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，單位長度（面積、體積）所發(fā)生的形變。彈性模量： 簡稱模量。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)變實驗是最廣泛的，重要、實用的實驗。在應(yīng)力-應(yīng)變試驗中，以某一給定的應(yīng)變速率對試樣施加負荷，直到試樣斷裂為止。實驗大多采用拉伸方式。 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：彈性強度極限A：彈性伸長極限Y：屈服點 (yield

3、ing point)Y：屈服強度Y：屈服伸長率B：斷裂點B：斷裂強度B：斷裂伸長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

4、裂應(yīng)力都較高的情況，有時可將斷裂功作為“韌性”的標志。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，斷裂強度中等，不出現(xiàn)屈服點，拉伸度較小時斷裂。低相對分子質(zhì)量PS、PMMA、酚醛樹脂在室溫及室溫以下表現(xiàn)此種狀態(tài)。2 硬而強彈性模量高，斷裂強度大，斷裂伸長率約5%，破壞出現(xiàn)在屈服點附近。高相對分子質(zhì)量的PS、PMMA或硬PVC屬此類。3 強而韌彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂伸長率都很高，伸長率也大，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，斷裂伸長大，約20%1000%，斷裂強度高。軟PVC及硫化橡膠屬此類。5 軟而弱彈性模量低，斷裂強度也低，斷裂伸長中等。高聚物的軟凝膠、低相對分子質(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、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)閺娖雀邚椥巫?。這段明顯展示了高分子在Tg以下不該有的鏈段運動行為，但由于外力不斷增大的作用，達到了鏈段運動的能量，所以玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段開始運動，當(dāng)鏈段運動的松弛時間與應(yīng)變速率在同一個數(shù)量級時，使材料產(chǎn)生了大的形變。形變完全由于外力作用下導(dǎo)致鏈段運動，稱強迫高彈形變。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強迫高彈形變在Tb-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)。因為在Tg以下，缺少鏈段運動的能量，但加熱到Tg以上形變又可恢復(fù)，因為Tg以上鏈段又可以運動了。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屈服點產(chǎn)生的原因：上升是因為材料內(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，只要沒達到一個確定的值，材料內(nèi)部的分子間作用力及結(jié)構(gòu)都不會變化，但一旦外力超過了這一確定值時，材料內(nèi)部的分子間作用力及結(jié)構(gòu)就無法再支撐了，開始解體。形成

8、屈服點。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之間進行拉伸時，在屈服點之前曲線先上升，到了高點后又下降。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：拉伸時截面積變小，所施加的外力減??； 拉伸時由于分子運動的摩擦力所導(dǎo)致的放熱，使分子運動方便，所用的應(yīng)力會減??；由于Tg以下，物理交聯(lián)點多，拉伸后交聯(lián)點破壞了許多，到了屈服點這種破壞達到一定程度，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。因為材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)還在繼續(xù)破壞，同時分子鏈段又在順著外力方向運動或逐步排列取向。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)致了整個分子鏈的取向排列，使材料強度進一步提高，需要更大外力進行拉伸，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)變硬化主要由整個大分子的運動所致，形變不可逆，是永久性的。由于它是在強力作用下發(fā)生的大分子鏈的相對滑脫，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鏈段運動。為區(qū)別于普通的高彈形變，可稱之為強強迫高彈性迫高彈性。 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。存在一個特征溫度存在一個特征溫度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)生強迫高彈形變強迫高彈形變，而必定發(fā)生脆性斷裂，這個而必定發(fā)生脆性斷裂，這個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，到達Y點后，試樣突然出現(xiàn)一個或幾個“細頸”。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 細頸發(fā)展階段。伸長不斷增加，應(yīng)力幾乎不變。拉伸應(yīng)變值可達100%-1000%，直到整個試樣變細。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 已被細頸化的試樣重新被均勻拉伸，應(yīng)力隨應(yīng)變增加，直到斷裂。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行運動產(chǎn)生很大的形變。當(dāng)去掉外力，加熱到接近熔點的溫度，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平臺區(qū)產(chǎn)生的原因：1）破壞晶格，減少強度；2）分子取向，增加強度；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，更高一級的晶體，所以強度更高，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 無屈服無屈服 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時溫等效原理：拉伸速度時溫等效原理：拉伸速度快快=時間短時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晶片的傾斜、冷拉時晶片的傾斜、滑移、轉(zhuǎn)動，形成微滑移、轉(zhuǎn)動，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，斷裂強度下降。溫度上升，斷裂強度下降。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，鏈段運動困難，形溫度低，鏈段運動困難，形變??；溫度高，鏈段運動容易變??；溫度高，鏈段

17、運動容易，形變大，斷裂伸長加大。，形變大，斷裂伸長加大。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，時，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)生強迫高彈形變。產(chǎn)生強迫高彈形變。當(dāng)當(dāng)by時，拉伸中出現(xiàn)強時，拉伸中出現(xiàn)強迫高彈形變。迫高彈形變。當(dāng)當(dāng)by時，

18、拉伸中不出現(xiàn)時，拉伸中不出現(xiàn)強迫高彈形變。強迫高彈形變。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脆化溫度，脆化點脆化溫度，脆化點第八章第八章 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好好差差對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

20、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） 被拉伸材料會被拉伸材料會從軟而韌趨向于硬而脆。即外力作用時間短，鏈段來不從軟而韌趨向于硬而脆。即外力作用時間短，鏈段來不及運動，應(yīng)力就要增加，斷裂伸長及韌性減小。及運動，應(yīng)力就要增加，斷裂伸長及韌性減小。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） 外力作用時間外力作用時間增大到與松弛時間同一個數(shù)量級時，拉伸時表現(xiàn)出較大增大到與松弛時間同一個數(shù)量級時，拉伸時表現(xiàn)出較大的形變和較低的溫度。的形變和較低的

21、溫度。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)細頸。玻璃態(tài)高聚物只有在Tb-Tg之間才出現(xiàn)細頸；結(jié)晶態(tài)高聚物在Tb-Tm之間才出現(xiàn)細頸。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)高聚物在拉伸過程中沒有相

22、變過程，只有分子鏈的取向；結(jié)晶態(tài)高聚物在拉伸過程中產(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度和實際強度拉伸強度：拉伸強度：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，在標準試樣上沿軸向施加拉伸力直至斷裂時試在標準試樣上沿軸向施加拉伸力直至斷裂時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。沖擊強度：沖擊強度：也叫做抗沖擊強度，是衡量材料也叫做抗沖擊強度，是衡量材料韌性的一種強度指標。為試樣受沖擊載荷韌性的一種強度指標。為試樣受沖擊

23、載荷W W而破裂時單位截面積所吸收的能量。而破裂時單位截面積所吸收的能量。抗彎強度：抗彎強度：也叫做撓曲強度。是在規(guī)定的實也叫做撓曲強度。是在規(guī)定的實驗條件下對標準試樣施加靜變曲力矩，直到驗條件下對標準試樣施加靜變曲力矩，直到試樣斷裂時為止的最大載荷試樣斷裂時為止的最大載荷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度和實際強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

24、必須破壞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。理論強度為：理論強度為：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。理論強度與實際測得的高度取向的纖維的強度比較接近，理論強度與實際測得的高度取向的纖維的強度比較接近，屬同數(shù)量級。屬同數(shù)量級。在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂在斷裂時三種方式兼而有之，通

25、常聚合物理論斷裂強度在幾千強度在幾千MPaMPa，而實際只有幾十，而實際只有幾十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度和實際強度高分子材料實高分子材料實際強度與理論際強度與理論強度的比較強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度和實際強度實際強度遠遠低于理論強度的原因：實際強度遠遠低于理論強度的原因： 1.1.理論計算中假定分子是較規(guī)則排列或高

26、度取向理論計算中假定分子是較規(guī)則排列或高度取向的，實際上任何材料都不可能達到理論假設(shè)的規(guī)的，實際上任何材料都不可能達到理論假設(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.材料在運輸和使用中經(jīng)摩擦容易在表面產(chǎn)生劃材料在運輸和使用中經(jīng)摩擦容易在表面產(chǎn)生劃痕，使強度下降。痕，使強度下降。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度和實

27、際強度polymer 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）為什么材料的實際強為什么材料的實際強度遠遠低于理論強度？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 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

28、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，縫尖端處的最大應(yīng)力為：時，縫尖端處的最大應(yīng)力為：m=0(1+2 a/)20 a/)a:裂縫長度之半； :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)

29、力集中到一定程度時，即超過了分子或原子之間的作集中到一定程度時，即超過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度，就要設(shè)法消除裂縫或鈍如果要增加材料的強度，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，其強度會顯化它。比如用氫氟酸處理粗玻璃纖維，其強度會顯著提高。著提高。3.3.測定強度的樣品必須有一定的規(guī)格尺寸。測定強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，常常出現(xiàn)一些微細的裂高聚物材料處于玻璃態(tài)時，常常出

30、現(xiàn)一些微細的裂紋，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)長度為于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為100m100m，寬度為，寬度為10m10m左右，左右，厚度為厚度為1m1m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

31、度為本體的5050，高度取，高度取向的高分子微纖。銀紋進一步發(fā)展向的高分子微纖。銀紋進一步發(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%5

32、0%，折光指，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光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，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）。加熱退火會使稱應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會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

33、的40%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)可與無銀紋一樣。裂縫只能靠腐蝕表光學(xué)性質(zhì)可與無銀紋一樣。裂縫只能靠腐蝕表面來消除。面來消除。3.3.銀紋仍具有強度。如銀紋仍具有強度。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度。能吸收能量，提高沖有一半以上的拉伸強度。能吸收能量，提高沖擊強度，有一定的韌性。擊強度，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候裂紋開始擴展討論什么時

34、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：從能量平衡的觀點分析斷裂過程，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際強度的因素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)的影響有極性基團或形成氫鍵時，明顯提高材料的強度。有極性基團或形成氫鍵時，明顯提高材料的強度。一些高分子的拉伸強度一些高分子的拉伸強度名稱名稱 拉伸強度（拉伸強度（MPaM

35、Pa）名稱）名稱 拉伸強度（拉伸強度（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際強度的因素支化的影響：支化的影響：LDPELDPE、MDPEMDPE、HDPEHDPE的拉伸強度依次增加，老化性的拉伸強度依次增加，老化性能依次增強，伸長率依次減小。能依次增強，伸長率依次減小。交聯(lián)的影響：交聯(lián)的影響：既提高拉伸強度，又提高沖擊強度。既

36、提高拉伸強度，又提高沖擊強度。相對分子質(zhì)量的影響：相對分子質(zhì)量的影響：M拉伸強度拉伸強度與相對分拉伸強度與相對分子質(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際強度的因素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度。取向提高了材料的強度。結(jié)晶度越高，材料強度越大；結(jié)晶度太高，材結(jié)晶度越高，材料強度越大；結(jié)晶度太高，材料的斷裂伸長和沖擊性能下降。料的斷裂伸長和沖擊性能下降。結(jié)晶的形態(tài)、尺寸對材料的強度也有很大影響：結(jié)晶的形態(tài)、尺寸對材料的強度也有很大影響：小球晶賦予材料較高的拉伸強度，大球晶賦予材小球晶

37、賦予材料較高的拉伸強度，大球晶賦予材料較低的拉伸強度；伸直鏈晶體拉伸強度最大，料較低的拉伸強度；伸直鏈晶體拉伸強度最大，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際強度的因素3)3)應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中對材料的強度影響很大。但如果對有應(yīng)力集中對材料的強度影響很大。但如果對有缺陷的材料進行某些有效的處理，則能提高材缺陷的材料進行某些有效的處理，則能提高材料的強度。料的強度。4)4)增塑劑的影響增塑劑的影響增塑劑含量上升，拉伸強度降低，伸長率增大。增塑劑含量上升，拉伸強度

38、降低，伸長率增大。在一定增塑劑含量下，沖擊強度上升，有一定在一定增塑劑含量下，沖擊強度上升，有一定最大值，若再加大含量，則沖擊強度顯著下降。最大值，若再加大含量，則沖擊強度顯著下降。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際強度的因素2 2 外因的影響外因的影響施力強度大，材料面臨的破壞危險大。施力強度大，材料面臨的破壞危險大。施力速度快，分子鏈段運動跟不上外力的作用，施力速度快，分子鏈段運動跟不上外力的作用，分子呈現(xiàn)剛性，導(dǎo)致屈服強度上升，斷裂時將成為分子呈現(xiàn)剛性，導(dǎo)致屈服強度上升，斷裂時將成為脆性斷裂。脆性斷裂。若拉伸速度與分子鏈段

39、運動的松弛時間相匹配，若拉伸速度與分子鏈段運動的松弛時間相匹配，材料在斷裂前出現(xiàn)屈服，產(chǎn)生強迫高彈形變，斷裂材料在斷裂前出現(xiàn)屈服，產(chǎn)生強迫高彈形變，斷裂為韌性斷裂。為韌性斷裂。施力時溫度高，分子運動比較容易，材料顯得柔施力時溫度高，分子運動比較容易，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。對同一材料，降低溫度與提高作用力等效。對同一材料，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) 高聚物的增強活性粒子活性粒子（ Powder）纖維纖維 Fiber C ，SiO2Glass fiber, Carbon fiberPolyesterFiller填料增強途徑第八章第八章 高聚