高分子物理第八章課件

第八章

聚合物的屈服和斷裂

YieldingandFractureofPolymer1重點(diǎn)要求：會(huì)從聚合物應(yīng)力——應(yīng)變曲線獲取信息；掌握屈服和斷裂現(xiàn)象及其機(jī)理；韌性和強(qiáng)度的影響因素及增韌、增強(qiáng)方法和機(jī)理。學(xué)習(xí)目的：能從分子結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和屈服、斷裂特征上對(duì)材料的韌性和強(qiáng)度進(jìn)行初步判斷，學(xué)會(huì)聚合物的增韌、增強(qiáng)方法，以滿足其使用要求。教學(xué)內(nèi)容：聚合物的應(yīng)力—應(yīng)變曲線聚合物的屈服聚合物的斷裂與強(qiáng)度2研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力的持續(xù)作用或強(qiáng)大外力的短時(shí)作用后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂。強(qiáng)度:

抵抗上述破壞或斷裂的能力形變?。嚎捎媚Ａ縼?lái)表示形變特性；極限范圍內(nèi)的大形變：要用應(yīng)力～應(yīng)變曲線來(lái)反映這一過(guò)程38.1.1聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)高聚物的力學(xué)性能與溫度和力的作用速率有關(guān)，因此在試驗(yàn)和應(yīng)用中注意：必須標(biāo)明溫度和應(yīng)變速率。啞鈴型試樣均勻速率拉伸，直至斷裂屈服應(yīng)變彈性線性Y（屈服點(diǎn)）B斷裂點(diǎn)塑性Typicalstress-straincurveforamorphouspolymerattemperaturebelowTg圖8-15Ypoint:Yieldingpoint屈服點(diǎn)Apoint:彈性極限點(diǎn)Bpoint:Breakingpoint斷裂點(diǎn)Y

屈服應(yīng)力Y

屈服應(yīng)變B斷裂伸長(zhǎng)率B斷裂強(qiáng)度Y點(diǎn)以前（彈性區(qū)域）：除去應(yīng)力，材料能恢復(fù)原樣，不留任何永久變形Y點(diǎn)以后（塑性區(qū)域）：除去外力后，材料不再恢復(fù)原樣，留有永久變形，稱材料“屈服”了8.1.1.1非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線頸縮階段6形變過(guò)程彈性形變-屈服-應(yīng)變軟化-冷拉-應(yīng)變硬化-斷裂應(yīng)變?yōu)?.2Y點(diǎn)以后：凍結(jié)的鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，高分子鏈的伸展提供了大的形變“細(xì)頸”頸縮階段：“細(xì)頸”擴(kuò)張，應(yīng)力變化很小，應(yīng)變大幅度增加7

聚合物的屈服強(qiáng)度（Y點(diǎn)強(qiáng)度）

聚合物的楊氏模量（OA段斜率）聚合物的斷裂強(qiáng)度（B點(diǎn)強(qiáng)度）聚合物的斷裂伸長(zhǎng)率（B點(diǎn)伸長(zhǎng)率）聚合物的斷裂韌性（曲線下面積）從應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以獲得的被拉伸聚合物的信息9(a)Differenttemperaturea:T<<Tgc:T<Tg(幾十度)d:T接近Tgb:T<Tg0℃50~70℃70℃0~50℃脆斷韌斷無(wú)屈服屈服后斷TT<10%<20%溫度升高，屈服應(yīng)力下降，斷裂伸長(zhǎng)率增加各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線TemperatureExample-PVCResults10Strainrate速度速度拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服應(yīng)力、斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率減小(b)Differentstrainrate11應(yīng)變軟化更明顯,冷拉時(shí),包括晶區(qū)和非晶區(qū)兩部分形變。8.1.1.2晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線晶態(tài)聚合物典型的應(yīng)力－應(yīng)變曲線13各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)溫度、應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響圖8-8；圖8-9影響與非晶態(tài)聚合物相似溫度升高，屈服應(yīng)力下降，斷裂伸長(zhǎng)率增加拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服應(yīng)力、斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率減小14(b)球晶大小TheSizeofSpherulites球晶大，一般斷裂伸長(zhǎng)率和韌性降低158.1.1.3Differenttypesofstress-straincurve17聚合物力學(xué)類型軟而弱軟而韌硬而脆硬而強(qiáng)強(qiáng)而韌聚合物應(yīng)力—應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線特點(diǎn)模量（剛性）低低高高高屈服應(yīng)力（強(qiáng)度）低低高高高斷裂強(qiáng)度（強(qiáng)度）低中中高高斷裂伸長(zhǎng)（延性）中高低2%中5%高應(yīng)力應(yīng)變曲線下面積（韌）小中小中大實(shí)例聚合物凝膠橡膠;增塑PVCPS;PMMA;固化酚醛樹(shù)脂斷裂前無(wú)塑性形變硬PVCABS;PC;POMnylon-66有明顯的屈服和塑性形變.韌性好188.1.2聚合物的塑性和屈服屈服主要特征高聚物屈服點(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(dòng)”，即鏈段沿外力方向開(kāi)始取向。高聚物在屈服點(diǎn)的應(yīng)變較大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)?0%-20%。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(duì)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)樣條局部出現(xiàn)“細(xì)頸”。成頸或冷拉，是薄膜或纖維拉伸工藝的基礎(chǔ)19細(xì)頸穩(wěn)定取向硬化Considère作圖法唯象角度

判據(jù)成頸或冷拉，是薄膜或纖維拉伸工藝的基礎(chǔ)21工程應(yīng)力和真應(yīng)力

Engineeringstressandtruestress

EngineeringstressTruestressForceInitialcross-sectionareaForceCross-sectionarea形變時(shí)，V不變22Considère作圖法:在真應(yīng)力-應(yīng)變曲線上確定與工程應(yīng)力-應(yīng)變屈服點(diǎn)Y所對(duì)應(yīng)的B點(diǎn)Y點(diǎn)23YieldCriterion屈服判據(jù)(1)TrascacriterionMetal剪切作用最大方向上的剪切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值s時(shí)，材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象。1>2>3Forsimpleelongation各向同性2=3=01=y1/21=1/2y=s25(2)VonMisescriterion(3)Coulomb(MC)criterion當(dāng)材料的剪切應(yīng)變能達(dá)到某一臨界值時(shí)，就產(chǎn)生屈服現(xiàn)象。在某平面出現(xiàn)屈服行為的臨界壓力s與垂直于該平面的正壓力N成正比。Polymer內(nèi)摩擦系數(shù)26斜截面A受力法應(yīng)力切應(yīng)力29Discussion=0n=0s=0=45n=0/2s=0/2=90n=0s=0=45，切應(yīng)力最大，s=0/230圖8-17當(dāng)=+90時(shí)切應(yīng)力雙生互等定律：在兩個(gè)相互垂直的斜面上的剪應(yīng)力的數(shù)值相等，方向相反，它們是不能單獨(dú)存在的，總是同時(shí)出現(xiàn)31剪切帶的特點(diǎn)剪切帶傾角很少恰為45,一般大于45剪切屈服沒(méi)有明顯的體積變化剪切帶中的分子鏈高度取向,取向方向接近于外力和剪切力合力的方向328.1.2.3銀紋Crazing定義：聚合物在張應(yīng)力作用下，于材料某些薄弱地方出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以至在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長(zhǎng)度為100μm、寬度為10μm左右、厚度約為1μm的微細(xì)凹槽或“裂紋”的現(xiàn)象銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，常出現(xiàn)在非晶態(tài)聚合物PS、PMMA、PC、PSF，在晶態(tài)聚合物PP等也有發(fā)現(xiàn)33Microstructureofcrazing微纖Microfibril微纖與外力方向平行，銀紋長(zhǎng)度方向與外力垂直。也稱為銀紋質(zhì)高度取向的高分子鏈組成34銀紋方向和分子鏈方向聚合物橫向收縮不足補(bǔ)償塑性伸長(zhǎng)，致使銀紋體內(nèi)產(chǎn)生大量空隙。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(duì)光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路。F35應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象：橡膠改性的PS：HIPS或ABS在受到破壞時(shí)，其應(yīng)力面變成乳白色，這就是所謂應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象。應(yīng)力發(fā)白和銀紋化之間的差別:應(yīng)力發(fā)白是由大量尺寸非常小的銀紋聚集而成。36銀紋的擴(kuò)展中間斷裂擴(kuò)展形成裂紋378.1.2.4銀紋和剪切帶的比較相同點(diǎn):均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象主要區(qū)別形變體積力結(jié)果剪切屈服銀紋屈服形變大幾十~幾百%形變小<10%體積不變體積增加剪切力張應(yīng)力冷拉裂縫一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服38聚合物的斷裂和強(qiáng)度第二節(jié)39炭黑填充天然橡膠斷口全同立構(gòu)聚丁烯40如何區(qū)分?jǐn)嗔研问剑俊P(guān)鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂418.2.1脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂屈服前斷裂無(wú)塑性流動(dòng)表面光滑張應(yīng)力分量韌性斷裂屈服后斷裂有塑性流動(dòng)表面粗糙切應(yīng)力分量TT42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)。低溫的脆性斷裂在高溫可以變成韌性應(yīng)變速率:速度增加,韌性可以變成脆性斷裂43Comparingofbrittleandductilefractures

（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(wú)有無(wú)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44相比于脆性斷裂，韌性斷裂的斷裂面較為斷裂伸長(zhǎng)率較

光滑大小粗糙例題：45脆韌轉(zhuǎn)變溫度TbTb

isalsocalledbrittletemperature.——脆化溫度，脆化點(diǎn)在一定速率下（不同溫度）測(cè)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46斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰(shuí)對(duì)應(yīng)變速率更敏感？在一定溫度下（不同速率）測(cè)定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨應(yīng)變速率的變化曲線47脆性斷裂和韌性斷裂判斷T<Tb,先達(dá)到b，脆性斷裂T>Tb,先達(dá)到y(tǒng)，韌性斷裂48Application對(duì)材料一般使用溫度為哪一段？——T>TbTb越低材料韌性越好差49Tb~TgTf~TdThreestatesTg~Tf50Example–PC聚碳酸酯Tg=150°CTb=-20°C室溫下易不易碎？51Example–PMMA聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100°CTb=90°C室溫下脆還是韌？52Strainrate拉伸速率增加，屈服應(yīng)力增加TheinfluenceonTb增加應(yīng)變速率，脆化溫度如何變化？存在缺口，形成應(yīng)力集中，趨向于脆性，脆化溫度升高。53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?；瘜W(xué)鍵拉斷15000MPa分子間滑脫5000MPa分子間扯離氫鍵500MPa范德華力100MPa理論值8.2.2材料的斷裂方式分析54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,60MPaPPO,70MPa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55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？GriffiththeoryGriffithcracktheory斷裂理論56強(qiáng)度是指物質(zhì)抵抗破壞的能力張應(yīng)力拉伸強(qiáng)度彎曲力矩抗彎強(qiáng)度壓應(yīng)力壓縮強(qiáng)度拉伸模量彎曲模量壓縮模量8.2.3聚合物的強(qiáng)度578.2.3.1聚合物的拉伸強(qiáng)度Tensilestrength屈服強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度b-試樣厚度，d-試樣寬度P-最大載荷統(tǒng)一使用拉伸強(qiáng)度tN/m258硬度衡量材料表面抵抗機(jī)械壓力的能力的一種指標(biāo)硬度的大小與材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量有關(guān)測(cè)量和計(jì)算方法不同,硬度可分為布氏、洛氏、邵氏硬度59化學(xué)鍵拉斷分子間滑脫分子間扯離主要方式化學(xué)鍵斷裂所需力最大分子間扯離所需力最小通過(guò)斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對(duì)強(qiáng)度影響最大8.2.3.2影響拉伸強(qiáng)度的因素60極性基團(tuán)或氫鍵主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)適度的交聯(lián)結(jié)晶度大取向高低拉伸強(qiáng)度t高低加入增塑劑高低高低高低高低缺陷存在高低分子結(jié)構(gòu)1，分子結(jié)構(gòu)612，結(jié)晶對(duì)聚合物力學(xué)性能的影響結(jié)晶度模量屈服強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度(1)結(jié)晶度62一般希望部分結(jié)晶制品內(nèi)的球晶尺寸小而均勻。僅靠溫度控制球晶尺寸時(shí)，一般大球晶制品的結(jié)晶度高于小球晶制品的結(jié)晶度；但是，如果采用成核劑，則小球晶制品的結(jié)晶度未必低，因此可能具有很好的力學(xué)性能。(2)球晶尺寸63溫度高應(yīng)變速率大高低高低拉伸強(qiáng)度t3，外界因素64增強(qiáng)途徑8.2.3.3增強(qiáng)ReinforcementC，SiO2PolyesterGlass,Carbonfiber(1)活性粒子（Powder）(2)纖維Fiber(3)液晶LiquidCrystal粉狀和纖維填料液晶原位增強(qiáng)復(fù)合聚合物基納米復(fù)合材料65（1）活性粒子增強(qiáng)Carbonblackreinforcement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。惰性填料作用？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉66（2）纖維增強(qiáng)Glasssteelboatglassyfiber+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(zhǎng)度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關(guān)67（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)而到增強(qiáng)作用。由于微纖結(jié)構(gòu)是加工過(guò)程中由液晶棒狀分子在共混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,Rodrum68(4)聚合物基納米復(fù)合材料插層復(fù)合法(intercalationcompouding)聚合物/粘土納米復(fù)合材料共混法聚合物/納米粒子(CaCO3,SiO2etc)Sol-gel法原位聚合(insitupolymerization)69Stress-strain曲線下面積稱作斷裂能：材料從開(kāi)始拉