聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)—聚合物的斷裂和強(qiáng)度計(jì)算

1、聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)聚合物的斷裂和強(qiáng)度計(jì)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(diǎn)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(huì)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(qiáng)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(shí)的應(yīng)力叫做斷裂強(qiáng)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(gè)應(yīng)力水平低于其斷裂強(qiáng)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(kuò)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(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)力水平低于某個(gè)臨界值時(shí)，材料不出現(xiàn)疲勞斷裂。8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)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(gè)低于其斷裂強(qiáng)度的恒定應(yīng)力的長(zhǎng)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(shí)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(biāo)是該材料的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間。8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)度和實(shí)際

4、長(zhǎng)度 8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)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(qiáng)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(shí)的應(yīng)力可認(rèn)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(qiáng)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(qiáng)度屈服和冷拉伸條件的判定 用作圖法求出屈服時(shí)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(diǎn)作真應(yīng)力應(yīng)變曲線的切線，則相切點(diǎn)A的真應(yīng)力符合式8-3的條件，該點(diǎn)時(shí)的真實(shí)應(yīng)力為屈服真應(yīng)力 Considere作圖法 8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)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?huì)有三種真應(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(diǎn)畫不出該曲線的切線。橡膠在溫度高于 Tg時(shí)，如氯丁膠屬于這種情況。8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)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。可能會(huì)有三種真應(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(diǎn)可畫出通過f=0，=0點(diǎn)的切線。說明在該點(diǎn)的真應(yīng)力材料發(fā)生屈服，形成細(xì)頸。8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)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。可能會(huì)有三種真應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖所示 第三種情況(圖c)：在曲線有兩點(diǎn)可通過f0，0點(diǎn)作切線，表示在第一個(gè)真應(yīng)力處發(fā)生屈服，并發(fā)生冷拉伸，然后在第二個(gè)真應(yīng)力處發(fā)生應(yīng)變硬化。 8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 材料的強(qiáng)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(jī)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(shí)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(shí)可能是范德華力或氫鍵的破壞。8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 實(shí)際材料的強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低的多的原因：a.實(shí)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(shí)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(qiáng)度。8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)度聚合物的實(shí)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(duì)強(qiáng)度有較大的影響。一般來說，分子量越大，強(qiáng)度也越高。(3)結(jié)晶和取向的影響8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 斷裂的裂縫理論認(rèn)為，這些裂縫和缺陷會(huì)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(dá)到和超過某一臨界條件時(shí)，裂縫失去穩(wěn)定性而發(fā)生擴(kuò)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(qiáng)度可相應(yīng)得到提高。8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)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(xì)裂紋，稱為銀紋。銀紋區(qū)別于裂縫的特點(diǎn)： 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(shí)，樣品中的銀紋趨向回縮和消失，并能回復(fù)到開裂時(shí)的光學(xué)均一狀態(tài)。8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)度Griffith斷裂理論裂縫應(yīng)力公式： 問題：一個(gè)具有尖銳裂縫的材料有沒有有限的強(qiáng)度？ Griffith理論的兩個(gè)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(chǔ)能的減少來補(bǔ)償?shù)摹椥詢?chǔ)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(chǔ)能，這就是說有裂縫的地方要比其他地方有更多的彈性儲(chǔ)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(qiáng)度Griffith斷裂理論 擴(kuò)展單位面積裂

10、縫時(shí)裂縫端點(diǎn)附近所釋放出來的彈性能，是驅(qū)動(dòng)裂縫擴(kuò)展的原動(dòng)力。 產(chǎn)生每單位面積裂縫的表面功，反映材料抵抗裂縫擴(kuò)展的一種性質(zhì)。 無機(jī)玻璃、陶瓷等脆性材料的裂縫擴(kuò)展力為：8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)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(qiáng)度 斷裂的分子理論認(rèn)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(yùn)動(dòng)的無規(guī)熱漲落能量超過束縛原子間的勢(shì)壘時(shí)，會(huì)使化學(xué)鍵離解，從而發(fā)生斷裂。 式中，0-原子熱振動(dòng)的頻率；U-勢(shì)壘高度即活化能；k-波爾茲曼常數(shù)；T-絕對(duì)溫度。 8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度 斷裂的三個(gè)階段：第一階段：由于結(jié)構(gòu)的不均一性，使負(fù)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(diǎn)。第二階段：集中了應(yīng)力的鍵，由于熱漲落而斷裂，同時(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度低于其屈服強(qiáng)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(xì)頸

12、。8. 聚合物的斷裂和強(qiáng)度本章小結(jié) 聚合物的斷裂過程和強(qiáng)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(qiáng)的材料3.強(qiáng)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(qiáng)度本章小結(jié) 聚合物的斷裂過程和強(qiáng)度溫度和應(yīng)變速率對(duì)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(qiáng)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(shí)的應(yīng)變較小。 (2) 屈服應(yīng)力對(duì)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(shí)，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(xì)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(qiáng)度本章小結(jié) 聚合物的屈服行為 Con