8章聚合物的屈服和斷裂解析課件

1、第八章 聚合物的屈服與斷裂第1頁(yè)，共47頁(yè)。本章的教學(xué)內(nèi)容、要求和目的教學(xué)內(nèi)容： 聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線 聚合物的屈服 聚合物的斷裂與強(qiáng)度重點(diǎn)要求： 會(huì)從聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線獲取信息，掌握屈服和斷裂現(xiàn)象及其機(jī)理、韌性和強(qiáng)度的影響 因素及增韌、增強(qiáng)方法和機(jī)理。學(xué)習(xí)目的： 能從分子結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和屈服、斷裂特征上對(duì)材料的韌性和強(qiáng)度進(jìn)行初步判斷，學(xué)會(huì)聚合物的增韌、增強(qiáng)方法，以滿足其使用要求。第2頁(yè)，共47頁(yè)。8.1 The stress-strain curves 應(yīng)力-應(yīng)變曲線研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力的持續(xù)作用或強(qiáng)大外力的短時(shí)作后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂。Typical str

2、ess-strain curve for amorphous polymer at temperature below TgEngineering stress to engineering strain第3頁(yè)，共47頁(yè)。8.1.1 The stress-strain curves 應(yīng)力-應(yīng)變曲線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4頁(yè)，共47頁(yè)。斷裂能 Fracture en

3、ergyStress-strain曲線下面積稱作斷裂能：材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。第5頁(yè)，共47頁(yè)。Youngs Modulus 楊氏模量第6頁(yè)，共47頁(yè)。形變過程彈性形變 -屈服-應(yīng)變軟化-冷拉-應(yīng)變硬化-斷裂從分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理解釋上述過程第7頁(yè)，共47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8頁(yè)，共47頁(yè)。8.1.2 Stress-strain curves under various conditions 各種情況下的

4、應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a) Different temperaturea: TTg c: TTg (幾十度)d: T接近Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆斷 韌斷無屈服屈服后斷Results TT第9頁(yè)，共47頁(yè)。(b) Different strain rateStrain rate時(shí)溫等效原理：拉伸速度快=時(shí)間短溫度低速度速度第10頁(yè)，共47頁(yè)。Example: PMMA第11頁(yè)，共47頁(yè)。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(c) C

5、omposition of Polymers 物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成第12頁(yè)，共47頁(yè)。(d) Crystallization 結(jié)晶應(yīng)變軟化更明顯冷拉時(shí)晶片的傾斜、滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)，形成微晶或微纖束第13頁(yè)，共47頁(yè)。(e) The Size of Spherulites 球晶大小第14頁(yè)，共47頁(yè)。(f) The Degree of Crystallization 結(jié)晶度第15頁(yè)，共47頁(yè)。Different types of stress-strain curve第16頁(yè)，共47頁(yè)。Comparing第17頁(yè)，共47頁(yè)。8.2 The plasticity and yielding of polymer

6、聚合物的塑性和屈服高聚物屈服點(diǎn)前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點(diǎn)后高聚物將在恒應(yīng)力下“塑性流動(dòng)”，即鏈段沿外力方向開始取向。高聚物在屈服點(diǎn)的應(yīng)變相當(dāng)大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)?0%-20%（與金屬相比）。屈服點(diǎn)以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)變軟化，有些還非常迅速。屈服應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率和溫度都敏感。屈服發(fā)生時(shí)，拉伸樣條表面產(chǎn)生“銀紋”或“剪切帶”,繼而整個(gè)樣條局部出現(xiàn)“細(xì)頸”。屈服主要特征第18頁(yè)，共47頁(yè)。Strain softening 應(yīng)變軟化 彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱為繼續(xù)屈服，包括：應(yīng)變軟化：屈服后，應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力反而有稍許下跌的現(xiàn)象，原因至今尚不清楚。呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細(xì)頸。

7、塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。發(fā)生“取向硬化”，應(yīng)力急劇上升。試樣斷裂。第19頁(yè)，共47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)“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”的原因無外力有外力 Orientation細(xì)頸穩(wěn)定取向硬化 Considre作圖法唯象角度 判據(jù)8.2.1 Necking 細(xì)頸與剪切帶(1) 細(xì)頸:屈服時(shí)，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。第20頁(yè)，共47頁(yè)。Necking 頸縮現(xiàn)象為什么會(huì)出現(xiàn)細(xì)頸？應(yīng)力最大處。哪里的應(yīng)力最大？第21頁(yè)，共47頁(yè)。（2）剪切屈服現(xiàn)象、機(jī)理及判據(jù)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：

8、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22頁(yè)，共47頁(yè)。抵抗外力的方式抗張強(qiáng)度：抵抗拉力的作用抗剪強(qiáng)度：抵抗剪力的作用兩種當(dāng)應(yīng)力0增加時(shí)，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同抗張強(qiáng)度什么面最大？ =0， n=0抗剪強(qiáng)度什么面最大？ =45， s=0/2第23頁(yè)，共47頁(yè)。（3） Crazing 銀紋銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，它是聚合物在張應(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)象分類環(huán)境銀紋溶劑銀紋應(yīng)力銀紋第24頁(yè)，共47頁(yè)。Microstru

9、cture of crazing微纖 Microfibril微纖平行與外力方向，銀紋長(zhǎng)度方向與外力垂直。也稱為銀紋質(zhì)第25頁(yè)，共47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26頁(yè)，共47頁(yè)。銀紋的擴(kuò)展中間分子鏈斷裂擴(kuò)展形成裂紋第27頁(yè)，共47頁(yè)。銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象主要區(qū)別剪切屈服銀紋屈服形變形變大幾十幾百%形變小 10%曲線特征有明顯的屈服點(diǎn)無明顯的屈服點(diǎn)體積體積不變體積增加力剪切

10、力張應(yīng)力結(jié)果冷拉裂縫一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服第28頁(yè)，共47頁(yè)。細(xì)頸、剪切帶和銀紋比較主要區(qū)別細(xì)頸、剪切帶銀紋形變量形變量大 10100%形變量小 bcdcdbadcba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41頁(yè)，共47頁(yè)。Discussion強(qiáng)度延展性分子間作用力分子鏈柔順性極性基團(tuán)或氫鍵有支鏈結(jié)構(gòu)適度交聯(lián)結(jié)晶度大雙軸取向差好加入增塑劑好差好好韌性第42頁(yè)，共47頁(yè)。外界因素溫度高應(yīng)變速率大好差沖擊強(qiáng)度i 即韌性第43頁(yè)，共47頁(yè)。8.3 聚合物的增韌(1) 橡膠增韌塑料橡膠增韌塑料e.gPVCCPE，PPEPDM增韌效果取決于分散相相疇大小和界面粘接力,即兩者相

11、容性.第44頁(yè)，共47頁(yè)。橡膠增韌塑料的增韌機(jī)理銀紋機(jī)理：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物誘發(fā)基體產(chǎn)生銀紋而吸收能量。（一般脆性聚合物增韌為此機(jī)理，如：PS/SBS，PMMA/ACR）銀紋剪切帶機(jī)理：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物,在外力作用下誘發(fā)大量銀紋和剪切帶,吸收能量.橡膠粒子和剪切帶控制和終止銀紋。三軸應(yīng)力空化機(jī)理:基體與分散相界面呈現(xiàn)脫離狀態(tài),在外力作用下發(fā)生三軸應(yīng)力致使分散相粒子周圍空化而吸收能量。第45頁(yè)，共47頁(yè)。（2）剛性粒子增韌剛性有機(jī)粒子增韌：拉伸時(shí)，由于基體與分散相之間的模量和泊松比差別致使基體對(duì)剛性粒子產(chǎn)生赤道面上的強(qiáng)壓力而發(fā)生脆韌轉(zhuǎn)變，剛性粒子發(fā)生“冷流”而吸收能量。e.g PC/MBS剛性無機(jī)粒子增韌:剛性粒子促使基體在斷裂過程中產(chǎn)生塑性變形吸收能量. e.g PVC+CaCO3剛性粒子增韌的條件是:基體必須具有一定韌性.第46頁(yè)，共47頁(yè)。下圖是PMMA在室溫下單軸拉伸得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：（1）請(qǐng)說明圖（a）和圖（b）中Y、B點(diǎn)稱做什么點(diǎn)？ OA段發(fā)生什么形變？圖