《高分子物理》課件-8聚合物的屈服和斷裂

聚合物的屈服和斷裂8Chap8YieldingandFractureofPolymer

第八章聚合物的屈服與斷裂教學(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度重點要求：

會從聚合物應(yīng)力——應(yīng)變曲線獲取信息，掌握屈服和斷裂現(xiàn)象及其機理、韌性和強度的影響因素及增韌、增強方法和機理。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、斷裂特征上對材料的韌性和強度進行初步判斷，學(xué)會聚合物的增韌、增強方法，以滿足其使用要求。聚合物的屈服和斷裂8YieldingandFractureofPolymer

第八章聚合物的屈服與斷裂8.1Thestress-straincurves應(yīng)力-應(yīng)變曲線——研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力的持續(xù)作用或強大外力的短時作用后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂。Typicalstress-straincurveforamorphouspolymerattemperaturebelowTgEngineeringstresstoengineeringstrain8.1.1Thestress-straincurves應(yīng)力-應(yīng)變曲線A

彈性極限應(yīng)變A彈性極限應(yīng)力B

斷裂伸長率B斷裂強度

Y

屈服應(yīng)力Ypoint:Yieldingpoint屈服點Apoint:Pointofelasticlimit彈性極限點Bpoint:Breakingpoint斷裂點聚合物的屈服和斷裂8斷裂能FractureenergyStress-strain曲線下面積稱作斷裂能：材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。聚合物的屈服和斷裂8Young’sModulus楊氏模量聚合物的屈服和斷裂8形變過程彈性形變

-屈服-應(yīng)變軟化-冷拉-應(yīng)變硬化-斷裂從分子運動機理解釋上述過程聚合物的屈服和斷裂8從應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以獲得的被拉伸聚合物的信息

聚合物的屈服強度（Y點強度）聚合物的楊氏模量（OA段斜率）聚合物的斷裂強度（B點強度）聚合物的斷裂伸長率（B點伸長率）聚合物的斷裂韌性（曲線下面積）聚合物的屈服和斷裂88.1.2

Stress-straincurvesundervariousconditions

各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)Differenttemperaturea:T<<Tg

c:T<Tg(幾十度)d:T接近Tgb:T<TgTemperature0°C50~70°C70°C0~50°CExample-PVC,Tg=80℃脆斷韌斷無屈服屈服后斷ResultsTT聚合物的屈服和斷裂8(b)DifferentstrainrateStrainrate時溫等效原理：拉伸速度快=時間短 溫度低速度速度聚合物的屈服和斷裂8Example:PMMA聚合物的屈服和斷裂8a:脆性材料c:韌性材料d:橡膠b:半脆性材料酚醛或環(huán)氧樹脂PP,PE,PCPS,PMMANaturerubber,PI(c)CompositionofPolymers物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成聚合物的屈服和斷裂8(d)Crystallization結(jié)晶應(yīng)變軟化更明顯冷拉時晶片的傾斜、滑移、轉(zhuǎn)動，形成微晶或微纖束聚合物的屈服和斷裂8(e)TheSizeofSpherulites球晶大小聚合物的屈服和斷裂8(f)TheDegreeofCrystallization結(jié)晶度聚合物的屈服和斷裂8整個曲線可分為三個階段：到y(tǒng)點后，試樣截面開始變得不均勻，出現(xiàn)“細頸”。§8.1.3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)。聚合物的屈服和斷裂8玻璃態(tài)聚合物的拉伸與結(jié)晶聚合物的拉伸相似之處：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。聚合物的屈服和斷裂8§8.1.4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”是指強度的大小，“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，有時可將斷裂功作為“韌性”的標(biāo)志。聚合物的屈服和斷裂8Comparing聚合物的屈服和斷裂88.2Theplasticityandyieldingofpolymer

聚合物的塑性和屈服高聚物屈服點前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點后高聚物將在恒應(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）。屈服點以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)變軟化，有些還非常迅速。屈服應(yīng)力對應(yīng)變速率和溫度都敏感。屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產(chǎn)生“銀紋”或“剪切帶”,繼而整個樣條局部出現(xiàn)“細頸”。屈服主要特征聚合物的屈服和斷裂8Strainsoftening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。聚合物的屈服和斷裂8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)“細頸”的位置細頸穩(wěn)定取向硬化Considère作圖法唯象角度判據(jù)8.2.1Necking細頸與剪切帶(1)細頸:屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細的現(xiàn)象。聚合物的屈服和斷裂8Necking頸縮現(xiàn)象為什么會出現(xiàn)細頸？——應(yīng)力最大處。哪里的應(yīng)力最大？聚合物的屈服和斷裂8聚合物樣品在拉伸過程中出現(xiàn)細頸是

的標(biāo)志，細頸的發(fā)展在微觀上是分子中鏈段或晶片的

過程。Engineeringstressandtruestress

工程應(yīng)力和真應(yīng)力EngineeringstressTruestressForceInitialcross-sectionareaForceCross-sectionareaRelationshipbetweenengineeringstressandtruestressunderincompressiblecondition聚合物的屈服和斷裂8Considère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Y所對應(yīng)的B點。Y點聚合物的屈服和斷裂8圖8-13、圖8-14（2）剪切屈服現(xiàn)象、機理及判據(jù)

橫截面A0,受到的應(yīng)力0=F/A0拉伸中材料某個面受力分析剪切屈服：即在細頸發(fā)生前，試樣表面出現(xiàn)與拉伸方向成45度角的剪切帶。WHY？聚合物的屈服和斷裂8斜截面A受力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力聚合物的屈服和斷裂8Discussion=0n=0s=0=45n=0/2s=0/2=90n=0s=0聚合物的屈服和斷裂8抵抗外力的方式抗張強度：抵抗拉力的作用抗剪強度：抵抗剪力的作用兩種當(dāng)應(yīng)力0增加時，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同抗張強度什么面最大？

=0，n=0抗剪強度什么面最大？

=45，s=0/2聚合物的屈服和斷裂8切應(yīng)力雙生互等定律當(dāng)=45時s=0/2當(dāng)=-90=-45時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時發(fā)生屈服聚合物的屈服和斷裂8

例（1）.已知材料的最大抗張強度為30MP，最大抗剪強度為20MP，試問此材料是受張力破壞還是剪切作用下形變？解：=0，n=0

0=30MP先，拉斷=45，s=0/20=40MP（2）.已知材料的最大抗張強度為30MP，最大抗剪強度為10MP，試問此材料是受張力破壞還是剪切作用下形變？解：=0，n=00=30MP=45，s=0/20=20MP先，發(fā)生形變聚合物的屈服和斷裂8Shearband剪切帶在細頸出現(xiàn)之前試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成45角的剪切滑移變形帶聚合物的屈服和斷裂8（3）Crazing銀紋銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，它是聚合物在張應(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，以至于在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為100μm、寬度為10μm左右、厚度約為1μm的微細凹槽的現(xiàn)象分類環(huán)境銀紋溶劑銀紋應(yīng)力銀紋聚合物的屈服和斷裂8Microstructureofcrazing銀紋微纖Microfibril微纖平行于外力方向，銀紋長度方向與外力垂直。也稱為銀紋質(zhì)聚合物的屈服和斷裂8銀紋是在

力或

的作用下產(chǎn)生的，銀紋內(nèi)部存在

，其方向與外力方向

。銀紋方向和分子鏈方向銀紋不是空的，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聚合物的屈服和斷裂8銀紋的密度約為本體的

，銀紋中分子鏈

于銀紋的長度方向，加熱退火會使銀紋

。銀紋的擴展中間分子鏈斷裂擴展形成裂紋聚合物的屈服和斷裂8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無明顯的屈服點體積體積不變體積增加力剪切力張應(yīng)力結(jié)果冷拉裂縫一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服聚合物的屈服和斷裂8細頸、剪切帶和銀紋比較主要區(qū)別細頸、剪切帶銀紋形變量形變量大10-100%形變量小<10%曲線特征有明顯的屈服點無明顯的屈服點體積體積幾乎不變體積增加主要相同點能量吸收能量吸收能量一般來講，既有銀紋屈服也有剪切屈服聚合物的屈服和斷裂88.3

聚合物的斷裂與強度強度是指物質(zhì)抵抗破壞的能力張應(yīng)力拉伸強度彎曲力矩抗彎強度壓應(yīng)力壓縮強度拉伸模量彎曲模量硬度如何區(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聚合物的屈服和斷裂88.3.1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 斷裂伸長率較

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)。光滑大小粗糙聚合物的屈服和斷裂8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?；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理論值聚合物的屈服和斷裂8在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強度在幾千MPa，而實際只有幾十Mpa。WHY？e.g.PA,60MPaPPO,70MPa理論值與實驗結(jié)果相差原因樣條存在缺陷應(yīng)力集中聚合物的屈服和斷裂8polymerbasedconcretecontainingsphericalinorganicparticles聚合物的屈服和斷裂8fatigue（疲勞）fracture（斷裂面）surface聚合物的屈服和斷裂8Comparingofbrittleandductilefractures（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)力聚合物的屈服和斷裂8脆韌轉(zhuǎn)變溫度TbTbisalsocalledbrittletemperature.Brittleductiletransition脆韌轉(zhuǎn)變——脆化溫度，脆化點在一定速率下（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聚合物的屈服和斷裂8斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對應(yīng)變速率更敏感？聚合物的屈服和斷裂8脆性斷裂和韌性斷裂判斷T<Tb,先達到b，脆性斷裂T>Tb,先達到y(tǒng)，韌性斷裂聚合物的屈服和斷裂8Application對材料一般使用溫度為哪一段？——T>TbTb越低材料韌性越好差聚合物的屈服和斷裂8Tb~TgThreestatesTg~TfTf~Td聚合物的屈服和斷裂8Example–PC聚碳酸酯Tg=150°CTb=-20°C室溫下易不易碎？聚合物的屈服和斷裂8Example–PMMA聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100°CTb=90°C室溫下脆還是韌？聚合物的屈服和斷裂8聚合物的屈服和斷裂8Acrylic丙烯酸-PMMATheinfluenceonTb（1）增加應(yīng)變速率，脆化溫度如何變化？P235（2）存在缺口，形成應(yīng)力集中，趨向于脆性，脆化溫度升高。聚合物的屈服和斷裂88.3.2Griffithcracktheory斷裂理論為什么材料的實際強度遠遠低于理論強度？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？Griffiththeory聚合物的屈服和斷裂8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聚合物的屈服和斷裂8公式表達對圓形，a=b對橢圓，a增加，b減小劇烈——最終結(jié)果就是斷裂聚合物的屈服和斷裂8Griffithcracktheory斷裂理論——討論什么時候裂紋開始擴展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展的臨界應(yīng)力Griffith從能量平衡的觀點分析斷裂過程，結(jié)果：聚合物的屈服和斷裂8臨界應(yīng)力強度K1c和應(yīng)力強度因子K1Criticalstressintensity

KIcStressintensityfactor

KIE-彈性儲存能；Gc-拉伸過程中材料所吸收的能量——為裂紋擴展阻力——為裂紋擴展動力力越強，大；裂縫越長，a越大聚合物的屈服和斷裂8aKps=IDiscussion臨界應(yīng)力強度KIc應(yīng)力強度因子K1裂紋擴展阻力裂紋擴展動力臨界應(yīng)力強度KIc應(yīng)力強度因子K1裂紋穩(wěn)定臨界應(yīng)力強度KIc應(yīng)力強度因子K1裂紋擴展聚合物的屈服和斷裂8Exercise現(xiàn)有一塊有機玻璃(PMMA)板，內(nèi)有長度為10mm的中心裂紋，該板受到一個均勻的拉伸應(yīng)力=450*106N/m2的作用力。已知該材料的臨界應(yīng)力強度因子KIc=84.7*106N/m2.m1/2,安全系數(shù)n=1.5,問板材結(jié)構(gòu)是否安全？a=10mm/2=5*10-3m臨界應(yīng)力強度KIc應(yīng)力強度因子K1裂紋穩(wěn)定聚合物的屈服和斷裂82/12636I/10*4.5610*5*10*450mmNK==-paKps=I8.4聚合物的拉伸強度Tensilestrengthb-試樣厚度，d-試樣寬度P-最大載荷8.4.1拉伸強度及影響因素斷裂強度屈服強度聚合物的屈服和斷裂8影響拉伸強度的因素化學(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斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對強度影響最大聚合物的屈服和斷裂8考慮分子結(jié)構(gòu)因素極性基團或氫鍵主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)適度的交聯(lián)結(jié)晶度大取向好高低拉伸強度t高低加入增塑劑高低高低高低高低缺陷存在高低聚合物的屈服和斷裂8考慮外界因素溫度高應(yīng)變速率大高低高低拉伸強度t聚合物的屈服和斷裂88.4.2增強Reinforcement活性粒子（Powder）纖維Fiber液晶LiquidCrystalC，SiO2Glassfiber,CarbonfiberPolyesterFiller填料增強途徑聚合物的屈服和斷裂8在聚合物基體中加入第二物質(zhì)，則形成“復(fù)合材料”，通過復(fù)合來顯著提高材料力學(xué)強度的作用稱為“增強”作用，能夠提高聚合物基體力學(xué)強度的物質(zhì)稱為增強劑或活性填料?；钚蕴盍吓c惰性填料不同，后者在聚合物中起稀釋作用，可降低材料的成本。（1）活性粒子增強Carbonblackreinforcement橡膠+碳黑增強機理：活性粒子的活性表面吸附大分子，形成鏈間物理交聯(lián)，活性粒子起物理交聯(lián)點的作用。惰性填料怎么辦？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉使惰性填料變?yōu)榛钚蕴盍希夯瘜W(xué)處理或偶聯(lián)劑聚合物的屈服和斷裂8兩者在界面上的親和性越好，結(jié)合力越大，增強作用就越明顯。（2）纖維增強Glasssteelboatglassyfiber+polyester增強機理：纖維填料在橡膠輪胎和橡膠制品中，作為骨架幫助基體承擔(dān)載荷。纖維填充塑料增強的原因是依靠其復(fù)合作用，利用纖維的高強度以承受應(yīng)力，利用基體樹脂的塑性流動及其與纖維的黏結(jié)性以傳遞應(yīng)力。例：尼龍+玻纖/碳纖維/晶須/硼纖維增強效果與纖維的長度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關(guān)聚合物的屈服和斷裂8RacingbicycleCarbonfiber聚合物的屈服和斷裂8（3）液晶原位增強增強機理：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物基體中就地形成的，故稱做“原位”復(fù)合增強。這些液晶聚合物一般為熱致型主鏈液晶。熱致液晶+熱塑性聚合物共聚酯，聚芳酯聚合物的屈服和斷裂88.5聚合物的韌性與增韌8.5.1沖擊強度Impactstrength——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彈