第八章 聚合物的屈服和斷裂6

1、第七章第七章 高聚物的斷裂和力學(xué)強(qiáng)度高聚物的斷裂和力學(xué)強(qiáng)度 Chapt.7 The Failure and Strength of Solid Polymers 計(jì)劃學(xué)時(shí)：計(jì)劃學(xué)時(shí)：8-10學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)主要參考書：主要參考書：何曼君主編：高分子物理何曼君主編：高分子物理金日光主編：高分子物理金日光主編：高分子物理Brostow: Failure of Plastics第一部分第一部分 Part 1 理論上，根據(jù)完全伸理論上，根據(jù)完全伸直鏈晶胞參數(shù)求得的聚直鏈晶胞參數(shù)求得的聚乙烯最高理論強(qiáng)度達(dá)乙烯最高理論強(qiáng)度達(dá)1.9x104MPa，是鋼絲的，是鋼絲的幾十倍。幾十倍。 實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)獲得實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)

2、獲得高拉伸聚酰胺纖維在液高拉伸聚酰胺纖維在液氮中的最高實(shí)際強(qiáng)度達(dá)氮中的最高實(shí)際強(qiáng)度達(dá)2.3x103MPa。 在高分子材料諸多應(yīng)用中，作為結(jié)構(gòu)材料使用是其最常見、在高分子材料諸多應(yīng)用中，作為結(jié)構(gòu)材料使用是其最常見、最重要的應(yīng)用。在許多領(lǐng)域，高分子材料已成為金屬、木材、最重要的應(yīng)用。在許多領(lǐng)域，高分子材料已成為金屬、木材、陶瓷、玻璃等的代用品。陶瓷、玻璃等的代用品。引言引言 之所以如此，除去它具有制造加工便利、質(zhì)輕、耐化學(xué)腐蝕之所以如此，除去它具有制造加工便利、質(zhì)輕、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)外，還因?yàn)樗哂休^高的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。等優(yōu)點(diǎn)外，還因?yàn)樗哂休^高的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。 本章一方面介紹描述高分子材料宏觀

3、力學(xué)強(qiáng)度的物理量和演本章一方面介紹描述高分子材料宏觀力學(xué)強(qiáng)度的物理量和演化規(guī)律；另一方面從分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)探討影響高分子材料力學(xué)強(qiáng)化規(guī)律；另一方面從分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)探討影響高分子材料力學(xué)強(qiáng)度的因素，為研制設(shè)計(jì)性能更佳的材料提供理論指導(dǎo)。度的因素，為研制設(shè)計(jì)性能更佳的材料提供理論指導(dǎo)。 為了評(píng)價(jià)高分子材料使用價(jià)值，揚(yáng)長避短地利用、控制其強(qiáng)度為了評(píng)價(jià)高分子材料使用價(jià)值，揚(yáng)長避短地利用、控制其強(qiáng)度和破壞規(guī)律，進(jìn)而有目的地改善、提高材料性能，和破壞規(guī)律，進(jìn)而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高需要掌握高分子材料力學(xué)強(qiáng)度變化的宏觀規(guī)律和微觀機(jī)理。分子材料力學(xué)強(qiáng)度變化的宏觀規(guī)律和微觀機(jī)理。 鑒于高分子材料力學(xué)狀

4、態(tài)的復(fù)鑒于高分子材料力學(xué)狀態(tài)的復(fù)雜性，以及力學(xué)狀態(tài)與外部環(huán)境雜性，以及力學(xué)狀態(tài)與外部環(huán)境條件密切相關(guān)，高分子材料的力條件密切相關(guān)，高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度和破壞形式也必然與材料學(xué)強(qiáng)度和破壞形式也必然與材料的使用環(huán)境和使用條件有關(guān)。的使用環(huán)境和使用條件有關(guān)。主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)線索：主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)線索：一、高分子材料的一、高分子材料的拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性應(yīng)變特性應(yīng)力應(yīng)變曲線及其類型應(yīng)力應(yīng)變曲線及其類型影響拉伸行為的外部因素影響拉伸行為的外部因素強(qiáng)迫高彈形變與強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸冷拉伸”二、高分子材料的二、高分子材料的斷裂和強(qiáng)度斷裂和強(qiáng)度宏觀斷裂方式，脆性斷裂和韌性斷裂宏觀斷裂方式，脆性斷裂和韌性斷

5、裂斷裂過程，斷裂的分子理論斷裂過程，斷裂的分子理論高分子材料的強(qiáng)度高分子材料的強(qiáng)度高分子材料的增強(qiáng)改性高分子材料的增強(qiáng)改性三、高分子材料的三、高分子材料的抗沖擊強(qiáng)度和增韌改性抗沖擊強(qiáng)度和增韌改性抗沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)抗沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)影響抗沖擊強(qiáng)度的因素影響抗沖擊強(qiáng)度的因素高分子材料的增韌改性高分子材料的增韌改性一、高分子材料的拉伸應(yīng)力一、高分子材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性應(yīng)變特性 （一）應(yīng)力應(yīng)變曲線及其類型（一）應(yīng)力應(yīng)變曲線及其類型 圖圖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8-1所示，試樣中部為測(cè)試部分，所示，試樣中部為測(cè)試部分，標(biāo)距長度為標(biāo)距長度為l0，初

6、始截面積為，初始截面積為A0。 研究材料強(qiáng)度和破壞的重要實(shí)驗(yàn)手段是測(cè)量材料的拉伸應(yīng)力研究材料強(qiáng)度和破壞的重要實(shí)驗(yàn)手段是測(cè)量材料的拉伸應(yīng)力-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(cè)量應(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(cè)量試樣上的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，直到試樣破壞。試樣上的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，直到試樣破壞。l0AF000lllll 設(shè)以一定的力設(shè)以一定的力 F 拉伸試樣，使兩標(biāo)距間的長度增至拉伸試樣，使兩標(biāo)距間的長度增至 ，定義試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)椋憾x試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)椋?注意此處定義的應(yīng)力注意此處定義的應(yīng)力等于拉力除以試樣原始截面積等于拉力除以試樣原始截面積A0，這

7、，這種應(yīng)力稱種應(yīng)力稱工程應(yīng)力工程應(yīng)力或公稱應(yīng)力，并不等于材料所受的真實(shí)應(yīng)力?；蚬Q應(yīng)力，并不等于材料所受的真實(shí)應(yīng)力。同樣這兒定義的應(yīng)變?yōu)楣こ虘?yīng)變。同樣這兒定義的應(yīng)變?yōu)楣こ虘?yīng)變。（8-1）（8-2）典型高分子材料拉伸應(yīng)力典型高分子材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖應(yīng)變曲線如圖8-2所示。所示。應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變0 1 2 3 4 5121086420 , 1000 psi 1psi = 6890Pa注意細(xì)頸注意細(xì)頸現(xiàn)象現(xiàn)象圖圖8-2 典型的拉伸應(yīng)力典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 曲線特征：曲線特征：（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力應(yīng)變呈直段，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

8、化，直線斜率線關(guān)系變化，直線斜率 相當(dāng)于材料彈性模量。相當(dāng)于材料彈性模量。 Edd（2 2）越過）越過A點(diǎn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線偏離直線，說明材料開始發(fā)點(diǎn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線偏離直線，說明材料開始發(fā)生塑性形變，極大值生塑性形變，極大值Y點(diǎn)稱材料的屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)點(diǎn)稱材料的屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度）屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度） 和屈服應(yīng)變和屈服應(yīng)變 。發(fā)生。發(fā)生屈服時(shí)，試樣上某一局部會(huì)出現(xiàn)屈服時(shí)，試樣上某一局部會(huì)出現(xiàn)“細(xì)頸細(xì)頸”現(xiàn)象，材料應(yīng)力略現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降，發(fā)生有下降，發(fā)生“屈服軟化屈服軟化”。 yy（3 3）隨著應(yīng)變?cè)黾?，在很長一個(gè)范圍內(nèi)曲線基本平坦，）隨著應(yīng)

9、變?cè)黾樱诤荛L一個(gè)范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細(xì)頸細(xì)頸”區(qū)越來越大。直到拉伸應(yīng)變很大時(shí)，材料應(yīng)力又略區(qū)越來越大。直到拉伸應(yīng)變很大時(shí)，材料應(yīng)力又略有上升（成頸硬化），到達(dá)有上升（成頸硬化），到達(dá)B點(diǎn)發(fā)生斷裂。與點(diǎn)發(fā)生斷裂。與B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度）拉伸強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度） 和斷裂和斷裂伸長率伸長率 ，它們是材料發(fā)生破壞的，它們是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限伸長極限強(qiáng)度和極限伸長率率。 BBBdW0（4）曲線下的面積等于）曲線下的面積等于（8-3）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Jm-3，稱斷稱

10、斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個(gè)物理量裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個(gè)物理量。 3 高聚物的屈服高聚物的屈服1.高聚物屈服點(diǎn)的特征高聚物屈服點(diǎn)的特征大多數(shù)高聚物有屈服現(xiàn)象，最明顯的屈服現(xiàn)大多數(shù)高聚物有屈服現(xiàn)象，最明顯的屈服現(xiàn)象是拉伸中出現(xiàn)的象是拉伸中出現(xiàn)的細(xì)頸現(xiàn)象細(xì)頸現(xiàn)象。它是獨(dú)特的力。它是獨(dú)特的力學(xué)行為。并不是所有的高聚物材料都表現(xiàn)出學(xué)行為。并不是所有的高聚物材料都表現(xiàn)出屈服過程，這是由于溫度和時(shí)間對(duì)高聚物的屈服過程，這是由于溫度和時(shí)間對(duì)高聚物的性能的影響往往掩蓋了屈服行為的普遍性，性能的影響往往掩蓋了屈服行為的普遍性，有的高聚物出現(xiàn)細(xì)頸和冷拉，而有的高聚物有的高聚物出現(xiàn)細(xì)頸和冷拉

11、，而有的高聚物脆性易斷。脆性易斷。 普通顯微鏡 偏光顯微鏡細(xì)頸細(xì)頸(1)屈服應(yīng)變大屈服應(yīng)變大：高聚物的屈服應(yīng)變比：高聚物的屈服應(yīng)變比金屬大得多，金屬金屬大得多，金屬0.01左右，高聚物左右，高聚物0.2左右（例如左右（例如PMMA的切變屈服為的切變屈服為0.25，壓縮屈服為，壓縮屈服為0.13）(2)屈服過程有應(yīng)變軟化現(xiàn)象屈服過程有應(yīng)變軟化現(xiàn)象：許多高：許多高聚物在過屈服點(diǎn)后均有一個(gè)應(yīng)力不太聚物在過屈服點(diǎn)后均有一個(gè)應(yīng)力不太大的下降，叫應(yīng)變軟化，這時(shí)應(yīng)變?cè)龃蟮南陆?，叫?yīng)變軟化，這時(shí)應(yīng)變?cè)龃螅瑧?yīng)力反而下降。大，應(yīng)力反而下降。(3)屈服應(yīng)力依賴應(yīng)變速率屈服應(yīng)力依賴應(yīng)變速率：應(yīng)變速率增：應(yīng)變速率增大，

12、屈服應(yīng)力增大。大，屈服應(yīng)力增大。應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)變速率對(duì)PMMA真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響應(yīng)應(yīng)變變速速率率增增大大123410.2吋分吋分真應(yīng)變真應(yīng)變 41.28吋吋/分分31.13吋吋/分分20.8吋吋/分分真應(yīng)力真應(yīng)力(4)屈服應(yīng)力依賴于溫度：屈服應(yīng)力依賴于溫度：溫度升高，屈服應(yīng)力溫度升高，屈服應(yīng)力下降。在溫度達(dá)到下降。在溫度達(dá)到 （200度）時(shí)，屈服度）時(shí)，屈服應(yīng)力等于應(yīng)力等于0gT溫度對(duì)醋酸纖維素應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響溫度對(duì)醋酸纖維素應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變80655025025(5)屈服應(yīng)力受流體靜壓力的影響：屈服應(yīng)力受流體靜壓力的影響：壓力增大，壓力增大，屈服應(yīng)力增

13、大。屈服應(yīng)力增大。1.7KPa1Pa0.69KPa3.2KPa切應(yīng)力切應(yīng)力切應(yīng)變切應(yīng)變(6)高聚物屈服應(yīng)力不等于壓縮屈服應(yīng)高聚物屈服應(yīng)力不等于壓縮屈服應(yīng)力力，一般后者大一些。所以高聚物取，一般后者大一些。所以高聚物取向薄膜不同方向上的屈服應(yīng)力差別很向薄膜不同方向上的屈服應(yīng)力差別很大。大。(7)高聚物在屈服時(shí)體積略有縮小高聚物在屈服時(shí)體積略有縮小。 由于高分子材料種類繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線由于高分子材料種類繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有多種形狀。歸納起來，可分為五類具有多種形狀。歸納起來，可分為五類 。圖圖8-3 高分子材料應(yīng)力高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型應(yīng)變曲線的類型曲線的類

14、型曲線的類型（1）硬而脆型）硬而脆型（2）硬而強(qiáng)型）硬而強(qiáng)型（3）硬而韌型）硬而韌型（4）軟而韌型）軟而韌型（5）軟而弱型）軟而弱型 （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(qiáng)度都此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強(qiáng)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。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）而斷裂段斜率大）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，斷伸長率很小。在很小應(yīng)變下，材料尚未出現(xiàn)屈

15、服已經(jīng)斷裂，斷裂強(qiáng)度較高。在室溫或室溫之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲裂強(qiáng)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。酯、酚醛樹脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。（2）硬而強(qiáng)型）硬而強(qiáng)型 此類材料彈性模量高，斷裂強(qiáng)度高，斷裂伸長此類材料彈性模量高，斷裂強(qiáng)度高，斷裂伸長率小。通常材料拉伸到屈服點(diǎn)附近就發(fā)生破壞（大約為率小。通常材料拉伸到屈服點(diǎn)附近就發(fā)生破壞（大約為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(qiáng)度低，斷裂伸長此類材料彈性模量低，斷裂強(qiáng)度低，斷裂伸長率也不大。一些

16、聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。（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(qiáng)度可能較高，應(yīng)力應(yīng)變），斷裂強(qiáng)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、冷拉或硬而韌的材料，在拉伸過程中顯示出明顯的屈服、冷拉或細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變

17、。隨著形變的增大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測(cè)試區(qū)都變大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測(cè)試區(qū)都變成細(xì)頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維素、成細(xì)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。硝酸纖維素等屬于這種材料。冷拉是在常溫條件下，以超過原來材料屈服點(diǎn)強(qiáng)度的拉應(yīng)力，強(qiáng)行拉伸材料，使材料產(chǎn)冷拉是在常溫條件下，以超過原來材料屈服點(diǎn)強(qiáng)度的拉應(yīng)力，強(qiáng)行拉伸材料，使材料產(chǎn)生塑性變形以達(dá)到提高屈服點(diǎn)強(qiáng)度和節(jié)約材料的目的。生塑性變形以達(dá)到提高屈服點(diǎn)強(qiáng)度和節(jié)約材料的目的。 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(cè)試條件材料拉伸過程還明顯地

18、受環(huán)境條件（如溫度）和測(cè)試條件（如拉伸速率）的影響，硬而強(qiáng)型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很（如拉伸速率）的影響，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(huì)發(fā)生大于慢速率下拉伸也會(huì)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(diǎn)。韌型特點(diǎn)。 實(shí)際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典實(shí)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(shí)存在明顯型性，或是幾種類型的組合。例如有的材料拉伸時(shí)存在明顯的屈服和的屈服和“頸縮頸縮”，有的則沒有；有的材料斷裂強(qiáng)度高于屈，有的則沒有；有的材料斷裂強(qiáng)度高于屈服強(qiáng)度，有的則屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度等

19、。服強(qiáng)度，有的則屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度等。因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。（二）（二） 影響拉伸行為的外部因素影響拉伸行為的外部因素1、溫度的影響、溫度的影響圖圖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） 環(huán)境溫度對(duì)高分子材料環(huán)境溫度對(duì)高分子材料拉伸行為的影響十分顯著。拉伸行為的影響十分顯著。溫度升高，分子鏈段熱運(yùn)溫度升高，分子鏈段熱運(yùn)動(dòng)加劇，松弛過程加快，動(dòng)加劇，松弛過程加快，表現(xiàn)出材料模量和強(qiáng)度下表現(xiàn)出材料模量和強(qiáng)度下降，伸長率變大，應(yīng)力降，

20、伸長率變大，應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀發(fā)生很大變應(yīng)變曲線形狀發(fā)生很大變化?；?。 圖圖8-5 斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì) 虛線虛線高拉伸速率高拉伸速率 實(shí)線實(shí)線低拉伸速率低拉伸速率 材料的拉伸斷裂強(qiáng)度材料的拉伸斷裂強(qiáng)度 和屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度 隨環(huán)境溫度而發(fā)生隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化，屈服強(qiáng)度受溫度變化的影響更大些。變化，屈服強(qiáng)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(diǎn)對(duì)韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱脆應(yīng)的溫度稱脆-韌轉(zhuǎn)變溫度韌轉(zhuǎn)變溫度 。 tT 當(dāng)環(huán)境溫度小于當(dāng)環(huán)境溫度小于 時(shí)，時(shí)，材料的材料的 ，受

21、外，受外力作用時(shí)，材料未屈服前力作用時(shí)，材料未屈服前先已斷裂，呈脆性斷裂特先已斷裂，呈脆性斷裂特征。征。 tTBy 環(huán)境溫度高于環(huán)境溫度高于 時(shí)，時(shí)， ，受外力作，受外力作用時(shí)，材料先屈服，出現(xiàn)用時(shí)，材料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和很大變形后才斷裂，細(xì)頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。呈韌性斷裂特征。 tTBy2、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)減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對(duì)材料拉伸行為有境溫度對(duì)材料拉伸行為有相似的影響，這是時(shí)相似的影響，這是時(shí)-溫等溫等效原理在高分子力學(xué)行為效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。中的體現(xiàn)。 B圖圖8-6 斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢(shì)斷裂強(qiáng)度和

22、屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢(shì)實(shí)線低環(huán)境溫度 虛線高環(huán)境溫度y 與脆與脆-韌轉(zhuǎn)變溫度相韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線交似，根據(jù)圖中兩曲線交點(diǎn)，可以定義脆點(diǎn)，可以定義脆-韌轉(zhuǎn)韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率變（拉伸）速率 。拉伸速率高于拉伸速率高于 時(shí)，時(shí)，材料呈脆性斷裂特征；材料呈脆性斷裂特征；低于低于 時(shí)，呈韌性斷時(shí)，呈韌性斷裂特征。裂特征。 ttt 拉伸速率對(duì)材料的斷裂強(qiáng)度拉伸速率對(duì)材料的斷裂強(qiáng)度 和屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度 也有明也有明顯影響顯影響 。3、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，

23、PSPS在低環(huán)境壓力在低環(huán)境壓力（常壓）下呈脆性斷裂特點(diǎn)，（常壓）下呈脆性斷裂特點(diǎn)，強(qiáng)度與斷裂伸長率都很低。隨強(qiáng)度與斷裂伸長率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料強(qiáng)度增著環(huán)境壓力升高，材料強(qiáng)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(duì)許多非晶聚合研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)許多非晶聚合物，如物，如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。 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(qiáng)度為代價(jià)。設(shè)計(jì)恰當(dāng)材料增韌

24、改性并非一定要以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)。設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)姆椒?，就有可能在增韌的同時(shí)，保持或提高材料的強(qiáng)的方法，就有可能在增韌的同時(shí)，保持或提高材料的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)既增韌又增強(qiáng)。塑料的非彈性體增韌改性技術(shù)度，實(shí)現(xiàn)既增韌又增強(qiáng)。塑料的非彈性體增韌改性技術(shù)就是由此發(fā)展起來的（后詳）。就是由此發(fā)展起來的（后詳）。 比較圖比較圖8-4和和8 8-7可以發(fā)現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)，升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境壓升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境壓力都能使高分子材料發(fā)生脆力都能使高分子材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。但兩種脆韌轉(zhuǎn)變。但兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方韌轉(zhuǎn)變方式有很大差別。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(qiáng)度明顯下降。升高

25、溫度使材料變韌，但其拉伸強(qiáng)度明顯下降。 升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時(shí)，強(qiáng)度也得到提高，升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時(shí)，強(qiáng)度也得到提高，材料變得強(qiáng)而韌。材料變得強(qiáng)而韌。（三）（三） 強(qiáng)迫高彈形變與強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸冷拉伸” 已知環(huán)境對(duì)高分子材料拉伸行為有顯著影響，這兒再重點(diǎn)已知環(huán)境對(duì)高分子材料拉伸行為有顯著影響，這兒再重點(diǎn)介紹在特殊環(huán)境條件下，高分子材料的兩種特殊拉伸行為。介紹在特殊環(huán)境條件下，高分子材料的兩種特殊拉伸行為。 1、非晶聚合物的強(qiáng)迫高彈形變、非晶聚合物的強(qiáng)迫高彈形變 圖圖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

26、溫度的變化（常壓下） 研究高聚物拉伸破壞行為時(shí)，研究高聚物拉伸破壞行為時(shí)，特別要注意在較低溫度下的拉伸、特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情形。對(duì)于非晶聚屈服、斷裂的情形。對(duì)于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于 時(shí)，雖然材料處于玻璃時(shí)，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形（參見圖的大變形（參見圖8-4中中T = 80，60的情形），這種變形稱強(qiáng)迫的情形），這種變形稱強(qiáng)迫高彈形變。高彈形變。 bTTgT（2 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(qiáng)迫）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高

27、應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈段被強(qiáng)迫發(fā)生運(yùn)動(dòng)、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這發(fā)生運(yùn)動(dòng)、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強(qiáng)迫高彈形變?cè)谕饬Τ废螅ㄟ^適當(dāng)升溫（種強(qiáng)迫高彈形變?cè)谕饬Τ废?，通過適當(dāng)升溫（ ）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。 TgT（1 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(dòng)。這是一種獨(dú)特的力學(xué)行為。流態(tài)下的粘性流動(dòng)。這是一種獨(dú)特的力學(xué)行為。（3 3）強(qiáng)迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說明提高應(yīng)力可以促進(jìn)分子鏈）強(qiáng)迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說明提高應(yīng)力可以促進(jìn)分子鏈段在作用力方向上的運(yùn)動(dòng)，如同升高

28、溫度一樣，起到某種段在作用力方向上的運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)來講，提高應(yīng)力降低了鏈作用。從鏈段的松弛運(yùn)動(dòng)來講，提高應(yīng)力降低了鏈段在作用力方向上的運(yùn)動(dòng)活化能，減少了鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)段在作用力方向上的運(yùn)動(dòng)活化能，減少了鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過勢(shì)壘而運(yùn)動(dòng)。間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過勢(shì)壘而運(yùn)動(dòng)。 討論討論RTEexp0E0 由（由（8-4）式可見，）式可見， 越大，越大， 越小，越小， 降低了鏈段降低了鏈段運(yùn)動(dòng)活化能。當(dāng)應(yīng)力增加致使鏈段運(yùn)動(dòng)松弛時(shí)間減小到與外運(yùn)動(dòng)活化能。當(dāng)應(yīng)力增加致使鏈段運(yùn)動(dòng)松弛時(shí)間減小到與外力作用時(shí)間同一數(shù)量

29、級(jí)時(shí)，就可能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形。力作用時(shí)間同一數(shù)量級(jí)時(shí)，就可能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形。（4）研究表明，鏈段松弛時(shí)間）研究表明，鏈段松弛時(shí)間 與外應(yīng)力與外應(yīng)力 之間有如下之間有如下關(guān)系：關(guān)系： （8-4）式中：式中： 是鏈段運(yùn)動(dòng)活化能，是鏈段運(yùn)動(dòng)活化能， 是材料常數(shù)，是材料常數(shù)， 是未是未加應(yīng)力時(shí)鏈段運(yùn)動(dòng)松弛時(shí)間。加應(yīng)力時(shí)鏈段運(yùn)動(dòng)松弛時(shí)間。 2、晶態(tài)聚合物的、晶態(tài)聚合物的“冷拉伸冷拉伸”圖圖8-8 結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形，這種形變稱結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強(qiáng)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，見結(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，見圖圖8-88-8。 圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔點(diǎn)時(shí)（熔點(diǎn)時(shí)（ ），雖），雖然晶區(qū)尚未熔融，材料然晶區(qū)尚未熔融，材料也發(fā)生了很大拉伸變形。也發(fā)生了很大拉伸變形。見圖中曲線見圖中曲線3、4、5。 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱“冷拉冷拉伸伸”。 TmT（1 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(cè)試）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(cè)試區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一處或幾處區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一處或幾處“頸縮頸縮”。隨著冷拉的進(jìn)行，細(xì)頸