《高分子材料的斷裂》課件

高分子材料的斷裂高分子材料的斷裂是指材料在承受外力作用時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，最終導(dǎo)致材料失效的過程。高分子材料的斷裂行為復(fù)雜，受多種因素影響。作者：課程目標(biāo)理解斷裂過程深入了解高分子材料斷裂的物理過程，從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀現(xiàn)象。掌握斷裂力學(xué)學(xué)習(xí)經(jīng)典的斷裂力學(xué)理論，分析高分子材料斷裂行為。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法熟悉高分子材料斷裂性能的測(cè)試方法，如斷裂韌性測(cè)試。認(rèn)識(shí)疲勞斷裂了解高分子材料在循環(huán)載荷下的疲勞斷裂現(xiàn)象，掌握預(yù)防措施。高分子材料簡(jiǎn)介高分子材料是由許多小分子通過共價(jià)鍵連接而成的長(zhǎng)鏈狀大分子。它是一種重要的材料，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。高分子材料具有許多優(yōu)異的性能，如：良好的機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異的耐腐蝕性良好的絕緣性能高分子材料的分類按來源分類天然高分子材料，例如蛋白質(zhì)、纖維素、橡膠等。合成高分子材料，例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。按結(jié)構(gòu)分類線性高分子材料，例如聚乙烯、聚丙烯等。支化高分子材料，例如低密度聚乙烯、淀粉等。交聯(lián)高分子材料，例如橡膠、樹脂等。高分子材料的基本結(jié)構(gòu)高分子材料由許多重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元連接而成，這些結(jié)構(gòu)單元稱為單體。這些單體通過共價(jià)鍵連接形成長(zhǎng)鏈狀的分子，稱為高分子鏈。高分子鏈的長(zhǎng)度和排列方式?jīng)Q定了高分子材料的性質(zhì)。高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系1鏈結(jié)構(gòu)線性結(jié)構(gòu)、支化結(jié)構(gòu)、交聯(lián)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)影響力學(xué)性能。2鏈間作用力范德華力、氫鍵、偶極-偶極力，作用力越強(qiáng)，材料強(qiáng)度越高。3結(jié)晶度結(jié)晶度越高，材料剛性、強(qiáng)度越高，韌性越低，透明度越低。高分子材料的力學(xué)性能高分子材料的力學(xué)性能是其重要的性能指標(biāo)之一。它反映了材料在受力時(shí)的變形和斷裂行為，對(duì)材料的應(yīng)用范圍和使用壽命具有決定性影響。高分子材料的力學(xué)性能包括彈性、強(qiáng)度、韌性、硬度、疲勞強(qiáng)度、蠕變性能等。這些性能參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，共同決定了材料的力學(xué)行為。1彈性材料在外力作用下發(fā)生形變，當(dāng)外力去除后，材料能夠恢復(fù)原狀的性質(zhì)2強(qiáng)度材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力3韌性材料抵抗斷裂的能力4硬度材料抵抗局部壓入的能力斷裂理論的發(fā)展歷程早期理論最初的斷裂理論主要基于宏觀力學(xué)，忽略了材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷的影響。Griffith理論英國(guó)科學(xué)家A.A.Griffith在1920年提出了斷裂理論，他認(rèn)為材料中存在的微小裂紋是導(dǎo)致斷裂的主要原因，裂紋會(huì)集中應(yīng)力，導(dǎo)致斷裂。應(yīng)力場(chǎng)理論20世紀(jì)50年代，應(yīng)力場(chǎng)理論發(fā)展起來，它將斷裂問題與材料的微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，并考慮了裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)和塑性變形的影響。斷裂力學(xué)20世紀(jì)60年代，斷裂力學(xué)誕生，它將斷裂問題視為一個(gè)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題，并提供了定量化的預(yù)測(cè)工具?，F(xiàn)代理論現(xiàn)代的斷裂理論結(jié)合了各種理論，考慮了材料的微觀結(jié)構(gòu)、裂紋形態(tài)、環(huán)境因素等多種因素，提供了更加全面的預(yù)測(cè)和分析工具。應(yīng)力場(chǎng)理論應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)理論認(rèn)為高分子材料斷裂是由材料內(nèi)部的應(yīng)力集中造成的。應(yīng)力集中裂紋尖端等缺陷會(huì)引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料在該處首先斷裂。應(yīng)力場(chǎng)模型應(yīng)力場(chǎng)模型可以用來分析裂紋尖端的應(yīng)力分布，預(yù)測(cè)材料斷裂行為。斷裂預(yù)測(cè)應(yīng)力場(chǎng)理論可以用于預(yù)測(cè)材料的斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性。能量理論裂紋擴(kuò)展能量理論認(rèn)為，材料斷裂過程需要能量輸入。能量平衡裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力來源于材料內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性能，并通過材料斷裂表面釋放。鍵斷裂斷裂過程涉及原子鍵的斷裂，需要克服鍵能。線彈性斷裂力學(xué)11.線性彈性假設(shè)該理論建立在材料線性彈性行為的基礎(chǔ)上，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比，適用于小變形的情況。22.裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)該理論重點(diǎn)研究裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)，它反映了裂紋尖端應(yīng)力的集中程度。33.能量釋放率該理論認(rèn)為斷裂發(fā)生在材料的能量釋放率達(dá)到臨界值時(shí)，它衡量了斷裂所需的能量。44.斷裂韌性該理論利用斷裂韌性來表征材料抵抗斷裂的能力，它反映了材料的斷裂抵抗能力。線彈性斷裂力學(xué)的基本概念1應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子表示裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度。2J積分J積分是用來描述裂紋擴(kuò)展的能量釋放率。3斷裂韌性斷裂韌性表示材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子表示材料中裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度。應(yīng)力強(qiáng)度因子是衡量材料抗裂性能的關(guān)鍵參數(shù)。符號(hào)定義K應(yīng)力強(qiáng)度因子σ遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力a裂紋長(zhǎng)度J積分J積分是一個(gè)與材料斷裂韌性相關(guān)的參數(shù)，它表示裂紋尖端附近單位面積的能量釋放率。J積分的值越大，材料的斷裂韌性越低，更容易斷裂。J積分的計(jì)算方法較為復(fù)雜，通常需要使用有限元分析等數(shù)值方法。高分子材料的斷裂行為高分子材料的斷裂行為是指材料在外力作用下發(fā)生斷裂的過程。斷裂行為受多種因素影響，包括材料的結(jié)構(gòu)、溫度、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境等。不同的斷裂行為表現(xiàn)出不同的斷裂特征，如脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等。這些斷裂行為對(duì)材料的性能和使用壽命有著重要的影響。高分子材料的斷裂機(jī)理分子鏈斷裂在應(yīng)力作用下，高分子鏈發(fā)生斷裂，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和韌性下降。鏈段滑移高分子鏈段在應(yīng)力作用下相互滑移，導(dǎo)致材料的形變，最終導(dǎo)致斷裂。空洞形成應(yīng)力集中導(dǎo)致材料內(nèi)部形成空洞，空洞不斷長(zhǎng)大最終導(dǎo)致斷裂。裂紋擴(kuò)展材料內(nèi)部的微裂紋在應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。高分子材料的斷裂形態(tài)脆性斷裂斷裂表面平整，無明顯塑性變形，裂紋擴(kuò)展迅速。韌性斷裂斷裂表面粗糙，存在明顯塑性變形，裂紋擴(kuò)展緩慢。疲勞斷裂斷裂表面存在明顯的疲勞裂紋擴(kuò)展特征，如貝殼狀斷口。應(yīng)力腐蝕斷裂斷裂表面存在明顯的應(yīng)力腐蝕特征，如沿特定方向的裂紋擴(kuò)展。高分子材料的斷裂力學(xué)試驗(yàn)1試樣制備嚴(yán)格控制尺寸和形狀2加載方式拉伸、彎曲、沖擊等3裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)光學(xué)顯微鏡、聲發(fā)射等4數(shù)據(jù)分析斷裂韌性、疲勞壽命等高分子材料的斷裂力學(xué)試驗(yàn)是研究材料斷裂行為的重要方法。試驗(yàn)過程中，通過控制加載方式和環(huán)境條件，觀察材料的裂紋擴(kuò)展情況，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析材料的斷裂韌性、疲勞壽命等重要參數(shù)。斷裂韌性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法斷裂韌性測(cè)試是評(píng)估材料抵抗斷裂的能力，通常通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行。常用的測(cè)試方法包括：彎曲試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)等。重要參數(shù)測(cè)試結(jié)果主要以斷裂韌性值表示，反映了材料在裂紋尖端承受的應(yīng)力強(qiáng)度。斷裂韌性值越高，材料的抗斷裂能力越強(qiáng)。斷裂韌性的影響因素溫度溫度影響聚合物鏈的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響材料的韌性。分子結(jié)構(gòu)聚合物鏈的長(zhǎng)度、分支度和交聯(lián)度等都影響其韌性。應(yīng)變速率應(yīng)變速率高，材料韌性下降，容易發(fā)生脆性斷裂。裂紋尖端裂紋尖端的形狀和尺寸也會(huì)影響材料的韌性。韌性提高方法11.增強(qiáng)改性增強(qiáng)改性是指在高分子材料中添加增強(qiáng)劑，以提高其強(qiáng)度、韌性和剛度等力學(xué)性能。常用的增強(qiáng)劑包括玻璃纖維、碳纖維、碳納米管等。22.填充改性填充改性是指在高分子材料中添加填充劑，以提高其耐熱性、剛度和尺寸穩(wěn)定性。常用的填充劑包括碳酸鈣、滑石粉、硅灰石等。33.橡膠改性橡膠改性是指在高分子材料中添加橡膠，以提高其沖擊強(qiáng)度和韌性。常用的橡膠包括丁苯橡膠、丁腈橡膠、聚氨酯橡膠等。44.共聚改性共聚改性是指將兩種或多種單體聚合成共聚物，以提高其性能。例如，聚乙烯和聚丙烯共聚可以提高材料的韌性。高分子材料的疲勞斷裂疲勞斷裂是指高分子材料在反復(fù)載荷作用下，即使載荷低于材料的屈服強(qiáng)度，也會(huì)發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。疲勞斷裂是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及裂紋的萌生、擴(kuò)展和最終斷裂。疲勞斷裂是高分子材料失效的主要原因之一，在工程應(yīng)用中必須予以重視。疲勞斷裂基本概念定義疲勞斷裂是指材料在循環(huán)載荷作用下，即使載荷遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，也會(huì)在應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，并隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加而擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂的現(xiàn)象。特點(diǎn)疲勞斷裂是一種常見的斷裂形式，其特點(diǎn)是斷裂過程緩慢，且與材料的強(qiáng)度和韌性無關(guān)，而與循環(huán)載荷的幅值、頻率、波形等因素有關(guān)。重要性疲勞斷裂是導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，因此，研究疲勞斷裂機(jī)理，并采取相應(yīng)的防范措施，對(duì)于確保結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。疲勞斷裂機(jī)理裂紋萌生疲勞斷裂通常從材料表面或內(nèi)部缺陷處開始。循環(huán)載荷會(huì)導(dǎo)致微裂紋的形成，并逐漸擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展隨著循環(huán)載荷的繼續(xù)，微裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展，并形成主裂紋。裂紋擴(kuò)展過程通常分為三個(gè)階段：初始階段、穩(wěn)定擴(kuò)展階段和失穩(wěn)擴(kuò)展階段。疲勞裂紋擴(kuò)展1裂紋尖端塑性區(qū)裂紋尖端塑性區(qū)大小受材料、載荷等因素影響2裂紋擴(kuò)展機(jī)制主要包括疲勞裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展3裂紋擴(kuò)展速率裂紋擴(kuò)展速率取決于應(yīng)力幅值、環(huán)境因素和材料特性4疲勞壽命預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展速率和疲勞壽命，對(duì)設(shè)計(jì)和使用安全至關(guān)重要裂紋擴(kuò)展速率是指疲勞裂紋在每個(gè)循環(huán)中擴(kuò)展的長(zhǎng)度。它受應(yīng)力幅值、環(huán)境因素和材料特性等因素影響。例如，應(yīng)力幅值越大，裂紋擴(kuò)展速率越快。環(huán)境因素，如濕度、溫度和腐蝕性介質(zhì)，也會(huì)影響裂紋擴(kuò)展速率。材料特性，如韌性、強(qiáng)度和硬度，也對(duì)裂紋擴(kuò)展速率有影響。裂紋擴(kuò)展速率是疲勞壽命預(yù)測(cè)的重要指標(biāo)之一。裂紋擴(kuò)展速率裂紋擴(kuò)展速率是指裂紋長(zhǎng)度隨時(shí)間變化的速率。它反映了疲勞裂紋擴(kuò)展的快慢程度，是影響疲勞壽命的重要因素。影響因素描述應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子越大，裂紋擴(kuò)展速率越快。材料性質(zhì)不同材料的抗疲勞性能不同，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率差異很大。環(huán)境因素溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素會(huì)加速裂紋擴(kuò)展。疲勞壽命預(yù)測(cè)疲勞壽命預(yù)測(cè)是根據(jù)材料的疲勞性能和載荷條件，預(yù)測(cè)材料在疲勞載荷作用下的使用壽命。疲勞壽命預(yù)測(cè)方法包括：