第七章聚合物屈服和斷裂

第七章聚合物的屈服和斷裂劉卅引言材料的力學(xué)性能:指材料在受機(jī)械力作用時，發(fā)生可逆或不可逆形變的能力及抗破損的能力。高聚物力學(xué)性能的突出特點(diǎn)（與金屬、陶瓷等相比）在一定條件下呈高彈性具有突出的粘彈性力學(xué)性能種類形變性能斷裂性能：強(qiáng)度、破壞、屈服、韌性粘性普彈性彈性高彈性粘彈性力學(xué)性能是高聚物一切優(yōu)異物理性能的基礎(chǔ)，是決定材料合理應(yīng)用的主導(dǎo)因素一、描述高聚物力學(xué)性質(zhì)的基本物理量和力學(xué)性能指標(biāo)1、應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量拉伸應(yīng)力s張應(yīng)變e楊氏模量E應(yīng)

力應(yīng)

變彈性模量切應(yīng)力ss切應(yīng)變g剪切模量G壓縮應(yīng)力P壓縮應(yīng)變體積模量B表達(dá)式e

Dl

l0E

=

s

=

F

A0G

=

s

s

=

F

g

A0

tanqB=

P

=

PV0DV

V0

DV拉伸壓縮剪切壓縮應(yīng)變應(yīng)變——當(dāng)材料受到外力作用而所處條件又不能產(chǎn)生慣性移動時，其幾何形狀和尺寸會發(fā)生變化，這種變化稱為應(yīng)變（也可稱形變）。內(nèi)力——材料發(fā)生宏觀形變時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如分子或原子的相對位置、晶粒的取向等發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了抵抗外力的附加內(nèi)力，當(dāng)形變達(dá)到平衡時，附加內(nèi)力和外力大小相等而方向相反。應(yīng)力——定義單位面積上的附加內(nèi)力為應(yīng)力彈性模量——對于理想的彈性固體，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比例常數(shù)稱為彈性模量，簡稱模量彈性模量的物理意義——材料發(fā)生單位應(yīng)變時的應(yīng)力，它表征材料抵抗變形能力的大小，模量愈大，愈不容易變形，表示材料剛性愈大二、聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線stress-straincurve在應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)中，以某一給定的應(yīng)變速率對試樣施加負(fù)荷，直到試樣斷裂為止。這類試驗(yàn)大多采用拉伸方式。所以明確些說，是拉伸應(yīng)力－應(yīng)變試驗(yàn)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出材料的以下參數(shù)：楊氏模量，極限伸長度和抗張強(qiáng)度。根據(jù)斷裂前是否發(fā)生屈服來判斷材料是延性還是脆性，由曲線下的面積還可求出斷裂功（能）。A=Ds

sDe

eAE

=eA

彈性極限應(yīng)變sA彈性極限應(yīng)力eB

斷裂伸長率sB斷裂強(qiáng)度sY

屈服應(yīng)力Y

點(diǎn):屈服點(diǎn)A

點(diǎn):彈性極限點(diǎn)B

點(diǎn):斷裂點(diǎn)典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2、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(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）聚合物的斷裂伸長率（B點(diǎn)伸長率）聚合物的斷裂韌性（曲線下面積）7.1

玻璃態(tài)聚合物的拉伸Temperaturea:

T<<Tgb:

T<Tgc:

T<Tg

幾十度d:

T接近TgExample-PVC0°C0~50°C50~70°C70°CResults脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂無屈服TT玻璃態(tài)聚合物不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線7.2玻璃態(tài)聚合物強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈性形變：玻璃態(tài)聚合物在大外力下發(fā)生的大形變，其本質(zhì)與橡膠的高彈形變一樣，但表現(xiàn)的形式卻有差別，為區(qū)別于普通的高彈形變，可稱之為強(qiáng)迫高彈性形變。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。產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變的原因由于外力的作用減小了在作用力方向上高分子鏈

段運(yùn)動的松弛時間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過位壘而運(yùn)動，實(shí)驗(yàn)表明，松弛時間τ與外界應(yīng)力σ之間有如下關(guān)系：DE是活化能，a是材料常數(shù)作用在聚合物材料上的力降低了活化能，因而使松弛時間縮短。當(dāng)應(yīng)力增加使松弛時間減小到與外力作用時間(拉伸速率)同一數(shù)量級時，聚合物就產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變。外力作用對松弛過程的影響與升高溫度相似。玻璃態(tài)聚合物強(qiáng)發(fā)生迫高彈形變的因素1、溫度特征溫度Tb當(dāng)Tb<T<Tg

,產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變當(dāng)T<Tb,不產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變脆性溫度，塑料的使用下限溫度在一定速率下（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問題PMMA聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100°CTb=90°C室溫下可否發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變？PC聚碳酸酯

Tg=150°CTb=-20°C室溫下可否發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變？3、拉伸速度太快：來不及發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變，發(fā)生脆性斷裂太慢：發(fā)生部分粘流，升溫后形變也不可回復(fù)適當(dāng)4、結(jié)構(gòu)因素太柔順：Tb與Tg接近，Tg以下就發(fā)生脆性斷裂太剛性：鏈段不能運(yùn)動，如聚酰亞胺5、分子量適度的柔順性超過臨界分子量太低：Tb與Tg接近，發(fā)生脆性斷裂2、外力只有當(dāng)應(yīng)力增大到屈服應(yīng)力以上時，鏈段運(yùn)動的松弛時間減小至與拉伸速度相適應(yīng)的數(shù)值，聚合物才可發(fā)生大形變與升溫有相同作用7.1.3

結(jié)晶高聚物的拉伸應(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Y球晶大小問題：球晶大的材料沖擊強(qiáng)度高，還是球晶小的沖擊強(qiáng)度高？結(jié)晶度The

Degree

ofCrystallization玻璃態(tài)與結(jié)晶態(tài)聚合物大形變拉伸曲線的異同點(diǎn)1、相似之處兩種拉伸過程均經(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

Tg或Tm下都不能自發(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”拉伸后都呈各向異性2、不同之處產(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。7.1