聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線

1、聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線第一頁，共100頁。內(nèi)容提要內(nèi)容提要v教學(xué)內(nèi)容：聚合物的塑性與屈服，聚合物的應(yīng)力：聚合物的塑性與屈服，聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)變曲線，細(xì)頸，銀紋，屈服判據(jù)；聚合物的斷裂與強度，斷裂理論，影細(xì)頸，銀紋，屈服判據(jù)；聚合物的斷裂與強度，斷裂理論，影響聚合物強度的因素與增強，聚合物的增韌。響聚合物強度的因素與增強，聚合物的增韌。v基本要求：識別非晶態(tài)聚合物、晶態(tài)聚合物和取向聚合：識別非晶態(tài)聚合物、晶態(tài)聚合物和取向聚合物的應(yīng)力物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，掌握細(xì)頸和銀紋的現(xiàn)象與理論解釋，應(yīng)變曲線，掌握細(xì)頸和銀紋的現(xiàn)象與理論解釋，掌握屈服判據(jù)，區(qū)分脆性斷裂與韌性斷裂，明確聚合物的強掌握屈服判據(jù)

2、，區(qū)分脆性斷裂與韌性斷裂，明確聚合物的強度概念，了解斷裂理論，掌握影響聚合物強度的因素及增強度概念，了解斷裂理論，掌握影響聚合物強度的因素及增強的手段，認(rèn)識聚合物增韌的途徑與機理及影響因素。的手段，認(rèn)識聚合物增韌的途徑與機理及影響因素。v重點難點：應(yīng)力：應(yīng)力-應(yīng)變曲線，細(xì)頸和銀紋現(xiàn)象的理解，應(yīng)變曲線，細(xì)頸和銀紋現(xiàn)象的理解，屈服判據(jù)，聚合物的增強與增韌。屈服判據(jù)，聚合物的增強與增韌。 第二頁，共100頁。本章內(nèi)容本章內(nèi)容v8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服 8.1.1應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線 8.1.2 聚合物的屈服聚合物的屈服v8.2 高聚物的斷裂和強度高聚物的斷裂和強度 8.2.1

3、 脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂 8.2.2 聚合物的強度聚合物的強度 8.2.3 斷裂理論斷裂理論 8.2.4 影響聚合物強度和韌性的因素影響聚合物強度和韌性的因素-增強與增韌增強與增韌 8.2.5 疲勞疲勞第三頁，共100頁。表征材料力學(xué)性能的基本物理量 簡單拉伸 簡單剪切 均勻壓縮 參數(shù)外力F是與截面垂直，大小相等，方向相反，作用在同一直線上的兩個力。外力F是與界面平行，大小相等，方向相反的兩個力。材料受到的是圍壓力。,FF0lFF第四頁，共100頁。張應(yīng)變： 真應(yīng)變： 切應(yīng)變： 是偏斜角壓縮應(yīng)變： 張應(yīng)力：真應(yīng)力： 切應(yīng)力： 壓力P00lll lliildl0tgr 0VV0AF

4、AF0AFs第五頁，共100頁。楊氏模量： 泊淞比： 切變模量：體積模量：拉伸柔量： 切變?nèi)崃浚?可壓縮度： 00llAFE縱向單位寬度的增加橫向單向單位寬度的llmmtgAFrGs0VPVPB0ED1GJ1B1第六頁，共100頁。不同材料的泊松比材料名稱泊松比材料名稱泊松比鋅0.21玻璃0.25鋼0.250.35石料0.160.34銅0.310.34聚苯乙系0.33鋁0.320.36聚乙烯0.38鉛0.45有機玻璃0.33汞0.50橡膠類0.490.50第七頁，共100頁。幾種常用的力學(xué)強度v拉伸強度 t= P/bd （最大負(fù)荷/截面積)MPa 1 MPa = 9.8 kg/cm2 10 k

5、g/cm2 v彎曲強度 f = 1.5(Pl/bd) MPav沖擊強度 i = W/bd Kgcm/cm2 注意!不同方法測量結(jié)果會有不同不同方法測量結(jié)果會有不同第八頁，共100頁。常見塑料的拉伸和彎曲強度聚乙烯2239601500.840.9525401.11.4聚苯乙烯35.263.312252.83.561.298.4ABS塑料16.963.3101400.72.925.394.93.0有機玻璃49.277.32103.291.4119聚丙烯33.742.22007001.21.442.256.21.21.6聚氯乙烯35.263.320402.54.270.3112尼龍6683603.2

6、3.31001102.93.0尼龍674781502.61002.42.6尼龍101052551002501.6891.3聚甲醛626860752.891922.6聚碳酸酯67601002.22.4981062.03.0聚砜7285201002.52.91081272.8聚酰亞胺94.5681003.2聚苯醚86.589.530802.62.8981372.02.1氯化聚醚42.3601601.170770.9線性聚酯802002.9117聚四氟乙41114第九頁，共100頁。聚合物力學(xué)性質(zhì)的特點聚合物力學(xué)性質(zhì)的特點。即力學(xué)性質(zhì)。即力學(xué)性質(zhì)的多樣性。例如液體有軟彈性、

7、硬彈性、剛性、脆性、的多樣性。例如液體有軟彈性、硬彈性、剛性、脆性、韌性等?？梢詮募冋承越?jīng)粘彈性到純彈性，為應(yīng)用提韌性等?？梢詮募冋承越?jīng)粘彈性到純彈性，為應(yīng)用提供了廣闊的選擇余地。供了廣闊的選擇余地。v例子：例子：1. PS制品很脆，一敲就碎（脆性）2. 尼龍制品很堅韌，不易變形，也不易破碎（韌性）3. 輕度交聯(lián)的橡膠拉伸時，可伸長好幾倍，力解除后基本恢復(fù)原狀（彈性）4. 膠泥變形后，卻完全保持新的形狀（粘性）。造成以上特點的原。造成以上特點的原因：歸結(jié)為聚合物的長鏈分子結(jié)構(gòu)。因：歸結(jié)為聚合物的長鏈分子結(jié)構(gòu)。第十頁，共100頁。v高彈性高聚物特有高聚物特有 顯示高彈性的溫度范圍(TgTf) 分

8、子量 溫度范圍(TgTf)增寬 (TgTf)的范圍決定了橡膠的使用溫度范圍第十一頁，共100頁。v粘彈性力學(xué)行為對溫度和時間 有強烈的依賴關(guān)系 為高聚物獨特的力學(xué)行為 （應(yīng)力） （應(yīng)變） 在研究高聚物力學(xué)行為 T（溫度） 時必須同時考慮 t（時間）第十二頁，共100頁。v比強度特高 比強度單位重量材料能承受的最大負(fù)荷第十三頁，共100頁。幾種金屬材料和塑料(增強)的比強度材 料 名 稱比 重拉伸強度（MPa）比 強 度高級合金鋼8.01280160A3鋼7.8540050鋁合金2.8420160鑄鐵7.424032聚乙烯0.953031.6尼龍661.128374.1玻璃增強尼龍661.31.

9、598218143聚酯玻璃鋼1.8290160環(huán)氧玻璃鋼1.73500280玻璃增強聚碳酸酯1.412013092.9芳香聚酰胺纖維1.4528001900聚酯纖維1.381100800超高分子量聚乙烯纖維0.9735003400聚苯并噁唑(纖維)1.5658003700第十四頁，共100頁。8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服第十五頁，共100頁。1. 1. 典型的應(yīng)力典型的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 -以屈服點以屈服點A A為界分成為界分成兩部分兩部分：yyB第十六頁，共100頁。應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線AAE斷裂點斷裂點B point: Breaking point A 彈性極限

10、應(yīng)變彈性極限應(yīng)變 A彈性極限應(yīng)力彈性極限應(yīng)力 B 斷裂伸長率斷裂伸長率 B斷裂強度斷裂強度 Y 屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力屈服點屈服點Y point: Yielding point彈性極限點彈性極限點A point: Point of elastic limit第十七頁，共100頁。v 應(yīng)力：應(yīng)力： = F/A0v 應(yīng)變：應(yīng)變： = = l / l0v 材料的楊氏模量材料的楊氏模量E為應(yīng)力為應(yīng)力-應(yīng)變曲線起始部分的應(yīng)變曲線起始部分的斜率斜率 E = tg = = / / 第十八頁，共100頁。應(yīng)力應(yīng)變曲線形變過程分析應(yīng)力應(yīng)變曲線形變過程分析第十九頁，共100頁。2、外界條件對應(yīng)力、外界條件對應(yīng)力-應(yīng)變曲

11、線的影響應(yīng)變曲線的影響TTa: TTg 脆斷b: TTg 屈服后斷c: TTg 幾十度 韌斷d: Tg以上 無屈服 第二十頁，共100頁。速度速度.4.3.2.1拉伸速率拉伸速率第二十一頁，共100頁。v（3）物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成）物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成a: 脆性材料 c: 韌性材料d: 橡膠b: 半脆性材料酚醛或環(huán)氧樹脂PP, PE, PCPS, PMMANature rubber, PI第二十二頁，共100頁。v(4) 結(jié)晶結(jié)晶v應(yīng)變軟化更明顯應(yīng)變軟化更明顯v冷拉時晶片的傾斜、冷拉時晶片的傾斜、滑移、轉(zhuǎn)動，形成滑移、轉(zhuǎn)動，形成微晶或微纖束微晶或微纖束第二十三頁，共100頁。v(5) 球晶大小球晶大小第二十四

12、頁，共100頁。v(6) 結(jié)晶度結(jié)晶度第二十五頁，共100頁。3.3.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)變曲線整個曲線可分為三個階段：整個曲線可分為三個階段： 到到y(tǒng)點后，試樣截面開始變得不均點后，試樣截面開始變得不均勻，出現(xiàn)勻，出現(xiàn) “細(xì)頸細(xì)頸”。晶態(tài)聚合物“冷拉”的原因：Tm以下，冷拉：拉伸成頸（球晶中片晶的變形）非晶態(tài)：Tg以下冷拉，只發(fā)生分子鏈的取向晶態(tài)：Tm以下，發(fā)生結(jié)晶的破壞，取向，再結(jié)晶過程，與溫度、應(yīng)變速率、結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)有關(guān)。第二十六頁，共100頁。v玻璃態(tài)聚合物的拉伸與結(jié)晶聚合物的拉伸相似之處： 即兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應(yīng)變即兩種拉伸

13、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，其中大形變在室溫時都不能自發(fā)回復(fù)，而加熱后硬化等階段，其中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)，故本質(zhì)上兩種拉伸過程造成的大形變都是高彈形則產(chǎn)生回復(fù)，故本質(zhì)上兩種拉伸過程造成的大形變都是高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為變。該現(xiàn)象通常稱為“冷拉”。v兩種拉伸過程又有區(qū)別： 即產(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)間是即產(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到到Tg，而結(jié)晶聚合物則為，而結(jié)晶聚合物則為Tg至至Tm；另一差別在于玻璃態(tài)聚合物；另一差別在于玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比晶態(tài)聚合物簡單得多

14、，它只發(fā)在冷拉過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比晶態(tài)聚合物簡單得多，它只發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變，而后者尚包含有結(jié)晶的破壞，生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變，而后者尚包含有結(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程。取向和再結(jié)晶等過程。第二十七頁，共100頁。4、聚合物具有的應(yīng)力、聚合物具有的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型：應(yīng)變曲線類型：第二十八頁，共100頁。聚合物力學(xué)類型軟而弱軟而韌硬而脆硬而強硬而韌聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線 應(yīng)力應(yīng)變曲線特點模 量（剛性）低低高高高屈服應(yīng)力（強度）低低高高高極限強度（強度）低 中高高斷裂伸長（延性）中等按屈服應(yīng)力低中高應(yīng)力應(yīng)變曲線下面積（韌性）小中小中大v五種不同類型材料的比較五種不同類型材料

15、的比較第二十九頁，共100頁。v例子例子聚合物力學(xué)類型軟而弱軟而韌硬而脆硬而強硬而韌聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線 實例聚合物凝膠橡膠.增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固化酚醛樹脂斷裂前無塑性形變斷裂前有銀紋硬PVCABS.PC.PE.PA有明顯的屈服和塑性形變.韌性好第三十頁，共100頁。8.1.2 聚合物的屈服1.高聚物屈服點的特征大多數(shù)高聚物有屈服現(xiàn)象，最明顯的屈服現(xiàn)象是拉伸中出現(xiàn)的細(xì)頸現(xiàn)象。它是獨特的力學(xué)行為。并不是所有的高聚物材料都表現(xiàn)出屈服過程，這是由于溫度和時間對高聚物的性能的影響往往掩蓋了屈服行為的普遍性，有的高聚物出現(xiàn)細(xì)頸和冷拉，而有的高聚物脆性易斷。第三十一頁，共100頁。

16、關(guān)于關(guān)于細(xì)頸現(xiàn)象細(xì)頸現(xiàn)象樣條尺寸：橫截面小的地方樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方 出現(xiàn)出現(xiàn)“細(xì)細(xì)頸頸”的位的位置置自由體積增加自由體積增加松弛時間變短松弛時間變短出現(xiàn)出現(xiàn)“細(xì)頸細(xì)頸”的原因的原因無外力無外力有外力有外力 OrientationRTEe0RTaEe0細(xì)頸穩(wěn)定細(xì)頸穩(wěn)定取向硬化取向硬化 Considre作圖法作圖法唯象角度唯象角度 判據(jù)判據(jù)細(xì)頸細(xì)頸:屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。第三十二頁，共100頁。(1)：高聚物的屈服應(yīng)變比：高聚物的屈服應(yīng)變比金屬大得多，金屬金屬大得多，金屬0.01左右，高聚物左右，高

17、聚物0.2左右（例如左右（例如PMMA的切變屈服為的切變屈服為0.25，壓縮屈服為，壓縮屈服為0.13）(2)：許多高：許多高聚物在過屈服點后均有一個應(yīng)力不太聚物在過屈服點后均有一個應(yīng)力不太大的下降，叫應(yīng)變軟化，這時應(yīng)變增大的下降，叫應(yīng)變軟化，這時應(yīng)變增大，應(yīng)力反而下降。大，應(yīng)力反而下降。第三十三頁，共100頁。(3)：應(yīng)變速率增大，屈服：應(yīng)變速率增大，屈服應(yīng)力增大。應(yīng)力增大。應(yīng)變速率對應(yīng)變速率對PMMA真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響應(yīng)應(yīng)變變速速率率增增大大123410.2吋分吋分真應(yīng)變真應(yīng)變 41.28吋吋/分分31.13吋吋/分分20.8吋吋/分分真應(yīng)力真應(yīng)力第三十四頁，共100

18、頁。(4)：溫度升高，屈服應(yīng)力下降。在溫度達(dá)到 時，屈服應(yīng)力等于0gT溫度對醋酸纖維素應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響溫度對醋酸纖維素應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變80655025025第三十五頁，共100頁。(5)：壓力增大，屈：壓力增大，屈服應(yīng)力增大。服應(yīng)力增大。1.7千巴千巴1巴巴0.69千巴千巴3.2千巴千巴切應(yīng)力切應(yīng)力切應(yīng)變切應(yīng)變第三十六頁，共100頁。(6)，一般后者大一些。所以高聚物取，一般后者大一些。所以高聚物取向薄膜不同方向上的屈服應(yīng)力差別很向薄膜不同方向上的屈服應(yīng)力差別很大。大。(7)第三十七頁，共100頁。第三十八頁，共100頁。關(guān)于關(guān)于工程應(yīng)力和真應(yīng)力v應(yīng)力應(yīng)力: = F/A0v

19、真應(yīng)力：真應(yīng)力： 真真= F/A A = A0l0 / l = A0 / (1+ ) 因為：因為： A 第三十九頁，共100頁。Considere作圖法（真應(yīng)力作圖法（真應(yīng)力-應(yīng)變曲線）應(yīng)變曲線） (P180)v在橫坐標(biāo)在橫坐標(biāo) = -1處向真應(yīng)力處向真應(yīng)力-應(yīng)變曲線作切線就是表觀屈服點，有：應(yīng)變曲線作切線就是表觀屈服點，有： d 真真/ d = = 真真/ / (1+ ) = 真真/ 這種以真應(yīng)力作圖求表觀屈服點的方法就是這種以真應(yīng)力作圖求表觀屈服點的方法就是Considere作圖法作圖法。Y點1truetruedd0dde在真應(yīng)力在真應(yīng)力-應(yīng)變曲線上確定與工應(yīng)變曲線上確定與工程應(yīng)力程應(yīng)力-

20、應(yīng)變屈服點應(yīng)變屈服點Y所對應(yīng)的所對應(yīng)的B點點。第四十頁，共100頁。 2. 2.真應(yīng)力-應(yīng)變曲線及屈服判據(jù)三種類型DE0 1 2 30 1 2 30 1 2 3由由 無法作無法作切線，不能成切線，不能成頸頸由由 可作兩可作兩條切線，有兩條切線，有兩個點滿足屈服個點滿足屈服條件，條件，D點時點時屈服點，屈服點，E點點開始冷拉開始冷拉由由 可作一可作一條切線，曲線條切線，曲線上有一個點滿上有一個點滿足足 ，此點，此點為屈服點，在為屈服點，在此點高聚物成此點高聚物成頸頸0000dd第四十一頁，共100頁。 最大變形能理論（最大變形能理論（Von MisesVon Mises） 雙參數(shù)屈服判據(jù)理論（雙

21、參數(shù)屈服判據(jù)理論（Coulomb, MohrCoulomb, Mohr）第四十二頁，共100頁。FF第四十三頁，共100頁。產(chǎn)生銀紋的原因：a.是高聚物受到張應(yīng)力作用時，在材料某些薄弱環(huán)節(jié)上應(yīng)力集是高聚物受到張應(yīng)力作用時，在材料某些薄弱環(huán)節(jié)上應(yīng)力集中，而產(chǎn)生局部塑性形變，而在材料表面或內(nèi)部出現(xiàn)垂直中，而產(chǎn)生局部塑性形變，而在材料表面或內(nèi)部出現(xiàn)垂直于應(yīng)力方向的微細(xì)凹槽或于應(yīng)力方向的微細(xì)凹槽或“裂紋裂紋”的現(xiàn)象的現(xiàn)象b. 環(huán)境因素也會促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，化學(xué)物質(zhì)擴散到高聚物中，使微環(huán)境因素也會促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，化學(xué)物質(zhì)擴散到高聚物中，使微觀表面溶脹或增塑，增加分子鏈段的活動性，玻璃化溫度下觀表面溶脹或增塑，

22、增加分子鏈段的活動性，玻璃化溫度下降促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，另外，試樣表面的缺陷和擦傷處也易產(chǎn)生降促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，另外，試樣表面的缺陷和擦傷處也易產(chǎn)生銀紋，或起始于試樣內(nèi)部空穴或夾雜物的邊界處，這些缺陷銀紋，或起始于試樣內(nèi)部空穴或夾雜物的邊界處，這些缺陷造成應(yīng)力集中，有利于銀紋產(chǎn)生造成應(yīng)力集中，有利于銀紋產(chǎn)生第四十四頁，共100頁。：銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，：銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，是聚合物在張應(yīng)力作用下，是聚合物在張應(yīng)力作用下，于材料的某些薄弱部分出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變的取于材料的某些薄弱部分出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變的取向，以至在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為向，以至在材料表

23、面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為100m，寬度為寬度為10m左右，厚度為左右，厚度為1m的微細(xì)凹槽。的微細(xì)凹槽。v銀紋特征：應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，密度為本體的銀紋特征：應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，密度為本體的50，高度取向的高分子微，高度取向的高分子微纖。纖。 銀紋進(jìn)一步發(fā)展銀紋進(jìn)一步發(fā)展裂縫裂縫脆性斷裂。脆性斷裂。第四十五頁，共100頁。第四十六頁，共100頁。第四十七頁，共100頁。剪切帶的結(jié)構(gòu)形態(tài)剪切帶的結(jié)構(gòu)形態(tài)第四十八頁，共100頁。定義定義：韌性聚合物單軸拉伸至屈服點時，可看到與拉伸方向：韌性聚合物單軸拉伸至屈服點時，可看到與拉伸方向成成45的剪切滑移變形帶，有明顯的雙折射現(xiàn)象，分子鏈高的剪切滑移變形帶

24、，有明顯的雙折射現(xiàn)象，分子鏈高度取向，剪切帶厚度約度取向，剪切帶厚度約1m左右，每個剪切帶又由若干個細(xì)左右，每個剪切帶又由若干個細(xì)小的不規(guī)則微纖構(gòu)成。小的不規(guī)則微纖構(gòu)成。第四十九頁，共100頁。電鏡（電鏡（SEM）下的剪切帶圖片）下的剪切帶圖片第五十頁，共100頁。巖石山體的剪切帶巖石山體的剪切帶第五十一頁，共100頁。主要區(qū)別主要區(qū)別剪切屈服剪切屈服銀紋屈服銀紋屈服形變形變形變大幾十形變大幾十幾百幾百%形變小形變小 10%曲線特征曲線特征有明顯的屈服點有明顯的屈服點無明顯的屈服點無明顯的屈服點體積體積體積不變體積不變體積增加體積增加力力剪切力剪切力張應(yīng)力張應(yīng)力結(jié)果結(jié)果冷拉冷拉裂縫裂縫第五十二

25、頁，共100頁。細(xì)頸、剪切帶和銀紋比較主要區(qū)別主要區(qū)別細(xì)頸、剪切帶細(xì)頸、剪切帶銀紋銀紋形變量形變量形變量大形變量大10100%形變量小形變量小 10%曲線特征曲線特征有明顯的屈服點有明顯的屈服點無明顯的屈服點無明顯的屈服點體積體積體積幾乎不變體積幾乎不變體積增加體積增加主要相同點主要相同點能量能量吸收能量吸收能量吸收能量吸收能量第五十三頁，共100頁。？ -關(guān)鍵看屈服：關(guān)鍵看屈服： 屈服前斷裂為脆性斷裂屈服前斷裂為脆性斷裂 屈服后斷裂為韌性斷裂屈服后斷裂為韌性斷裂8.2 高聚物的斷裂和強度高聚物的斷裂和強度第五十四頁，共100頁。8.2.1 脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂：（1）與材料的

26、組成有關(guān)（內(nèi)因）與材料的組成有關(guān)（內(nèi)因）（2）與拉伸溫度與拉伸速度有關(guān)（外因）與拉伸溫度與拉伸速度有關(guān)（外因）第五十五頁，共100頁。1. 1. 判斷材料斷裂的方式判斷材料斷裂的方式第五十六頁，共100頁。脆性斷裂與韌性斷裂表面脆性斷裂與韌性斷裂表面v脆性斷裂脆性斷裂 韌性斷裂韌性斷裂第五十七頁，共100頁。2.2.脆韌轉(zhuǎn)變溫度脆韌轉(zhuǎn)變溫度T Tb b ( (脆化溫度、脆化點脆化溫度、脆化點) )v在一定速率下在一定速率下（不同溫度）測（不同溫度）測定的斷裂應(yīng)力和定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨溫度的變化力隨溫度的變化曲線曲線-其交點其交點對應(yīng)的溫度為

27、脆對應(yīng)的溫度為脆化溫度化溫度Tb第五十八頁，共100頁。TBTy第五十九頁，共100頁。問題：斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對溫度更敏感？問題：斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對溫度更敏感？v屈服應(yīng)力比斷裂應(yīng)力對溫度更敏感！屈服應(yīng)力比斷裂應(yīng)力對溫度更敏感！第六十頁，共100頁。問題：斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對應(yīng)變速率更敏感？問題：斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對應(yīng)變速率更敏感？v屈服應(yīng)力比斷裂應(yīng)力對應(yīng)變速率更敏感！屈服應(yīng)力比斷裂應(yīng)力對應(yīng)變速率更敏感！第六十一頁，共100頁。第六十二頁，共100頁。脆性斷裂與韌性斷裂的判斷脆性斷裂與韌性斷裂的判斷TTb, 先達(dá)到 y，韌韌性斷裂第六十三頁，共100頁。塑料一般的使用溫度范圍？塑料一

28、般的使用溫度范圍？-Tb-TgvTb越低聚合物材料的韌性越越低聚合物材料的韌性越 ?好好差差 T Tb第六十四頁，共100頁。4. 材料的斷裂方式材料的斷裂方式v聚合物材料的破壞是聚合物材料的破壞是、及及。15000MPa5000MPa氫鍵氫鍵 500MPa范德華力范德華力 100MPa理論值理論值第六十五頁，共100頁。v通常高分子在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物的通常高分子在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物的理論斷裂強度在數(shù)千理論斷裂強度在數(shù)千MPa，而實際斷裂強度只有數(shù)十，而實際斷裂強度只有數(shù)十MPa.v例：例：PA，60 MPa； PPO，70 MPav理論值與實驗結(jié)果相差如此之

29、大的原因：理論值與實驗結(jié)果相差如此之大的原因： theoryeriment)100011001(exp第六十六頁，共100頁。含有球形無機粒子的聚合物粘結(jié)劑的電鏡圖片含有球形無機粒子的聚合物粘結(jié)劑的電鏡圖片第六十七頁，共100頁。疲勞斷裂的表面電鏡圖片疲勞斷裂的表面電鏡圖片第六十八頁，共100頁。聚合物木層板斷裂表面的電鏡圖片聚合物木層板斷裂表面的電鏡圖片第六十九頁，共100頁。例例1：PC聚碳酸酯聚碳酸酯vTg = 150vTb = -20 v室溫下室溫下PC是否易碎？是否易碎？第七十頁，共100頁。例例2：PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯vTg = 100vTb = 90 v室溫下

30、室溫下PMMA脆性脆性的還是韌性的？的還是韌性的？第七十一頁，共100頁。8.2.2 聚合物的強度聚合物的強度拉伸強度：dbftmax第七十二頁，共100頁。%100%maxlolol斷l(xiāng)oldbfE第七十三頁，共100頁。dbflof22max3dblofEf343第七十四頁，共100頁。bdWi 第七十五頁，共100頁。8.2.3 斷裂理論斷裂理論v自學(xué)自學(xué)第七十六頁，共100頁。8.2.4 影響聚合物強度和韌性的因素影響聚合物強度和韌性的因素 -增強與增韌增強與增韌-拉伸強度和拉伸模量的增加拉伸強度和拉伸模量的增加-沖擊強度的增加沖擊強度的增加 -沖擊強度是衡量材料韌性的指標(biāo)沖擊強度是衡

31、量材料韌性的指標(biāo)dbWi第七十七頁，共100頁。v從分子角度來看，聚合物之所以具有抵抗外力破壞的能力主要靠分子內(nèi)的化學(xué)鍵合力和分子間范德華力和H鍵力，據(jù)此可計算出聚合物的理論強度。主主要要方方式式化學(xué)鍵斷裂所需力最大分子間扯離所需力最小通過斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對強度影響最大通過斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對強度影響最大第七十八頁，共100頁。1.高分子結(jié)構(gòu)的影響高分子結(jié)構(gòu)的影響vA、高分子的強度來源于主鏈的化學(xué)鍵力和分子之間、高分子的強度來源于主鏈的化學(xué)鍵力和分子之間的作用力，極性的作用力，極性 則強度則強度 ；H鍵鍵 則也強度則也強度 例：例： LPPE PVC PA61

32、0 PA66拉伸強度拉伸強度（kg/cm2） 150 500 600 830注解注解 無極性無極性 有極性基團有極性基團 有有H H鍵鍵 H H鍵密度大鍵密度大v說明：極性基團過密或取代基過大，阻礙鏈段的運動，說明：極性基團過密或取代基過大，阻礙鏈段的運動，Tb高，顯脆性，盡管拉伸強度大了，但易發(fā)生脆性斷高，顯脆性，盡管拉伸強度大了，但易發(fā)生脆性斷裂。裂。第七十九頁，共100頁。vB、主鏈含芳雜環(huán)的聚合物強度大于脂肪族主鏈的聚合物、主鏈含芳雜環(huán)的聚合物強度大于脂肪族主鏈的聚合物v例：例： PC PPO 聚芳砜聚芳砜 PE PS拉伸強度（拉伸強度（kg/cm2） 670 850 720-850

33、220-390 350-633注解注解 含芳雜環(huán)含芳雜環(huán) 不含不含 側(cè)基含芳環(huán)側(cè)基含芳環(huán)v聚芳砜的結(jié)構(gòu)：聚芳砜的結(jié)構(gòu)：*OS*OOn第八十頁，共100頁。vC、分子鏈支化程度、分子鏈支化程度 分子間距分子間距 分子間作用力分子間作用力 ，會導(dǎo)致抗拉伸強度會導(dǎo)致抗拉伸強度 抗沖擊強度抗沖擊強度 v例：例： HPPE（LDPE，支化），支化） LPPE（PDPE，線型），線型） 拉伸強度拉伸強度 160 220-390 （kg/cm2） 沖擊強度沖擊強度（J/m.24,缺口缺口） 7850 27-1080第八十一頁，共100頁。vD、程度關(guān)聯(lián)可有效的增加分子鏈間的聯(lián)系，、程度關(guān)聯(lián)可有效的增加分子鏈

34、間的聯(lián)系，拉伸強度和沖擊強度均可提高拉伸強度和沖擊強度均可提高v例：例： 交聯(lián)交聯(lián)PE比比PE: 拉伸強度大一倍拉伸強度大一倍 沖擊強度大沖擊強度大34倍倍第八十二頁，共100頁。vE、分子量的影響、分子量的影響 分分 子量小時隨子量小時隨M 拉伸強度和沖擊強度均拉伸強度和沖擊強度均 ，達(dá)到一定分子量（達(dá)到一定分子量（104）以后，拉伸強度不再隨）以后，拉伸強度不再隨M 而而 ，但沖擊強度仍能隨，但沖擊強度仍能隨M 而而 。v例：例：超高分子量超高分子量PE（M=46106）比普通）比普通PE沖擊沖擊強度大三倍，用于制造人造關(guān)節(jié)。強度大三倍，用于制造人造關(guān)節(jié)。第八十三頁，共100頁。2、聚集態(tài)

35、結(jié)構(gòu)的影響（結(jié)晶和取向）、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響（結(jié)晶和取向）vA、結(jié)晶度、結(jié)晶度 ，拉伸強度，拉伸強度 、抗彎強度、抗彎強度 、彈性模、彈性模量量 v例例 PP結(jié)晶度結(jié)晶度 拉伸強度拉伸強度 抗彎強度抗彎強度 98% 345 565 96.5% 325 450 93.6% 290 410v結(jié)晶度結(jié)晶度 太高，沖擊強度太高，沖擊強度 ，材料變脆，材料變脆第八十四頁，共100頁。vB、球晶尺寸過大，會使拉伸強度、球晶尺寸過大，會使拉伸強度 ，沖擊強度顯，沖擊強度顯著著 v例：例：PP球晶尺寸球晶尺寸(m) 拉伸強度拉伸強度 斷裂伸長斷裂伸長(%) 10 300 500 100 225 25 200 1

36、25 25 v微晶微晶PP的沖擊強度的沖擊強度 球晶球晶PP第八十五頁，共100頁。vC、取向可以使強度成倍提高、取向可以使強度成倍提高v原因：原因：（1）取向后高分子鏈順著外力的方向平行排列，使）取向后高分子鏈順著外力的方向平行排列，使斷裂斷裂 時，破壞主價鍵的比例大大提高，而共價鍵的時，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。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。0.2 0 0.4 0.8 1.0強度強度取向因子取向因子f第八十六頁，共100頁。3.應(yīng)力集中物的影響應(yīng)力集中物的影響：材料的缺陷在受力時，使材料內(nèi)部：材料的

37、缺陷在受力時，使材料內(nèi)部的應(yīng)力平均分布的狀態(tài)發(fā)生變使缺陷附近局部范圍的應(yīng)力平均分布的狀態(tài)發(fā)生變使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。內(nèi)的應(yīng)力急劇增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均值。：它包括裂縫、空隙、缺口、：它包括裂縫、空隙、缺口、銀紋和雜質(zhì)。銀紋和雜質(zhì)。v應(yīng)力集中物的存在大大應(yīng)力集中物的存在大大，也是，也是的原因。的原因。第八十七頁，共100頁。4、增塑劑的影響、增塑劑的影響v增塑劑的加入對聚合物起稀釋作用，減小了高增塑劑的加入對聚合物起稀釋作用，減小了高分子鏈間的作用力，因而使拉伸強度分子鏈間的作用力，因而使拉伸強度 ，且有，且有下降值與增塑劑加入量成正比。下降值與增塑劑加入量成正比。v增

38、塑劑使鏈段運動能力增強，所以沖擊強度增塑劑使鏈段運動能力增強，所以沖擊強度 第八十八頁，共100頁。5、填料的影響、填料的影響v按作用分：按作用分：惰性填料：只起稀釋作用，加入后使強度惰性填料：只起稀釋作用，加入后使強度 活性填料：可使強度顯著活性填料：可使強度顯著 v按填料形狀分：按填料形狀分： 粉狀填料粉狀填料 纖維狀填料纖維狀填料 液晶填料液晶填料第八十九頁，共100頁。6、共聚與共混的影響、共聚與共混的影響，一般，一般用橡膠增韌塑料用橡膠增韌塑料：如：如ABS樹脂樹脂 共聚：接枝共聚得到高抗沖共聚：接枝共聚得到高抗沖ABS樹脂樹脂 共混：丁腈橡膠與共混：丁腈橡膠與AS樹脂（機械或乳液）共混樹脂（機械或乳液）共混：都具有兩相結(jié)構(gòu)，橡膠：