。 升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時，強度也得到提高，材升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時，強度也得到提高，材料變得強而韌。料變得強而韌。 這兩種不同的脆這兩種不同的脆- -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度為代價。設(shè)計恰當(dāng)?shù)姆椒?，就增韌改性并非一定要以犧牲強度為代價。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度，實現(xiàn)既增韌又有可能在增韌的同時，保持或提高材料的強

16、度，實現(xiàn)既增韌又增強。塑料的非彈性體增韌改性技術(shù)就是由此發(fā)展起來的。增強。塑料的非彈性體增韌改性技術(shù)就是由此發(fā)展起來的。 晶態(tài)聚合物晶態(tài)聚合物“冷拉冷拉”的原因：的原因：Tm以下，冷拉：拉伸成頸（球以下，冷拉：拉伸成頸（球晶中片晶的變形）晶中片晶的變形）非晶態(tài)：非晶態(tài)：Tg以下冷拉，只發(fā)生分以下冷拉，只發(fā)生分子鏈的取向子鏈的取向晶態(tài)：晶態(tài)：Tm以下，發(fā)生結(jié)晶的破以下，發(fā)生結(jié)晶的破壞，取向，再結(jié)晶過程，與溫度、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)有應(yīng)變速率、結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)有關(guān)。關(guān)。晶態(tài)聚合物的晶態(tài)聚合物的“冷拉伸冷拉伸”圖圖8-88-8結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力結(jié)晶聚合物

17、在不同溫度下的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強迫高彈變形，這種形變稱結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強迫高彈變形，這種形變稱“冷拉伸冷拉伸”。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。下圖。 圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔點時（點時（ ），雖然），雖然晶區(qū)尚未熔融，材料也發(fā)晶區(qū)尚未熔融，材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見圖生了很大拉伸變形。見圖中曲線中曲線3 3、4 4、5 5。 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱“冷拉伸冷拉伸”。 TmT（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）發(fā)生冷拉之前，材料有明顯的屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)

18、為試樣測試區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一處或幾處試區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一處或幾處“頸縮頸縮”。隨著冷拉的進行，細頸部。隨著冷拉的進行，細頸部分不斷發(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)全部變細。再繼續(xù)拉伸，應(yīng)力將上升（應(yīng)變整個試樣測試區(qū)全部變細。再繼續(xù)拉伸，應(yīng)力將上升（應(yīng)變硬化），直至斷裂。硬化），直至斷裂。 討論討論（2 2）雖然冷拉伸也屬于強迫高彈形）雖然冷拉伸也屬于強迫高彈形變，但兩者的微觀機理不盡相同。結(jié)變，但兩者的微觀機理不盡相同。結(jié)晶聚合物從遠低于玻璃化溫度直到熔晶聚合物從遠低于玻璃化溫度直到熔點附近一個很大溫區(qū)內(nèi)都能發(fā)生冷拉點附近一個很大

19、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，沿著拉伸方從晶體中被拉出、伸直，沿著拉伸方向排列形成的。向排列形成的。 圖圖8 89 9 球晶拉伸形變時球晶拉伸形變時內(nèi)部晶片變化示意圖內(nèi)部晶片變化示意圖 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。）環(huán)境溫度、拉伸速率、分子

20、量都對冷拉有明顯影響。溫度過低或拉伸速率過高，分子鏈松弛運動不充分，會造溫度過低或拉伸速率過高，分子鏈松弛運動不充分，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，成應(yīng)力集中，使材料過早破壞。溫度過高或拉伸速率過低，分子鏈可能發(fā)生滑移而流動，造成斷裂。分子量較低的聚分子鏈可能發(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、取向以達到防止材料合物，分子鏈短，不能夠充分拉伸、取向以達到防止材料破壞的程度，也會使材料在屈服點后不久就發(fā)生破壞。破壞的程度，也會使材料在屈服點后不久就發(fā)生破壞。 （3）實現(xiàn)強迫高彈形變和冷拉必須有一定條件。關(guān)鍵有）實現(xiàn)強迫高彈形變和冷拉必

21、須有一定條件。關(guān)鍵有兩點，一是材料屈服后應(yīng)表現(xiàn)出軟化效應(yīng)；二是擴大應(yīng)變兩點，一是材料屈服后應(yīng)表現(xiàn)出軟化效應(yīng)；二是擴大應(yīng)變時應(yīng)表現(xiàn)出材料硬化效應(yīng)，軟、硬恰當(dāng)，才能實現(xiàn)大變時應(yīng)表現(xiàn)出材料硬化效應(yīng)，軟、硬恰當(dāng)，才能實現(xiàn)大變形和冷拉。形和冷拉。8.1.3 應(yīng)力一應(yīng)變曲線類型應(yīng)力一應(yīng)變曲線類型“軟軟”和“硬硬”用于區(qū)分模量的低或高，“弱弱”和“強強”是指強度的大小，“脆脆”是指無屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長很小，“韌韌”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）硬而韌型 此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強度都很高，斷裂伸長率也很大，

22、應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積度都很高，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。很大，說明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。（1）硬而脆型）硬而脆型 此類材料彈性模量高（此類材料彈性模量高（OA段斜率大）而斷段斜率大）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，斷裂強度較高。在室溫或室溫之下，聚苯乙烯、聚甲裂，斷裂強度較高。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?；┧峒柞ァ⒎尤渲缺憩F(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。（2）硬而強型）硬而強型 此類材料彈性模量高，斷裂強度高，

23、斷裂此類材料彈性模量高，斷裂強度高，斷裂伸長率小。通常材料拉伸到屈服點附近就發(fā)生破壞（大約伸長率小。通常材料拉伸到屈服點附近就發(fā)生破壞（大約為為5%）。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類型。）。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類型。說明說明（5）軟而弱型）軟而弱型 此類材料彈性模量低，斷裂強度低，斷裂此類材料彈性模量低，斷裂強度低，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。性。（4）軟而韌型）軟而韌型 此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長率大（長率大（20%1000%），斷裂強度可能較高，應(yīng)力應(yīng)變）

24、，斷裂強度可能較高，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)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。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、冷拉硬而韌的材料，在拉伸過程中顯示出明顯的屈服、冷拉或細頸現(xiàn)象，細頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的或細頸現(xiàn)象，細頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增大，細頸部分向試樣兩端擴展，直至全部試樣測試區(qū)都增大，細頸部分向試樣兩端擴展，直至全部試樣測試區(qū)都變成細頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維變成細頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維素、硝酸纖維素等屬于這種材料。素、硝酸纖維素等

25、屬于這種材料。注意注意 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，硬而強型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很（如拉伸速率）的影響，硬而強型的硬質(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)出硬而的斷裂伸長率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點。韌型特點。 實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實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屈服和“頸縮頸縮”，有的則沒有；

26、有的材料斷裂強度高于屈服，有的則沒有；有的材料斷裂強度高于屈服強度，有的則屈服強度高于斷裂強度等。強度，有的則屈服強度高于斷裂強度等。因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實驗環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實驗環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。高聚物屈服點前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點高聚物屈服點前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點后高聚物將在恒應(yīng)力下后高聚物將在恒應(yīng)力下“塑性流動塑性流動”，即鏈段沿，即鏈段沿外力方向開始取向。外力方向開始取向。高聚物在屈服點的應(yīng)變相當(dāng)大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)楦呔畚镌谇c的應(yīng)變相當(dāng)大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)?0%-20%（與金屬相比）。（與金屬相比）。屈服點以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)變

27、軟化。屈服點以后，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)生屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產(chǎn)生“銀紋銀紋”或或“剪剪切帶切帶”，繼而整個樣條局部出現(xiàn)，繼而整個樣條局部出現(xiàn)“細頸細頸”。屈服主要特征屈服主要特征彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱為繼續(xù)屈服，包括：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。下跌的現(xiàn)象，原因至今尚不清楚。呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細頸。呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見

28、的為細頸。塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。發(fā)生發(fā)生“取向硬化取向硬化”，應(yīng)力急劇上升。，應(yīng)力急劇上升。試樣斷裂。試樣斷裂。8.2.1 Shear band 剪切帶剪切帶1.定義：韌性聚合物單定義：韌性聚合物單軸拉伸至屈服點時，可軸拉伸至屈服點時，可看到與拉伸方向成看到與拉伸方向成45的剪切滑移變形帶，有的剪切滑移變形帶，有明顯的雙折射現(xiàn)象，分明顯的雙折射現(xiàn)象，分子鏈高度取向，剪切帶子鏈高度取向，剪切帶厚度約厚度約1m左右，每個左右，每個剪切帶又由若干個細小剪切帶又由若干個細小的不規(guī)則微纖構(gòu)成。的不規(guī)則微纖構(gòu)成。剪切屈服帶剪切屈服帶剪切屈服帶是材料內(nèi)部

29、具有高度剪切應(yīng)變的薄層，是在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)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。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聚對苯二甲酸乙二酯中的剪切屈服帶 在拉伸實驗和壓縮實驗中都曾經(jīng)觀察到剪切帶在拉伸實驗和壓縮實驗中都曾經(jīng)觀察到剪切帶,而以壓縮實而以壓縮實驗為多。理論上剪切帶的方向應(yīng)與應(yīng)力方向成驗為多。理論上剪切帶

30、的方向應(yīng)與應(yīng)力方向成45角，由于角，由于材料的復(fù)雜性，實際夾角往往小于材料的復(fù)雜性，實際夾角往往小于45。 橫截面橫截面A0, 受到的受到的應(yīng)力應(yīng)力 0=F/A0拉伸中材料某個面拉伸中材料某個面受力分析受力分析剪切屈服：即在細頸發(fā)生前，試樣表面出現(xiàn)與剪切屈服：即在細頸發(fā)生前，試樣表面出現(xiàn)與拉伸方向成拉伸方向成45度角的剪切帶。度角的剪切帶。WHY？cos0AA cosFFnsinFFs受受 力力200coscos/cosAFn法向應(yīng)力法向應(yīng)力2sin21cossin00AFs剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力抗張強度：抵抗拉力的作用抗張強度：抵抗拉力的作用抗剪強度：抵抗剪力的作用抗剪強度：抵抗剪力的作用兩種兩種

31、當(dāng)應(yīng)力當(dāng)應(yīng)力 0增加時，增加時，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同抗張強度什么面最大？抗張強度什么面最大？ =0 ， n= 0抗剪強度什么面最大？抗剪強度什么面最大？ =45 ， s= 0/2 =0 n= 0 s=0 =45 n= 0/2 s= 0/2 =90 n=0 s=0021sY0212sin2111s2sin21)2( 2sin212212s2sin)(2121s)(2121sYs2121屈服試樣的剪切變形帶和細頸屈服試樣的剪切變形帶和細頸樣條尺寸：橫截面小的地方樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方 出現(xiàn)出現(xiàn)“細頸細頸”

32、的位置的位置自由體積增加自由體積增加松弛時間變短松弛時間變短出現(xiàn)出現(xiàn)“細頸細頸”的原因的原因無外力無外力有外力有外力 OrientationRTEe0RTaEe0細頸細頸:屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細的現(xiàn)象。屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細的現(xiàn)象。為什么會出現(xiàn)細頸？為什么會出現(xiàn)細頸？應(yīng)力最大處。應(yīng)力最大處。哪里的應(yīng)力最大？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，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)長度的取

33、向，以至在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為為100m，寬度為寬度為10m左右，厚度為左右，厚度為1m的微細凹槽現(xiàn)象。的微細凹槽現(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，密度為本體的50，高度取向的高分，高度取向的高分子微纖。銀紋進一步發(fā)展子微纖。銀紋進一步發(fā)展裂縫裂縫脆性斷裂。脆性斷裂。分類分類環(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8.2.3 Crazing 銀紋銀紋拉伸試樣在拉斷前產(chǎn)生銀紋化現(xiàn)象，拉伸試樣在拉斷前產(chǎn)生銀紋化現(xiàn)象，a a圖為圖為聚苯乙烯，聚苯乙烯，b b圖為有機圖為有機玻璃玻璃 注意銀紋方向與應(yīng)力方向垂直注意銀紋方向與應(yīng)力方向垂直銀紋不是空的，

34、銀紋體銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，聚合物本體折光指數(shù)，因此在銀紋和本體之間因此在銀紋和本體之間的界面上將對光線產(chǎn)生的界面上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱閃閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會使銀紋消失會使銀紋消失 。F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變形變形變大幾十形變大幾十幾百幾百%形變小形變小 10%曲線特征曲線特征有明顯的屈服點有明顯的屈服點

35、無明顯的屈服點無明顯的屈服點體積體積體積不變體積不變體積增加體積增加力力剪切力剪切力張應(yīng)力張應(yīng)力結(jié)果結(jié)果冷拉冷拉裂縫裂縫 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)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；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4545和和135135角。角。 無論發(fā)生銀紋或剪切帶，都需要消耗大量能量，從無論發(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

36、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；形成剪切屈服時，材（空穴化現(xiàn)象），體積略有漲大；形成剪切屈服時，材料體積不變。料體積不變。強度是指物強度是指物質(zhì)抵抗破壞質(zhì)抵抗破壞的能力的能力如何區(qū)分斷如何區(qū)分斷裂形式？裂形式？關(guān)鍵看屈服關(guān)鍵看屈服屈服前斷屈服前斷脆性斷裂脆性斷裂屈服后斷屈服后斷韌性斷裂韌性斷裂8.3聚合物的斷裂與強度聚合物的斷裂與強度相比于脆性斷裂，韌性斷裂的斷裂面較為相比于脆性斷裂，韌性斷裂的斷裂面較為試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫此之外，同一材料是發(fā)

37、生脆性或韌性斷裂還與溫度度T 和拉伸速度和拉伸速度 有關(guān)有關(guān)。大小光滑 粗糙斷裂伸長率較斷裂伸長率較脆性斷裂和韌性斷裂表面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理論值理論值e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryeriment)100011001(expfatigue fracture surface 脆性斷裂脆性斷裂 韌性斷裂韌性斷裂屈服屈服 - 線線 b

38、斷裂能斷裂能斷裂表面斷裂表面斷裂原因斷裂原因無無有有無無有有線性線性非線性非線性線性線性 非線性非線性小小大大小小大大小小大大小小大大平滑平滑 粗糙粗糙平滑平滑 粗糙粗糙法向應(yīng)力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力 法向應(yīng)力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力Tb is also called brittle temperature.Brittle ductile transition 脆韌轉(zhuǎn)變脆韌轉(zhuǎn)變脆化溫度，脆化點脆化溫度，脆化點在一定速率下（不在一定速率下（不同溫度）測定的斷同溫度）測定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨溫度的變化應(yīng)力隨溫度的變化曲線曲線TTb, 先達

39、到先達到 y，韌韌性斷裂性斷裂對材料一般使用溫度為哪一段？對材料一般使用溫度為哪一段？ T TbTb越低材料韌性越越低材料韌性越好好差差Tg=150CTb= - 20C室溫下易不易碎？室溫下易不易碎？（1）增加應(yīng)變速率，）增加應(yīng)變速率，脆化溫度如何變化？脆化溫度如何變化？（2）存在缺口，形）存在缺口，形成應(yīng)力集中，趨向于成應(yīng)力集中，趨向于脆性，脆化溫度升高。脆性，脆化溫度升高。為什么材料的實際強度為什么材料的實際強度遠遠低于理論強度？遠遠低于理論強度？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 theor

40、y8.3. 2 Griffith crack theory 斷裂理論斷裂理論考察橢圓周圍什么地方受力最大？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)21 (0bat對圓形，對圓形，a = b03t對橢圓，對橢圓，a 增加，增加，b 減小減小t劇劇烈烈最終結(jié)果就是斷裂最終結(jié)果就是斷裂討論什么時候裂紋開始擴展討論什么時候裂紋開始擴展aEGccE-彈性儲存能彈性儲存能Gc-拉伸過程中材料所吸收的能量拉伸過程中材料所吸收的能量a-裂縫長度的一半裂縫長度的一半裂縫擴展的臨界應(yīng)力裂縫擴展的臨界應(yīng)力Griffith從能量平衡的觀點分析斷裂過程，結(jié)果：從能量

41、平衡的觀點分析斷裂過程，結(jié)果：Critical stress intensity KIcStress intensity factor K1E-彈性儲存能；彈性儲存能；Gc-拉伸過程中材料所吸收的能量拉伸過程中材料所吸收的能量為裂紋擴展阻力為裂紋擴展阻力為裂紋擴展動力為裂紋擴展動力力越強，力越強， 大；裂縫越長，大；裂縫越長，a越大越大臨界應(yīng)力強度KIc裂紋擴展阻力應(yīng)力強度因子K1裂紋擴展動力臨界應(yīng)力強度KIc應(yīng)力強度因子K1裂紋穩(wěn)定穩(wěn)定臨界應(yīng)力強度KIc應(yīng)力強度因子K1裂紋擴展擴展主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：聚合物的拉伸強度與增強聚合物的拉伸強度與增強聚合物的韌性與增韌聚合物的韌性與增韌聚合物的疲勞

42、聚合物的疲勞本章重點及要求：本章重點及要求： 掌握聚合物強度和韌性的影響因素、增強和掌握聚合物強度和韌性的影響因素、增強和增韌的方增韌的方 法與機理。法與機理。教學(xué)目的：教學(xué)目的： 指導(dǎo)選材、改性、加工和使用指導(dǎo)選材、改性、加工和使用。8.4聚合物的強度與韌性聚合物的強度與韌性屈服強度屈服強度斷裂強度斷裂強度拉伸強度拉伸強度 tbdPtb-試樣厚度，試樣厚度，d-試樣寬度試樣寬度P-最大載荷最大載荷1. 拉伸強度拉伸強度主主要要方方式式化學(xué)鍵斷化學(xué)鍵斷裂所需力裂所需力最大最大分子間扯分子間扯離所需力離所需力最小最小通過斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對強度通過斷裂形式分析：分子之間相互作用大

43、小對強度影響最大影響最大極性基團或氫鍵極性基團或氫鍵高高低低拉伸強度拉伸強度 t主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)高高低低適度的交聯(lián)適度的交聯(lián)高高低低結(jié)晶度大結(jié)晶度大高高低低取向好取向好高高低低加入增塑劑加入增塑劑高高低低缺陷存在缺陷存在高高低低溫度高溫度高應(yīng)變速率大應(yīng)變速率大高高低低高高低低拉伸強度拉伸強度 t 活性粒子（活性粒子（ Powder） 纖維纖維 Fiber 液晶液晶 Liquid Crystal C ，SiO2Glass fiber, Carbon fiberPolyesterFiller填料增強途徑增強途徑Carbon black reinforcement橡膠+碳黑增強機理：增強機理：活性粒子吸附大分子，形成鏈間物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)點的作用。交聯(lián)，活性粒子起物理交聯(lián)點的作用。惰性填料？例：惰性填料？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉滑石粉Glass steel boatglassy fiber