第八章、屈服與斷裂

第八章、聚合物的屈服

和斷裂處于或接近斷裂點(diǎn)的力學(xué)性質(zhì)8.1.應(yīng)力－應(yīng)變曲線(a)(b)測試?yán)煨再|(zhì)的樣品非晶態(tài)聚合物典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Winding1961StressStrain應(yīng)力-應(yīng)變過程的不同階段五個階段：IIIIIIIVVI：彈性形變II：屈服III：應(yīng)變軟化IV：冷拉V：應(yīng)變硬化無定形聚合物的冷拉可逆性？強(qiáng)迫高彈形變非晶態(tài)聚合物典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Winding1961StressStrain重要參數(shù)：(1)楊氏模量UltimatestrengthElongationatbreak(4)斷裂強(qiáng)度(5)斷裂伸長率(6)斷裂韌性YieldstressElongationatyield(2)屈服強(qiáng)度(3)屈服應(yīng)變

量綱=Pam/m=N/m2m/m=J/m3以應(yīng)力應(yīng)變曲線測定的韌性012345121086420,1000psi,inch1psi=6890Pa注意細(xì)頸現(xiàn)象聚合物應(yīng)力－應(yīng)變曲線的類型(2)(3)(4)應(yīng)力應(yīng)變(1)1、硬而脆，如PS、PMMA2、硬而強(qiáng)，如硬PVC；3、強(qiáng)而韌，如尼龍、PC；4、軟而韌，如橡膠；5、軟而弱，如凝膠(5)一些通用聚合物的力學(xué)性能評價材料模量屈服強(qiáng)度伸長率斷裂韌性彈性體PE，PTFEPCTFE，PPN66,PC,POM,ABSPMMA，PS，PVC熱固性塑料低低中高高超高無低中高高無低低中高高高超高高高中低低中中高高低低影響應(yīng)力－應(yīng)變曲線的因素：（1）溫度(2)(3)(4)應(yīng)力應(yīng)變(1)T1＜T2＜T3＜T4

影響應(yīng)力－應(yīng)變曲線的因素：（2）應(yīng)變速率(2)(3)(4)應(yīng)力應(yīng)變(1)應(yīng)變速率1＞2＞3＞48.2.細(xì)頸8.2.1.細(xì)頸的形成原因本質(zhì)：剪切力作用下發(fā)生塑性流動A0FFFFFαFFnFsA正應(yīng)力斜截面面積法向力Fn＝F·sinα切向力Fs＝F·cosα法應(yīng)力：切應(yīng)力：∴當(dāng)α＝90°時，法向應(yīng)力最大；

α＝45°或135°，切向應(yīng)力最大當(dāng)法向應(yīng)力大于拉伸強(qiáng)度，材料發(fā)生當(dāng)切向應(yīng)力大于剪切強(qiáng)度，材料發(fā)生斷裂屈服幾何因素決定細(xì)頸產(chǎn)生的位置：試樣尺寸在各處的微小差異，導(dǎo)致應(yīng)力的差異，在某一點(diǎn)將首先達(dá)到屈服點(diǎn)，使形變更為容易。細(xì)頸穩(wěn)定的原因：取向8.3屈服8.3.1細(xì)頸8.3.2剪切帶8.3.3銀紋拉伸過程中，沿45°或135°方向在材料內(nèi)部或表面出現(xiàn)剪切滑移變形帶。8.3.2剪切帶PS60C，compressivestrainof~4%.polycarbonate8.3.3銀紋TEMofacrazeinPS在一定條件下，材料由應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向。

銀紋的結(jié)構(gòu)ForceForce銀紋可在張力下產(chǎn)生，也可在溶劑中產(chǎn)生銀紋的長度方向垂直于外力方向~200

~80銀紋不空，其中為被拉伸的鏈銀紋中的鏈有50~60%的伸長率

銀紋的結(jié)構(gòu)銀紋中鏈的體積分?jǐn)?shù)為40~60%，銀紋的密度是本體的50%，故折光指數(shù)不同，產(chǎn)生白色反光，故稱銀紋~200

~80銀紋的本質(zhì)：張力作用下鏈段被迫伸展

銀紋的結(jié)構(gòu)銀紋仍有模量，約為本體的3~25%銀紋是可逆的，能通過退火消除裂縫銀紋銀紋與裂紋的關(guān)系Craze:narrowzonesofhighlydeformedandvoidedpolymerOptimistsconcentrateonplasticdeformationincrazesasasourceoftoughnessorstressreliefinpolymers,whilepessimistsfocusoncrazingasthebeginningofbrittlefracture穩(wěn)定銀紋是聚合物屈服的機(jī)理，不穩(wěn)定銀紋會引發(fā)裂縫，導(dǎo)致斷裂剪切帶銀紋發(fā)生形變10%－100%發(fā)生形變＜10%產(chǎn)生屈服點(diǎn)沒有屈服點(diǎn)吸收能量吸收能量體積不變體積增大纏結(jié)點(diǎn)密度高時發(fā)生纏結(jié)點(diǎn)密度低時發(fā)生ASA：斜率為1，100%銀紋化聚丙烯：曲線幾乎為零，純粹剪切屈服0.040.030.020.010.00V/V0.000.010.020.030.040.050.06PPASA8.4.聚合物的斷裂與強(qiáng)度8.4.1.脆性斷裂與韌性斷裂外力作用屈服韌性響應(yīng)脆性響應(yīng)冷拉斷裂高應(yīng)力下的兩類響應(yīng)DuctileandBrittle脆性斷裂韌性斷裂無屈服點(diǎn)出現(xiàn)屈服σ－ε關(guān)系是線性的σ－ε關(guān)系是非線性的斷裂截面光滑粗糙斷裂伸長＜5%斷裂伸長較大斷裂能較小斷裂能較大由張應(yīng)力分量引起由切應(yīng)力分量引起脆性斷裂與韌性斷裂依賴于溫度和應(yīng)變速率：提高溫度或降低應(yīng)變速率時，脆性→韌性溫度或降低應(yīng)變速率對斷裂應(yīng)力影響不大，對屈服應(yīng)力的影響顯著。溫度應(yīng)力斷裂強(qiáng)度屈服強(qiáng)度Tb斷裂強(qiáng)度當(dāng)T<Tb時，應(yīng)力下形變的后果是Tb：脆－韌轉(zhuǎn)變溫度

提高應(yīng)變速率，會使Tb升高Tb越低時，表示材料的韌性越好缺口的存在，會使Tb大幅升高

T>Tb時先發(fā)生屈服。脆性斷裂聚合物PDMSNRPEPOMPCPA66

Tb

150200203215173243Tg153203205233422322一些聚合物的玻璃化溫度與脆化溫度8.4.2.斷裂強(qiáng)度：（1）拉伸強(qiáng)度P：斷開前試樣承受的最大載荷；b：試樣寬度；d：試樣厚度StressStrain(2)拉伸模量△P：形變較小時的載荷。l0：試樣長度（3）抗彎強(qiáng)度PP2P2l0彎曲模量δ：撓度，試樣著力處的位移StressStrain應(yīng)力－應(yīng)變曲線過程描述物理參數(shù)原因分析上節(jié)課回顧：屈服細(xì)頸（塑性流動）剪切帶銀紋斷裂脆性斷裂與韌性斷裂脆－韌轉(zhuǎn)變溫度屈服、應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系、斷裂伸長率、斷裂截面、斷裂能、應(yīng)力分量8.4.3.斷裂理論斷裂可簡單定義為物體在外力作用下產(chǎn)生新表面的過程即裂縫擴(kuò)展的過程模型體系：無限大板，單位厚度（厚度＝1）s0s0應(yīng)力為

0形變?yōu)?/p>

Griffith斷裂理論假設(shè)在無限大板上，施以均勻張應(yīng)力σ0，該板上有一橢圓形孔，長軸2a，短軸2b，s0s0Griffith斷裂理論2b2a其中長軸兩端點(diǎn)的應(yīng)力最大：s0s02b2ast當(dāng)a＞＞b時，裂縫的尖端處的應(yīng)力為：a－裂縫長度的一半ρ－裂縫尖端的曲率半徑Griffith斷裂理論體系得能量（表面能）：4a

產(chǎn)生裂縫體系能量變化體系失能量（應(yīng)變能）：

：表面張力裂縫擴(kuò)展時的能量變化率為如果裂縫順利擴(kuò)展，材料斷裂如果裂縫不擴(kuò)展，材料保持完整Griffith斷裂理論裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力Griffith公式斷裂強(qiáng)度與a1/2成反比實(shí)驗(yàn)證實(shí)均勻應(yīng)力場中一旦一個裂縫開始擴(kuò)展，就會一直擴(kuò)展下去。強(qiáng)度(MN/m2)強(qiáng)度(MN/m2)604020604020PMMAPS12510PMMA及PS中裂縫長度與強(qiáng)度的關(guān)系Griffith公式僅考慮了新表面的生成即斷裂所需能量僅為表面功？以Gc代替2

來代表總的斷裂功修正如下：

(

a)1/2=(EGc)1/2斷裂動力斷裂阻力定義：臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K1C，表征材料的斷裂韌性應(yīng)力強(qiáng)度因子∴

K1＞K1C時，裂縫擴(kuò)展，發(fā)生斷裂；

K1＜K1C時，裂縫穩(wěn)定8.4.4.影響強(qiáng)度的因素高分子材料斷裂的微觀形式（1）化學(xué)鍵的斷裂（2）分子間滑脫（3）破壞分子間力影響因素：（1）分子結(jié)構(gòu)：分子間作用力越大，強(qiáng)度越高①極性基團(tuán)或形成氫?、谥麈溕戏茧s環(huán)③支化程度④適度交聯(lián)阻礙分子鏈滑移，使強(qiáng)度增大過度交聯(lián)→限制結(jié)晶（結(jié)晶聚合物）↘網(wǎng)鏈不能均勻承載（非晶聚合物）影響因素：（1）分子結(jié)構(gòu)：分子間作用力越大，強(qiáng)度越高⑤分子量⑥結(jié)晶度球晶尺寸越大，強(qiáng)度越高⑦取向⑧結(jié)構(gòu)缺陷⑨增塑劑影響因素：（2）溫度：（3）應(yīng)變速率：溫度越高，傾向于韌性斷裂，強(qiáng)度降低應(yīng)變速度越高，傾向于脆性斷裂，強(qiáng)度增大按填料的形態(tài)分：粉狀：木粉、炭黑、二氧化硅纖維狀8.4.5.增強(qiáng)通過復(fù)合來顯著提高材料力學(xué)強(qiáng)度的作用Directionofstress(a)(b)ABCABCDEFG粒子增強(qiáng)機(jī)理纖維增強(qiáng)機(jī)理纖維：玻璃纖維、碳纖維、液晶纖維（原位增強(qiáng)）8.5.聚合物的增韌Toughness:Abilityofamaterialtoabsorbenergyanddeformplasticallybeforefracturing.韌性：斷裂前發(fā)生塑性形變吸收能量的能力8.5.1.沖擊強(qiáng)度材料韌性的度量，單位KJ/m或KJ/m2W：沖斷試樣所消耗的功b：試樣的寬度d：試樣的厚度沖擊強(qiáng)度測試可分為兩類，擺錘式和落重式擺錘沖擊包括Izod式和Charpy式8mm10mm10mmIzodCharpyh1h2沖擊強(qiáng)度=破壞單位厚度樣品所需能量h0d8.5.2.影響沖擊強(qiáng)度的因素

ductilityvs.strength（1）分子結(jié)構(gòu)a：增加極性或產(chǎn)生氫鍵一般使沖擊強(qiáng)度增大但若極性基團(tuán)過密或取代基團(tuán)過大，沖擊強(qiáng)度會降低b：支化程度支化程度提高，可能提高沖擊強(qiáng)度c：適度交聯(lián)沖擊強(qiáng)度提高（1）分子結(jié)構(gòu)d：結(jié)晶度e：適當(dāng)?shù)碾p軸取向沖擊強(qiáng)度提高f：增塑劑結(jié)晶度增高，沖擊強(qiáng)度與斷裂伸長率都降低球晶尺寸增大，沖擊強(qiáng)度降低適量地加入增塑劑，可提高沖擊強(qiáng)度（2）溫度溫度升高，韌性斷裂，沖擊強(qiáng)度提高（3）外力作用速度應(yīng)變速率升高，脆性斷裂，沖擊強(qiáng)度降低8.5.3.增韌途徑與機(jī)理橡膠粒子增韌（1）銀紋機(jī)理：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物與基體間引發(fā)了大量銀紋，吸收大量能量。同時，大量銀紋間相互干擾，阻礙了銀紋發(fā)展。增韌機(jī)理I：銀紋機(jī)理（2）銀紋－剪切帶機(jī)理：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物，在外力作用下引發(fā)了大量銀紋和剪切帶，吸收能量。同時，橡膠粒子和帶控制與終止銀紋發(fā)展。橡膠粒子的存在促進(jìn)了塑料相的形變，使塑料相易于發(fā)生剪切屈服或發(fā)生銀紋。條件為：

(1)使用溫度必須高于橡膠的玻璃化溫度

(2)橡膠與塑料的溶度參數(shù)接近，但橡膠必須構(gòu)成另一相，不能溶于塑料相中

(3)橡膠粒子的尺寸不能小于基體內(nèi)裂縫尺寸，亦即不能小于幾十納米，也不能大于0.3~0.5

不同的橡膠／塑料組合獲得的增韌效果不同。例如：高抗沖聚苯乙烯