圖解拉伸試驗課件

1、Chapter 8 Yielding and Fracture of Polymer第八章 聚合物的屈服與斷裂Yielding and Fracture of Polymer 第八章 聚合物的屈服與斷裂8.1 The stress-strain curves 應力-應變曲線研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力的持續(xù)作用或強大外力的短時作后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂。Typical stress-strain curve for amorphous polymer at temperature below TgEngineering stress to engineering strai

2、n8.1.1 The stress-strain curves 應力-應變曲線A 彈性極限應變 A彈性極限應力B 斷裂伸長率 B斷裂強度 Y 屈服應力Y point: Yielding point 屈服點A point: Point of elastic limit 彈性極限點B point: Breaking point 斷裂點斷裂能 Fracture energyStress-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。Youngs Modulus 楊氏模量從應力應變曲線可以獲得的被拉伸聚合物的信息 聚合物的屈服強度（Y點強度） 聚合物的楊氏模量（OA段斜率） 聚合

3、物的 斷裂強度（B點強度） 聚合物的斷裂伸長率（B點伸長率） 聚合物的斷裂韌性（曲線下面積）8.1.2 Stress-strain curves under various conditions 各種情況下的應力-應變曲線(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 TTExample: PMMAa: 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

4、 rubber, PI(c) Composition of Polymers 物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成(d) Crystallization 結(jié)晶應變軟化更明顯冷拉時晶片的傾斜、滑移、轉(zhuǎn)動，形成微晶或微纖束(f) The Degree of Crystallization 結(jié)晶度Different types of stress-strain curve8.2 The plasticity and yielding of polymer 聚合物的塑性和屈服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“塑性流動”，即鏈段沿外力方向開始取向。高聚物在屈服點的應變相當大，剪切屈服應變?yōu)?0%-

5、20%（與金屬相比）。屈服點以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應變軟化，有些還非常迅速。屈服應力對應變速率和溫度都敏感。屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產(chǎn)生“銀紋”或“剪切帶”,繼而整個樣條局部出現(xiàn)“細頸”。屈服主要特征Strain softening 應變軟化 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：應變軟化：屈服后，應變增加，應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，最常見的為細頸。塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。發(fā)生“取向硬化”，應力急劇上升。試樣斷裂。樣條尺寸：橫截面小的地方應變軟化：應力集中的地方 出現(xiàn)“細頸”的位置自由體積增加松弛時間變短出現(xiàn)“細頸”的原因

6、無外力有外力 Orientation細頸穩(wěn)定取向硬化 Considre作圖法唯象角度 判據(jù)8.2.1 Necking 細頸與剪切帶(1) 細頸:屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細的現(xiàn)象。Necking 頸縮現(xiàn)象為什么會出現(xiàn)細頸？應力最大處。哪里的應力最大？Engineering stress and true stress 工程應力和真應力Engineering stressTrue stressForceInitial cross-section areaForceCross-section areaRelationship between engineering stress and true s

7、tress under incompressible condition抵抗外力的方式抗張強度：抵抗拉力的作用抗剪強度：抵抗剪力的作用兩種當應力0增加時，法向應力和切向應力增大的幅度不同抗張強度什么面最大？ =0， n=0抗剪強度什么面最大？ =45， s=0/2（3） Crazing 銀紋銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，它是聚合物在張應力作用下，于材料某些薄弱地方出現(xiàn)應力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以至于在材料表面或內(nèi)部垂直于應力方向上出現(xiàn)長度為100m、寬度為10 m左右、厚度約為1 m的微細凹槽的現(xiàn)象分類環(huán)境銀紋溶劑銀紋應力銀紋Microstructure of crazing微纖 Micr

8、ofibril微纖平行與外力方向，銀紋長度方向與外力垂直。也稱為銀紋質(zhì)銀紋的擴展中間分子鏈斷裂擴展形成裂紋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無明顯的屈服點體積體積不變體積增加力剪切力張應力結(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細頸、剪切帶和銀紋比較主要區(qū)別細頸、剪切帶銀紋形變量形變量大 10100%形變量小 10%曲線特征有明顯的屈服點無明顯的屈服點體積體積幾乎不變體積增加主要相同點能量吸收能量吸收能量一般來講，既有銀紋屈服也有剪切屈服8.3 聚合物的斷裂與強度強度是指物質(zhì)抵抗破壞的能

9、力張應力拉伸強度彎曲力矩抗彎強度壓應力壓縮強度拉伸模量彎曲模量硬 度如何區(qū)分斷裂形式？關(guān)鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂8.3.1 脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂屈服前斷裂無塑性流動表面光滑張應力分量韌性斷裂屈服后斷裂有塑性流動表面粗糙切應力分量相比于脆性斷裂，韌性斷裂的斷裂面較為 斷裂伸長率較試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度T 和拉伸速度 有關(guān)。光滑大小粗糙材料的斷裂方式分析聚合物材料的破壞可能是高分子主鏈的化學鍵斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞?；瘜W鍵拉斷15000MPa分子間滑脫5000MPa分子間扯離氫鍵 50

10、0MPa范德華力 100MPa理論值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MPa，而實際只有幾十Mpa 。WHY？e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPa理論值與實驗結(jié)果相差原因樣條存在缺陷應力集中polymer based concrete containing spherical inorganic particlesfatigue fracture surfaceSEM fracture surface of polymer and wood matrixComparing of brittle and ductile fractures（分析判斷）脆性斷裂韌性

11、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發(fā)向應力剪切應力發(fā)向應力剪切應力脆韌轉(zhuǎn)變溫度 TbTb is also called brittle temperature.Brittle ductile transition 脆韌轉(zhuǎn)變脆化溫度，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斷裂應力和屈服應力誰對應變速率更敏感？脆性斷裂和韌性斷裂判斷TTb, 先達到y(tǒng)，韌性斷裂Application對材料一般使用溫度為哪一段？T TbTb越低材料韌性越好差TbTgTfTdThree statesTgT

12、fExample PC聚碳酸酯Tg=150CTb=-20C室溫下易不易碎？Example PMMA聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100CTb=90C室溫下脆還是韌？Acrylic-PMMAThe influence on Tb（1）增加應變速率，脆化溫度如何變化？（2）存在缺口，形成應力集中，趨向于脆性，脆化溫度升高。8.3.2 Griffith crack theory斷裂理論為什么材料的實際強度遠遠低于理論強度？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 斷裂理論討論什么時候裂紋開始擴展E-彈性儲存能Gc-拉伸

13、過程中材料所吸收的能量a-裂縫長度的一半裂縫擴展的臨界應力Griffith從能量平衡的觀點分析斷裂過程，結(jié)果：8.4 聚合物的拉伸強度 Tensile strength屈服強度斷裂強度中國統(tǒng)一使用拉伸強度tb-試樣厚度，d-試樣寬度P-最大載荷8.4.1 拉伸強度及影響因素影響拉伸強度的因素化學鍵拉斷分子間滑脫分子間扯離主要方式化學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考慮分子結(jié)構(gòu)因素極性基團或氫鍵主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)適度的交聯(lián)結(jié)晶度大取向好高低拉伸強度t高低加入增塑劑高低高低高低高低缺陷存在高低考慮外界因素溫度高應變速率大高低高低拉伸強度tPo

14、lymers with different properties8.4.2 增強 Reinforcement活性粒子（ Powder）纖維 Fiber液晶 Liquid Crystal C ，SiO2 Glass fiber, Carbon fiberPolyesterFiller填料增強途徑（1）活性粒子增強Carbon black reinforcement橡膠+碳黑增強機理：活性粒子吸附大分子，形成鏈間物理交聯(lián)，活性粒子起物理交聯(lián)點的作用。惰性填料怎么辦？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉（2）纖維增強Glass steel boatglassy fiber+polyester增強機理

15、：纖維作為骨架幫助基體承擔載荷例：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(guān)Racing bicycleCarbon fiber（3）液晶原位增強增強機理：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)而到增強作用。由于微纖結(jié)構(gòu)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“原位”復合增強。熱致液晶+熱塑性聚合物共聚酯， 聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum8.5 聚合物的韌性與增韌8.5.1 沖擊強度 Impact strength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增韌劑： elasticize

16、r, plasticizer, softenerPendulum machine 擺錘沖擊機Charpy 簡支梁Izod 懸臂梁8.5.2 影響沖擊強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度延展性請判斷Discussion強度延展性分子間作用力分子鏈柔順性極性基團或氫鍵有支鏈結(jié)構(gòu)適度交聯(lián)結(jié)晶度大雙軸取向好差好差加入增塑劑好差好差好差好差韌性外界因素溫度高應變速率大好差好差沖擊強度i 即韌性8.5.3 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,即兩者相容性.橡膠增韌塑料的增韌機理銀紋機理：橡膠粒子作為應力集中物誘發(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理，如：PS/SBS，PMMA/ACR）銀紋剪切帶機理：橡膠粒子作為應力集中物,在外力作用