屈服和斷裂解析PPT課件

1、思考 材料受力后的行為？ 橡膠受力后的行為？ 塑料受力后的行為？ 纖維受力后的行為？第1頁(yè)/共107頁(yè)力學(xué)性能分類力學(xué)性能是高聚物優(yōu)異物理性能的基礎(chǔ)如：某高聚物磨擦，磨耗性能優(yōu)良，但力學(xué)性能不好，很脆。不能用它作減摩材料如：作電線絕緣材料的高聚物，也要求它們有一定的力學(xué)性能：強(qiáng)度和韌性。如果折疊幾次就破裂，那么這種材料的電絕緣性雖好，也不能用作電線。第2頁(yè)/共107頁(yè)彈 性粘彈性非線性粘彈性線性粘彈性高彈性普彈性動(dòng) 態(tài)靜 態(tài)粘 性Deformation形變性能ElasticityHigh elasticityViscosityviscoelasticityL i n e a r viscoel

2、asticityStaticDynamicNon-Linear viscoelasticity應(yīng)力松弛蠕 變滯 后力學(xué)損耗第3頁(yè)/共107頁(yè)斷裂性能韌 性強(qiáng) 度FractureToughnessStrength第4頁(yè)/共107頁(yè)常用術(shù)語(yǔ)： 力學(xué)行為：指施加一個(gè)外力在材料上，它產(chǎn)生怎樣的形變（響應(yīng)） 形變性能：非極限情況下的力學(xué)行為 斷裂性能：極限情況下的力學(xué)行為 彈性：對(duì)于理想彈性體來(lái)講，其彈性形變可用虎克定律來(lái)表示，即：應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，應(yīng)變與時(shí)間無(wú)關(guān)第5頁(yè)/共107頁(yè) 粘性：在外力作用下，分子與分子之間發(fā)生位移，理想的粘性流體其流動(dòng)形變可用牛頓定律來(lái)描述：應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比 普彈性：

3、大應(yīng)力作用下，只產(chǎn)生小的、線性可逆形變，它是由化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)，鍵角變化引起的。與材料的內(nèi)能變化有關(guān)：形變時(shí)內(nèi)能增加，形變恢復(fù)時(shí)，放出能量，對(duì)外做功（玻璃態(tài)，晶態(tài)，高聚物，金屬，陶瓷均有這種性能），普彈性又稱能彈性第6頁(yè)/共107頁(yè) 高彈性：小的應(yīng)力作用下可發(fā)生很大的可逆形變，是由內(nèi)部構(gòu)象熵變引起的，所以也稱熵彈性（橡膠具有高彈性） 靜態(tài)力學(xué)性能：在恒應(yīng)力或恒應(yīng)變情況下的力學(xué)行為 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能：物體在交變應(yīng)力下的粘彈性行為 應(yīng)力松弛：在恒應(yīng)變情況下，應(yīng)力隨時(shí)間的變化第7頁(yè)/共107頁(yè) 蠕變：在恒應(yīng)力下，物體的形變隨時(shí)間的變化 強(qiáng)度：材料所能承受的應(yīng)力 韌性：材料斷裂時(shí)所吸收的能量第8頁(yè)/共107頁(yè)

4、表征材料力學(xué)性能的基本物理量受受力力方方式式簡(jiǎn)單拉伸簡(jiǎn)單拉伸簡(jiǎn)單剪切簡(jiǎn)單剪切均勻壓縮均勻壓縮參數(shù)參數(shù)受受力力特特點(diǎn)點(diǎn)外力外力F是與截面垂是與截面垂直，大小相等，直，大小相等，方向相反，作用方向相反，作用在同一直線上的在同一直線上的兩個(gè)力。兩個(gè)力。外力外力F是與界面平是與界面平行，大小相等，行，大小相等，方向相反的兩個(gè)方向相反的兩個(gè)力。力。材料受到的材料受到的是圍壓力。是圍壓力。,FFFF0l第9頁(yè)/共107頁(yè)應(yīng)變應(yīng)變張應(yīng)變：張應(yīng)變： 真應(yīng)變：真應(yīng)變： 切應(yīng)變：切應(yīng)變： 是偏斜角是偏斜角壓縮應(yīng)變：壓縮應(yīng)變： 應(yīng)力應(yīng)力張應(yīng)力：張應(yīng)力：真應(yīng)力：真應(yīng)力： 切應(yīng)力：切應(yīng)力： 壓力壓力P00lll lli

5、ildl0tgr 0VV0AFAF0AFs第10頁(yè)/共107頁(yè)彈彈性性模模量量楊氏模量：楊氏模量： 泊淞比：泊淞比： 切變模量：切變模量：體積模量：體積模量：柔柔量量拉伸柔量：拉伸柔量： 切變?nèi)崃浚呵凶內(nèi)崃浚?可壓縮度：可壓縮度： 機(jī)械機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)度00llAFE縱向單位寬度的增加橫向單向單位寬度的llmmtgAFrGs0VPVPB0ED1GJ1B1第11頁(yè)/共107頁(yè)7.1 聚合物的拉伸行為聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線7.2 聚合物的屈服行為7.3 聚合物的斷裂理論和理論強(qiáng)度7.4 影響聚合物強(qiáng)度的因素主要內(nèi)容第12頁(yè)/共107頁(yè)主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)線索：一、高分子材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性應(yīng)力應(yīng)變曲線及其類

6、型影響拉伸行為的外部因素強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸”二、高分子材料的斷裂和強(qiáng)度宏觀斷裂方式，脆性斷裂和韌性斷裂斷裂過(guò)程，斷裂的分子理論高分子材料的強(qiáng)度高分子材料的增強(qiáng)改性三、高分子材料的抗沖擊強(qiáng)度和增韌改性抗沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)影響抗沖擊強(qiáng)度的因素高分子材料的增韌改性第13頁(yè)/共107頁(yè)l0AF000lllll 設(shè)以一定的力 F 拉伸試樣，使兩標(biāo)距間的長(zhǎng)度增至 ，定義試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)椋?注意此處定義的應(yīng)力等于拉力除以試樣原始截面積A0，這種應(yīng)力稱工程應(yīng)力或公稱應(yīng)力，并不等于材料所受的真實(shí)應(yīng)力。同樣這兒定義的應(yīng)變?yōu)楣こ虘?yīng)變，屬于應(yīng)變的Euler度量。（7-1）（7-2）典型高分子材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如

7、圖7-2所示。應(yīng)力應(yīng)變第14頁(yè)/共107頁(yè)7.1.1 The stress-strain curves 應(yīng)力-應(yīng)變曲線AAE A 彈性極限應(yīng)變 A彈性極限應(yīng)力 B 斷裂伸長(zhǎng)率 B斷裂強(qiáng)度 Y 屈服應(yīng)力Y point: Yielding point 屈服點(diǎn)A point: Point of elastic limit 彈性極限點(diǎn)B point: Breaking point 斷裂點(diǎn)第15頁(yè)/共107頁(yè)形變過(guò)程形變過(guò)程彈性形變 -屈服-應(yīng)變軟化-強(qiáng)迫高彈形變-應(yīng)變硬化-斷裂第16頁(yè)/共107頁(yè)曲線特征：（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系變化，直線斜率 相當(dāng)于材料彈性模量。

8、 Edd（2 2）越過(guò)A點(diǎn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線偏離直線，說(shuō)明材料開(kāi)始發(fā)生塑性形變，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（或屈服強(qiáng)度） 和屈服應(yīng)變 。發(fā)生屈服時(shí)，試樣上某一局部會(huì)出現(xiàn)“細(xì)頸”現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降，發(fā)生“屈服軟化”。 yy第17頁(yè)/共107頁(yè)（3 3）隨著應(yīng)變?cè)黾樱诤荛L(zhǎng)一個(gè)范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細(xì)頸”區(qū)越來(lái)越大。直到拉伸應(yīng)變很大時(shí)，材料應(yīng)力又略有上升（成頸硬化），到達(dá)B點(diǎn)發(fā)生斷裂。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（或斷裂強(qiáng)度） 和斷裂伸長(zhǎng)率 ，它們是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限伸長(zhǎng)率。 BBBdW0（4）曲線下的面積等于相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能

9、量，單位為Jm-3，稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個(gè)物理量。 第18頁(yè)/共107頁(yè)斷裂能 Fracture energydStress-strain曲線下面積稱作斷裂能：材料從開(kāi)始拉伸至破壞所吸收的能量。第19頁(yè)/共107頁(yè)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(zhǎng)率（B點(diǎn)伸長(zhǎng)率） 聚合物的斷裂韌性（曲線下面積）第20頁(yè)/共107頁(yè) 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 。圖7-3 高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型曲線的類型（1）

10、硬而脆型（2）硬而強(qiáng)型（3）硬而韌型（4）軟而韌型（5）軟而弱型 第21頁(yè)/共107頁(yè)（3）硬而韌型 此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強(qiáng)度都很高，斷裂伸長(zhǎng)率也很大，應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積很大，說(shuō)明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。（1）硬而脆型 此類材料彈性模量高（OA段斜率大）而斷裂伸長(zhǎng)率很小。在很小應(yīng)變下，材料尚未出現(xiàn)屈服已經(jīng)斷裂，斷裂強(qiáng)度較高。在室溫或室溫之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛樹(shù)脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。（2）硬而強(qiáng)型 此類材料彈性模量高，斷裂強(qiáng)度高，斷裂伸長(zhǎng)率小。通常材料拉伸到屈服點(diǎn)附近就發(fā)生破壞（大約為5%）。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類型。說(shuō)明第22頁(yè)/共107頁(yè)（5）軟

11、而弱型 此類材料彈性模量低，斷裂強(qiáng)度低，斷裂伸長(zhǎng)率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。（4）軟而韌型 此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長(zhǎng)率大（20%1000%），斷裂強(qiáng)度可能較高，應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積大。各種橡膠制品和增塑聚氯乙烯具有這種應(yīng)力應(yīng)變特征。 硬而韌的材料，在拉伸過(guò)程中顯示出明顯的屈服、冷拉或細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測(cè)試區(qū)都變成細(xì)頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維素、硝酸纖維素等屬于這種材料。第23頁(yè)/共107頁(yè)注意 材料拉伸過(guò)程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測(cè)試條件（如拉伸速率）的影響，

12、硬而強(qiáng)型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也會(huì)發(fā)生大于100%的斷裂伸長(zhǎng)率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點(diǎn)。 實(shí)際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典型性，或是幾種類型的組合。例如有的材料拉伸時(shí)存在明顯的屈服和“頸縮”，有的則沒(méi)有；有的材料斷裂強(qiáng)度高于屈服強(qiáng)度，有的則屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度等。因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。第24頁(yè)/共107頁(yè)7.1.2 非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線OybYBb第25頁(yè)/共107頁(yè)各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a) 不同溫度不同溫度a: TTg c: TTg (幾十度)d: T接近Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050

13、CExample-PVC脆斷 韌斷無(wú)屈服屈服后斷Results TT第26頁(yè)/共107頁(yè)(b) 不同拉伸速度.4.3.2.1時(shí)溫等效原理：拉伸速度快=時(shí)間短 溫度低速度拉伸應(yīng)變速率第27頁(yè)/共107頁(yè)例: PMMA第28頁(yè)/共107頁(yè)7.1.3 晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變軟化更明顯明顯冷拉時(shí)晶片的傾斜、滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)，形成微晶或微纖束第29頁(yè)/共107頁(yè)(c) 球晶大小各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第30頁(yè)/共107頁(yè)(d) 結(jié)晶度第31頁(yè)/共107頁(yè)相似之處： 即兩種拉伸過(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?cè)谑覝貢r(shí)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

14、過(guò)程造成的大形變都是高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為“冷拉”。區(qū)別： 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T(mén)g至Tm； 玻璃態(tài)聚合物在冷拉過(guò)程中只發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變， 晶態(tài)聚合物在冷拉過(guò)程中包含有結(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過(guò)程。玻璃態(tài)聚合物的拉伸與結(jié)晶聚合物的拉伸過(guò)程的比較第32頁(yè)/共107頁(yè)7.1.4 強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸” 已知環(huán)境對(duì)高分子材料拉伸行為有顯著影響，這兒再重點(diǎn)介紹在特殊環(huán)境條件下，高分子材料的兩種特殊拉伸行為。 1、非晶聚合物的強(qiáng)迫高彈形變 圖7-4 聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下） 研究高聚物拉伸破

15、壞行為時(shí)，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情形。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（參見(jiàn)圖7-4中T = 80，60的情形），這種變形稱強(qiáng)迫高彈形變。 bTTgT第33頁(yè)/共107頁(yè)（2 2）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來(lái)卷曲的分子鏈段被強(qiáng)迫發(fā)生運(yùn)動(dòng)、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強(qiáng)迫高彈形變?cè)谕饬Τ废?，通過(guò)適當(dāng)升溫（ ）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。 TgT（1 1）這種現(xiàn)象既不同于高彈態(tài)下的高彈形變，也不同于粘流態(tài)下的粘性流動(dòng)。這是一種獨(dú)特的力學(xué)行為。（3 3）強(qiáng)迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說(shuō)明提高應(yīng)力

16、可以促進(jìn)分子鏈段在作用力方向上的運(yùn)動(dòng)，如同升高溫度一樣，起到某種“活化”作用。從鏈段的松弛運(yùn)動(dòng)來(lái)講，提高應(yīng)力降低了鏈段在作用力方向上的運(yùn)動(dòng)活化能，減少了鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過(guò)勢(shì)壘而運(yùn)動(dòng)。 討論第34頁(yè)/共107頁(yè)RTEexp0E0 由（7-4）式可見(jiàn)， 越大， 越小， 降低了鏈段運(yùn)動(dòng)活化能。當(dāng)應(yīng)力增加致使鏈段運(yùn)動(dòng)松弛時(shí)間減小到與外力作用時(shí)間同一數(shù)量級(jí)時(shí)，就可能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形。（4）研究表明，鏈段松弛時(shí)間 與外應(yīng)力 之間有如下關(guān)系： （7-4）式中： 是鏈段運(yùn)動(dòng)活化能， 是材料常數(shù)， 是未加應(yīng)力時(shí)鏈段運(yùn)動(dòng)松弛時(shí)間。第35頁(yè)/共107頁(yè) 2、晶態(tài)聚合物的“冷拉伸”圖7

17、-8 結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形，這種形變稱“冷拉伸”。結(jié)晶聚合物具有與非晶聚合物相似的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖7-87-8。 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，材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見(jiàn)圖中曲線3、4、5。 這種現(xiàn)象稱“冷拉伸”。 TmT第36頁(yè)/共107頁(yè)（1 1）發(fā)生冷拉之前，材料有明顯的屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)為試樣測(cè)試區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一處或幾處“頸縮”。隨著冷拉的進(jìn)行，細(xì)頸部分不斷發(fā)展，形變量不斷增大，而應(yīng)力幾乎保持不變，直到整個(gè)試樣測(cè)試區(qū)全部變細(xì)。再繼續(xù)拉伸，應(yīng)力將上升（應(yīng)變硬化），直至斷裂。 討論（2 2）雖然冷拉伸也屬于強(qiáng)迫高彈形變，但

18、兩者的微觀機(jī)理不盡相同。結(jié)晶聚合物從遠(yuǎn)低于玻璃化溫度直到熔點(diǎn)附近一個(gè)很大溫區(qū)內(nèi)都能發(fā)生冷拉伸。在微觀上，冷拉伸是應(yīng)力作用使原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，球晶、片晶被拉開(kāi)分裂成更小的結(jié)晶單元，分子鏈從晶體中被拉出、伸直，沿著拉伸方向排列形成的（參看圖7-9）。 圖79 9 球晶拉伸形變時(shí)內(nèi)部晶片變化示意圖 第37頁(yè)/共107頁(yè)片晶受拉伸形變時(shí)內(nèi)部晶片發(fā)生位錯(cuò)、轉(zhuǎn)向、定向排列、拉伸示意圖 第38頁(yè)/共107頁(yè)（4 4）環(huán)境溫度、拉伸速率、分子量都對(duì)冷拉有明顯影響。溫度過(guò)低或拉伸速率過(guò)高，分子鏈松弛運(yùn)動(dòng)不充分，會(huì)造成應(yīng)力集中，使材料過(guò)早破壞。溫度過(guò)高或拉伸速率過(guò)低，分子鏈可能發(fā)生滑移而流動(dòng)，造成斷裂。分子量較

19、低的聚合物，分子鏈短，不能夠充分拉伸、取向以達(dá)到防止材料破壞的程度，也會(huì)使材料在屈服點(diǎn)后不久就發(fā)生破壞。 （3 3）實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變和冷拉必須有一定條件。關(guān)鍵有兩點(diǎn)，一是材料屈服后應(yīng)表現(xiàn)出軟化效應(yīng)；二是擴(kuò)大應(yīng)變時(shí)應(yīng)表現(xiàn)出材料硬化效應(yīng)，軟、硬恰當(dāng)，才能實(shí)現(xiàn)大變形和冷拉。第39頁(yè)/共107頁(yè)硬彈性材料的拉伸 拉伸初始階段，應(yīng)力隨應(yīng)變 急劇增加，使之具有接近于一 般結(jié)晶高聚物的高起始模量， 到形變百分之幾時(shí)發(fā)生不明 顯的屈服，但它們不出現(xiàn)成 頸現(xiàn)象，繼續(xù)拉伸，應(yīng)力會(huì) 緩慢增長(zhǎng)，而且到達(dá)一定形 變后，停止拉伸，形變可以 自發(fā)恢復(fù)，雖然在拉伸曲線與恢復(fù)曲線之間形成較大的滯后圈，但彈性回復(fù)率有時(shí)可高達(dá)98

20、%。某些非晶高聚物如HIPS在出現(xiàn)大量銀紋時(shí)也出現(xiàn)硬彈性行為。第40頁(yè)/共107頁(yè)應(yīng)變誘發(fā)塑料-橡膠轉(zhuǎn)變第41頁(yè)/共107頁(yè) 在第一次拉伸超過(guò)屈服點(diǎn)后，試樣從塑料轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變誘發(fā)塑料-橡膠轉(zhuǎn)變。更奇特的是晶拉伸變?yōu)橄鹉z的試樣在室溫放置較長(zhǎng)時(shí)間后又能回復(fù)到原來(lái)的塑料性質(zhì)。溫度越高，回復(fù)得越快。 在拉伸前試樣的塑料相和橡膠相都呈連續(xù)相，呈現(xiàn)塑料性能，拉伸使塑料相被撕碎，大形變時(shí)成為分散在橡膠連續(xù)相中的微區(qū)，橡膠相成為唯一的連續(xù)相而呈現(xiàn)高彈性，形變能夠立即回復(fù)，塑料分散相起物理交聯(lián)點(diǎn)作用，阻止永久變形的發(fā)生。第42頁(yè)/共107頁(yè)樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方 出現(xiàn)“

21、細(xì)頸”的位置自由體積增加松弛時(shí)間變短出現(xiàn)“細(xì)頸”的原因無(wú)外力有外力 RTEe0RTaEe08.2 屈服(1) 細(xì)頸:屈服時(shí)，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。第43頁(yè)/共107頁(yè)剪切 變形帶第44頁(yè)/共107頁(yè)第45頁(yè)/共107頁(yè)剪切屈服現(xiàn)象橫截面A0, 受到的應(yīng)力 0=F/A0拉伸中材料某個(gè)面受力分析剪切屈服：即在細(xì)頸發(fā)生前，試樣表面出現(xiàn)與拉伸方向成45度角的剪切帶。第46頁(yè)/共107頁(yè)斜截面A cos0AA cosFFnsinFFs受 力200coscos/cosAFn2sin21cossin00AFs法向應(yīng)力剪切應(yīng)力第47頁(yè)/共107頁(yè) =0 n= 0 s=0 =45 n= 0/2 s= 0/2

22、 =90 n=0 s=0第48頁(yè)/共107頁(yè)切應(yīng)力雙生互等定律021sY021第49頁(yè)/共107頁(yè)工程應(yīng)力和真應(yīng)力AF真)1 (000AllAA0AF工程應(yīng)力真應(yīng)力ForceInitial cross-section areaForceCross-section area）（真 1第50頁(yè)/共107頁(yè)8.3、高分子材料的斷裂和強(qiáng)度（一） 宏觀斷裂方式，脆性斷裂和韌性斷裂 從材料的承載方式來(lái)分，高分子材料的宏觀破壞可分為快速斷裂、蠕變斷裂（靜態(tài)疲勞）、疲勞斷裂（動(dòng)態(tài)疲勞）、磨損斷裂及環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂等多種形式。 從斷裂的性質(zhì)來(lái)分，高分子材料的宏觀斷裂可分為脆性斷裂和韌性斷裂兩大類。 發(fā)生脆性斷裂時(shí)，

23、斷裂表面較光滑或略有粗糙，斷裂面垂直于主拉伸方向，試樣斷裂后，殘余形變很小。 韌性斷裂時(shí)，斷裂面與主拉伸方向多成45度角，斷裂表面粗糙，有明顯的屈服（塑性變形、流動(dòng)等）痕跡，形變不能立即恢復(fù)。 第51頁(yè)/共107頁(yè)脆性斷裂和韌性斷裂表面 PSPS試樣脆性斷裂表面的電鏡照片 增韌改性PVCPVC韌性斷裂表面的電鏡照片 第52頁(yè)/共107頁(yè)8.3.1 8.3.1 銀紋銀紋CrazingCrazing銀紋現(xiàn)象是聚合物在張應(yīng)力作用下，于材料某些薄弱地方出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以至于在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長(zhǎng)度為100m、寬度為10 m左右、厚度約為1 m的微細(xì)凹槽的現(xiàn)象分分

24、類類環(huán)境銀紋溶劑銀紋應(yīng)力銀紋第53頁(yè)/共107頁(yè)銀紋的微觀結(jié)構(gòu)微纖方向與外力平行，銀紋長(zhǎng)度方向與外力垂直。微纖， 也稱銀紋質(zhì)第54頁(yè)/共107頁(yè)銀紋方向和分子鏈方向銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，因此在銀紋和本體之間的界面上將對(duì)光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會(huì)使銀紋消失 。F第55頁(yè)/共107頁(yè)銀銀紋紋的的擴(kuò)擴(kuò)展展中間分子鏈斷裂擴(kuò)展形成裂紋第56頁(yè)/共107頁(yè)主要區(qū)別剪切屈服銀紋屈服形變形變大幾十幾百%形變小 473聚甲醛 未增強(qiáng)6866074.52.75383聚甲醛 增強(qiáng)8241.5425.59441 均含

25、玻璃纖維20-40%第84頁(yè)/共107頁(yè)纖維增強(qiáng)的機(jī)理 纖維增強(qiáng)塑料的機(jī)理是依靠?jī)烧邚?fù)合作用。纖維具有高強(qiáng)度可以承受高應(yīng)力，樹(shù)脂基體容易發(fā)生粘彈變形和塑性流動(dòng)，它們與纖維粘結(jié)在一起可以傳遞應(yīng)力。第85頁(yè)/共107頁(yè) 材料受力時(shí)，首先由纖維承受應(yīng)力，個(gè)別纖維即使發(fā)生斷裂，由于樹(shù)脂的粘結(jié)作用和塑性流動(dòng)，斷纖維被拉開(kāi)的趨勢(shì)得到抑制，斷纖維仍能承受應(yīng)力。樹(shù)脂與纖維的粘結(jié)還具有抑制裂紋傳播的效用。材料受力引發(fā)裂紋時(shí)，軟基體依靠切變作用能使裂紋不沿垂直應(yīng)力的方向發(fā)展，而發(fā)生偏斜，使斷裂功有很大一部分消耗于反抗基體對(duì)纖維的粘著力，阻止裂紋傳播。 由此可見(jiàn)，纖維增強(qiáng)塑料時(shí)，纖維與樹(shù)脂基體界面粘合性的好壞是復(fù)合

26、的關(guān)鍵。對(duì)于與樹(shù)脂親合性較差的纖維，如玻璃纖維，使用前應(yīng)采用化學(xué)或物理方法對(duì)表面改性，提高其與基體的粘合力。復(fù)合作用原理第86頁(yè)/共107頁(yè)玻璃纖維增強(qiáng)PP樹(shù)脂，纖維表面未經(jīng)處理纖維含量：30%（w） 第87頁(yè)/共107頁(yè)玻璃纖維增強(qiáng)PP樹(shù)脂，纖維表面經(jīng)偶聯(lián)處理 纖維含量：30%（w）拉伸強(qiáng)度由上圖的40MPa增至87MPa沖擊強(qiáng)度由上圖的16kJ.m-2增至34 kJ.m-2第88頁(yè)/共107頁(yè) 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(guò)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)都有很好的發(fā)

27、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L Lc c可按下式計(jì)算： ymyfcdL,2式中為 纖維的拉伸屈服應(yīng)力， 為基體的剪切屈服應(yīng)力，d 為纖維直徑。 yf ,ym,第89頁(yè)/共107頁(yè)纖維取向?qū)嗔堰^(guò)程的影響纖維平行于拉伸方向a)a)纖維脫離基體并拔出b)b)部分纖維脫離并拔出，纖維斷裂c)c)纖維與基體粘附良好，纖維斷裂 圖7-28 7-28 纖維垂直于拉伸方向a)a)纖維與基體分離，形成空洞b)b)斜纖維脫離基體，纖維斷裂c)c)裂紋在基體內(nèi)或沿邊界擴(kuò)展 由此可見(jiàn)，纖維取向使材料出現(xiàn)各向異性。一般平行于纖維取向方向的材料強(qiáng)度高。斷裂易發(fā)生在垂直于纖維取向方向上。第

28、90頁(yè)/共107頁(yè)（3）液晶原位增強(qiáng)增強(qiáng)機(jī)理：熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混物中形成微纖結(jié)構(gòu)而起到增強(qiáng)作用。由于微纖結(jié)構(gòu)是加工過(guò)程中由液晶棒狀分子在共混無(wú)物基體中就地形成的，故稱做“原位”復(fù)合增強(qiáng)。熱致液晶+熱塑性聚合物共聚酯， 聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum第91頁(yè)/共107頁(yè)8.2.5 聚合物的增韌 沖擊強(qiáng)度 Impact strength是衡量材料韌性的一種指標(biāo)dbWi沖斷試樣所消耗的功沖斷試樣的厚度和寬度沖擊強(qiáng)度的測(cè)試方法: 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)，落重式?jīng)_擊試驗(yàn)和高速拉伸等三類。試樣受沖擊載荷而折斷時(shí)單位截面積所吸收的能量沖擊強(qiáng)度的單位:對(duì)于無(wú)缺口試樣的沖擊試驗(yàn)，單位為kJ/m2對(duì)于帶缺口試樣的沖擊試驗(yàn)，單位為kJ/m或kJ/m2第92頁(yè)/共107頁(yè)Izod 懸臂梁試驗(yàn)示意圖第93頁(yè)/共107頁(yè)Charpy 簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)示意圖第94頁(yè)/共107頁(yè)脆性斷裂和韌性斷裂表面 左圖脆性試樣斷裂表面的照片；右圖韌性試樣斷裂表面的照片左圖脆性試樣斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣斷裂表面的電鏡照片第95頁(yè)/共107頁(yè)8.5.2 影響沖擊強(qiáng)度的因素韌性好壞順序abcdcdbadcba曲線下的面積代表所吸收能量因素強(qiáng)度延展性請(qǐng)判斷第96頁(yè)/共107頁(yè)強(qiáng)度延展性分子間作用力分子鏈柔順性極性