第十一章聚合物的力學性能

第十一章聚合物的力學性能第1頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月主要學習內(nèi)容高分子材料的拉伸應力-應變特性應力－應變曲線及其類型影響拉伸行為的外部因素強迫高彈形變與“冷拉伸”高分子材料的斷裂和強度宏觀斷裂方式，脆性斷裂和韌性斷裂斷裂過程，斷裂的分子理論高分子材料的強度高分子材料的增強改性高分子材料的抗沖擊強度和增韌改性抗沖擊強度實驗影響抗沖擊強度的因素高分子材料的增韌改性第2頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1應力－應變曲線(a)(b)測試拉伸性質的樣品第3頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月§11.1.1非晶態(tài)高聚物的應力-應變曲線σ0σyσBYBεBε非晶態(tài)高聚物的應力-應變曲線第6頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

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Ypoint:Yieldingpoint屈服點Apoint:Pointofelasticlimit彈性極限點Bpoint:Breakingpoint斷裂點應力-應變曲線第7頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月你能解釋嗎？彈性形變屈服應變軟化冷拉應變硬化斷裂從分子運動機理解釋形變過程se第8頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月012345121086420,1000psi,inch1psi=6890Pa注意細頸現(xiàn)象第9頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶態(tài)聚合物典型應力-應變曲線StressStrain重要參數(shù)：(1)楊氏模量UltimateStrengthElongationatbreak(4)斷裂強度(5)斷裂伸長率(6)斷裂韌性YieldstressElongationatyield(2)屈服強度(3)屈服應變第10頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

量綱=Pam/m=N/m2m/m=J/m3以應力應變曲線測定的韌性第11頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月影響應力－應變曲線的因素(a)不同溫度a:T<<Tg

c:T<Tg(幾十度)d:T接近Tgb:T<TgTemperature

0°C50-70°C70°C0-50°CExample-PVC脆性斷裂韌性斷裂無屈服屈服后斷裂Results

TT第12頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月屈服應力與測試溫度的關系曲線第13頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（b）應變速率(2)(3)(4)應力應變(1)應變速率1＞2＞3＞4第14頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月Example:PMMA第15頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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,PMMANaturerubber,PIB(c)不同的化學結構第16頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(d)Crystallization結晶應變軟化更明顯，冷拉時晶片傾斜、滑移、轉動，形成微晶或微纖束。結晶聚合物應力－應變曲線與非晶態(tài)聚合物的拉伸機理相同嗎？第17頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(e)TheSizeofSpherulites球晶大小第18頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(f)TheDegreeofCrystallization結晶度第19頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月整個曲線可分為三個階段：到y(tǒng)點后，試樣截面開始變得不均勻，出現(xiàn)“細頸”?！?1.1.2晶態(tài)聚合物的應力一應變曲線

晶態(tài)聚合物“冷拉”的原因：晶態(tài)：Tm以下，發(fā)生結晶的破壞，取向，再結晶過程，與溫度、應變速率、結晶度、結晶形態(tài)有關。非晶態(tài)：Tg以下冷拉，只發(fā)生分子鏈的取向結晶聚合物應力－應變曲線第20頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶態(tài)聚合物與結晶聚合物的拉伸比較相似之處：兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應變硬化等階段，其中大形變在室溫時都不能自發(fā)回復，而加熱后則產(chǎn)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(xiàn)象通常稱為“冷拉”。區(qū)別：（1）產(chǎn)生冷拉的溫度范圍不同，非晶態(tài)聚合物的冷拉溫度區(qū)間是Tb到Tg，而結晶聚合物則為Tg至Tm。（2）非晶態(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，它只發(fā)生分子鏈的取向，并不發(fā)生相變，而后者尚包含有結晶的破壞，取向和再結晶等過程。第21頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月§11.1.3應力一應變曲線類型“軟”和“硬”用于區(qū)分模量的低或高，“弱”和“強”是指強度的大小，“脆”是指無屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長很小，“韌”是指其斷裂伸長和斷裂應力都較高的情況，有時可將斷裂功作為“韌性”的標志。聚合物應力－應變類型第22頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月11.2聚合物的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%－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”。屈服主要特征第23頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月Strainsoftening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。第24頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月11.2.1細頸

本質：剪切力作用下發(fā)生塑性流動A0FFFF第25頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月FαFFnFsA正應力斜截面面積

法向力Fn＝F·sinα切向力Fs＝F·cosα法應力：

切應力：

第26頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月∴當α＝90°時，法向應力最大；α＝45°或135°，切向應力最大

當法向應力大于拉伸強度，材料發(fā)生當切向應力大于剪切強度，材料發(fā)生斷裂屈服第27頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月幾何因素決定細頸產(chǎn)生的位置：

試樣尺寸在各處的微小差異，導致應力的差異，在某一點將首先達到屈服點，使形變更為容易。第28頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月工程應力和真應力

Engineeringstressandtruestress

EngineeringstressTruestressForceInitialcross-sectionareaForceCross-sectionareaRelationshipbetweenengineeringstressandtruestressunderincompressiblecondition第29頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月Considère作圖法:在真應力-應變曲線上確定與工程應力-應變屈服點Y所對應的B點。Y點第30頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月§11.2.2Shearband剪切帶定義：韌性聚合物單軸拉伸至屈服點時，可看到與拉伸方向成45°的剪切滑移變形帶，有明顯的雙折射現(xiàn)象，分子鏈高度取向，剪切帶厚度約1μm左右，每個剪切帶又由若干個細小的不規(guī)則微纖構成。第31頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月剪切屈服現(xiàn)象、機理及判據(jù)橫截面A0,受到的應力

0=F/A0拉伸中材料某個面受力分析剪切屈服：即在細頸發(fā)生前，試樣表面出現(xiàn)與拉伸方向成45度角的剪切帶。WHY？第32頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月斜截面A

受力法向應力剪切應力第33頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月抵抗外力的方式拉伸強度：抵抗拉力的作用剪切強度：抵抗剪切力的作用兩種當應力

0增加時，法向應力和剪切應力增大的幅度不同拉伸強度什么面最大？

=0，

n=0剪切強度什么面最大？

=45，

s=0/2第34頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月切應力雙生互等定律當=45時

s=

0/2當=-90=-45時

s=-

0/2發(fā)生屈服屈服判據(jù)雙軸拉伸屈服判據(jù)當=45時發(fā)生屈服第35頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月定義：銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，是聚合物在張應力作用下，在材料的某些薄弱部分出現(xiàn)應力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變的取向，以至在材料表面或內(nèi)部垂直于應力方向上出現(xiàn)長度為100μm，寬度為10μm左右，厚度為1μm的微細凹槽現(xiàn)象。特征：應力發(fā)白現(xiàn)象，密度為本體的50％，高度取向的高分子微纖。銀紋進一步發(fā)展→裂縫→脆性斷裂。分類環(huán)境銀紋溶劑銀紋應力銀紋§11.2.3Crazing銀紋第36頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月銀紋方向和分子鏈方向F第37頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

拉伸試樣在拉斷前產(chǎn)生銀紋化現(xiàn)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第38頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

ABS試樣在彎應力下產(chǎn)生銀紋的電鏡照片LDPE試樣在彎應力作用和在n-丙醇中浸泡時產(chǎn)生環(huán)境應力開裂的照片第39頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月環(huán)境應力開裂測試儀第40頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

PS試樣中的一條大銀紋，銀紋長45微米，最寬處寬約2微米結晶高聚物中球晶間的破壞a聚氨酯試樣中沿球晶邊緣出現(xiàn)空洞（薄膜試樣，TEM照片）b聚丙烯試樣中球晶間出現(xiàn)纖維（試樣斷裂表面，SEM照片）第41頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月

LDPE試樣因環(huán)境作用產(chǎn)生的銀紋特征，銀紋尖端區(qū)域形成孤立的空洞

LDPE試樣因應力作用產(chǎn)生的銀紋特征，銀紋尖端區(qū)域有塑化的銀紋質

兩種銀紋的差異第42頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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果冷拉裂縫第43頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月細頸、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10－100%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第44頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月強度是指物質抵抗破壞的能力拉伸應力拉伸強度彎曲力矩抗彎強度壓縮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？關鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂§11.3聚合物的斷裂與強度第45頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月11.3.1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，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。光滑大小粗糙第46頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月脆性斷裂和韌性斷裂表面

PS試樣脆性斷裂表面的電鏡照片

增韌改性PVC韌性斷裂表面的電鏡照片

第47頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月11.3.2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500MPa范德華力100MPa理論值第48頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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,60MPaPPO,70MPa理論值與實驗結果相差原因樣條存在缺陷應力集中第49頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月polymerbasedconcretecontainingsphericalinorganicparticlesfatiguefracturesurface第50頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月Comparingofbrittleandductilefractures（分析判斷）

脆性斷裂

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發(fā)向應力剪切應力發(fā)向應力剪切應力第51頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月脆韌轉變溫度TbTb

isalsocalledbrittletemperatureBrittleductiletransition脆韌轉變——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第52頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第53頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第54頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月斷裂應力和屈服應力

哪一個對應變速率更敏感？第55頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月脆性斷裂和韌性斷裂判斷T<Tb,先達到

b，脆性斷裂T>Tb,先達到

y，韌性斷裂第56頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月對材料一般使用溫度為哪一段？—T>TbTb越低材料韌性越好差第57頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月Example–PC聚碳酸酯Tg=150°CTb=-20°C室溫下易不易碎？第58頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月Example–PMMA聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100°CTb=90°C室溫下脆還是韌？第59頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月TheinfluenceonTb（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。第60頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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？Griffiththeory§11.3.2斷裂理論第61頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月無限大平板中橢圓形裂縫的應力集中考察橢圓周圍什么地方受力最大？—應力集中處（多大？）Ellipsoidab第62頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月公式表達對圓形，a=b對橢圓，a增加，b減小劇烈——最終結果就是斷裂打破沙鍋問到底問=紋第63頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月——討論什么時候裂紋開始擴展E-彈性儲存能Gc-拉伸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，結果：第64頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月臨界應力強度K1c和應力強度因子K1Criticalstressintensity

KIcStressintensityfactor

K1E-彈性儲存能；Gc-拉伸過程中材料所吸收的能量——為裂紋擴展阻力——為裂紋擴展動力力越強，大；裂縫越長，a越大第65頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月練習現(xiàn)有一塊有機玻璃(PMMA)板，內(nèi)有長度為10mm的中心裂紋，該板受到一個均勻的拉伸應力=450*106N/m2的作用力。已知該材料的臨界應力強度因子KIc=84.7*106N/m2.m1/2,安全系數(shù)n=1.5,問板材結構是否安全？a=10mm/2=5*10-3m臨界應力強度KIc應力強度因子K1裂紋穩(wěn)定第66頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月§11.4.1聚合物的拉伸強度

屈服強度斷裂強度拉伸強度

tb-試樣厚度，d-試樣寬度P-最大載荷1.拉伸強度§11.4聚合物的強度與韌性第67頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月拉伸模量

△P：形變較小時的載荷l0：試樣長度

第68頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月彎曲強度PP2P2l0彎曲模量

δ：撓度，試樣著力處的位移

第69頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月2.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第70頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月A考慮分子結構因素極性基團或氫鍵主鏈上含芳雜環(huán)結構適度的交聯(lián)結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第71頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月B考慮外界因素溫度高應變速率大高低高低拉伸強度

t第72頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月§11.4.2增強Reinforcement活性粒子（Powder）纖維Fiber液晶LiquidCrystalFiller填料增強途徑第73頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）活性粒子增強Carbonblackreinforcement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？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉第74頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）纖維增強Glasssteelboatglassyfiber+polyester增強機理：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第75頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（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，聚芳酯第76頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月§11.5聚合物的韌性與增韌§11.5.1沖擊強度Impactstrength——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：elasticizer,plasticizer,softener第77頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月沖擊強度測試可分為兩類，擺錘式和落重式擺錘沖擊包括Izod（懸臂梁）式和Charpy（簡支梁）式8mm10mm10mmIzodCharpy第78頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月Pendulummachine擺錘沖擊機Charpy簡支梁Izod懸臂梁第79頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第80頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第81頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月脆性斷裂和韌性斷裂表面

脆性試樣斷裂表面的照片韌性試樣斷裂表面的照片脆性試樣斷裂表面的電鏡照片韌性試樣斷裂表面的電鏡照片第82頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第83頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第84頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月§11.5.2影響沖擊強度的因素韌性好壞順序a>b>c>dc>d>b>ad>c>b>a——曲線下的面積代表所吸收能量因素強度延展性請判斷第85頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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構適度交聯(lián)結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第86頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月外界因素溫度高應變速率大好差好差沖擊強度

i即韌性第87頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月§11.5.3聚合物的增韌(1)橡膠增韌塑料橡膠增韌塑料e.gPVC＋CPE，PP＋EPDM增韌效果取決于分散相相疇大小和界面粘接力,即兩者相容性第88頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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。三軸應力空化機理:基體與分散相界面呈現(xiàn)脫離狀態(tài),在外力作用下發(fā)生三軸應力致使分散相粒子周圍空化而吸收能量。第89頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2