高分子物理(北京化工大學)8-1

1、College of Materials Science and Engineering Beijing University of Chemical Technology6學時本章的教學內容、要求和目的教學內容： 聚合物的應力聚合物的應力應變曲線應變曲線 聚合物的屈服聚合物的屈服 聚合物的斷裂與強度聚合物的斷裂與強度重點要求： 會從聚合物應力會從聚合物應力應變曲線獲取信息，掌握屈服和斷裂現象及其機應變曲線獲取信息，掌握屈服和斷裂現象及其機理、韌性和強度的影響理、韌性和強度的影響 因素及增韌、增強方法和機理。因素及增韌、增強方法和機理。學習目的： 能從分子結構、凝聚態(tài)結構和屈服、斷裂特征上對材

2、料的韌性和強度能從分子結構、凝聚態(tài)結構和屈服、斷裂特征上對材料的韌性和強度進行初步判斷，學會聚合物的增韌、增強方法，以滿足其使用要求。進行初步判斷，學會聚合物的增韌、增強方法，以滿足其使用要求。第二十一講第二十一講 聚合物的盈應力聚合物的盈應力應變曲線和屈服應變曲線和屈服主要內容：主要內容： 聚合物的應力聚合物的應力應變曲線應變曲線聚合物的屈服聚合物的屈服 聚合物的屈服現象、機理和屈服判據聚合物的屈服現象、機理和屈服判據 本講重點及要求：本講重點及要求：學會從分子運動角度分析聚學會從分子運動角度分析聚合物的應力合物的應力應變曲線，掌握聚合物屈服現象、應變曲線，掌握聚合物屈服現象、機理和判據。機

3、理和判據。Yielding and Fracture of Polymer 第八章第八章 聚合物的屈服與斷裂聚合物的屈服與斷裂8.1 The stress-strain curves 應力應力-應變曲線應變曲線研究聚合物的極限性質，即在較大外力的持續(xù)作用在較大外力的持續(xù)作用或強大外力的短時作強大外力的短時作后，聚合物發(fā)生大大形變直至宏觀破宏觀破壞壞或斷裂斷裂。Typical stress-strain curve for amorphous polymer at temperature below TgEngineering stress to Engineering stress to en

4、gineering strainengineering strain8.1.1 The stress-strain curves 應力應力-應變曲線應變曲線AAE A 彈性極限應變 A彈性極限應力 B 斷裂伸長率 B斷裂強度 Y 屈服應力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B point: Breaking point 斷裂點斷裂點斷裂能 Fracture energydStress-strain曲線下面積稱作斷裂能：曲線下面積稱作斷裂能：材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。材料從開始拉伸

5、至破壞所吸收的能量。Youngs Modulus 楊氏模量形變過程形變過程彈性形變彈性形變 -屈服屈服-應變軟化應變軟化-冷拉冷拉-應變硬化應變硬化-斷裂斷裂從分子運動機理解釋上述過程從分子運動機理解釋上述過程從應力從應力應變曲線可以獲得的被拉伸聚應變曲線可以獲得的被拉伸聚合物的信息合物的信息 聚合物的屈服強度（聚合物的屈服強度（Y點強度）點強度） 聚合物的楊氏模量（聚合物的楊氏模量（OA段斜率）段斜率） 聚合物的聚合物的 斷裂強度（斷裂強度（B點強度）點強度） 聚合物的斷裂伸長率（聚合物的斷裂伸長率（B點伸長率）點伸長率） 聚合物的斷裂韌性（曲線下面積）聚合物的斷裂韌性（曲線下面積）8.1.

6、2 Stress-strain curves under various conditions 各種情況下的應力各種情況下的應力-應變曲線應變曲線(a) Different temperaturea: TTg c: TTg (幾十度)d: T接近Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆斷 韌斷無屈服屈服后斷Results TT(b) Different strain rate.4.3.2.1Strain rate時溫等效原理：拉伸速度快時溫等效原理：拉伸速度快=時間短時間短溫度低溫度低速度速度Example: PMMAa: 脆性材料 c: 韌

7、性材料d: 橡膠b: 半脆性材料酚醛或環(huán)氧樹脂PP, PE, PCPS, PMMANature rubber, PI(c) Composition of Polymers 物質結構組成(d) Crystallization 結晶應變軟化更明顯明顯冷拉時晶片的傾斜、滑移、轉動，形成微晶或微纖束(e) The Size of Spherulites 球晶大小(f) The Degree of Crystallization 結晶度Different types of stress-strain curveComparing8.2 The plasticity and yielding of pol

8、ymer 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服高聚物屈服點前形變是完全可以回復的，屈服點后高聚物屈服點前形變是完全可以回復的，屈服點后高聚物將在恒應力下高聚物將在恒應力下“塑性流動塑性流動”，即鏈段沿外力，即鏈段沿外力方向開始取向。方向開始取向。高聚物在屈服點的應變相當大，剪切屈服應變?yōu)楦呔畚镌谇c的應變相當大，剪切屈服應變?yōu)?0%-20%（與金屬相比）。（與金屬相比）。屈服點以后，大多數高聚物呈現應變軟化，有些還屈服點以后，大多數高聚物呈現應變軟化，有些還非常迅速。非常迅速。屈服應力對應變速率和溫度都敏感。屈服應力對應變速率和溫度都敏感。屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產生屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面

9、產生“銀紋銀紋”或或“剪切剪切帶帶”,繼而整個樣條局部出現繼而整個樣條局部出現“細頸細頸”。屈服主要特征Strain softening 應變軟化應變軟化 彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產生塑性形變，稱為繼彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產生塑性形變，稱為繼續(xù)屈服，包括：續(xù)屈服，包括：應變軟化：屈服后，應變增加，應力反而有稍許下跌應變軟化：屈服后，應變增加，應力反而有稍許下跌的現象，原因至今尚不清楚。的現象，原因至今尚不清楚。呈現塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細頸。呈現塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細頸。塑性形變產生熱量，試樣溫度升高，變軟。塑性形變產生熱量，試樣溫度升高，變軟。發(fā)生發(fā)生“取向硬化取向硬化”，應力急

10、劇上升。，應力急劇上升。試樣斷裂。試樣斷裂。樣條尺寸：橫截面小的地方樣條尺寸：橫截面小的地方應變軟化：應力集中的地方應變軟化：應力集中的地方 出現出現“細頸細頸”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出現“細頸細頸”的原因的原因無外力無外力有外力有外力 OrientationRTEe0RTaEe0細頸穩(wěn)定細頸穩(wěn)定取向硬化取向硬化 Considre作圖法作圖法唯象角度唯象角度 判據判據8.2.1 Necking 細頸與剪切帶細頸與剪切帶(1) 細頸細頸:屈服時，試樣出現的局部變細的現象。屈服時，試樣出現的局部變細的現象。Necking 頸縮現象頸縮現象為什么會出現細頸？

11、為什么會出現細頸？應力最大處。應力最大處。哪里的應力最大？哪里的應力最大？Engineering stress and true stress 工程應力和真應力工程應力和真應力AFtrue)1 (000AllAA0AFeEngineering stressTrue stressForceInitial cross-section areaForceCross-section areaRelationship between engineering stress and true stress under incompressible conditionConsidre 作圖法作圖法:在真應力在

12、真應力-應變曲線上確應變曲線上確定與工程應力定與工程應力-應變屈服應變屈服點點Y所對應的所對應的B點點。Y點1truetruedd0dde（2）剪切屈服現象、機理及判據）剪切屈服現象、機理及判據橫截面橫截面A0, 受到的受到的應力應力 0=F/A0拉伸中材料某個面受力分析拉伸中材料某個面受力分析剪切屈服：即在細頸發(fā)生前，試樣表面出現與拉伸方向成剪切屈服：即在細頸發(fā)生前，試樣表面出現與拉伸方向成45度角的剪切度角的剪切帶。帶。WHY？斜截面Acos0AA cosFFnsinFFs受 力200coscos/cosAFn2sin21cossin00AFs發(fā)向應力發(fā)向應力剪切應力剪切應力Discuss

13、ion =0 n= 0 s=0 =45 n= 0/2 s= 0/2 =90 n=0 s=0抵抗外力的方式抵抗外力的方式抗張強度：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當應力當應力 0增加時，增加時，法向應力和切向應力增大的幅度不同法向應力和切向應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= 0/2Yield Criterion 屈服判據屈服判據Metal剪切作用最大方向上的剪切應力達到某一臨界值s時，材料呈現屈服現象。321000000s)(2131

14、For simple elongation當材料的剪切應變能達到某一當材料的剪切應變能達到某一臨界值臨界值時，就產生屈服現象。時，就產生屈服現象。const213232221)()()(在某平面出現屈服行為的在某平面出現屈服行為的臨界壓力臨界壓力 s與垂直于該平與垂直于該平面的正壓力面的正壓力 N成正比。成正比。PolymerconstNs切應力雙生互等定律切應力雙生互等定律021sY0212sin2111s2sin21)2(2sin212212s2sin)(2121s)(2121sYs2121Shear band 剪切帶剪切帶（3 3） Crazing Crazing 銀紋銀紋銀紋現象為聚合

15、物所特有，它是聚合物在張應力作用下，銀紋現象為聚合物所特有，它是聚合物在張應力作用下，于材料某些薄弱地方出現應力集中而產生局部的塑性形于材料某些薄弱地方出現應力集中而產生局部的塑性形變和取向，以至于在材料表面或內部垂直于應力方向上變和取向，以至于在材料表面或內部垂直于應力方向上出現長度為出現長度為100m、寬度為寬度為10 m左右、厚度約為左右、厚度約為1 m的的微細凹槽的現象微細凹槽的現象分分類類環(huán)境銀紋環(huán)境銀紋溶劑銀紋溶劑銀紋應力銀紋應力銀紋Microstructure of crazing微纖微纖 Microfibril微纖微纖平行與平行與外力外力方向，方向，銀紋銀紋長度方向長度方向與與

16、外力外力垂直。垂直。也稱為銀紋質也稱為銀紋質銀紋方向和分子鏈方向銀紋方向和分子鏈方向銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數也低于聚合物本體折光指數，因此在銀紋和本體之間的界面上將對光線產生全反射現象，呈現銀光閃閃的紋路（所以也稱應力發(fā)白）。加熱退火會使銀紋消失 。F銀銀紋紋的的擴擴展展中間分子中間分子鏈斷裂鏈斷裂擴展擴展形成裂紋形成裂紋主要區(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力張應力結果結果冷拉冷