聚合物的屈服與斷裂課件

1、8.1.1非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線8.1聚合物的塑性和屈服 研究材料強(qiáng)度和破壞的重要實(shí)驗(yàn)手段是測量材料的拉伸應(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，測量試樣上的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，直到試樣破壞。圖8-1 啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣 常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖8-1所示，試樣中部為測試部分，標(biāo)距長度為l0，初始截面積為A0。 設(shè)以一定的力 F 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?圖8-2 非晶態(tài)聚合物典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖 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)變呈直線關(guān)系變化，直線斜率 相當(dāng)于材料彈性模量。 （2）越過A點(diǎn)，應(yīng)力應(yīng)變

2、曲線偏離直線，說明材料開始發(fā)生塑性形變，極大值Y點(diǎn)稱材料的屈服點(diǎn)，其對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度） 和屈服應(yīng)變 。發(fā)生屈服時(shí)，試樣上某一局部會出現(xiàn)“細(xì)頸”現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降，發(fā)生“屈服軟化”。（3）隨著應(yīng)變增加，在很長一個(gè)范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細(xì)頸”區(qū)越來越大。直到拉伸應(yīng)變很大時(shí)，材料應(yīng)力又略有上升（成頸硬化），到達(dá)B點(diǎn)發(fā)生斷裂。與B點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度） 和斷裂伸長率 ，它們是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限伸長率。 （4）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Jm-3，稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個(gè)物理量。 A 彈性

3、極限應(yīng)變 A彈性極限應(yīng)力B 斷裂伸長率 B斷裂強(qiáng)度 Y 屈服應(yīng)力Y point: Yielding point 屈服點(diǎn)A point: Point of elastic limit 彈性極限點(diǎn)B point: Breaking point 斷裂點(diǎn)y各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1、溫度的影響 環(huán)境溫度對高分子材料拉伸行為的影響十分顯著。溫度升高，分子鏈段熱運(yùn)動加劇，松弛過程加快，表現(xiàn)出材料模量和強(qiáng)度下降，伸長率變大，應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀發(fā)生很大變化。 圖8-4 聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨環(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，則試樣已發(fā)生的大形變無法完全恢復(fù)；只有讓試樣的溫

4、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(jī)理主要是高分子的鏈段運(yùn)動，它只是在大外力的作用下的一種鏈段運(yùn)動。為區(qū)別于普通的高彈形變，可稱之為強(qiáng)迫高彈性。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、屈服、斷裂的情形。對于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于 時(shí)，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形（參見圖8-4中T = 80，60的情形），這種變形稱強(qiáng)迫高彈形變。 非晶聚合物的強(qiáng)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(qiáng)迫發(fā)生運(yùn)動、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強(qiáng)迫

5、高彈形變在外力撤消后，通過適當(dāng)升溫（ ）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。 （1）這種現(xiàn)象既不同于高彈態(tài)下的高彈形變，也不同于粘流態(tài)下的粘性流動。這是一種獨(dú)特的力學(xué)行為。（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)分子鏈段在作用力方向上的運(yùn)動，如同升高溫度一樣，起到某種“活化”作用。從鏈段的松弛運(yùn)動來講，提高應(yīng)力降低了鏈段在作用力方向上的運(yùn)動活化能，減少了鏈段運(yùn)動的松弛時(shí)間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過勢壘而運(yùn)動。 討論在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，一般材料在發(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

6、裂，則稱為韌性斷裂。存在一個(gè)特征溫度Tb ，只要溫度低于Tb，玻璃態(tài)高聚物就不能發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變，而必定發(fā)生脆性斷裂，這個(gè)溫度稱為脆化溫度Tb。圖8-5 斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢 虛線高拉伸速率 實(shí)線低拉伸速率 材料的拉伸斷裂強(qiáng)度 和屈服強(qiáng)度 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。 在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點(diǎn)對應(yīng)的溫度稱脆-韌轉(zhuǎn)變溫度 。 當(dāng)環(huán)境溫度小于 時(shí)，材料的 ，受外力作用時(shí)，材料未屈服前先已斷裂，呈脆性斷裂特征。 環(huán)境溫度高于 時(shí)， ，受外力作用時(shí)，材料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。 拉伸速率對材料的斷裂強(qiáng)度 和屈服

7、強(qiáng)度 也有明顯影響 。2、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影響，這是時(shí)-溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。 圖8-6斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢實(shí)線低環(huán)境溫度 虛線高環(huán)境溫度 與脆-韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線交點(diǎn)，可以定義脆-韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率 。拉伸速率高于 時(shí)，材料呈脆性斷裂特征；低于 時(shí)，呈韌性斷裂特征。 3、環(huán)境壓力的影響圖8-7 聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨環(huán)境壓力的變化（T=31） 右圖可見，PS在低環(huán)境壓力（常壓）下呈脆性斷裂特點(diǎn)，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)度增高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變

8、。 研究發(fā)現(xiàn)，對許多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆-韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。 比較圖8-4和8-7可以發(fā)現(xiàn)，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-韌轉(zhuǎn)變。但兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式有很大差別。兩種脆-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。 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)?shù)姆椒?，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)就是由此發(fā)展起來的。 整個(gè)曲線可分為三個(gè)階段：到y(tǒng)點(diǎn)后，試樣截面開始

9、變得不均勻，出現(xiàn) “細(xì)頸”。8.1.2晶態(tài)聚合物的應(yīng)力一應(yīng)變曲線 晶態(tài)聚合物“冷拉”的原因：Tm以下，冷拉：拉伸成頸（球晶中片晶的變形）非晶態(tài)：Tg以下冷拉，只發(fā)生分子鏈的取向晶態(tài)：Tm以下，發(fā)生結(jié)晶的破壞，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)有關(guān)。晶態(tài)聚合物的“冷拉伸”圖8-8結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-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“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，如下圖。 圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔點(diǎn)時(shí)（ ），雖然晶區(qū)尚未熔融，材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見圖中曲線3、4、5。 這種現(xiàn)象稱“冷拉伸”。 （1）發(fā)生冷拉之前，材料有

10、明顯的屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)為試樣測試區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一處或幾處“頸縮”。隨著冷拉的進(jìn)行，細(xì)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，直到整個(gè)試樣測試區(qū)全部變細(xì)。再繼續(xù)拉伸，應(yīng)力將上升（應(yīng)變硬化），直至斷裂。 討論（2）雖然冷拉伸也屬于強(qiáng)迫高彈形變，但兩者的微觀機(jī)理不盡相同。結(jié)晶聚合物從遠(yuǎn)低于玻璃化溫度直到熔點(diǎn)附近一個(gè)很大溫區(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，分子鏈從晶體中被拉出、伸直，沿著拉伸方向排列形成的。 圖89 球晶拉伸形變時(shí)內(nèi)部晶片變化示意圖 圖810 片晶受拉伸形變時(shí)內(nèi)部晶片發(fā)生位錯(cuò)、轉(zhuǎn)向、定向排列、拉伸示意圖 （4）

11、環(huán)境溫度、拉伸速率、分子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(yùn)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，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(dá)到防止材料破壞的程度，也會使材料在屈服點(diǎn)后不久就發(fā)生破壞。 （3）實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變和冷拉必須有一定條件。關(guān)鍵有兩點(diǎn)，一是材料屈服后應(yīng)表現(xiàn)出軟化效應(yīng)；二是擴(kuò)大應(yīng)變時(shí)應(yīng)表現(xiàn)出材料硬化效應(yīng)，軟、硬恰當(dāng)，才能實(shí)現(xiàn)大變形和冷拉。 即兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應(yīng)變硬化等階段，其中大形變在室溫時(shí)都不能自發(fā)回復(fù)，而加熱后則產(chǎn)生回復(fù)，故本質(zhì)上兩種拉伸過程造

12、成的大形變都是高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為“冷拉”。兩種拉伸過程又有區(qū)別： 即產(chǎn)生冷拉的溫度范圍不同，玻璃態(tài)聚合物的冷拉溫度區(qū)間是Tb到Tg，而結(jié)晶聚合物則為Tg至Tm；另一差別在于玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比晶態(tài)聚合物簡單得多，它只發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變，而后者尚包含有結(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程。玻璃態(tài)聚合物的拉伸與結(jié)晶聚合物的拉伸相似之處8.1.3 應(yīng)力一應(yīng)變曲線類型“軟”和“硬”用于區(qū)分模量的低或高，“弱”和“強(qiáng)”是指強(qiáng)度的大小，“脆”是指無屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長很小，“韌”是指其斷裂伸長和斷裂應(yīng)力都較高的情況，有時(shí)可將斷裂功作為“韌性”的標(biāo)志。（3）硬而韌型 此類材

13、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，說明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。（1）硬而脆型 此類材料彈性模量高（OA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。（2）硬而強(qiáng)型 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5%）。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類型。說明（5）軟而弱型 此類材料彈性模量低，斷裂強(qiáng)度低，斷裂伸長率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。（4）軟而韌型 此類材料彈性

14、模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長率大（20%1000%），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)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。隨著形變的增大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測試區(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、硝酸纖維素等屬于這種材料。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（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發(fā)生大于100%的斷裂伸長率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點(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

15、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“頸縮”，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。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。8. 2聚合物的塑性和屈服The plasticity and yielding of polymer 高聚物屈服點(diǎn)前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點(diǎn)后高聚物將在恒應(yīng)力下“塑性流動”，即鏈段沿外力方向開始取向。高聚物在屈服點(diǎn)的應(yīng)變相當(dāng)大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)?0%-20%（與金屬相比）。屈服點(diǎn)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。屈服發(fā)生時(shí)，拉伸樣條表面產(chǎn)生“銀紋”或“剪切帶”，繼而整個(gè)

16、樣條局部出現(xiàn)“細(xì)頸”。屈服主要特征Strain softening 應(yīng)變軟化 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：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。呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細(xì)頸。塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。發(fā)生“取向硬化”，應(yīng)力急劇上升。試樣斷裂。8.2.1 Shear band 剪切帶1.定義：韌性聚合物單軸拉伸至屈服點(diǎn)時(shí)，可看到與拉伸方向成45的剪切滑移變形帶，有明顯的雙折射現(xiàn)象，分子鏈高度取向，剪切帶厚度約1m左右，每個(gè)剪切帶又由若干個(gè)細(xì)小的不規(guī)則微纖構(gòu)成。剪切屈服帶剪切屈服帶是材料內(nèi)部具有高度剪切應(yīng)變的薄層，是

17、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)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。聚對苯二甲酸乙二酯中的剪切屈服帶 在拉伸實(shí)驗(yàn)和壓縮實(shí)驗(yàn)中都曾經(jīng)觀察到剪切帶,而以壓縮實(shí)驗(yàn)為多。理論上剪切帶的方向應(yīng)與應(yīng)力方向成45角，由于材料的復(fù)雜性，實(shí)際夾角往往小于45。 2. 剪切屈服現(xiàn)象、機(jī)理及判據(jù)橫截面A0, 受到的應(yīng)力 0=F/A0拉伸中材料某個(gè)面受力分析剪切屈服：即在細(xì)頸發(fā)生前，試樣表面出現(xiàn)與拉伸方向成45度角的剪切帶。WHY？斜截面A受 力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力抵抗外力的方式抗張強(qiáng)度：抵抗拉力的作用抗剪強(qiáng)度：抵抗剪力的作用兩種當(dāng)應(yīng)力0增

18、加時(shí)，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同抗張強(qiáng)度什么面最大？ =0， n=0抗剪強(qiáng)度什么面最大？ =45， s=0/2=0n=0s=0=45n=0/2s=0/2=90n=0s=0切應(yīng)力雙生互等定律當(dāng)=45時(shí)s=0/2 當(dāng)=-90=-45時(shí)s=-0/2 發(fā)生屈服屈服判據(jù)雙軸拉伸屈服判據(jù)當(dāng)=45時(shí)發(fā)生屈服屈服試樣的剪切變形帶和細(xì)頸樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方 出現(xiàn)“細(xì)頸”的位置自由體積增加松弛時(shí)間變短出現(xiàn)“細(xì)頸”的原因無外力有外力 Orientation8.2.2 細(xì)頸 Necking細(xì)頸:屈服時(shí)，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。Necking 頸縮現(xiàn)象為什么會出現(xiàn)細(xì)頸？應(yīng)力最大處。哪

19、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，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)長度為100m，寬度為10m左右，厚度為1m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50，高度取向的高分子微纖。銀紋進(jìn)一步發(fā)展裂縫脆性斷裂。分類環(huán)境銀紋溶劑銀紋應(yīng)力銀紋8.2.3 Crazing 銀紋拉伸試樣在拉斷前產(chǎn)生銀紋化現(xiàn)象，a圖為聚苯乙烯，b圖為有機(jī)玻璃 注意銀紋方向與應(yīng)力方向垂直銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數(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上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈

20、現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會使銀紋消失 。F銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服主要區(qū)別剪切屈服銀紋屈服形變形變大幾十幾百%形變小 10%曲線特征有明顯的屈服點(diǎn)無明顯的屈服點(diǎn)體積體積不變體積增加力剪切力張應(yīng)力結(jié)果冷拉裂縫 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； 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45和135角。 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(shí)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

21、屈服時(shí)，材料體積不變。強(qiáng)度是指物質(zhì)抵抗破壞的能力張應(yīng)力拉伸強(qiáng)度拉伸模量彎曲力矩抗彎強(qiáng)度彎曲模量壓應(yīng)力壓縮強(qiáng)度硬 度如何區(qū)分?jǐn)嗔研问剑筷P(guān)鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂8.3聚合物的斷裂與強(qiáng)度1. 脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂屈服前斷裂無塑性流動表面光滑張應(yīng)力分量韌性斷裂屈服后斷裂有塑性流動表面粗糙切應(yīng)力分量相比于脆性斷裂，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)，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度T 和拉伸速度 有關(guān)。大小光滑粗糙斷裂伸長率較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電鏡照片；右圖韌性

22、試樣斷裂表面的電鏡照片2.材料的斷裂方式分析聚合物材料的破壞可能是高分子主鏈的化學(xué)鍵斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。分子間滑脫5000MPa化學(xué)鍵拉斷15000MPa理論值分子間扯離氫鍵 500MPa范德華力 100MPa在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強(qiáng)度在幾千MPa，而實(shí)際只有幾十Mpa 。WHY？e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPa理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差原因樣條存在缺陷應(yīng)力集中polymer based concrete containing spherical inorganic particlesfatigue fracture surfa

23、ceComparing of brittle and ductile fractures（分析判斷） 脆性斷裂 韌性斷裂屈服-線b斷裂能斷裂表面斷裂原因無有無有線性非線性線性非線性小大小大小大小大平滑粗糙平滑粗糙法向應(yīng)力剪切應(yīng)力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力脆韌轉(zhuǎn)變溫度 TbTb is also called brittle temperature.Brittle ductile transition 脆韌轉(zhuǎn)變脆化溫度，脆化點(diǎn)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斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對應(yīng)變速率更敏感？脆性斷裂和韌性斷裂判斷TTb, 先達(dá)到y(tǒng)，韌性斷裂對材料一般

24、使用溫度為哪一段？ T TbTb越低材料韌性越好差Example PC聚碳酸酯Tg=150CTb= - 20C室溫下易不易碎？The influence on Tb（1）增加應(yīng)變速率，脆化溫度如何變化？（2）存在缺口，形成應(yīng)力集中，趨向于脆性，脆化溫度升高。為什么材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度？存在缺陷為什么在缺陷處斷裂？缺陷處應(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力多大？Griffith theory8.3. 2 Griffith crack theory 斷裂理論無限大平板中橢圓形裂縫的應(yīng)力集中考察橢圓周圍什么地方受力最大？應(yīng)力集中處（多大？）Ellipsoidab公式表達(dá)對圓形，a = b對橢圓，a 增加，b

25、 減小劇烈最終結(jié)果就是斷裂Griffith crack theory 斷裂理論討論什么時(shí)候裂紋開始擴(kuò)展E-彈性儲存能Gc-拉伸過程中材料所吸收的能量a-裂縫長度的一半裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力Griffith從能量平衡的觀點(diǎn)分析斷裂過程，結(jié)果：臨界應(yīng)力強(qiáng)度K1c和應(yīng)力強(qiáng)度因子K1Critical stress intensity KIcStress intensity factor K1E-彈性儲存能；Gc-拉伸過程中材料所吸收的能量為裂紋擴(kuò)展阻力為裂紋擴(kuò)展動力力越強(qiáng)，大；裂縫越長，a越大Discussion臨界應(yīng)力強(qiáng)度KIc裂紋擴(kuò)展阻力應(yīng)力強(qiáng)度因子K1裂紋擴(kuò)展動力臨界應(yīng)力強(qiáng)度KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子K1裂

26、紋穩(wěn)定臨界應(yīng)力強(qiáng)度KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子K1裂紋擴(kuò)展主要內(nèi)容：聚合物的拉伸強(qiáng)度與增強(qiáng)聚合物的韌性與增韌聚合物的疲勞本章重點(diǎn)及要求： 掌握聚合物強(qiáng)度和韌性的影響因素、增強(qiáng)和增韌的方 法與機(jī)理。教學(xué)目的： 指導(dǎo)選材、改性、加工和使用。8.4聚合物的強(qiáng)度與韌性8.4.1聚合物的拉伸強(qiáng)度Tensile strength屈服強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度tb-試樣厚度，d-試樣寬度P-最大載荷1. 拉伸強(qiáng)度2.影響拉伸強(qiáng)度的因素分子間滑脫主要方式化學(xué)鍵拉斷化學(xué)鍵斷裂所需力最大分子間扯離分子間扯離所需力最小通過斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對強(qiáng)度影響最大A、考慮分子結(jié)構(gòu)因素極性基團(tuán)或氫鍵高低拉伸強(qiáng)度t主鏈上含芳雜環(huán)

27、結(jié)構(gòu)高低適度的交聯(lián)高低結(jié)晶度大高低取向好高低加入增塑劑高低缺陷存在高低B、考慮外界因素溫度高應(yīng)變速率大高低高低拉伸強(qiáng)度tPolymers with different properties8.4.2 增強(qiáng) Reinforcement活性粒子（ Powder）纖維 Fiber液晶 Liquid Crystal C ，SiO2Glass fiber, Carbon fiberPolyesterFiller填料增強(qiáng)途徑（1）活性粒子增強(qiáng)Carbon black reinforcement橡膠+碳黑增強(qiáng)機(jī)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(diǎn)的作用。惰性填料？例：PVC+CaC

28、O3，PP+滑石粉（2）纖維增強(qiáng)Glass steel boatglassy fiber+polyester增強(qiáng)機(jī)理：纖維作為骨架幫助基體承擔(dān)載荷例：尼龍+玻纖/碳纖維/晶須/硼纖維增強(qiáng)效果與纖維的長度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關(guān)（3）液晶原位增強(qiáng)增強(qiáng)機(jī)理：熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混物中形成微纖結(jié)構(gòu)而起到增強(qiáng)作用。由于微纖結(jié)構(gòu)是加工過程中由液晶棒狀分子在共混無物基體中就地形成的，故稱做“原位”復(fù)合增強(qiáng)。熱致液晶+熱塑性聚合物共聚酯， 聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum8.5 聚合物的韌性與增韌8.5.1 沖擊強(qiáng)度 Impact strength是衡量材料韌性的一種指標(biāo)沖斷試樣所消耗的功沖斷試樣的厚度和寬度增韌劑： elasticizer, plasticizer, softenerPendulum machine 擺錘沖擊機(jī)Charpy 簡支梁Izo