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(lái)表示形變特性用模量來(lái)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(lái)反映這一過(guò)程要用應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)反映這一過(guò)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 0 A F 0 l l l0 一定溫度一定溫度 一定速度一定速度 Y Yield 1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

2、合物試樣在拉伸中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化 在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，大形變無(wú)在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，大形變無(wú) 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?cè)诒举|(zhì)上是（結(jié)論：這種大形變?cè)诒举|(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(jī)理是分子機(jī)理是 高分子的鏈段運(yùn)動(dòng)高分子的鏈段運(yùn)動(dòng) RT E e 0 RT aE e 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(wú)外力作用時(shí)：無(wú)外力作用時(shí)： 有外力作用時(shí)：有外力作用時(shí)： 在大外力的作用下鏈段運(yùn)動(dòng)稱為在大外力的作用下鏈段運(yùn)動(dòng)稱為強(qiáng)迫高

3、彈性高彈性 強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變 高分子的鍵長(zhǎng)、鍵角變化高分子的鍵長(zhǎng)、鍵角變化 鏈段沿外力方向運(yùn)動(dòng)取向，伴隨發(fā)生分子鏈間的鏈段沿外力方向運(yùn)動(dòng)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。滑移，應(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(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生強(qiáng)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(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的條件 產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變韌性材料韌性材料 RT aE e 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 T

4、Tg 脆斷脆斷 TTg 屈服后斷屈服后斷 TTb Tb越低材料韌性越越低材料韌性越 斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力和和屈服應(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(shí)溫等效原理：時(shí)溫等效原理： 拉伸速度快拉伸速度快時(shí)間短時(shí)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(shù)脂酚醛或環(huán)氧樹(shù)脂 PP, PC PS, 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

5、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(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間減少至與拉伸速度相適應(yīng)使鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間減少至與拉伸速度相適應(yīng) 3.3.一定的拉伸速度一定的拉伸速度 太快太快 強(qiáng)迫高彈形變來(lái)不及發(fā)展強(qiáng)迫高彈形變來(lái)不及發(fā)展 太慢太慢 強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的條件強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的條件 出現(xiàn)粘性流動(dòng)。出現(xiàn)粘性流動(dòng)。 （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(qiáng)）分子鏈剛性不能太強(qiáng) （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(diǎn)后，出現(xiàn)點(diǎn)后，出現(xiàn) “細(xì)頸細(xì)頸”

6、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)生結(jié)晶的破壞，取向，再結(jié)晶過(guò)程以下，發(fā)生結(jié)晶的破壞，取向，再結(jié)晶過(guò)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(guò)程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化：晶態(tài)聚合物在拉伸過(guò)程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化： 1.兩種拉伸過(guò)程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展兩種拉伸過(guò)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?cè)谑覝貢r(shí)都不能自發(fā)回復(fù)，而加熱后大形變?cè)谑覝貢r(shí)都

7、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(guò)程的區(qū)別兩種拉伸過(guò)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(guò)程。晶等過(guò)程。 溫度的影響溫度的影響 50 80 100 TTTTm 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

8、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(zhǎng)率極小，不出現(xiàn)細(xì)頸現(xiàn)象斷裂伸長(zhǎng)率極小，不出現(xiàn)細(xì)頸現(xiàn)象其拉伸過(guò)程與未取向試樣相似其拉伸過(guò)程與未取向試樣相似 各向異性各向異性 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(qiáng)強(qiáng)” 強(qiáng)度的大小強(qiáng)度的大小 “脆脆” 無(wú)屈服而且斷裂伸長(zhǎng)小無(wú)屈服而且斷裂伸長(zhǎng)小 “韌韌” 斷裂伸長(zhǎng)和斷裂應(yīng)力都較高斷裂伸長(zhǎng)和斷裂應(yīng)力都較高 PS, PC, 硬PVC分別屬于那種曲線? PS PC 硬PVC 8.1.2 高聚物的屈服高聚物的屈服

9、 高聚物屈服點(diǎn)的特征高聚物屈服點(diǎn)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(guò)程有應(yīng)變軟化現(xiàn)象屈服過(guò)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(dá)到在溫度達(dá)到 Tg 時(shí)，屈服應(yīng)力等于時(shí)，屈服應(yīng)力等于? (3)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(diǎn)時(shí)屈服點(diǎn)時(shí) 剪切帶位置剪切帶位置 與拉伸方向成與拉伸方向成45 8.1.3 拉伸過(guò)程中聚合物結(jié)構(gòu)的變化拉伸過(guò)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?yàn)樽冃螏е蟹?/p>

10、子鏈的取向度高，故變形逐因?yàn)樽冃螏е蟹肿渔湹娜∠蚨雀撸首冃沃?步向整個(gè)試樣擴(kuò)展。步向整個(gè)試樣擴(kuò)展。 由若干個(gè)細(xì)小的不規(guī)則微纖構(gòu)成由若干個(gè)細(xì)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(dá)到抗剪強(qiáng)度，材料先屈服最大切應(yīng)力首先達(dá)到抗剪強(qiáng)度，材料先屈服 。 脆性材料脆性材料 最大切應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度之前，正應(yīng)力已超最大切應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度之前，正應(yīng)力已超 過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度，材料來(lái)不及屈服就斷裂過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度，材料來(lái)不及屈服就斷裂 。 在表面有肉眼可在表面有肉眼可 見(jiàn)的微細(xì)見(jiàn)的微細(xì) 2.銀紋銀紋 高聚物在

11、儲(chǔ)存過(guò)程及使用過(guò)程高聚物在儲(chǔ)存過(guò)程及使用過(guò)程 中中 可以強(qiáng)烈地反射可見(jiàn)光，可以強(qiáng)烈地反射可見(jiàn)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(diǎn)：銀紋有規(guī)則排列特點(diǎn)：銀紋有規(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

12、活動(dòng)性的活動(dòng)性 Tg 產(chǎn)生銀紋產(chǎn)生銀紋 特點(diǎn)：通常呈不規(guī)則排列特點(diǎn)：通常呈不規(guī)則排列 結(jié)構(gòu)特征：結(jié)構(gòu)特征： 長(zhǎng)長(zhǎng)100m，寬，寬10m左右，厚左右，厚1m的微細(xì)凹槽的微細(xì)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(qiáng)度。仍具有一定強(qiáng)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(shí)，以上退火時(shí)， 銀紋能回縮和愈

13、合銀紋能回縮和愈合. 8.2 8.2 聚合物的斷裂與強(qiáng)度聚合物的斷裂與強(qiáng)度 幾種常見(jiàn)的力學(xué)性能指標(biāo)幾種常見(jiàn)的力學(xué)性能指標(biāo) bd P t b-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(qiáng)度沖擊強(qiáng)度 db W i 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(yàn)方法試驗(yàn)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 -沖擊強(qiáng)度是衡量材料韌性的指標(biāo) 8.2.18.2.1理論強(qiáng)度和斷裂理論理論強(qiáng)度和斷裂理論 理論值 在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物理論在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物理論 斷裂強(qiáng)度在幾千

14、斷裂強(qiáng)度在幾千MPa，而實(shí)際只有幾十，而實(shí)際只有幾十Mpa 。 例：例： PA, 60 MPa PPO, 70 MPa 理論理論實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) ) 1000 1 100 1 ( 無(wú)限大平板中橢圓形裂縫的應(yīng)力集中無(wú)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？） a b ) 2 1 ( 0 b a t 圓形圓形 0 3 t 橢圓橢圓 t (劇烈劇烈) 最終結(jié)果最終結(jié)果 a=b a，b 斷裂斷裂 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度： 8.2.28.2.2影響強(qiáng)度的因素與增強(qiáng)影響強(qiáng)度的因素與增強(qiáng) 沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度： 因素因素 強(qiáng)度強(qiáng)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

15、 LPPE PVC PA610 PA66 無(wú)極性無(wú)極性 有極性基團(tuán)有極性基團(tuán) 有有H鍵鍵 H鍵密度大鍵密度大 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 150 500 600 830 （kg/cm2） 1.極性基團(tuán)或氫鍵 極性基團(tuán)過(guò)密或取代基過(guò)大，沖擊強(qiáng)度降低極性基團(tuán)過(guò)密或取代基過(guò)大，沖擊強(qiáng)度降低 沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度 PC PPO PE PS 拉伸強(qiáng)度 670 850 220-390 350-633 （kg/cm2） 主鏈含芳雜環(huán)的聚合物強(qiáng)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) 交聯(lián)PE比PE: 拉伸強(qiáng)度大一倍 沖擊強(qiáng)度 （J/m） 7850 27-1080 拉伸強(qiáng)

16、度 （kg/cm2） 160 220-390 沖擊強(qiáng)度大34倍 4.分子量 分子量小時(shí)隨M拉伸強(qiáng)度，104以后，拉 伸強(qiáng)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(qiáng)度大三倍，用于制造人造關(guān)節(jié)沖擊強(qiáng)度大三倍，用于制造人造關(guān)節(jié) 但沖擊強(qiáng)度仍能隨但沖擊強(qiáng)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(qiáng)度，材料變脆 球晶尺寸 球晶尺寸過(guò)大，會(huì)使拉伸強(qiáng)度 ，沖擊 強(qiáng)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(shí)，破壞主價(jià)鍵的比例大大提高，而共價(jià)鍵時(shí)，破壞主價(jià)鍵的比例大大提高，

17、而共價(jià)鍵 的強(qiáng)度比范德華力的強(qiáng)度高。的強(qiáng)度比范德華力的強(qiáng)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(qiáng)度成倍提高可以使強(qiáng)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)?？凇y紋、雜質(zhì)。 材料的缺陷在受力時(shí)，缺陷附近局部范圍內(nèi)材料的缺陷在受力時(shí)，缺陷附近局部范圍內(nèi) 的應(yīng)力急劇增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均值。的應(yīng)力急劇增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均值。 大大降低了材料的強(qiáng)度大大降低了材料的強(qiáng)度 造成聚合物實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)小于理論強(qiáng)度造成聚合物實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)小于理論強(qiáng)度 4.增塑劑的影響 拉伸強(qiáng)度 沖擊強(qiáng)度 增塑劑使鏈段運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)增塑劑使鏈段運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng) 增塑劑降低了高分子鏈間的作用