第八章屈服與斷裂

1、第八章第八章聚合物的屈服與斷裂聚合物的屈服與斷裂用模量來表示形變特性用模量來表示形變特性8 8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服要用應(yīng)力應(yīng)變曲線來反映這一過程要用應(yīng)力應(yīng)變曲線來反映這一過程8 8.1.1聚合物的應(yīng)力聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線0AF 0ll l0一定溫度一定溫度一定速度一定速度YYield1非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線8 8.1.1聚合物的應(yīng)力聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線塑性區(qū)塑性區(qū)彈彈性性區(qū)區(qū)Tg以下冷拉，發(fā)生了分子鏈的取向以下冷拉，發(fā)生了分子鏈的取向非晶態(tài)聚合物試樣在拉伸中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化非晶態(tài)聚合物試樣在拉伸中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化 在試樣斷裂

2、前停止拉伸，除去外力，大形變無在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，大形變無法完全恢復(fù)；法完全恢復(fù)； 溫度升到溫度升到TgTg附近，形變可回復(fù)。附近，形變可回復(fù)。結(jié)論：這種大形變在本質(zhì)上是（結(jié)論：這種大形變在本質(zhì)上是（ ）a 普彈形變普彈形變 b高彈形變高彈形變 c粘流形變粘流形變 分子機理是分子機理是高分子的鏈段運動高分子的鏈段運動RTEe 0 RTaEe 0在在Tg以下產(chǎn)生高彈形變的原因以下產(chǎn)生高彈形變的原因:無外力作用時：無外力作用時：有外力作用時：有外力作用時：在大外力的作用下鏈段運動稱為在大外力的作用下鏈段運動稱為強迫高彈性高彈性強迫高彈形變強迫高彈形變高分子的鍵長、鍵角變化高分子的鍵長、

3、鍵角變化鏈段沿外力方向運動取向，伴隨發(fā)生分子鏈間的鏈段沿外力方向運動取向，伴隨發(fā)生分子鏈間的滑移，應(yīng)力集中處還可能發(fā)生部分分子鏈的斷裂?；疲瑧?yīng)力集中處還可能發(fā)生部分分子鏈的斷裂。韌性材料（韌性材料（產(chǎn)生強迫高彈形變產(chǎn)生強迫高彈形變）屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力Y斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力B韌性材料與脆性材料韌性材料與脆性材料強迫高彈形變產(chǎn)生的條件產(chǎn)生強迫高彈形變產(chǎn)生強迫高彈形變韌性材料韌性材料RTaEe 0溫度溫度應(yīng)力應(yīng)力拉伸速度拉伸速度各種情況下的應(yīng)力各種情況下的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線(a) 溫度溫度TTg 脆斷脆斷 TTg 屈服后斷屈服后斷 TTbTb越低材料韌性越越低材料韌性越好好斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力和和屈

4、服應(yīng)力與屈服應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系應(yīng)變速率的關(guān)系(b) 拉伸速度拉伸速度拉伸速率拉伸速率.4.3.2.1時溫等效原理：時溫等效原理：拉伸速度快拉伸速度快時間短時間短溫度低溫度低a: 脆性材料脆性材料 c: 韌性材料韌性材料d: 橡膠橡膠b: 半脆性材料半脆性材料酚醛或環(huán)氧樹脂酚醛或環(huán)氧樹脂PP, PCPS, PMMA天然橡膠天然橡膠(c) 物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成T Tb b到到 T Tg g之間之間，溫度太低，脆性斷裂。，溫度太低，脆性斷裂。塑料的使用溫度：塑料的使用溫度： T Tb b到到 T Tg g之間之間使鏈段運動的松弛時間減少至與拉伸速度相適應(yīng)使鏈段運動的松弛時間減少至與拉伸速度相適

5、應(yīng)3.3.一定的拉伸速度一定的拉伸速度太快太快強迫高彈形變來不及發(fā)展強迫高彈形變來不及發(fā)展太慢太慢強迫高彈形變產(chǎn)生的條件強迫高彈形變產(chǎn)生的條件出現(xiàn)粘性流動。出現(xiàn)粘性流動。（1）分子鏈柔順性不能太好）分子鏈柔順性不能太好（2）分子鏈剛性不能太強）分子鏈剛性不能太強（3）分子量不能太低）分子量不能太低4.T4.Tb b與與T Tg g值間有一定間隔值間有一定間隔高聚物的結(jié)構(gòu)高聚物的結(jié)構(gòu)到到y(tǒng)點后，出現(xiàn)點后，出現(xiàn) “細頸細頸”Tm以上大形變回復(fù)以上大形變回復(fù)2.2.晶態(tài)聚合物的應(yīng)力一應(yīng)變曲線晶態(tài)聚合物的應(yīng)力一應(yīng)變曲線 條件：條件：Tm以下，未取向晶態(tài)聚合物以下，未取向晶態(tài)聚合物晶態(tài)晶態(tài)Tm以下，發(fā)生

6、結(jié)晶的破壞，取向，再結(jié)晶過程以下，發(fā)生結(jié)晶的破壞，取向，再結(jié)晶過程非晶態(tài)非晶態(tài)Tg以下冷拉，只發(fā)生分子鏈的取向以下冷拉，只發(fā)生分子鏈的取向晶態(tài)聚合物在拉伸過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化：晶態(tài)聚合物在拉伸過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化：1.兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應(yīng)變硬化等階段大形變以及應(yīng)變硬化等階段2. 大形變在室溫時都不能自發(fā)回復(fù)，而加熱后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)。則產(chǎn)生回復(fù)。非晶聚合物與結(jié)晶聚合物的拉伸相似之處非晶聚合物與結(jié)晶聚合物的拉伸相似之處兩種拉伸過程的區(qū)別兩種拉伸過程的區(qū)別1.產(chǎn)生冷拉的溫度范圍不同產(chǎn)生冷拉的溫度

7、范圍不同 非晶聚合物：非晶聚合物：Tb到到Tg， 結(jié)晶聚合物：結(jié)晶聚合物：Tg至至Tm；2. 非晶聚合物：只發(fā)生分子鏈的取向非晶聚合物：只發(fā)生分子鏈的取向 結(jié)晶聚合物：包含有結(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)結(jié)晶聚合物：包含有結(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程。晶等過程。溫度的影響溫度的影響5080100TTTTm m全同全同PP球晶大小的影響球晶大小的影響3. 取向高聚物的應(yīng)力、應(yīng)變曲線取向高聚物的應(yīng)力、應(yīng)變曲線取向的晶態(tài)取向的晶態(tài)沿取向方向拉伸沿取向方向拉伸垂直于取向方向拉伸垂直于取向方向拉伸斷裂伸長率極小，不出現(xiàn)細頸現(xiàn)象斷裂伸長率極小，不出現(xiàn)細頸現(xiàn)象其拉伸過程與未取向試樣相似其拉伸過程與未取向試樣相似各

8、向異性各向異性5.5.應(yīng)力一應(yīng)變曲線類型應(yīng)力一應(yīng)變曲線類型“軟軟”和和“硬硬”模量的低或高模量的低或高“弱弱”和和“強強”強度的大小強度的大小“脆脆”無屈服而且斷裂伸長小無屈服而且斷裂伸長小“韌韌”斷裂伸長和斷裂應(yīng)力都較高斷裂伸長和斷裂應(yīng)力都較高PS, PC, 硬PVC分別屬于那種曲線?PSPC硬PVC8.1.2 高聚物的屈服高聚物的屈服高聚物屈服點的特征高聚物屈服點的特征(1)屈服應(yīng)變大屈服應(yīng)變大金屬金屬0.01，高聚物，高聚物0.2 (2)屈服過程有應(yīng)變軟化現(xiàn)象屈服過程有應(yīng)變軟化現(xiàn)象(4)屈服應(yīng)力依賴于溫度屈服應(yīng)力依賴于溫度在溫度達到在溫度達到 Tg 時，屈服應(yīng)力等于時，屈服應(yīng)力等于?(3

9、)屈服應(yīng)力依賴應(yīng)變速率屈服應(yīng)力依賴應(yīng)變速率1.1.剪切帶及其結(jié)構(gòu)形態(tài)剪切帶及其結(jié)構(gòu)形態(tài)條件條件剪切屈服剪切屈服韌性高聚物在拉伸至韌性高聚物在拉伸至屈服點時屈服點時剪切帶位置剪切帶位置與拉伸方向成與拉伸方向成458.1.3 拉伸過程中聚合物結(jié)構(gòu)的變化拉伸過程中聚合物結(jié)構(gòu)的變化剪切帶結(jié)構(gòu)剪切帶結(jié)構(gòu)因為變形帶中分子鏈的取向度高，故變形逐因為變形帶中分子鏈的取向度高，故變形逐步向整個試樣擴展。步向整個試樣擴展。由若干個細小的不規(guī)則微纖構(gòu)成由若干個細小的不規(guī)則微纖構(gòu)成分子鏈分子鏈高度取向高度取向剪切帶厚度剪切帶厚度約約1m左右左右剪切帶組成剪切帶組成 韌性材料韌性材料 最大切應(yīng)力首先達到抗剪強度，材料先

10、屈服。最大切應(yīng)力首先達到抗剪強度，材料先屈服。 脆性材料脆性材料 最大切應(yīng)力達到抗剪強度之前，正應(yīng)力已超最大切應(yīng)力達到抗剪強度之前，正應(yīng)力已超過材料的斷裂強度，材料來不及屈服就斷裂過材料的斷裂強度，材料來不及屈服就斷裂。 在表面有肉眼可在表面有肉眼可見的微細見的微細2.銀紋銀紋 高聚物在儲存過程及使用過程高聚物在儲存過程及使用過程中中 可以強烈地反射可見光，可以強烈地反射可見光，看上去是閃亮的看上去是閃亮的銀紋銀紋產(chǎn)生銀紋的原因產(chǎn)生銀紋的原因1）應(yīng)力銀紋（）應(yīng)力銀紋（力學(xué)因素）力學(xué)因素）張應(yīng)力張應(yīng)力材料薄弱環(huán)節(jié)上應(yīng)力集中材料薄弱環(huán)節(jié)上應(yīng)力集中局部塑性形變局部塑性形變特點：銀紋有規(guī)則排列特點：銀

11、紋有規(guī)則排列2）環(huán)境因素）環(huán)境因素試樣表面的試樣表面的缺陷和擦傷處；缺陷和擦傷處；試樣內(nèi)部試樣內(nèi)部空穴或夾雜物的邊界處空穴或夾雜物的邊界處應(yīng)力集中應(yīng)力集中產(chǎn)生銀紋產(chǎn)生銀紋化學(xué)物質(zhì)化學(xué)物質(zhì)使微觀表面使微觀表面溶脹或增塑溶脹或增塑增加分子鏈段增加分子鏈段的活動性的活動性Tg產(chǎn)生銀紋產(chǎn)生銀紋特點：通常呈不規(guī)則排列特點：通常呈不規(guī)則排列結(jié)構(gòu)特征：結(jié)構(gòu)特征：長長100m，寬，寬10m左右，厚左右，厚1m的微細凹槽的微細凹槽高度取向的高分子微纖高度取向的高分子微纖銀紋與裂紋的區(qū)別：銀紋與裂紋的區(qū)別：（1）裂紋是空的，銀紋中存在銀紋質(zhì)，約含有）裂紋是空的，銀紋中存在銀紋質(zhì)，約含有50左右的空體積。左右的空體

12、積。（2）銀紋質(zhì)呈束狀或片狀，沿外力方向高度取向，）銀紋質(zhì)呈束狀或片狀，沿外力方向高度取向，仍具有一定強度。仍具有一定強度。（3）銀紋有可逆性。在壓力下或在）銀紋有可逆性。在壓力下或在Tg以上退火時，以上退火時，銀紋能回縮和愈合銀紋能回縮和愈合.8.2 8.2 聚合物的斷裂與強度聚合物的斷裂與強度幾種常見的力學(xué)性能指標(biāo)幾種常見的力學(xué)性能指標(biāo)bdPtb-試樣厚度，試樣厚度，d-試樣寬度試樣寬度P-最大載荷最大載荷2. 沖擊強度沖擊強度dbWi沖斷試樣所沖斷試樣所消耗的功消耗的功沖斷試樣的沖斷試樣的厚度和寬度厚度和寬度試驗方法試驗方法擺錘式?jīng)_擊擺錘式?jīng)_擊 落重式?jīng)_擊落重式?jīng)_擊 高速拉伸高速拉伸-沖

13、擊強度是衡量材料韌性的指標(biāo)8.2.18.2.1理論強度和斷裂理論理論強度和斷裂理論理論值在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論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斷裂強度在幾千MPa，而實際只有幾十，而實際只有幾十Mpa 。例：例：PA, 60 MPaPPO, 70 MPa理論理論實驗實驗 )100011001( 無限大平板中橢圓形裂縫的應(yīng)力集中無限大平板中橢圓形裂縫的應(yīng)力集中應(yīng)力集中處（多大？）應(yīng)力集中處（多大？）ab)21 (0bat 圓形圓形03 t橢圓橢圓t(劇烈劇烈)最終結(jié)果最終結(jié)果a=ba，b斷裂斷裂拉伸強度拉伸強度：8.2.28.2.2影響強度的因素與增強影響

14、強度的因素與增強 沖擊強度沖擊強度：因素因素強度強度延展性延展性分子鏈柔順性分子鏈柔順性分子間作用力分子間作用力 LPPE PVC PA610 PA66無極性無極性 有極性基團有極性基團 有有H鍵鍵 H鍵密度大鍵密度大拉伸強度拉伸強度 150 500 600 830（kg/cm2）1.極性基團或氫鍵極性基團過密或取代基過大，沖擊強度降低極性基團過密或取代基過大，沖擊強度降低沖擊強度沖擊強度 PC PPO PE PS拉伸強度 670 850 220-390 350-633（kg/cm2）主鏈含芳雜環(huán)的聚合物強度大于脂肪族主鏈的聚合物2.主鏈結(jié)構(gòu) LDPE（支化） HDPE(線型)3.支化與交聯(lián)交

15、聯(lián)PE比PE: 拉伸強度大一倍沖擊強度（J/m） 7850 27-1080拉伸強度（kg/cm2） 160 220-390沖擊強度大34倍4.分子量 分子量小時隨M拉伸強度，104以后，拉伸強度不再例：例：超高分子量超高分子量PE（M=46106）比普通）比普通PE沖擊強度大三倍，用于制造人造關(guān)節(jié)沖擊強度大三倍，用于制造人造關(guān)節(jié)但沖擊強度仍能隨但沖擊強度仍能隨M 而而5.聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響（結(jié)晶和取向）結(jié)晶度太高，沖擊強度，材料變脆球晶尺寸球晶尺寸過大，會使拉伸強度 ，沖擊強度顯著（1）取向后高分子鏈順著外力的方向平行排列，）取向后高分子鏈順著外力的方向平行排列，使斷裂使斷裂 時，破壞主價鍵的比

16、例大大提高，而共價鍵時，破壞主價鍵的比例大大提高，而共價鍵的強度比范德華力的強度高。的強度比范德華力的強度高。（2）取向可以阻礙裂紋向縱深發(fā)展。）取向可以阻礙裂紋向縱深發(fā)展。取向取向可以使強度成倍提高可以使強度成倍提高3.應(yīng)力集中物的影響包括裂縫、空隙、缺包括裂縫、空隙、缺口、銀紋、雜質(zhì)?？?、銀紋、雜質(zhì)。材料的缺陷在受力時，缺陷附近局部范圍內(nèi)材料的缺陷在受力時，缺陷附近局部范圍內(nèi)的應(yīng)力急劇增加，遠遠大于平均值。的應(yīng)力急劇增加，遠遠大于平均值。大大降低了材料的強度大大降低了材料的強度造成聚合物實際強度遠小于理論強度造成聚合物實際強度遠小于理論強度4.增塑劑的影響拉伸強度沖擊強度增塑劑使鏈段運動能力增強增塑劑使鏈段運動能力增強增塑劑降低了高分子鏈間的作用力5.填料的影響填料填料活性粒子活性粒子纖維纖維 液晶液晶 C ，SiO2Glas