聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)—聚合物的斷裂和強度計算

1、聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)聚合物的斷裂和強度計算 聚合物的斷裂現(xiàn)象十分復(fù)雜，聚合物材料的斷裂模式是多種多樣的。根據(jù)斷裂的吸收能量的大小或者斷裂點的不同，可分為脆性斷裂和韌性斷裂。脆性斷裂: 發(fā)生在材料屈服之前，材料只有普彈形變，應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系或者接近線性關(guān)系，形變量小，斷伸率小于5%，在拉伸應(yīng)力的作用下，微裂紋會迅速發(fā)展，最終導(dǎo)致脆性斷裂。韌性斷裂: 發(fā)生在材料屈服之后，材料先發(fā)生屈服，隨后發(fā)生大的形變，應(yīng)力應(yīng)變呈非線性關(guān)系，形變量大，斷伸率大于10%，然后由于屈服剪切帶的發(fā)展最終導(dǎo)致韌性斷裂。8. 聚合物的斷裂和強度 根據(jù)受載條件的不同，可以分為以下幾類：直接加載下的斷裂: 材料在拉伸、壓縮、剪切

2、等載荷作用下形變直至發(fā)生快速斷裂。材料斷裂時的應(yīng)力叫做斷裂強度。材料在沖擊載荷作用下的斷裂也屬于這一類，其特殊性僅在于加載速率非常之高。疲勞斷裂: 材料在一個應(yīng)力水平低于其斷裂強度的交變應(yīng)力作用下，經(jīng)多次循環(huán)作用而斷裂，材料的疲勞過程是材料中微觀局部損傷的擴展過程。使材料發(fā)生疲勞斷裂所需經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)稱為材料的疲勞壽命，一般用Nf表示。材料所受的應(yīng)力水平越低，疲勞壽命越長。當(dāng)應(yīng)力水平低于某個臨界值時，材料不出現(xiàn)疲勞斷裂。8. 聚合物的斷裂和強度 根據(jù)受載條件的不同，可以分為以下幾類：蠕變斷裂: 材料在一個低于其斷裂強度的恒定應(yīng)力的長期作用下發(fā)生斷裂，也叫做靜態(tài)疲勞。聚合物從蠕變開始直至斷裂

3、所需的時間t與所受應(yīng)力的關(guān)系一般符合公式tAe-B。環(huán)境應(yīng)力開裂: 材料在腐蝕性環(huán)境和應(yīng)力的共同作用下發(fā)生開裂。在這種破壞模式中，環(huán)境因素的作用是第一位的。應(yīng)力雖然是必要的因素，但居于第二位。表征材料抗環(huán)境應(yīng)力開裂的指標是該材料的標準條狀試樣在單軸拉伸和接觸某種介質(zhì)的條件下直至斷裂所需的時間。8. 聚合物的斷裂和強度 根據(jù)受載條件的不同，可以分為以下幾類：磨損磨耗: 一種材料在與另一種材料的摩擦過程中，其表面材料以小顆粒形式斷裂下來。8. 聚合物的斷裂和強度線型無定型聚合物的斷裂過程(T f/A0= 假定材料不可壓縮(0.5)，變形中體積保持不變lA0= lfAf l和lf為試樣原始長度和實際

4、長度 8. 聚合物的斷裂和強度屈服和冷拉伸條件的判定Af /A0l/ lf=-1 為拉伸比 Af =-1A0 f= f/Af= f/-1A0 ff/Af f/A0= 8. 聚合物的斷裂和強度屈服和冷拉伸條件的判定 若以f與應(yīng)變作圖所得曲線稱為真應(yīng)力應(yīng)變曲線。下圖畫出了工程應(yīng)力應(yīng)變曲線和真應(yīng)力應(yīng)變曲線。工程應(yīng)力應(yīng)變曲線上的極大值出現(xiàn)時的應(yīng)力可認為是屈服應(yīng)力，即d/d0。屈服應(yīng)力符合如下條件： 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線與真應(yīng)力應(yīng)變曲線 8. 聚合物的斷裂和強度屈服和冷拉伸條件的判定 f，f / 或1，dd 8. 聚合物的斷裂和強度屈服和冷拉伸條件的判定 用作圖法求出屈服時的真應(yīng)力，該方法稱為Conside

5、re作圖法，如下圖所示。通過拉伸比和應(yīng)力為零的一點作真應(yīng)力應(yīng)變曲線的切線，則相切點A的真應(yīng)力符合式8-3的條件，該點時的真實應(yīng)力為屈服真應(yīng)力 Considere作圖法 8. 聚合物的斷裂和強度屈服和冷拉伸條件的判定 Considere作圖法可用來判斷一種聚合物是否屈服和冷拉伸?？赡軙腥N真應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖所示: 第一種情況(圖a)：df /d總是大于f /，說明該材料不發(fā)生屈服。過f=0，=0這點畫不出該曲線的切線。橡膠在溫度高于 Tg時，如氯丁膠屬于這種情況。8. 聚合物的斷裂和強度屈服和冷拉伸條件的判定 Considere作圖法可用來判斷一種聚合物是否屈服和冷拉伸?？赡軙腥N真應(yīng)力應(yīng)

6、變曲線，如圖所示 第二種情況(圖b)：在曲線有一點可畫出通過f=0，=0點的切線。說明在該點的真應(yīng)力材料發(fā)生屈服，形成細頸。8. 聚合物的斷裂和強度屈服和冷拉伸條件的判定 Considere作圖法可用來判斷一種聚合物是否屈服和冷拉伸?？赡軙腥N真應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖所示 第三種情況(圖c)：在曲線有兩點可通過f0，0點作切線，表示在第一個真應(yīng)力處發(fā)生屈服，并發(fā)生冷拉伸，然后在第二個真應(yīng)力處發(fā)生應(yīng)變硬化。 8. 聚合物的斷裂和強度 材料的強度表征材料抵抗斷裂的能力。從分子結(jié)構(gòu)的角度來看，聚合物之所以具有抵抗外力破壞的能力，主要靠分子內(nèi)的化學(xué)鍵力和分子間的范德華力和氫鍵。 聚合物斷裂的微觀機理有的

7、三種可能。如果高分子鏈的排列方向是平行于受力方向的，則斷裂時可能是化學(xué)鍵的斷裂或分子間的滑脫。如果高分子鏈的排列方向是垂直于受力方向的，則斷列時可能是范德華力或氫鍵的破壞。8. 聚合物的斷裂和強度 實際材料的強度比理論強度低的多的原因：a.實際的聚合物的分子鏈的取向（分子鏈的定向分布）不是理想的取向。 b.聚合物的缺陷(如表面劃痕、內(nèi)部夾雜、微孔、銀紋、裂縫等)。 聚合物的實際斷裂行為與結(jié)構(gòu)的關(guān)系(1)化學(xué)本性的影響 從結(jié)構(gòu)角度考慮，使聚合物具有結(jié)晶性，引入交聯(lián)鍵和增加分子鏈的剛性均有利于提高材料的強度。8. 聚合物的斷裂和強度聚合物的實際斷裂行為與結(jié)構(gòu)的關(guān)系(2)分子量的影響 分子鏈化學(xué)成分

8、決定以后，分子量及其分布對強度有較大的影響。一般來說，分子量越大，強度也越高。(3)結(jié)晶和取向的影響8. 聚合物的斷裂和強度 斷裂的裂縫理論認為，這些裂縫和缺陷會使應(yīng)力局部集中于其尖端，大大超過試樣受到的平均應(yīng)力，當(dāng)它達到和超過某一臨界條件時，裂縫失去穩(wěn)定性而發(fā)生擴展，最終在低的名義應(yīng)力下引起材料的斷裂。 應(yīng)力集中隨平均應(yīng)力的增大和裂縫尖端處半徑的減小而增大。若能消除裂縫或者鈍化裂縫的銳度，則材料強度可相應(yīng)得到提高。8. 聚合物的斷裂和強度玻璃態(tài)聚合物的表面常出現(xiàn)一些肉眼可見的閃亮的微細裂紋，稱為銀紋。銀紋區(qū)別于裂縫的特點： 銀紋的質(zhì)量不為零，在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)連續(xù)性。 銀紋具有可逆性，含有銀

9、紋的樣品在壓縮力的作用下或者在Tg以上溫度退火處理時，樣品中的銀紋趨向回縮和消失，并能回復(fù)到開裂時的光學(xué)均一狀態(tài)。8. 聚合物的斷裂和強度Griffith斷裂理論裂縫應(yīng)力公式： 問題：一個具有尖銳裂縫的材料有沒有有限的強度？ Griffith理論的兩個假設(shè)：斷裂要產(chǎn)生新的表面，需要一定的表面能，斷裂產(chǎn)生新表面所需要的表面能是由材料內(nèi)部彈性儲能的減少來補償?shù)?。彈性儲能在材料中的分布是不均勻的，在材料的裂縫附近集中了大量彈性儲能，這就是說有裂縫的地方要比其他地方有更多的彈性儲能來供給產(chǎn)生新表面所需的表面能，致使材料在裂縫處先行斷裂。 8. 聚合物的斷裂和強度Griffith斷裂理論 擴展單位面積裂

10、縫時裂縫端點附近所釋放出來的彈性能，是驅(qū)動裂縫擴展的原動力。 產(chǎn)生每單位面積裂縫的表面功，反映材料抵抗裂縫擴展的一種性質(zhì)。 無機玻璃、陶瓷等脆性材料的裂縫擴展力為：8. 聚合物的斷裂和強度Griffith斷裂理論脆性固體斷裂的Griffith能量判據(jù)8. 聚合物的斷裂和強度 斷裂的分子理論認為，宏觀斷裂是微觀化學(xué)鍵斷裂的熱活化過程，即當(dāng)原子熱運動的無規(guī)熱漲落能量超過束縛原子間的勢壘時，會使化學(xué)鍵離解，從而發(fā)生斷裂。 式中，0-原子熱振動的頻率；U-勢壘高度即活化能；k-波爾茲曼常數(shù)；T-絕對溫度。 8. 聚合物的斷裂和強度 應(yīng)力的作用在于減低了鍵的離解能，使化學(xué)鍵活化。8. 聚合物的斷裂和強度

11、 斷裂是一種力學(xué)和熱力學(xué)的綜合現(xiàn)象。8. 聚合物的斷裂和強度 斷裂的三個階段：第一階段：由于結(jié)構(gòu)的不均一性，使負載分布不均勻，結(jié)果在一些鍵上應(yīng)力集中形成局部斷裂微點。第二階段：集中了應(yīng)力的鍵，由于熱漲落而斷裂，同時生成亞微裂縫。第三階段：初始亞微裂縫聚集成大的主裂縫，引起固體的最終斷裂。8. 聚合物的斷裂和強度本章小結(jié) 聚合物的斷裂模式根據(jù)受載條件的不同，斷裂的分類：a.直接加載下的斷裂b.疲勞斷裂c.蠕變斷裂d.環(huán)境應(yīng)力開裂e.磨損磨耗 聚合物的斷裂過程和強度線性無定形聚合物的斷裂過程脆性斷裂的條件：材料的脆性斷裂強度低于其屈服強度。韌性斷裂的分類：a.屈服后應(yīng)力變化不大。b.屈服后形成細頸

12、。8. 聚合物的斷裂和強度本章小結(jié) 聚合物的斷裂過程和強度線性無定形聚合物的斷裂過程分類：1.硬而脆的材料2.硬而強的材料3.強而韌的材料4.軟而韌的材料5.軟而弱的材料6.弱而脆的材料晶態(tài)聚合物的斷裂行為：未取向結(jié)晶聚合物取向結(jié)晶聚合物 單向拉伸結(jié)晶聚合物橡膠的斷裂：8. 聚合物的斷裂和強度本章小結(jié) 聚合物的斷裂過程和強度溫度和應(yīng)變速率對斷裂行為的影響溫度的影響：溫度可以決定斷裂的方式（脆性斷裂or韌性斷裂）。應(yīng)變速率的影響：聚合物的應(yīng)變速率提高的影響相當(dāng)于溫度降低 8. 聚合物的斷裂和強度本章小結(jié) 聚合物的屈服行為 (1) 聚合物如發(fā)生屈服，屈服后一般發(fā)生應(yīng)變軟化，屈服應(yīng)力時的應(yīng)變較小。 (2) 屈服應(yīng)力對溫度和應(yīng)變速率較敏感，它隨溫度升高較快下降。 (3) 當(dāng)溫度高于玻璃化溫度時，屈服應(yīng)力很快趨于0。 (4) 結(jié)晶聚合物屈服后，可以形成細頸并發(fā)生相變化，原有的結(jié)晶破壞，重新形成新的結(jié)晶。8. 聚合物的斷裂和強度本章小結(jié) 聚合物的屈服行為 Con