高分子物理第八章

1、主要內容主要內容n前言前言n8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服n8.2 聚合物的斷裂和強度聚合物的斷裂和強度3重點要求：重點要求：會從聚合物應力會從聚合物應力應變曲線獲取信息；掌握屈服和斷裂現象應變曲線獲取信息；掌握屈服和斷裂現象及其機理；韌性和強度的影響因素及增韌、增強方法和機理。及其機理；韌性和強度的影響因素及增韌、增強方法和機理。學習目的：學習目的：能從分子結構、凝聚態(tài)結構和屈服、斷裂特征上對材料的韌能從分子結構、凝聚態(tài)結構和屈服、斷裂特征上對材料的韌性和強度進行初步判斷，學會聚合物的增韌、增強方法，以性和強度進行初步判斷，學會聚合物的增韌、增強方法，以滿足其使用要求。滿足其使

2、用要求。教學內容：教學內容：聚合物的應力聚合物的應力應變曲線應變曲線聚合物的屈服聚合物的屈服聚合物的斷裂與強度聚合物的斷裂與強度4研究聚合物的極限性質，即在較大外力的持續(xù)作用或強研究聚合物的極限性質，即在較大外力的持續(xù)作用或強大外力的短時作用后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞大外力的短時作用后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂?；驍嗔选姸葟姸? 抵抗上述破壞或斷裂的能力抵抗上述破壞或斷裂的能力形變小形變?。嚎捎媚Ａ縼肀硎拘巫兲匦裕唬嚎捎媚Ａ縼肀硎拘巫兲匦?；極限范圍內的大形變極限范圍內的大形變：要用：要用應力應變曲線應力應變曲線來反映這一過程來反映這一過程引引 言言揚氏模量揚氏模量屈服應力屈服

3、應力屈服伸長屈服伸長斷裂強度（抗拉強度）斷裂強度（抗拉強度）斷裂伸長斷裂伸長北京理工大學幾種常用的力學性能指標（1）拉伸強度）拉伸強度：試樣的起始橫截面積載荷斷裂前試樣承受的最大00A:mmtPAP Mpa 1 Mpa = 9.8 kg/cm2 10 kg/cm2北京理工大學拉伸模量（即楊氏模量）拉伸模量（即楊氏模量）：拉伸初始階段的應力與：拉伸初始階段的應力與應變比例應變比例ddE 北京理工大學（2）彎曲強度）彎曲強度 /稱繞曲強度稱繞曲強度是在規(guī)定實驗條件下，對標準樣是在規(guī)定實驗條件下，對標準樣品施加靜彎曲力矩，直到試樣斷品施加靜彎曲力矩，直到試樣斷裂為止，取實驗過程中的最大載裂為止，取實

4、驗過程中的最大載荷，并按下式計算彎曲強度（三荷，并按下式計算彎曲強度（三點彎曲）點彎曲）北京理工大學（3）沖擊強度）沖擊強度 表征材料韌性，表示抵抗沖擊載荷破壞表征材料韌性，表示抵抗沖擊載荷破壞的能力。的能力。試樣受沖擊載荷而折斷時單位面積試樣受沖擊載荷而折斷時單位面積所吸收的能量。所吸收的能量。AEi擺錘式沖擊實驗：簡支梁；懸臂梁。單位 ：KJ/m2;J/m北京理工大學衡量材料表面抵抗機械壓力的能力。衡量材料表面抵抗機械壓力的能力。 與材料的抗張強度和彈性模量有關。與材料的抗張強度和彈性模量有關。 硬度實驗方法很多，加荷方式有動載法和靜載法兩類。硬度實驗方法很多，加荷方式有動載法和靜載法兩類

5、。 有有布氏、洛氏和邵氏布氏、洛氏和邵氏等名稱。等名稱。實驗是以平穩(wěn)的載荷將直徑D一定的硬剛球壓入試樣表面，保持一定時間使材料充分變形，并測量壓入深度h，計算試樣表面凹痕的表面積，以單位面積上承受的載荷公斤/毫米2）為材料的布氏硬度布氏硬度（4）硬度）硬度常見塑料的拉伸和彎曲強度常見塑料的拉伸和彎曲強度塑料名稱塑料名稱拉伸強度拉伸強度（MPa）伸長率伸長率%拉伸模量拉伸模量（GPa）彎曲強度彎曲強度（MPa）彎曲模量彎曲模量（GPa）低壓聚乙烯低壓聚乙烯2239601500.840.9525401.11.4聚苯乙烯聚苯乙烯35.263.312252.83.561.298.4ABS塑料塑料16.

6、963.3101400.72.925.394.93.0有機玻璃有機玻璃49.277.32103.291.4119聚丙烯聚丙烯33.742.22007001.21.442.256.21.21.6聚氯乙烯聚氯乙烯35.263.320402.54.270.3112尼龍尼龍6683603.23.31001102.93.0尼龍尼龍674781502.61002.42.6尼龍尼龍101052551002501.6891.3聚甲醛聚甲醛626860752.891922.6聚碳酸酯聚碳酸酯67601002.22.4981062.03.0聚砜聚砜7285201002.52.91081272.8聚酰亞胺聚酰亞胺9

7、4.5681003.2聚苯醚聚苯醚86.589.530802.62.8981372.02.1氯化聚醚氯化聚醚42.3601601.170770.9線性聚酯線性聚酯802002.9117聚四氟乙烯聚四氟乙411148.1.1 聚合物的應力聚合物的應力-應變行為應變行為8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服nInstron Tensile Testor 電子拉力機電子拉力機nMaterial testing machine 材料試驗機材料試驗機塑料塑料/橡膠橡膠纖維纖維塑料塑料/橡膠橡膠拉伸試驗用的試樣拉伸試驗用的試樣塑料試樣塑料試樣橡膠試樣橡膠試樣000lllll

8、0AF高聚物的力學性能與溫度和力的作用高聚物的力學性能與溫度和力的作用速率有關，因此在試驗和應用中注意：速率有關，因此在試驗和應用中注意：必須標明必須標明溫度和應變速率溫度和應變速率。14Y point: 屈服點屈服點A 彈性極限點彈性極限點B point: 斷裂點斷裂點 Y 屈服應力，屈服應力， Y 屈服應變屈服應變 B 斷裂伸長率斷裂伸長率 B斷裂強度斷裂強度Y點以前（點以前（彈性區(qū)域彈性區(qū)域）：除去應力，材料能恢復原樣，不留任何永久變形）：除去應力，材料能恢復原樣，不留任何永久變形Y點以后（點以后（塑性區(qū)域塑性區(qū)域）：除去外力后，材料不再恢復原樣，留有永久變形，）：除去外力后，材料不再恢

9、復原樣，留有永久變形，稱材料稱材料“屈服屈服”了了1、非晶態(tài)聚合物的應力、非晶態(tài)聚合物的應力-應變曲線（應變曲線（Tg以下）以下）頸縮階段頸縮階段15斷裂能斷裂能 Fracture energyStress-strain曲線下面積稱作曲線下面積稱作斷裂能斷裂能：材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。反映材料反映材料拉伸斷裂韌性拉伸斷裂韌性大小大小試樣在拉伸過程的變化過程試樣在拉伸過程的變化過程彈性形變彈性形變-屈服屈服-應變軟化應變軟化-冷拉冷拉-應變硬化應變硬化-斷裂斷裂頸縮階段：頸縮階段：“細頸細頸”擴張，應力變化很小，應變大幅度增加擴張，應力變化很小，應變大

10、幅度增加高模量、小變形高模量、小變形鍵長、鍵角運動鍵長、鍵角運動受迫高彈形變受迫高彈形變鏈段運動鏈段運動粘流粘流分子鏈運動分子鏈運動玻璃態(tài)，不可恢復，需玻璃態(tài)，不可恢復，需Tg以上退火處理恢復。以上退火處理恢復?？苫謴涂苫謴捅本├砉ご髮W受迫高彈形變受迫高彈形變1）定義：）定義：玻璃態(tài)高聚物在大外力的作用下發(fā)生的大形變；玻璃態(tài)高聚物在大外力的作用下發(fā)生的大形變；2）條件：）條件：在在Tg以下以下10（或更低）左右（或更低）左右3）機理：）機理：在大外力的幫助下，玻璃態(tài)高聚物本來被凍結的在大外力的幫助下，玻璃態(tài)高聚物本來被凍結的鏈段開始運動，即在外力的幫助下，高分子鏈的伸展提供鏈段開始運動，即在外

11、力的幫助下，高分子鏈的伸展提供了大變形，這時由于在了大變形，這時由于在Tg以下，即使外力除去也不能自發(fā)回以下，即使外力除去也不能自發(fā)回復。復。高彈形變與受（強）迫高彈形變的比較高彈形變與受（強）迫高彈形變的比較相同點：相同點：大形變，同屬于鏈段運動機理；大形變，同屬于鏈段運動機理；不同點：不同點：受迫高彈形變在去除外力后不能恢復，只有溫度受迫高彈形變在去除外力后不能恢復，只有溫度升高到升高到Tg以上以上 時，才能恢復，需要外力較大。時，才能恢復，需要外力較大。 高彈形變：去除外力即可恢復，需要外力較小。高彈形變：去除外力即可恢復，需要外力較小。1) 屈服點屈服點Y點點 應力達到一個極大值，屈服

12、應力應力達到一個極大值，屈服應力2) 斷裂方式（斷裂方式（脆性斷裂：屈服點之前發(fā)生的斷裂（脆性斷裂：屈服點之前發(fā)生的斷裂（韌性斷裂：在材料屈服之后的斷裂（韌性斷裂：在材料屈服之后的斷裂（3) 應變軟化和應變硬化應變軟化和應變硬化應變軟化：應變軟化：在拉伸過程中，應力隨應變的增大而下降在拉伸過程中，應力隨應變的增大而下降應變硬化應變硬化：在拉伸過程中，應力隨應變的增大而上升：在拉伸過程中，應力隨應變的增大而上升4) 拉伸應力曲線反映的材料的力學性質拉伸應力曲線反映的材料的力學性質 聚合物的屈服強度聚合物的屈服強度（Y點強度點強度）彈性彈性 聚合物的楊氏模量聚合物的楊氏模量（OA段斜率段斜率）剛性

13、剛性 聚合物的斷裂強度聚合物的斷裂強度（B點強度點強度）強度強度 聚合物的斷裂伸長率聚合物的斷裂伸長率（B點伸長率點伸長率）延性延性 聚合物的斷裂韌性聚合物的斷裂韌性（曲線下面積曲線下面積）韌性韌性 各種情況下的應力各種情況下的應力-應變曲線應變曲線(a) 溫度溫度a: TTg c: TTg (幾十度)d: T接近Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆性斷裂 韌性斷裂無屈服屈服后斷裂Results TT溫度升高，材料溫度升高，材料軟而韌，屈服應軟而韌，屈服應力和斷裂強度下力和斷裂強度下降，斷裂伸長率降，斷裂伸長率增加增加(b) 拉伸速率拉伸

14、速率1234Strain rate拉伸速率拉伸速率Example: PMMA拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服應力、斷裂拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服應力、斷裂強度增加，斷裂伸長率減小強度增加，斷裂伸長率減小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)氧樹脂酚醛或環(huán)氧樹脂PP, PE, PCPS, PMMANature rubber, PIB(c) 不同的化學結構不同的化學結構(d) Crystallization 結晶結晶與非晶態(tài)聚合與非晶態(tài)聚合物的拉伸機理物的拉伸機理相同嗎？相同嗎？晶態(tài)聚合物晶態(tài)聚合物24應變軟化更明顯應變軟化更明

15、顯, 冷拉時冷拉時,包括晶區(qū)和非晶區(qū)兩部分形變。包括晶區(qū)和非晶區(qū)兩部分形變。2、 晶態(tài)聚合物的應力晶態(tài)聚合物的應力-應變曲線應變曲線Tm以下拉伸以下拉伸Tg以下拉伸以下拉伸細頸 necking（冷拉-cold drawing）分子在拉伸方向取向，微晶也進行重排，甚至某些晶體可能破裂成較小單位，然后在取向下再結晶。玻璃態(tài)聚合物與結晶聚合物的拉伸比較玻璃態(tài)聚合物與結晶聚合物的拉伸比較相似之處：相似之處：兩種拉伸過程均經歷兩種拉伸過程均經歷彈性變形、屈服、發(fā)展大彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應變硬化形變以及應變硬化等階段，其中大形變在室溫時都不能自發(fā)等階段，其中大形變在室溫時都不能自發(fā)回復，而加熱后

16、則產生回復，故本質上兩種拉伸過程造成的回復，而加熱后則產生回復，故本質上兩種拉伸過程造成的大形變都是高彈形變。該現象通常稱為大形變都是高彈形變。該現象通常稱為“冷拉冷拉”。區(qū)別區(qū)別：（1）產生冷拉的溫度范圍不同，玻璃態(tài)聚合物的冷拉溫度區(qū)產生冷拉的溫度范圍不同，玻璃態(tài)聚合物的冷拉溫度區(qū)間是間是TbTg，而結晶聚合物則為，而結晶聚合物則為TgTm；（2）玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中聚集態(tài)結構的變化比晶態(tài)聚）玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中聚集態(tài)結構的變化比晶態(tài)聚合物簡單得多，它只合物簡單得多，它只發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變，而，而后者尚包含有后者尚包含有結晶的破壞、取向和再結

17、晶等過程結晶的破壞、取向和再結晶等過程。26各種情況下的應力各種情況下的應力-應變曲線應變曲線(a) 溫度、應變速率對應力溫度、應變速率對應力應變曲線的影響應變曲線的影響影響與影響與非晶態(tài)非晶態(tài)聚合物聚合物相似相似溫度升高，屈服應力下降，斷裂伸長率增加溫度升高，屈服應力下降，斷裂伸長率增加拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服應力、斷裂強拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服應力、斷裂強度增加，斷裂伸長率減小度增加，斷裂伸長率減小全同立構聚苯乙烯應力全同立構聚苯乙烯應力-應變應變曲線與溫度關系曲線與溫度關系高密度聚乙烯的應力高密度聚乙烯的應力-應變行為：應變行為：1-高速負荷，高速負荷，2-低速負

18、荷低速負荷27(b) 球晶大小球晶大小 The Size of Spherulites球晶大，一般斷裂伸長率和韌性降低球晶大，一般斷裂伸長率和韌性降低28(c) 結晶度結晶度The Degree of Crystallization結晶度增加，屈服應力、強度、模量、硬結晶度增加，屈服應力、強度、模量、硬度等提高；斷裂伸長率、沖擊性能等下降度等提高；斷裂伸長率、沖擊性能等下降Different types of stress-strain curve“軟軟”和和“硬硬”用于區(qū)分模量的低或高，用于區(qū)分模量的低或高，“弱弱”和和“強強”是指強度的大小，是指強度的大小，“脆脆”是指無屈服現象而且斷裂伸

19、長很是指無屈服現象而且斷裂伸長很小，小，“韌韌”是指其斷裂伸長和斷裂應力都較高的情況。是指其斷裂伸長和斷裂應力都較高的情況。 軟而弱軟而弱硬而脆硬而脆硬而強硬而強軟而韌軟而韌硬而韌硬而韌軟而韌軟而韌30聚合物力學類型聚合物力學類型軟而弱軟而弱軟而韌軟而韌硬而脆硬而脆硬而強硬而強強而韌強而韌聚合物應力聚合物應力應變曲線應變曲線應應力力應應變變曲曲線線特特點點模模 量量（剛性）（剛性）低低低低高高高高高高屈服應力屈服應力（強度）（強度）低低低低高高高高高高斷裂強度斷裂強度（強度）（強度）低低中中高高高高斷裂伸長斷裂伸長（延性）（延性）中中低低 2%中中 5% 高高應力應變曲線應力應變曲線下面積（韌

20、）下面積（韌）小小中中小小中中大大實實例例聚合物凝膠聚合物凝膠橡膠橡膠;增塑增塑PVCPS;PMMA;固固化酚醛樹脂化酚醛樹脂斷裂前無塑性斷裂前無塑性形變形變硬硬PVCABS;PC; POMnylon-66有明顯的有明顯的屈服和塑性屈服和塑性形變形變.韌性好韌性好318.1.2 聚合物的屈服聚合物的屈服n高聚物屈服點前形變是完全可以回復的，屈服點后高聚高聚物屈服點前形變是完全可以回復的，屈服點后高聚物將在恒應力下物將在恒應力下“塑性流動塑性流動”，即，即鏈段沿外力方向開始取鏈段沿外力方向開始取向向。n高聚物在屈服點的高聚物在屈服點的應變較大應變較大，剪切屈服應變?yōu)?，剪切屈服應變?yōu)?0%-20%

21、。n屈服點以后，大多數高聚物呈現屈服點以后，大多數高聚物呈現應變軟化應變軟化。n屈服應力對屈服應力對應變速率和溫度都敏感應變速率和溫度都敏感。n屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產生屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產生“銀紋銀紋”或或“剪切帶剪切帶”,繼而整個樣條局部出現繼而整個樣條局部出現“細頸細頸”。成頸或冷拉，是薄膜或纖維拉伸工藝的基礎成頸或冷拉，是薄膜或纖維拉伸工藝的基礎應變軟化應變軟化 Strain softening 彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產生塑性形變，稱為繼續(xù)屈服彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產生塑性形變，稱為繼續(xù)屈服，包括：，包括：n 應變軟化應變軟化：屈服后，應變增加，應力反而有稍許下跌的現：

22、屈服后，應變增加，應力反而有稍許下跌的現象，原因至今尚不清楚。象，原因至今尚不清楚。n 呈現塑性不穩(wěn)定性，最常見的為呈現塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細頸細頸。n 塑性形變產生熱量，試樣溫度升高，塑性形變產生熱量，試樣溫度升高，變軟變軟。n 發(fā)生發(fā)生“取向硬化取向硬化”，應力急劇上升。，應力急劇上升。n 試樣試樣斷裂斷裂。331、細頸、細頸 Necking細頸細頸: 韌性聚合物在屈服點時?？煽吹皆嚇由铣霈F與拉伸方韌性聚合物在屈服點時?？煽吹皆嚇由铣霈F與拉伸方向成約向成約45角傾斜的剪切滑移變形帶（角傾斜的剪切滑移變形帶（Shear band)，并且，并且逐漸生成對稱的逐漸生成對稱的細頸。細頸。樣條尺

23、寸：橫截面小的地方樣條尺寸：橫截面小的地方應變軟化：應力集中的地方應變軟化：應力集中的地方 出現出現“細頸細頸”的位置的位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出現“細頸細頸”的原因的原因無外力無外力有外力有外力 0ERTeRTaEe0為什么會出現細頸？為什么會出現細頸？細頸穩(wěn)定細頸穩(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35工程應力和真應力工程應力和真應力Engineering stress and true stress Engineering stressTrue stressForceInitial cross-section areaFo

24、rceCross-section area形變時，形變時，V不變不變36Considre 作圖法作圖法: :在真應力在真應力-應變曲線上確應變曲線上確定與工程應力定與工程應力-應變屈服應變屈服點點Y所對應的所對應的B點點Y點370 1 2 3DE0 1 2 30 1 2 3由 無法作切線，不能成頸0由 可作兩條切線，有兩個點滿足屈服條件，D點是屈服點，E點開始冷拉由 可作一條切線，曲線上有一個點滿足 ，此點為屈服點，在此點高聚物成頸00dd真真應力真應力-應變曲線及屈服判據三種類型應變曲線及屈服判據三種類型細頸變細，載荷不斷增細頸變細，載荷不斷增加，材料破裂，不能形加，材料破裂，不能形成穩(wěn)定的

25、細頸成穩(wěn)定的細頸應變軟化0382 、剪切帶、剪切帶 Shear band WHY？39以單軸拉伸應力分析為例說明剪切屈服現象以單軸拉伸應力分析為例說明剪切屈服現象橫截面橫截面A0, 受到的應力受到的應力 0=F/A0斜截面斜截面A=A0/cos受 力法應力法應力切應力切應力40Discussion=0n=0s=0=45n=0/2s=0/2=90n=0s=00 /245o90o00oanas200coscos/ cosnFA001sin cossin22sFA抗張強度什么面最大？抗張強度什么面最大？ =0， n=0抗剪強度什么面最大？抗剪強度什么面最大？ =45， s=0/2抗張強度抗張強度：抵

26、抗拉力的作用：抵抗拉力的作用抗剪強度抗剪強度：抵抗剪力的作用：抵抗剪力的作用兩種兩種抵抗外力的方式抵抗外力的方式當應力當應力 0增加時，增加時，法向應力和切向應力增大的幅度不同法向應力和切向應力增大的幅度不同在在45o時時, 切向應力最大切向應力最大法向應力法向應力與材料的與材料的抗拉伸能力抗拉伸能力有關，而抗拉伸能力極限值主要有關，而抗拉伸能力極限值主要取決于分子主鏈的強度（鍵能）。因此材料在拉伸作用下發(fā)生取決于分子主鏈的強度（鍵能）。因此材料在拉伸作用下發(fā)生破壞時，往往伴隨主鏈的斷裂。破壞時，往往伴隨主鏈的斷裂。切向應力切向應力與材料的與材料的抗剪切能力抗剪切能力相關，極限值主要取決于分子

27、間內相關，極限值主要取決于分子間內聚力。材料在聚力。材料在 作用下發(fā)生屈服時，往往發(fā)生分子鏈的相對滑移作用下發(fā)生屈服時，往往發(fā)生分子鏈的相對滑移（下圖）。（下圖）。垂直應力下的分子鏈斷裂（垂直應力下的分子鏈斷裂（a a）和剪切應力下的分子鏈滑移（和剪切應力下的分子鏈滑移（b b）n例題：已知材料的最大抗拉強度為30MPa，最大抗剪切強度為20MPa，試問此材料是受張力破壞還是剪切作用下破壞？=0， n=0=45， s=0/20=30MPa0=40MPa先拉斷0=30MPa0=40MPa43圖8-17切應力雙生互等定律：切應力雙生互等定律：在兩個相互垂直的斜面上的剪應力的數值相等，在兩個相互垂直

28、的斜面上的剪應力的數值相等，方向相反，它們是不能單獨存在的，總是同時出現。方向相反，它們是不能單獨存在的，總是同時出現。切應力雙生互等定律切應力雙生互等定律 在外力場作用下，材料內部的應力分布與應力變化十分復雜，在外力場作用下，材料內部的應力分布與應力變化十分復雜，斷裂和屈服都有可能發(fā)生，處于相互競爭狀態(tài)斷裂和屈服都有可能發(fā)生，處于相互競爭狀態(tài)。 韌性材料拉伸時，斜截面上的最大切應力首先增加到材料的剪切強度，因此材料屈服時首先出現與拉伸方向成約45角的剪切滑移變形帶。進一步拉伸時，剪切帶中由于分子鏈高度取向強度提高，暫時不發(fā)生進一步的變形。而其邊緣則進一步發(fā)生剪切變形。同樣，在135的斜截面上

29、也發(fā)生剪切變形，因而試樣逐漸生成對稱的細頸，直至細頸擴展至整個試樣。脆性試樣在最大切應力達到剪切強度之前，橫截面上的法向正應力已達到材料的拉伸強度，因此試樣還來不及屈服就斷裂了，而且斷面與拉伸方向相垂直。45剪切帶的特點剪切帶的特點剪切帶傾角很少恰為剪切帶傾角很少恰為45 ,一般大于一般大于45剪切屈服沒有明顯的體積變化剪切屈服沒有明顯的體積變化剪切帶中的分子鏈高度取向剪切帶中的分子鏈高度取向,取向方向接近于外力取向方向接近于外力和剪切力合力的方向和剪切力合力的方向剪切帶的厚度約為剪切帶的厚度約為1m左右，每個剪切帶又是由左右，每個剪切帶又是由若干個更細小的不規(guī)則微纖若干個更細小的不規(guī)則微纖(

30、0.1m)所構所構成成463 、銀紋、銀紋 Crazing定義：定義：聚合物在聚合物在張應力張應力作用下，在作用下，在材料的薄弱環(huán)節(jié)，應力集中產生局材料的薄弱環(huán)節(jié)，應力集中產生局部應力部應力塑性形變和取向塑性形變和取向，而在材料，而在材料表面或者內部出現表面或者內部出現垂直于應力方向垂直于應力方向長度約長度約100 m，寬度約為，寬度約為10 m，厚，厚度約度約1 m的微細凹槽或裂紋的現象。的微細凹槽或裂紋的現象。裂紋處的折光指數低于聚合物體的裂紋處的折光指數低于聚合物體的折光指數，在兩者的界面上發(fā)生全折光指數，在兩者的界面上發(fā)生全反射現象，看上去呈發(fā)亮的銀色條反射現象，看上去呈發(fā)亮的銀色條紋

31、，因此稱為紋，因此稱為銀紋銀紋。銀紋現象為聚合物所特有，常出現在非晶態(tài)聚合物銀紋現象為聚合物所特有，常出現在非晶態(tài)聚合物PS、PMMA、PC、PSF，在晶態(tài)聚合物，在晶態(tài)聚合物PP等也有發(fā)現等也有發(fā)現分類環(huán)境銀紋溶劑銀紋應力銀紋PS的銀紋的銀紋47Microstructure of crazing也稱為銀紋質也稱為銀紋質高度取向的高分子鏈組成高度取向的高分子鏈組成微纖微纖 Microfibril微纖平行與外力方向，銀紋長度方微纖平行與外力方向，銀紋長度方向與外力垂直。向與外力垂直。48銀紋方向和分子鏈方向銀紋方向和分子鏈方向 聚合物橫向收縮不足補償塑聚合物橫向收縮不足補償塑性伸長，致使銀紋體內

32、產生大性伸長，致使銀紋體內產生大量空隙。銀紋不是空的，銀紋量空隙。銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的體的密度為本體密度的50%，折光指數也低于聚合物本體折折光指數也低于聚合物本體折光指數，因此在銀紋和本體之光指數，因此在銀紋和本體之間的界面上將對光線產生全反間的界面上將對光線產生全反射現象，呈現銀光閃閃的紋路射現象，呈現銀光閃閃的紋路。F拉伸試樣在拉斷前產生銀紋化現象：a圖為聚苯乙烯，b圖為有機玻璃注意銀紋方向與應力方向垂直注意銀紋方向與應力方向垂直50銀紋的擴展中間斷裂擴展形成裂紋中間斷裂擴展形成裂紋裂紋（crack）銀紋（craze）圖19銀紋與裂紋的區(qū)別銀紋與裂紋的區(qū)別不利：不利：銀

33、紋會降低脆性高聚物的強度和使用壽命，往往是脆性銀紋會降低脆性高聚物的強度和使用壽命，往往是脆性高聚物破壞的先兆。高聚物破壞的先兆。有利：有利：橡膠增韌塑料中橡膠顆粒周圍的塑料基體受到沖擊時會橡膠增韌塑料中橡膠顆粒周圍的塑料基體受到沖擊時會生成大量銀紋，從而吸收大量塑性形變能，使材料韌性增加。生成大量銀紋，從而吸收大量塑性形變能，使材料韌性增加。相同點：相同點：都是高聚物連續(xù)體破壞的結果。都是高聚物連續(xù)體破壞的結果。不同點：不同點：（1）銀紋體密度不為零；裂紋體密度等于零）銀紋體密度不為零；裂紋體密度等于零（2）銀紋體仍有一定的力學承載能力，裂紋體不能承載。）銀紋體仍有一定的力學承載能力，裂紋體

34、不能承載。（3）銀紋在壓力或）銀紋在壓力或Tg以上能退火時能回縮或消失；而裂紋不能。以上能退火時能回縮或消失；而裂紋不能。銀紋的不利和有利之處銀紋的不利和有利之處534、 細頸、細頸、銀紋和剪切帶的比較銀紋和剪切帶的比較相同點相同點: 均有分子鏈取向，吸收能量，呈現屈服現象均有分子鏈取向，吸收能量，呈現屈服現象一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服主要主要區(qū)別區(qū)別細頸、剪切帶細頸、剪切帶銀紋屈服銀紋屈服形形 變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體 積積體體 積積

35、 不不 變變體體 積積 增增 加加力力剪剪 切切 力力張張 應應 力力結結 果果冷冷 拉拉裂裂 縫縫54如何區(qū)分斷裂如何區(qū)分斷裂形式？形式？關鍵看屈服關鍵看屈服屈服前斷屈服前斷脆性斷裂脆性斷裂屈服后斷屈服后斷韌性斷裂韌性斷裂8.2 聚合物的斷裂與強度聚合物的斷裂與強度558.2.1 脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂TT脆性斷裂：脆性斷裂： 的關系是線性（或微曲）；的關系是線性（或微曲）； 斷裂應變低于，斷裂能不大；斷裂應變低于，斷裂能不大； 斷裂面光滑。斷裂面光滑。韌性斷裂韌性斷裂： 關系非線性；關系非線性； 斷裂前形變大得多，斷裂能很大；斷裂前形變大得多，斷裂能很大； 斷裂面粗糙。斷裂面

36、粗糙。斷裂面形狀和斷裂能是區(qū)別脆性和韌性斷裂最主斷裂面形狀和斷裂能是區(qū)別脆性和韌性斷裂最主要的指標。要的指標。脆性斷裂和韌性斷裂表面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拉絲現象拉絲現象58試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度裂還與溫度T 和拉伸速度和拉伸

37、速度 有關。有關。溫度：溫度：低溫的脆性斷裂在高溫可以變成韌性低溫的脆性斷裂在高溫可以變成韌性應變速率應變速率: 速度增加速度增加,韌性可以變成脆性斷裂韌性可以變成脆性斷裂脆性斷裂和韌性斷裂互相轉變脆性斷裂和韌性斷裂互相轉變缺口缺口: 尖銳的缺口可使斷裂從韌性變成脆性尖銳的缺口可使斷裂從韌性變成脆性59Comparing of brittle and ductile fractures（分析判斷）（分析判斷）脆性斷裂脆性斷裂 韌性斷裂韌性斷裂屈服-線b斷裂能斷裂表面斷裂原因無有無有線性非線性線性非線性小大小大小大小大平滑 粗糙平滑 粗糙法向應力剪切應力 法向應力剪切應力60相比于脆性斷裂，韌性

38、斷裂的斷裂面較為 斷裂伸長率較光滑大小粗糙例題：61脆韌轉變溫度脆韌轉變溫度 TbTb is also called brittle temperature.脆化溫度，脆化點在一定速率下（不同溫度）測定的斷裂應力和屈服應力，作斷裂應力和屈服應力隨溫度的變化曲線62斷裂應力斷裂應力和和屈服應力屈服應力誰對應變速率更敏感？誰對應變速率更敏感？在一定溫度下（不同速率）測定的斷裂應力和屈服應力，作斷裂應力和屈服應力隨應變速率的變化曲線63脆性斷裂和韌性斷裂判斷脆性斷裂和韌性斷裂判斷TTb, 先達到y(tǒng)，韌性斷裂64Application對材料對材料一般使用溫度一般使用溫度為哪一段？為哪一段？T TbTb

39、越低材料韌性越好差65TbTgTfTdThree statesTgTf66Example PC聚碳酸酯聚碳酸酯Tg=150CTb=-20C室溫下易不易碎？67Example PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100CTb=90C室溫下脆還是韌？68強度是指物質抵抗強度是指物質抵抗破壞的能力破壞的能力聚合物的強度聚合物的強度69拉伸強度拉伸強度 屈服強度斷裂強度b-試樣厚度，d-試樣寬度P-最大載荷統(tǒng)一使用拉伸強度tN/m270硬度硬度衡量材料表面抵抗機械壓力的能力的一種指標衡量材料表面抵抗機械壓力的能力的一種指標硬度的大小與材料的拉伸強度和彈性模量有關硬度的大小與材料的拉伸強度和彈

40、性模量有關測量和計算方法不同測量和計算方法不同,硬度可分為布氏、洛氏、邵氏硬度硬度可分為布氏、洛氏、邵氏硬度71理論值材料的破壞方式材料的破壞方式72在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強度在在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強度在幾千幾千MPa，而實際只有幾十，而實際只有幾十MPa 。WHY？e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPa聚合物實際強度與理論強度聚合物實際強度與理論強度實際的聚合物達不到那種完全規(guī)整實際的聚合物達不到那種完全規(guī)整的水平，的水平，存在應力集中（雜質，小裂紋，空隙，缺口）存在應力集中（雜質，小裂紋，空隙，缺口）73為什么材料的實際強度遠遠低于

41、理論強度？存在缺陷為什么在缺陷處斷裂？缺陷處應力集中缺陷處應力多大？Griffith theoryGriffith crack theory 斷裂理論斷裂理論74主要方式化學鍵斷裂化學鍵斷裂所需力最大所需力最大分子間扯離分子間扯離所需力最小所需力最小通過斷裂形式分析：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分子之間相互作用大小對強度影響最大 影響拉伸強度的因素影響拉伸強度的因素 1、結構因素 2、外在條件75極性基團或氫鍵極性基團或氫鍵主鏈上含芳雜環(huán)結構主鏈上含芳雜環(huán)結構適度的交聯適度的交聯結晶度大結晶度大取向取向高低拉伸強度拉伸強度 t高低加入增塑劑加入增塑劑高低高低高低高低缺陷

42、存在缺陷存在高低分子結構分子結構1，分子結構，分子結構內因內因聚合物聚合物PPPVCN-610N-66強度強度MPa2528506183（1 1）一次結構：）一次結構： 鏈節(jié)含有強極性基團或氫鍵鏈節(jié)含有強極性基團或氫鍵的基團使得分子間作用力增大，的基團使得分子間作用力增大，強度提高強度提高隨著極性基團或氫鍵隨著極性基團或氫鍵 ，強度，強度 ，但密度大，阻礙鏈段的運，但密度大，阻礙鏈段的運動，不能產生強迫高彈形變動，不能產生強迫高彈形變脆性斷裂脆性斷裂交聯：交聯：適當交聯，總是提高聚合物的強度，但如果交聯度太適當交聯，總是提高聚合物的強度，但如果交聯度太大，會使其脆性太大而失去應用價值。大，會使

43、其脆性太大而失去應用價值。交聯劑當量濃度交聯劑當量濃度0.10.31.02.53.58.0 b100092068044028090斷裂強度斷裂強度MPa6.471621.716.46.784.6空間立構：空間立構：結構規(guī)整和等規(guī)度高的聚合物因結晶而強度提高。結構規(guī)整和等規(guī)度高的聚合物因結晶而強度提高。無規(guī)立構含量對無規(guī)立構含量對PPPP性能影響性能影響無規(guī)立構含量無規(guī)立構含量抗張強度抗張強度MPa2.034.53.532.56.429支化：支化：支化破壞了鏈的規(guī)整性結晶度降低，還增加了分支化破壞了鏈的規(guī)整性結晶度降低，還增加了分子間的距離分子間力減小，都使強度降低。但是韌性有所子間的距離分子間

44、力減小，都使強度降低。但是韌性有所提高提高。聚合物聚合物抗張強度抗張強度 b(%)支化程度支化程度LDPE715300支化多支化多HDPE212760支化少支化少支支(2) (2) 二次結構二次結構： 鏈的剛性鏈的剛性 高分子鏈剛性高分子鏈剛性增加，聚合物強度增加，韌性下降，像主鏈增加，聚合物強度增加，韌性下降，像主鏈含有芳雜環(huán)結構的聚合物其強度和模量比脂肪族主鏈高。主鏈含有芳雜環(huán)結構的聚合物其強度和模量比脂肪族主鏈高。主鏈上含有大的側基，剛性大。上含有大的側基，剛性大。eg. PE 24.5N/m2，PS 35.260N/m2， PET 80N/m2：強度分子量nBAM， 斷裂強度。當分子量

45、很小時，強度隨著分子量增加當分子量很小時，強度隨著分子量增加而增加，而增加，當分子量大到一定值，強度與分子量無當分子量大到一定值，強度與分子量無關。關。 一般認為分子量分布寬時，強度明顯下降，這是因為低分子一般認為分子量分布寬時，強度明顯下降，這是因為低分子量的物質相當于增塑劑的緣故。分子量分布窄時剛好相反。量的物質相當于增塑劑的緣故。分子量分布窄時剛好相反。理論解釋：理論解釋： 強度是由強度是由分子間作用力和化學鍵分子間作用力和化學鍵決定，分子間作用力具有決定，分子間作用力具有加和性，隨著分子量的增加和性，隨著分子量的增對應力應變曲線的影響對應力應變曲線的影響而增加，當而增加，當分子量小時分

46、子間作用力小于化學鍵，破壞發(fā)生在分子間，分子量小時分子間作用力小于化學鍵，破壞發(fā)生在分子間，當分子量大到比化學鍵大時，破壞發(fā)生在化學鍵上，強度與當分子量大到比化學鍵大時，破壞發(fā)生在化學鍵上，強度與分子量無關分子量無關(3)(3)三次結構：三次結構： 結晶度結晶度增加，強度增加韌性下降以增加，強度增加韌性下降以PE為例。為例。聚乙烯強度與結晶度的關系聚乙烯強度與結晶度的關系結晶度（）結晶度（）657585斷裂強度斷裂強度14.41825斷裂伸長斷裂伸長500300100球晶尺寸（球晶尺寸（ m）抗拉強度（抗拉強度（N/m2）斷裂伸長斷裂伸長(%)1030050020225253012525 晶體

47、尺寸晶體尺寸：小球晶：小球晶： y 、E、斷裂伸長率、斷裂伸長率、 b高高大球晶：下降大球晶：下降 結晶形態(tài)結晶形態(tài)：同一類聚合物，伸直鏈強度最大，串晶次之，：同一類聚合物，伸直鏈強度最大，串晶次之，球晶最小。球晶最小。 取向取向：可使材料強度提高幾倍幾十倍，對纖維和薄膜，：可使材料強度提高幾倍幾十倍，對纖維和薄膜，取向是提高性能必不可少的措施。取向是提高性能必不可少的措施。原因：取向后分子沿外力的方向有序排列，斷裂時主價鍵原因：取向后分子沿外力的方向有序排列，斷裂時主價鍵比例增大，而使聚合物強度提高。比例增大，而使聚合物強度提高。注意：注意：當外力與取向方向平行，強度高，垂直，強度低。當外力

48、與取向方向平行，強度高，垂直，強度低。 應力集中應力集中: :高聚物由于下列原因產生應力集中，盡管試樣受高聚物由于下列原因產生應力集中，盡管試樣受力沒有達到破壞的程度，但是局部應力集中可以超過聚合物的力沒有達到破壞的程度，但是局部應力集中可以超過聚合物的強度。使強度降低。強度。使強度降低。幾何尺寸的不連續(xù)幾何尺寸的不連續(xù)：空口，空隙，銀紋，溝槽等：空口，空隙，銀紋，溝槽等材料的不連續(xù)材料的不連續(xù)：雜質：雜質負荷的不連續(xù)負荷的不連續(xù)：掛一個重物，載體上各處受力的程度不同，：掛一個重物，載體上各處受力的程度不同，掛的地方首先破壞。掛的地方首先破壞。為了提高強度，必須消除應力集中，如人們將纖維作的很

49、細，為了提高強度，必須消除應力集中，如人們將纖維作的很細，以消除缺陷，裂紋。以消除缺陷，裂紋。裂紋形狀的影響裂紋形狀的影響：裂縫越尖，應力集中越嚴重，強度越低一：裂縫越尖，應力集中越嚴重，強度越低一般認為：裂縫般認為：裂縫橢圓橢圓圓圓加工方式的影響加工方式的影響：將結晶聚合物淬冷或者加入成核劑，得到：將結晶聚合物淬冷或者加入成核劑，得到小而多的晶體，抗張強度提高，沖擊強度提高。如小而多的晶體，抗張強度提高，沖擊強度提高。如PP脆，但脆，但是加入成核劑，韌性增大，還有用熱處理可以提高強度。是加入成核劑，韌性增大，還有用熱處理可以提高強度。 增塑劑的影響：增塑劑的影響： 抗張強度降低抗張強度降低原

50、因：原因：能夠同聚合物相容的小分子，是使分子鏈之間的相互作用能夠同聚合物相容的小分子，是使分子鏈之間的相互作用減弱，分子鏈活動性增加。從而使材料的拉伸強度下降。減弱，分子鏈活動性增加。從而使材料的拉伸強度下降。(7)(7)共聚和共混的影響：共聚和共混的影響： 如如PS很脆，但是與丙烯腈共聚所得聚合物的抗張強度沖很脆，但是與丙烯腈共聚所得聚合物的抗張強度沖擊強度都提高。若進一步與丁二烯聚合，得到抗沖擊強度很高擊強度都提高。若進一步與丁二烯聚合，得到抗沖擊強度很高的的ABS 樹脂。樹脂。 提高提高( (降低降低) )拉伸速率拉伸速率 拉伸溫度影響拉伸溫度影響: T 拉伸速度影響拉伸速度影響: 速度

51、,屈服強度 降低降低( (升高升高) )拉伸溫度拉伸溫度外因外因高分子鏈運動的特點，有明顯的時間、溫度依賴性松高分子鏈運動的特點，有明顯的時間、溫度依賴性松弛特性，所以外力作用速度和溫度對強度有明顯的影響。弛特性，所以外力作用速度和溫度對強度有明顯的影響。Conclution：隨溫度的降低或拉伸速率的提高， b、y、E增大， 斷裂伸長率減少，聚合物的破壞方式由韌性趨向脆性破壞85增強途徑增強途徑8.2.4 聚合物的增強聚合物的增強 ReinforcementC ，SiO2PolyesterGlass, Carbon fiber(1) 活性粒子（ Powder）(2) 纖維 Fiber(3) 液

52、晶 Liquid Crystal粉狀和纖維填料粉狀和纖維填料液晶原位增強復合液晶原位增強復合聚合物基納米復合材料聚合物基納米復合材料由于單一聚合物許多性能不能滿足需要。常常需要加入一些物質，形成復合材料復合材料(compositematerial)。通過復合來顯著提高材料的力學強度的作用稱為增強作用。能夠提高聚合物基體力學強度的物質稱為增強劑增強劑。86（1）活性粒子增強）活性粒子增強Carbon black reinforcement橡膠+碳黑惰性填料怎么辦？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉增強機理：增強機理：活性粒子吸附大分子活性粒子吸附大分子，形成鏈間物理交聯，活性粒子，形成鏈間物理

53、交聯，活性粒子起起物理交聯點物理交聯點的作用。的作用。87（2）纖維增強）纖維增強Glass steel boatglassy fiber+polyester例：尼龍+玻纖/碳纖維/晶須/硼纖維增強效果與纖維的長度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關增強效果與纖維的長度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關增強機理：增強機理：纖維作為纖維作為骨架骨架幫助基體承擔載荷幫助基體承擔載荷Carbon fiber89（3）液晶原位增強液晶原位增強熱致液晶+熱塑性聚合物共聚酯，聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum增強機理：增強機理：熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混物中形成熱致液晶中的液晶棒狀分子在共

54、混物中形成微纖微纖結構而到增強作用。由于微纖結構是加工過程中由液晶棒狀結構而到增強作用。由于微纖結構是加工過程中由液晶棒狀分子在共混無物基體中就地形成的，故稱做分子在共混無物基體中就地形成的，故稱做“原位原位”復合增復合增強。強。隨著增強劑含量的增加，聚合物的彈性模量和拉伸強度增加，而斷裂隨著增強劑含量的增加，聚合物的彈性模量和拉伸強度增加，而斷裂伸張率下降。由韌性向脆性轉變。伸張率下降。由韌性向脆性轉變。90(4) 聚合物基復合材料聚合物基復合材料插層復合法 (intercalation compouding)聚合物聚合物/粘土納粘土納米復合材料米復合材料共混法 聚合物聚合物/納米粒子納米粒

55、子(CaCO3, SiO2 etc)Sol-gel 法原位聚合 (in situ polymerization)納米材料特殊效應：納米材料特殊效應：納米尺度效應、表面界面效應、量子尺寸納米尺度效應、表面界面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，使納米材料具有特殊的力學、光學、效應和宏觀量子隧道效應，使納米材料具有特殊的力學、光學、磁學、超導、催化、化學反應等性能。磁學、超導、催化、化學反應等性能。制備方法制備方法91Stress-strain曲線下面積稱作曲線下面積稱作斷裂能斷裂能：材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。反映材料反映材料拉伸斷裂韌性拉伸斷裂韌性大小

56、大小8.2.5 聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性斷裂能斷裂能 Fracture energy92是衡量材料韌性的一種指標沖斷試樣所消耗的功沖斷試樣的厚度和寬度1、沖擊強度、沖擊強度 Impact strength定義：試樣在沖擊載荷W的作用下折斷或折裂時單位截面積所吸收的能量，單位kJ/m2）增韌劑：增韌劑： elasticizer, plasticizer, softener93Pendulum machine 擺錘沖擊機擺錘沖擊機Charpy 簡支梁簡支梁Izod 懸臂梁懸臂梁強度強度延展性延展性分子間作用力分子間作用力分子鏈柔順性分子鏈柔順性內因內因 鏈結構鏈結構 凝聚態(tài)結構凝聚態(tài)結構

57、分子間作用力分子間作用力2、 影響沖擊強度的因素影響沖擊強度的因素外因外因溫度溫度應變速率應變速率1）Chain Structure 鏈結構鏈結構增加高分子的極性或產生氫鍵，雖然可提增加高分子的極性或產生氫鍵，雖然可提高拉伸強度，但如果極性基團過密，阻礙高拉伸強度，但如果極性基團過密，阻礙鏈段運動，以致不能實現強迫高彈性變，鏈段運動，以致不能實現強迫高彈性變，則沖擊強度下降，材料變?yōu)榇嘈?。則沖擊強度下降，材料變?yōu)榇嘈?。內因內?）Crystallization 結晶結晶4）Defects 缺陷缺陷材料受力時在裂縫、孔隙、缺口、雜質等缺陷附近的局部材料受力時在裂縫、孔隙、缺口、雜質等缺陷附近的局部范圍造成應力集中，從而嚴重降低材料的拉伸和沖擊強度范圍造成應力集中，從而嚴重降低材料的拉伸和沖擊強度3）Orientation取向取向垂直于取向方向的沖擊強度提高垂直于取向方向的沖擊強度提高 加入加入增塑劑增塑劑后后沖擊