第6章高聚物的力學(xué)強(qiáng)度

1、第第6章章 高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度及破壞高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度及破壞 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容第第1節(jié)節(jié) 高分子材料的應(yīng)力高分子材料的應(yīng)力-應(yīng)變特性應(yīng)變特性 11 應(yīng)力應(yīng)變曲線及其類型應(yīng)力應(yīng)變曲線及其類型 12 影響應(yīng)力影響應(yīng)力-應(yīng)變行為的外部因素應(yīng)變行為的外部因素 13 關(guān)于屈服變形的討論關(guān)于屈服變形的討論 14 強(qiáng)迫高彈形變與強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸冷拉伸”第第2節(jié)節(jié) 高分子材料的破壞和強(qiáng)度高分子材料的破壞和強(qiáng)度 21 宏觀破壞方式宏觀破壞方式 22 關(guān)于斷裂過程的討論關(guān)于斷裂過程的討論 23 高分子材料的強(qiáng)度高分子材料的強(qiáng)度 24 高分子材料的增強(qiáng)改性高分子材料的增強(qiáng)改性第第3節(jié)節(jié) 聚合物斷裂

2、力學(xué)聚合物斷裂力學(xué) 31 線彈性斷裂力學(xué)線彈性斷裂力學(xué) 32 彈塑性斷裂理論，彈塑性斷裂理論，J 積分積分第第4節(jié)節(jié) 高分子材料的抗沖擊性能和增韌改性高分子材料的抗沖擊性能和增韌改性 41 抗沖擊強(qiáng)度抗沖擊強(qiáng)度 42 影響抗沖擊性能的因素影響抗沖擊性能的因素 43 高分子材料的增韌改性高分子材料的增韌改性 第第1節(jié)節(jié) 高分子材料的應(yīng)力高分子材料的應(yīng)力-應(yīng)變特性應(yīng)變特性 11 應(yīng)力應(yīng)變曲線及其類型 111 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)單軸拉伸實(shí)驗(yàn) 圖圖6-1 啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣示意圖啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣示意圖 （6-2）0AF000lllll（6-1）注意此處定義的應(yīng)力注意此處定義的應(yīng)力等于拉力除以試樣原始截面積等于拉力

3、除以試樣原始截面積A0，這種應(yīng)力稱為這種應(yīng)力稱為工程應(yīng)力工程應(yīng)力或標(biāo)稱應(yīng)力（或標(biāo)稱應(yīng)力（nominal stress）；）；相應(yīng)地，相應(yīng)地， 稱為稱為工程應(yīng)變工程應(yīng)變或標(biāo)稱應(yīng)變（或標(biāo)稱應(yīng)變（nominal strainnominal strain） 圖圖7-2 典型的拉伸應(yīng)力典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 典型高分子材料拉伸應(yīng)力典型高分子材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線（2 2）極大值）極大值Y點(diǎn)稱材料的屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服點(diǎn)稱材料的屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度）強(qiáng)度） 和屈服應(yīng)變和屈服應(yīng)變 。yy（3 3）到達(dá)）到達(dá)B點(diǎn)發(fā)生斷裂。與點(diǎn)發(fā)生斷

4、裂。與B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強(qiáng)度（或斷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度）裂強(qiáng)度） 和斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂伸長(zhǎng)率 ，它們是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限，它們是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限伸長(zhǎng)率。伸長(zhǎng)率。 BBBdW0（4）曲線下的面積等于）曲線下的面積等于（7-3）相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，單位為相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，單位為Jm-3，稱斷裂能或斷裂功。它是，稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個(gè)物理量。表征材料韌性的一個(gè)物理量。 曲線特征曲線特征（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力- -應(yīng)變呈直線

5、關(guān)系變化，應(yīng)變呈直線關(guān)系變化，直線斜率直線斜率 相當(dāng)于材料彈性模量。相當(dāng)于材料彈性模量。 Edd 由于高分子材料種類繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有多種形由于高分子材料種類繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有多種形狀。歸納起來(lái)，可分為五類狀。歸納起來(lái)，可分為五類 。圖圖7-3 高分子材料應(yīng)力高分子材料應(yīng)力-應(yīng)應(yīng)變曲線的類型變曲線的類型（a）硬而脆型）硬而脆型（b）硬而強(qiáng)型）硬而強(qiáng)型（c）硬而韌型）硬而韌型（d）軟而韌型）軟而韌型（e）軟而弱型）軟而弱型 曲線的類型曲線的類型 （a） （b）虛線為工程應(yīng)力曲線；實(shí)線為真應(yīng)力曲線）虛線為工程應(yīng)力曲線；實(shí)線為真應(yīng)力曲線圖圖6-4 （a）圓柱形壓縮

6、實(shí)驗(yàn)樣品；（）圓柱形壓縮實(shí)驗(yàn)樣品；（b）聚碳酸酯的拉伸和壓縮應(yīng)力）聚碳酸酯的拉伸和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 對(duì)比看出壓縮強(qiáng)度往往大于拉伸強(qiáng)度。對(duì)拉伸實(shí)驗(yàn)，工程應(yīng)力曲線比真應(yīng)力曲線低；對(duì)比看出壓縮強(qiáng)度往往大于拉伸強(qiáng)度。對(duì)拉伸實(shí)驗(yàn)，工程應(yīng)力曲線比真應(yīng)力曲線低；對(duì)壓縮實(shí)驗(yàn)，工程應(yīng)力曲線比真應(yīng)力曲線高。對(duì)壓縮實(shí)驗(yàn)，工程應(yīng)力曲線比真應(yīng)力曲線高。 112 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)單軸壓縮實(shí)驗(yàn) 121 溫度的影響溫度的影響圖圖7-4 聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下） 環(huán)境溫度對(duì)高分子材料拉伸行為的環(huán)境溫度對(duì)高分子材料拉伸行為的影響十分顯

7、著。溫度升高，分子鏈段影響十分顯著。溫度升高，分子鏈段熱運(yùn)動(dòng)加劇，松弛過程加快，表現(xiàn)出熱運(yùn)動(dòng)加劇，松弛過程加快，表現(xiàn)出材料模量和強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率變大，材料模量和強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率變大，應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀發(fā)生很大變化。應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀發(fā)生很大變化。 材料的拉伸斷裂強(qiáng)度材料的拉伸斷裂強(qiáng)度 和屈和屈服強(qiáng)度服強(qiáng)度 隨環(huán)境溫度而發(fā)生變隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化。屈服強(qiáng)度受溫度變化的影響更化。屈服強(qiáng)度受溫度變化的影響更大些。大些。 By12 影響應(yīng)力影響應(yīng)力-應(yīng)變行為的外部因素應(yīng)變行為的外部因素 圖圖7-5 斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì) 虛線虛線高拉伸速率高拉伸速率 實(shí)線實(shí)線

8、低拉伸速率低拉伸速率 在溫度升高過程中，材料發(fā)生在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆脆-韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱溫度稱脆脆-韌轉(zhuǎn)變溫度韌轉(zhuǎn)變溫度 。 tT 當(dāng)環(huán)境溫度小于當(dāng)環(huán)境溫度小于 時(shí)，材料時(shí)，材料的的 ，受外力作用時(shí)，受外力作用時(shí)，材料未屈服前先已斷裂，呈脆性材料未屈服前先已斷裂，呈脆性斷裂特征。斷裂特征。 tTBy 環(huán)境溫度高于環(huán)境溫度高于 時(shí)，時(shí)， ，受外力作用時(shí)，材料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和很大受外力作用時(shí)，材料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。 tTBy材料的材料的脆脆-韌轉(zhuǎn)變韌轉(zhuǎn)變122 形變速率的影響形變速率的影

9、響 減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對(duì)材料拉伸行為有相似的影響，這是時(shí)減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對(duì)材料拉伸行為有相似的影響，這是時(shí)-溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。 B圖圖7-6 斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢(shì)斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢(shì)實(shí)線低環(huán)境溫度 虛線高環(huán)境溫度y 與脆與脆-韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線交點(diǎn)，可以定義脆圖中兩曲線交點(diǎn)，可以定義脆-韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率 。拉。拉伸速率高于伸速率高于 時(shí)，材料呈脆時(shí)，材料呈脆性斷裂特征；低于性斷裂特征；低于 時(shí)，呈時(shí)，呈韌性斷裂特征。韌性斷裂特征。 tt

10、t 拉伸速率對(duì)材料的斷裂強(qiáng)度拉伸速率對(duì)材料的斷裂強(qiáng)度 和屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度 也有明顯影響也有明顯影響 。123 環(huán)境壓力的影響環(huán)境壓力的影響 圖圖7-7 聚苯乙烯的應(yīng)力聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線隨環(huán)境壓力的變化（隨環(huán)境壓力的變化（T=31） 右圖可見，右圖可見，PSPS在低環(huán)境壓力（常壓）在低環(huán)境壓力（常壓）下呈脆性斷裂特點(diǎn)，強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)下呈脆性斷裂特點(diǎn)，強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料強(qiáng)度增高，伸長(zhǎng)率變大，出現(xiàn)典型屈強(qiáng)度增高，伸長(zhǎng)率變大，出現(xiàn)典型屈服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆- -韌轉(zhuǎn)變。韌轉(zhuǎn)變。 研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)許多非晶聚合物，研究

11、發(fā)現(xiàn)，對(duì)許多非晶聚合物，如如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韌轉(zhuǎn)變韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。兩種轉(zhuǎn)變方式有很大差別。溫度升高使材料變兩種轉(zhuǎn)變方式有很大差別。溫度升高使材料變韌，但同時(shí)材料拉伸強(qiáng)度明顯受損。另一方面，韌，但同時(shí)材料拉伸強(qiáng)度明顯受損。另一方面，升高環(huán)境壓力也使材料變韌，在增韌同時(shí)材料升高環(huán)境壓力也使材料變韌，在增韌同時(shí)材料的強(qiáng)度也得到提高，材料變得強(qiáng)而韌。的強(qiáng)度也得到提高，材料變得強(qiáng)而韌。 兩種脆兩種脆- -韌轉(zhuǎn)變的差別韌轉(zhuǎn)變的差別1）剪切屈服）剪切屈服 圖圖6-11 拉力作用下聚碳酸酯試樣中產(chǎn)生拉力作用下聚碳酸酯試樣中產(chǎn)生“頸縮頸縮”和剪切屈服帶的照片和剪

12、切屈服帶的照片注意剪切屈服帶與應(yīng)力方向成注意剪切屈服帶與應(yīng)力方向成45度角，出現(xiàn)剪切屈服帶的區(qū)域開始出現(xiàn)度角，出現(xiàn)剪切屈服帶的區(qū)域開始出現(xiàn)“頸縮頸縮” 剪切屈服是最重要的屈服形式。拉伸應(yīng)力剪切屈服是最重要的屈服形式。拉伸應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中，試樣發(fā)生屈服時(shí)在試樣應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中，試樣發(fā)生屈服時(shí)在試樣中部經(jīng)常出現(xiàn)中部經(jīng)常出現(xiàn)“頸縮頸縮”（neck-down）現(xiàn)象，頸縮處出現(xiàn)與拉伸方向大約成）現(xiàn)象，頸縮處出現(xiàn)與拉伸方向大約成45角的肩形斜面。角的肩形斜面。 剪切屈服時(shí)材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，包括晶區(qū)、分子束、分子鏈都會(huì)沿剪切方向發(fā)生相剪切屈服時(shí)材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，包括晶區(qū)、分子束、分子鏈都會(huì)沿剪切方向發(fā)生相對(duì)滑移，

13、消耗大量變形能。在壓縮形變、彎曲形變屈服時(shí)，材料內(nèi)部都可能發(fā)生剪對(duì)滑移，消耗大量變形能。在壓縮形變、彎曲形變屈服時(shí)，材料內(nèi)部都可能發(fā)生剪切屈服。剪切屈服時(shí)材料宏觀體積不變。切屈服。剪切屈服時(shí)材料宏觀體積不變。13 關(guān)于屈服變形的討論 2）拉伸屈服）拉伸屈服 （a） （b）圖圖6-12 結(jié)晶聚合物的拉伸屈服結(jié)晶聚合物的拉伸屈服a, 聚丙烯試樣中球晶間出現(xiàn)微細(xì)纖維（聚丙烯試樣中球晶間出現(xiàn)微細(xì)纖維（SEM照片）照片）b, 聚氨聚氨酯試樣中沿球晶邊緣出現(xiàn)空洞（薄膜試樣，酯試樣中沿球晶邊緣出現(xiàn)空洞（薄膜試樣，TEM照片）照片） 拉伸屈服指在外力作用下，材拉伸屈服指在外力作用下，材料內(nèi)部垂直于外力作用方向

14、出料內(nèi)部垂直于外力作用方向出現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的撕裂、掙脫、位移，現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的撕裂、掙脫、位移，消耗變形能。伴隨拉伸屈服，消耗變形能。伴隨拉伸屈服，材料內(nèi)部或表面出現(xiàn)微細(xì)裂紋，材料內(nèi)部或表面出現(xiàn)微細(xì)裂紋，稱銀紋（稱銀紋（craze）；也可能出）；也可能出現(xiàn)微小空洞（現(xiàn)微小空洞（cavity），使表），使表觀體積變大。觀體積變大。 拉伸屈服也存在于彎曲形變中，試樣彎曲時(shí)在表面伸展的一側(cè)常常出現(xiàn)大量銀紋。拉伸屈服也存在于彎曲形變中，試樣彎曲時(shí)在表面伸展的一側(cè)常常出現(xiàn)大量銀紋。 141 非晶高分子材料的強(qiáng)迫高彈形變非晶高分子材料的強(qiáng)迫高彈形變 圖圖7-4 聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變曲

15、線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下） 研究高聚物拉伸破壞行為時(shí)，特別要注研究高聚物拉伸破壞行為時(shí)，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情形。形。對(duì)于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于對(duì)于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于 時(shí)，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈時(shí)，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形，這種變形稱強(qiáng)發(fā)生百分之幾百的大變形，這種變形稱強(qiáng)迫高彈形變。迫高彈形變。 bTTgT討論討論14 強(qiáng)迫高彈形變與強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸冷拉伸” 圖圖7-8 結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)

16、力結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)應(yīng)變曲線變曲線 結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強(qiáng)迫高結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形，這種形變稱彈變形，這種形變稱“冷拉冷拉伸伸”。結(jié)晶聚合物具有與非晶。結(jié)晶聚合物具有與非晶聚合物相似的拉伸應(yīng)力應(yīng)變聚合物相似的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，見圖曲線，見圖7-87-8。 圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔點(diǎn)時(shí)圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔點(diǎn)時(shí)（ ），雖然晶區(qū)尚未熔融，），雖然晶區(qū)尚未熔融，材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見圖中材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見圖中曲線曲線3、4、5。 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱“冷拉伸冷拉伸”。 TmT討論討論 142 晶態(tài)高分子材料的晶態(tài)高分子材料的“冷拉伸冷拉伸” 21 宏觀破壞方式宏觀破壞

17、方式2 1 1 拉伸斷裂拉伸斷裂脆性斷裂和韌性斷裂表面脆性斷裂和韌性斷裂表面 圖圖7-11 PS7-11 PS試樣脆性斷裂表面的電鏡照片試樣脆性斷裂表面的電鏡照片圖圖7-12 7-12 增韌改性增韌改性PVCPVC韌性斷裂表面韌性斷裂表面的電鏡照片的電鏡照片 第第2節(jié)節(jié) 高分子材料的破壞和強(qiáng)度高分子材料的破壞和強(qiáng)度圖6-21 沖擊試樣斷裂表面的普通光學(xué)照片。左圖：脆性試樣；右圖：韌性試樣圖6-22 左圖脆性試樣沖擊斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣沖擊斷裂表面的電鏡照片2 1 2 沖擊斷裂沖擊斷裂2 1 3 疲勞和磨損破壞疲勞和磨損破壞材料的耐疲勞和耐磨損能力決定著材料的使用壽命。材料的耐疲勞和

18、耐磨損能力決定著材料的使用壽命。疲勞（疲勞（fatigue）是指材料在長(zhǎng)時(shí)間周期性應(yīng)力（或應(yīng)變）作用下發(fā)生）是指材料在長(zhǎng)時(shí)間周期性應(yīng)力（或應(yīng)變）作用下發(fā)生塑性形變、軟化乃至損壞、斷裂的現(xiàn)象。塑性形變、軟化乃至損壞、斷裂的現(xiàn)象。磨損（磨損（friction wear）是指材料在相互接觸的摩擦運(yùn)動(dòng)中，表層發(fā)熱、）是指材料在相互接觸的摩擦運(yùn)動(dòng)中，表層發(fā)熱、黏附、損傷、發(fā)生宏觀材料剝落的現(xiàn)象。黏附、損傷、發(fā)生宏觀材料剝落的現(xiàn)象。從材料學(xué)角度看，疲勞和磨損是材料在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下，內(nèi)部或表面產(chǎn)生力化從材料學(xué)角度看，疲勞和磨損是材料在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下，內(nèi)部或表面產(chǎn)生力化學(xué)反應(yīng)，引發(fā)產(chǎn)生微細(xì)損傷，造成分

19、子鏈斷裂、交聯(lián)、結(jié)晶粒子微細(xì)化等，形成微學(xué)反應(yīng)，引發(fā)產(chǎn)生微細(xì)損傷，造成分子鏈斷裂、交聯(lián)、結(jié)晶粒子微細(xì)化等，形成微細(xì)裂紋，而后裂紋再逐漸擴(kuò)展生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致宏觀破壞的過程。細(xì)裂紋，而后裂紋再逐漸擴(kuò)展生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致宏觀破壞的過程。 疲勞和磨損過程均伴隨顯著的熱效應(yīng)。疲勞和磨損過程均伴隨顯著的熱效應(yīng)。疲勞和磨損的機(jī)理十分復(fù)雜，需要時(shí)請(qǐng)閱讀有關(guān)專著。疲勞和磨損的機(jī)理十分復(fù)雜，需要時(shí)請(qǐng)閱讀有關(guān)專著。22 關(guān)于斷裂過程的討論關(guān)于斷裂過程的討論221 材料的脆性斷裂和韌性屈服材料的脆性斷裂和韌性屈服圖圖7-13 拉伸試樣內(nèi)斜拉伸試樣內(nèi)斜截面上的應(yīng)力分布截面上的應(yīng)力分布 設(shè)試樣橫截面積為設(shè)試樣橫截面積為 A0

20、，作用于其上的拉力為，作用于其上的拉力為F，可以求得，可以求得在試樣內(nèi)部任一斜截面在試樣內(nèi)部任一斜截面 上的法向應(yīng)力上的法向應(yīng)力 和切向應(yīng)和切向應(yīng)力力 : : AntsincosFFFFtncos/0AA 20200coscoscos/cos/AFAFAFnn2sin21cossincos/sin/000AFAFAFtt 在不同角度的斜截面在不同角度的斜截面 上，法向應(yīng)力上，法向應(yīng)力 和切向應(yīng)力和切向應(yīng)力 值不值不同。由公式得知，在斜角同。由公式得知，在斜角= 0 的截面上（橫截面），法向應(yīng)力的值最的截面上（橫截面），法向應(yīng)力的值最大；在大；在= 45 的截面上，切向應(yīng)力值最大。的截面上，切向

21、應(yīng)力值最大。 Ant圖圖7-14 法向應(yīng)力與切向應(yīng)力隨斜截面的變化法向應(yīng)力與切向應(yīng)力隨斜截面的變化討論討論 本質(zhì)上，法向應(yīng)力本質(zhì)上，法向應(yīng)力 與材料的抗拉伸能力有關(guān)，而抗拉伸能力極限與材料的抗拉伸能力有關(guān)，而抗拉伸能力極限值主要取決于分子主鏈的強(qiáng)度（鍵能）。因此材料在值主要取決于分子主鏈的強(qiáng)度（鍵能）。因此材料在 作用下發(fā)生破壞作用下發(fā)生破壞時(shí)，往往伴隨主鏈的斷裂。時(shí)，往往伴隨主鏈的斷裂。tn 切向應(yīng)力切向應(yīng)力 與材料的抗剪切能力相關(guān)，極限值主要取決于分子間內(nèi)聚力。材與材料的抗剪切能力相關(guān)，極限值主要取決于分子間內(nèi)聚力。材料在料在 作用下發(fā)生屈服時(shí)，往往發(fā)生分子鏈的相對(duì)滑移（圖作用下發(fā)生屈服時(shí)

22、，往往發(fā)生分子鏈的相對(duì)滑移（圖7-15）。）。圖圖7-15 垂直應(yīng)力下的分子鏈斷裂（垂直應(yīng)力下的分子鏈斷裂（a）和剪切應(yīng)力下的分子鏈滑移（）和剪切應(yīng)力下的分子鏈滑移（b）nt 在外力場(chǎng)作用下，材料在外力場(chǎng)作用下，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布與應(yīng)力內(nèi)部的應(yīng)力分布與應(yīng)力變化十分復(fù)雜，斷裂和變化十分復(fù)雜，斷裂和屈服都有可能發(fā)生，處屈服都有可能發(fā)生，處于相互競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。于相互競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。討論討論圖圖6-26 薄板中橢圓型孔洞的應(yīng)薄板中橢圓型孔洞的應(yīng)力集中效應(yīng)示意圖力集中效應(yīng)示意圖設(shè)二維無(wú)限大薄板上有一個(gè)橢圓形孔洞設(shè)二維無(wú)限大薄板上有一個(gè)橢圓形孔洞（a， ），薄板在橢圓短軸方向受到一），薄板在橢圓短軸方向受到一拉伸應(yīng)

23、力拉伸應(yīng)力 ，則在孔洞長(zhǎng)軸的尖端區(qū)，則在孔洞長(zhǎng)軸的尖端區(qū)將因應(yīng)力集中效應(yīng)而承受高達(dá)幾倍乃至幾將因應(yīng)力集中效應(yīng)而承受高達(dá)幾倍乃至幾十倍的巨大應(yīng)力十倍的巨大應(yīng)力 （與（與 平行）。平行）。 0tip00/tiptK tK稱應(yīng)力集中系數(shù)。稱應(yīng)力集中系數(shù)。 /2/21aaKt經(jīng)驗(yàn)證明對(duì)多數(shù)材料而言，其臨界抗拉伸強(qiáng)度（理論內(nèi)聚強(qiáng)度）約為楊氏模量經(jīng)驗(yàn)證明對(duì)多數(shù)材料而言，其臨界抗拉伸強(qiáng)度（理論內(nèi)聚強(qiáng)度）約為楊氏模量E的的1/15，因此一個(gè)存在裂紋缺陷的材料的最高預(yù)期強(qiáng)度，因此一個(gè)存在裂紋缺陷的材料的最高預(yù)期強(qiáng)度 為：為：exp15/2expEaKttipaE30exp222 裂紋的應(yīng)力集中效應(yīng)裂紋的應(yīng)力集中

24、效應(yīng)斷裂過程斷裂過程 微裂紋引發(fā)（成核）微裂紋引發(fā)（成核） 裂紋擴(kuò)展成裂縫裂紋擴(kuò)展成裂縫裂縫生長(zhǎng)引起斷裂裂縫生長(zhǎng)引起斷裂從分子水平看，出現(xiàn)裂紋必然產(chǎn)生新表面，產(chǎn)生的原因有二：一是拉力造成主價(jià)鍵從分子水平看，出現(xiàn)裂紋必然產(chǎn)生新表面，產(chǎn)生的原因有二：一是拉力造成主價(jià)鍵破壞，使分子鏈斷裂；二是剪切造成次價(jià)鍵破壞，分子鏈發(fā)生相對(duì)滑移。破壞，使分子鏈斷裂；二是剪切造成次價(jià)鍵破壞，分子鏈發(fā)生相對(duì)滑移。 1 1，某分子鏈處于高應(yīng)力狀態(tài)；，某分子鏈處于高應(yīng)力狀態(tài)；2，鏈斷裂，形成鏈端自由基；，鏈斷裂，形成鏈端自由基；3，自由基反應(yīng)，形成主鏈自由基；，自由基反應(yīng)，形成主鏈自由基；4，帶自由基的主鏈斷裂，繼續(xù)反應(yīng)

25、；，帶自由基的主鏈斷裂，繼續(xù)反應(yīng)；5，多次重復(fù)，形成一個(gè)亞微觀裂紋，多次重復(fù)，形成一個(gè)亞微觀裂紋鏈端自由基；鏈端自由基；主鏈自由基；主鏈自由基；穩(wěn)定的端基穩(wěn)定的端基 圖圖7-16 7-16 ZhurkovZhurkov力化學(xué)力化學(xué)反應(yīng)模型反應(yīng)模型223 斷裂的分子理論斷裂的分子理論231 理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度 對(duì)碳鏈聚合物，已知對(duì)碳鏈聚合物，已知CC鍵能約為鍵能約為350kJmol-1，相當(dāng)于每鍵的鍵能為，相當(dāng)于每鍵的鍵能為56x1019J。這些能量可近似看作為克服成鍵的原子引力這些能量可近似看作為克服成鍵的原子引力 ，將兩個(gè)，將兩個(gè)C原子分離到鍵長(zhǎng)的距離原子分離到鍵長(zhǎng)的距離

26、所所做的功做的功 。CC鍵長(zhǎng)鍵長(zhǎng) ，由此算出一個(gè)共價(jià)鍵力，由此算出一個(gè)共價(jià)鍵力 為為 fdWnmd154. 0NdWf91043（7-9） 由由X射線衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)材料的晶胞參數(shù)，可求得大分子鏈橫截面積。如求得聚乙烯射線衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)材料的晶胞參數(shù)，可求得大分子鏈橫截面積。如求得聚乙烯分子鏈橫截面為分子鏈橫截面為 ，由此得到高分子材料的理論強(qiáng)度為：，由此得到高分子材料的理論強(qiáng)度為： 22001020mS 理論強(qiáng)度是人們從化學(xué)結(jié)構(gòu)可能期望的材料極限強(qiáng)度，由于高分子材料的破理論強(qiáng)度是人們從化學(xué)結(jié)構(gòu)可能期望的材料極限強(qiáng)度，由于高分子材料的破壞是由化學(xué)鍵斷裂引起的，因此可從拉斷化學(xué)鍵所需作的功計(jì)算其理論強(qiáng)度。

27、壞是由化學(xué)鍵斷裂引起的，因此可從拉斷化學(xué)鍵所需作的功計(jì)算其理論強(qiáng)度。 實(shí)際上高分子材料的強(qiáng)度比理論強(qiáng)度小得多，僅為幾個(gè)到幾十個(gè)實(shí)際上高分子材料的強(qiáng)度比理論強(qiáng)度小得多，僅為幾個(gè)到幾十個(gè)MPa。MPatheo4.10)25 . 1 (23 高分子材料的強(qiáng)度高分子材料的強(qiáng)度 1）分子量的影響）分子量的影響 分子量是對(duì)高分子材料力學(xué)性能分子量是對(duì)高分子材料力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈性、韌性）起決定（包括強(qiáng)度、彈性、韌性）起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。低分子有機(jī)化性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。低分子有機(jī)化合物一般沒有力學(xué)強(qiáng)度，高分子材合物一般沒有力學(xué)強(qiáng)度，高分子材料要獲得強(qiáng)度，必須具有一定聚合料要獲得強(qiáng)度，必須具有一定聚合度

28、，使分子間作用力足夠大才行。度，使分子間作用力足夠大才行。圖圖6-29 PS、HDPE和和LDPE的拉伸強(qiáng)度與的拉伸強(qiáng)度與分子量的關(guān)系分子量的關(guān)系 超過最低聚合度后，隨分子量增大材料超過最低聚合度后，隨分子量增大材料強(qiáng)度逐步增大。但當(dāng)分子量相當(dāng)大，致強(qiáng)度逐步增大。但當(dāng)分子量相當(dāng)大，致使分子間次價(jià)鍵作用的總和超過了主鏈?zhǔn)狗肿娱g次價(jià)鍵作用的總和超過了主鏈化學(xué)鍵能時(shí)，材料強(qiáng)度將主要取決于化化學(xué)鍵能時(shí)，材料強(qiáng)度將主要取決于化學(xué)鍵能的大小，這時(shí)強(qiáng)度不再依賴分子學(xué)鍵能的大小，這時(shí)強(qiáng)度不再依賴分子量而變化量而變化。另外，分子量分布對(duì)材料強(qiáng)度的影響不大。另外，分子量分布對(duì)材料強(qiáng)度的影響不大。232 影響斷裂強(qiáng)

29、度的因素影響斷裂強(qiáng)度的因素 2）分子鏈結(jié)構(gòu)的影響）分子鏈結(jié)構(gòu)的影響 從主鏈結(jié)構(gòu)看，含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度和模量要高于脂肪族主鏈材料。從主鏈結(jié)構(gòu)看，含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度和模量要高于脂肪族主鏈材料。 OCCONHNHn芳香尼龍芳香尼龍 NH CH2 CO5尼龍尼龍 -6從分子間相互作用看，極性聚合物及容易產(chǎn)生分子間或分子內(nèi)氫鍵的聚合物，從分子間相互作用看，極性聚合物及容易產(chǎn)生分子間或分子內(nèi)氫鍵的聚合物，力學(xué)強(qiáng)度較高。力學(xué)強(qiáng)度較高。 分子量相當(dāng)時(shí)，支化聚合物力學(xué)強(qiáng)度比線形聚合物低。分子量相當(dāng)時(shí)，支化聚合物力學(xué)強(qiáng)度比線形聚合物低。聚氯乙烯：聚氯乙烯：4050MPa 聚乙烯：聚乙烯：1530MPa 如

30、支化的如支化的LDPE的拉伸強(qiáng)度低于線形的的拉伸強(qiáng)度低于線形的HDPE3）結(jié)晶及取向的影響）結(jié)晶及取向的影響 表表7-2 聚乙烯的斷裂性能與結(jié)晶度的關(guān)系聚乙烯的斷裂性能與結(jié)晶度的關(guān)系MPa結(jié)晶度結(jié)晶度 / 65758595斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度 /14.4182540斷裂伸長(zhǎng)率斷裂伸長(zhǎng)率 / 50030010020 一般影響規(guī)律是：一般影響規(guī)律是： 1 1、隨著結(jié)晶度上升，材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、硬度、彈性模量均提、隨著結(jié)晶度上升，材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、硬度、彈性模量均提高，但斷裂伸長(zhǎng)率和韌性下降。這是由于結(jié)晶使分子鏈排列緊密有序，孔高，但斷裂伸長(zhǎng)率和韌性下降。這是由于結(jié)晶使分子鏈排列緊密有序

31、，孔隙率低，分子間作用增強(qiáng)所致。隙率低，分子間作用增強(qiáng)所致。 2 2、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)材料強(qiáng)度的影響更大。均勻小球晶能使材料的強(qiáng)、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)材料強(qiáng)度的影響更大。均勻小球晶能使材料的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長(zhǎng)和韌性下降。度、伸長(zhǎng)率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長(zhǎng)和韌性下降。3 3、晶體形態(tài)對(duì)聚合物拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律是，同一聚合物，伸直鏈晶體的、晶體形態(tài)對(duì)聚合物拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律是，同一聚合物，伸直鏈晶體的拉伸強(qiáng)度最大，串晶次之，球晶最小。拉伸強(qiáng)度最大，串晶次之，球晶最小。4）交聯(lián)的影響）交聯(lián)的影響 隨交聯(lián)程度提高，橡膠材料的隨交聯(lián)程度提高，橡膠

32、材料的拉伸模量和強(qiáng)度都大大提高，達(dá)拉伸模量和強(qiáng)度都大大提高，達(dá)到極值強(qiáng)度后，又趨于下降；斷到極值強(qiáng)度后，又趨于下降；斷裂伸長(zhǎng)率則連續(xù)下降。裂伸長(zhǎng)率則連續(xù)下降。 熱固性樹脂，由于分子量很低，熱固性樹脂，由于分子量很低，如果不進(jìn)行交聯(lián)，幾乎沒有強(qiáng)度如果不進(jìn)行交聯(lián)，幾乎沒有強(qiáng)度（液態(tài)）。固化以后，分子間形（液態(tài)）。固化以后，分子間形成密集的化學(xué)交聯(lián)，使斷裂強(qiáng)度成密集的化學(xué)交聯(lián)，使斷裂強(qiáng)度大幅度提高。大幅度提高。 圖圖6-20 橡膠的拉伸強(qiáng)度與交聯(lián)劑用量的橡膠的拉伸強(qiáng)度與交聯(lián)劑用量的關(guān)系關(guān)系適度交聯(lián)對(duì)于彈性體及熱固性樹脂力學(xué)性能的提高至關(guān)重要。對(duì)于大多數(shù)適度交聯(lián)對(duì)于彈性體及熱固性樹脂力學(xué)性能的提高至關(guān)

33、重要。對(duì)于大多數(shù)彈性體而言，交聯(lián)是加工成型工藝中的關(guān)鍵步驟。通過交聯(lián)使分子鏈聯(lián)結(jié)彈性體而言，交聯(lián)是加工成型工藝中的關(guān)鍵步驟。通過交聯(lián)使分子鏈聯(lián)結(jié)成網(wǎng)，既增大分子量，又增強(qiáng)分子鏈間相互作用，使材料拉伸性能、彈性、成網(wǎng)，既增大分子量，又增強(qiáng)分子鏈間相互作用，使材料拉伸性能、彈性、抗蠕變能力大大提高。抗蠕變能力大大提高。 5）溫度與形變速率的影響溫度與形變速率的影響圖圖7-5 斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì) 虛線虛線高拉伸速率高拉伸速率 實(shí)線實(shí)線低拉伸速率低拉伸速率 圖圖7-6 斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢(shì)斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢(shì)實(shí)線低環(huán)

34、境溫度 虛線高環(huán)境溫度對(duì)屈服強(qiáng)度的影響更大一些。對(duì)屈服強(qiáng)度的影響更大一些。241 粉料填充增強(qiáng)粉料填充增強(qiáng) 粉狀填料的增強(qiáng)效果主要取決于填料的種類、尺寸、用量、表面性質(zhì)以及粉狀填料的增強(qiáng)效果主要取決于填料的種類、尺寸、用量、表面性質(zhì)以及填料在高分子基材中的分散狀況。按性能分粉狀填料可分為活性填料和惰填料在高分子基材中的分散狀況。按性能分粉狀填料可分為活性填料和惰性填料兩類；按尺寸分有微米級(jí)填料、納米級(jí)填料等。性填料兩類；按尺寸分有微米級(jí)填料、納米級(jí)填料等。 炭黑增強(qiáng)橡膠是最突出的粉狀填料增強(qiáng)聚合物材料的例子。炭黑是典型炭黑增強(qiáng)橡膠是最突出的粉狀填料增強(qiáng)聚合物材料的例子。炭黑是典型活性填料，尺寸

35、在亞微米級(jí)，增強(qiáng)效果十分顯著?；钚蕴盍希叽缭趤單⒚准?jí)，增強(qiáng)效果十分顯著。橡膠橡膠拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 / MPa增強(qiáng)倍數(shù)增強(qiáng)倍數(shù)純膠純膠含炭黑橡膠含炭黑橡膠非結(jié)晶型非結(jié)晶型硅橡膠硅橡膠0.3413.740丁苯橡膠丁苯橡膠1.9619.010丁腈橡膠丁腈橡膠1.9619.610結(jié)晶型結(jié)晶型天然橡膠天然橡膠19.031.41.6氯丁橡膠氯丁橡膠14.725.01.7丁基橡膠丁基橡膠17.618.61.1炭黑炭黑表表7-4 幾種橡膠采用炭黑增強(qiáng)的效果對(duì)比幾種橡膠采用炭黑增強(qiáng)的效果對(duì)比 白炭黑補(bǔ)強(qiáng)白炭黑補(bǔ)強(qiáng)24 高分子材料的增強(qiáng)改性高分子材料的增強(qiáng)改性 碳酸鈣、滑石粉、陶土以及各種金屬或金屬氧化物粉末屬

36、于惰性填料。對(duì)碳酸鈣、滑石粉、陶土以及各種金屬或金屬氧化物粉末屬于惰性填料。對(duì)于惰性填料，需要經(jīng)過化學(xué)改性賦予粒子表面一定的活性，才具有增強(qiáng)作于惰性填料，需要經(jīng)過化學(xué)改性賦予粒子表面一定的活性，才具有增強(qiáng)作用。例如用表面活性物質(zhì)如脂肪酸、樹脂酸處理，或用鈦酸酯、硅烷等偶用。例如用表面活性物質(zhì)如脂肪酸、樹脂酸處理，或用鈦酸酯、硅烷等偶聯(lián)劑處理，或在填料粒子表面化學(xué)接枝大分子等都有很好的效果。聯(lián)劑處理，或在填料粒子表面化學(xué)接枝大分子等都有很好的效果。 圖圖7-22 粉狀填料經(jīng)硬脂酸處理填充粉狀填料經(jīng)硬脂酸處理填充HDPE的的SEM圖圖 上圖：硬脂酸用量上圖：硬脂酸用量0.9% 下圖：下圖：1.5%

37、惰性填料惰性填料 纖維增強(qiáng)塑料是利用纖維的高強(qiáng)度、高模量、尺寸穩(wěn)定性和樹脂的低密纖維增強(qiáng)塑料是利用纖維的高強(qiáng)度、高模量、尺寸穩(wěn)定性和樹脂的低密度、強(qiáng)韌性設(shè)計(jì)制備的一種復(fù)合材料。兩者取長(zhǎng)補(bǔ)短，復(fù)合的同時(shí)既克服度、強(qiáng)韌性設(shè)計(jì)制備的一種復(fù)合材料。兩者取長(zhǎng)補(bǔ)短，復(fù)合的同時(shí)既克服了纖維的脆性，也提高了樹脂基體的強(qiáng)度、剛性、耐蠕變和耐熱性。了纖維的脆性，也提高了樹脂基體的強(qiáng)度、剛性、耐蠕變和耐熱性。常用的纖維材料常用的纖維材料玻璃纖維玻璃纖維碳纖維碳纖維硼纖維硼纖維天然纖維天然纖維基體材料基體材料熱固性樹脂熱固性樹脂熱塑性樹脂熱塑性樹脂橡膠類材料橡膠類材料242 纖維復(fù)合增強(qiáng)纖維復(fù)合增強(qiáng) 基于上述機(jī)理也可

38、得知，在基體中，即使纖維都已斷裂，或者直接在基基于上述機(jī)理也可得知，在基體中，即使纖維都已斷裂，或者直接在基體中加入經(jīng)過表面處理的短纖維，只要纖維具有一定的長(zhǎng)徑比，使復(fù)合作體中加入經(jīng)過表面處理的短纖維，只要纖維具有一定的長(zhǎng)徑比，使復(fù)合作用有效，仍可以達(dá)到增強(qiáng)效果。實(shí)際上短纖維增強(qiáng)塑料、橡膠的技術(shù)都有用有效，仍可以達(dá)到增強(qiáng)效果。實(shí)際上短纖維增強(qiáng)塑料、橡膠的技術(shù)都有很好的發(fā)展，部分已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。很好的發(fā)展，部分已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。 按復(fù)合作用原理，短纖維的臨界長(zhǎng)度按復(fù)合作用原理，短纖維的臨界長(zhǎng)度L Lc c可按下式計(jì)算：可按下式計(jì)算： ymyfcdL,2式中為式中為 纖維的拉伸屈服應(yīng)力，纖維的拉

39、伸屈服應(yīng)力， 為基體的剪切屈服應(yīng)力，為基體的剪切屈服應(yīng)力，d 為為纖維直徑。纖維直徑。 yf ,ym,243 納米復(fù)合材料和分子復(fù)合材料納米復(fù)合材料和分子復(fù)合材料 略略短纖維增強(qiáng)短纖維增強(qiáng)第第4節(jié)節(jié) 高分子材料的抗沖擊性能和增韌改性高分子材料的抗沖擊性能和增韌改性 41 抗沖擊強(qiáng)度抗沖擊強(qiáng)度 抗沖擊強(qiáng)度抗沖擊強(qiáng)度的測(cè)定方法的測(cè)定方法高速拉伸試驗(yàn)高速拉伸試驗(yàn)落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)懸臂梁式（懸臂梁式（Izod）簡(jiǎn)支梁式（簡(jiǎn)支梁式（Charpy）411 抗沖擊強(qiáng)度定義及物理意義抗沖擊強(qiáng)度定義及物理意義 抗沖擊強(qiáng)度（抗沖擊強(qiáng)度（impact strength）定義為標(biāo)

40、準(zhǔn)試樣在高速?zèng)_擊作用下發(fā)生斷裂時(shí)，）定義為標(biāo)準(zhǔn)試樣在高速?zèng)_擊作用下發(fā)生斷裂時(shí)，單位斷面面積（或單位缺口長(zhǎng)度）所消耗的能量。單位斷面面積（或單位缺口長(zhǎng)度）所消耗的能量。 沖擊破壞過程雖然很快，沖擊破壞過程雖然很快，但根據(jù)破壞原理也可分為三但根據(jù)破壞原理也可分為三個(gè)階段：一是裂紋引發(fā)階段，個(gè)階段：一是裂紋引發(fā)階段，二是裂紋擴(kuò)展階段，三是斷二是裂紋擴(kuò)展階段，三是斷裂階段。裂階段。圖圖7-30 沖擊沖擊實(shí)驗(yàn)中材料受力及屈撓關(guān)系曲線實(shí)驗(yàn)中材料受力及屈撓關(guān)系曲線 曲線下面積：白亮區(qū)域裂紋引發(fā)能 陰影區(qū)域裂紋擴(kuò)展能 412 沖擊破壞過程分析沖擊破壞過程分析 從微觀來(lái)看，裂紋引發(fā)時(shí)一定有從微觀來(lái)看，裂紋引發(fā)時(shí)

41、一定有主鏈發(fā)生斷裂，因此主鏈發(fā)生斷裂，因此主鏈化學(xué)鍵主鏈化學(xué)鍵鍵能的大小鍵能的大小決定著裂紋引發(fā)能的決定著裂紋引發(fā)能的大小。裂紋擴(kuò)展能的大小則與裂大小。裂紋擴(kuò)展能的大小則與裂紋尖端區(qū)的形變性質(zhì)有關(guān)。紋尖端區(qū)的形變性質(zhì)有關(guān)。 4 42 2 影響抗沖擊性能的因素影響抗沖擊性能的因素 421 分子鏈結(jié)構(gòu)的影響分子鏈結(jié)構(gòu)的影響 除分子鏈化學(xué)鍵強(qiáng)度外，分子鏈柔順性對(duì)抗沖擊性能也有較大影響。除分子鏈化學(xué)鍵強(qiáng)度外，分子鏈柔順性對(duì)抗沖擊性能也有較大影響。 一般來(lái)說分子鏈柔性大的材料抗沖擊性能較好，而剛性鏈聚合物較差。一般來(lái)說分子鏈柔性大的材料抗沖擊性能較好，而剛性鏈聚合物較差。 在特定場(chǎng)合，尺寸小于鏈段的次級(jí)

42、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化也對(duì)抗沖擊韌在特定場(chǎng)合，尺寸小于鏈段的次級(jí)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化也對(duì)抗沖擊韌性有影響。性有影響。 次級(jí)轉(zhuǎn)變和低溫抗沖性次級(jí)轉(zhuǎn)變和低溫抗沖性分子量的影響。分子量的影響。 分子量小時(shí)，隨分子量增大，抗沖擊強(qiáng)度提高；分子量足夠高時(shí)，抗沖擊強(qiáng)度分子量小時(shí)，隨分子量增大，抗沖擊強(qiáng)度提高；分子量足夠高時(shí)，抗沖擊強(qiáng)度基本與分子量無(wú)關(guān)?；九c分子量無(wú)關(guān)。 422 結(jié)晶、取向的影響結(jié)晶、取向的影響 對(duì)聚乙烯、聚丙烯等高結(jié)晶度材料，當(dāng)結(jié)晶度為對(duì)聚乙烯、聚丙烯等高結(jié)晶度材料，當(dāng)結(jié)晶度為40-60%時(shí)，由于時(shí)，由于材料拉伸時(shí)有屈服發(fā)生且斷裂伸長(zhǎng)率高，韌性很好。結(jié)晶度再增高，材料拉伸時(shí)有屈服發(fā)生且斷裂伸長(zhǎng)

43、率高，韌性很好。結(jié)晶度再增高，材料變硬變脆，抗沖擊韌性反而下降。這是由于結(jié)晶使分子間相互作材料變硬變脆，抗沖擊韌性反而下降。這是由于結(jié)晶使分子間相互作用增強(qiáng)，鏈段運(yùn)動(dòng)能力減弱，受到外來(lái)沖擊時(shí)，材料形變能力減少，用增強(qiáng)，鏈段運(yùn)動(dòng)能力減弱，受到外來(lái)沖擊時(shí)，材料形變能力減少，因而抗沖擊韌性變差。因而抗沖擊韌性變差。 從結(jié)晶形態(tài)看，具有均勻小球晶的材料抗沖擊韌性好，而大球晶韌從結(jié)晶形態(tài)看，具有均勻小球晶的材料抗沖擊韌性好，而大球晶韌性差。球晶尺寸大，球晶內(nèi)部以及球晶之間的缺陷增多，材料受沖擊性差。球晶尺寸大，球晶內(nèi)部以及球晶之間的缺陷增多，材料受沖擊力時(shí)易在薄弱環(huán)節(jié)破裂。力時(shí)易在薄弱環(huán)節(jié)破裂。 對(duì)取向

44、材料，當(dāng)沖擊力與取向方向平行，沖擊強(qiáng)度因取向而提高，若對(duì)取向材料，當(dāng)沖擊力與取向方向平行，沖擊強(qiáng)度因取向而提高，若沖擊力與取向方向垂直，沖擊強(qiáng)度下降。由于實(shí)際材料總是在最薄弱處沖擊力與取向方向垂直，沖擊強(qiáng)度下降。由于實(shí)際材料總是在最薄弱處首先破壞，因此取向?qū)Σ牧系目箾_擊性能一般是不利的首先破壞，因此取向?qū)Σ牧系目箾_擊性能一般是不利的 結(jié)晶度結(jié)晶度晶體形態(tài)晶體形態(tài)取向取向 溫度升高，材料抗沖擊溫度升高，材料抗沖擊強(qiáng)度隨之增大。對(duì)無(wú)定形強(qiáng)度隨之增大。對(duì)無(wú)定形聚合物，當(dāng)溫度升高到玻聚合物，當(dāng)溫度升高到玻璃化溫度附近或更高時(shí)，璃化溫度附近或更高時(shí)，抗沖擊強(qiáng)度急劇增大。抗沖擊強(qiáng)度急劇增大。 對(duì)結(jié)晶性聚合

45、物，其玻璃化對(duì)結(jié)晶性聚合物，其玻璃化溫度以上的抗沖擊強(qiáng)度也比玻溫度以上的抗沖擊強(qiáng)度也比玻璃化溫度以下的高，這是因?yàn)榱Щ瘻囟纫韵碌母?，這是因?yàn)樵诓ＡЩ瘻囟雀浇鼤r(shí)，鏈段運(yùn)在玻璃化溫度附近時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)釋放，分子運(yùn)動(dòng)加劇，使應(yīng)動(dòng)釋放，分子運(yùn)動(dòng)加劇，使應(yīng)力集中效應(yīng)減緩，部分能量會(huì)力集中效應(yīng)減緩，部分能量會(huì)由于材料的力學(xué)損耗作用以熱由于材料的力學(xué)損耗作用以熱的形式逸散。的形式逸散。圖圖7-33 幾種聚丙烯試樣抗沖強(qiáng)度隨溫度幾種聚丙烯試樣抗沖強(qiáng)度隨溫度的變化的變化423 溫度的影響溫度的影響 采用丁二烯與苯乙烯共采用丁二烯與苯乙烯共聚得到高抗沖聚苯乙烯；聚得到高抗沖聚苯乙烯；采用氯化聚乙烯與聚氯乙采用氯化聚

46、乙烯與聚氯乙烯共混得到硬聚氯乙烯韌烯共混得到硬聚氯乙烯韌性體，都將使基體的抗沖性體，都將使基體的抗沖強(qiáng)度提高幾倍至幾十倍。強(qiáng)度提高幾倍至幾十倍。 橡膠增韌塑料已發(fā)展為橡膠增韌塑料已發(fā)展為十分成熟的塑料增韌技術(shù)，十分成熟的塑料增韌技術(shù)，由此開發(fā)出一大批新型材由此開發(fā)出一大批新型材料，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益。料，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益。圖圖7-35 CPE用量對(duì)用量對(duì)PVC/CPE共混物力學(xué)共混物力學(xué)性能的影響性能的影響共聚、共混改性效果共聚、共混改性效果 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用與橡膠類材料嵌段共聚、接枝共聚或物理共混的方法實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用與橡膠類材料嵌段共聚、接枝共聚或物理共混的方法可以大幅度改善脆性塑料的抗沖擊性能

47、。可以大幅度改善脆性塑料的抗沖擊性能。424 共混，共聚，填充的影響共混，共聚，填充的影響 431 橡膠增韌塑料的經(jīng)典機(jī)理橡膠增韌塑料的經(jīng)典機(jī)理 微裂紋理論（微裂紋理論（E M Mertz，1956年）年） 多重銀紋理論（多重銀紋理論（C B Bucknall和和R R Smith，1965年）年） 剪切屈服理論（剪切屈服理論（S Newman，1965年）年） 空穴化理論（空穴化理論（R A Pearson，1986年）年） 銀紋銀紋-剪切帶理論（剪切帶理論（craze -shear banding theory），），J A Schmitt和和C B Bucknall等在等在20世紀(jì)世紀(jì)70年代提出。年代提出。 被人們普遍接受。被人們普遍接受。43 高分子材料的增韌改性高分子材料的增韌改性 圖圖6-43 左圖：拉伸試樣產(chǎn)生的銀紋化現(xiàn)象，左圖：拉伸試樣產(chǎn)