6-屈服、斷裂和強度

1、第六節(jié) 高聚物的屈服、斷裂和強度,2020/10/7,2,研究內(nèi)容,研究對象 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用后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂。 主要內(nèi)容 一、高分子材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性 二、高聚物的屈服 三、高分子材料的斷裂和強度,2020/10/7,3,一、高聚物的拉伸特性,拉伸特性的研究方法 研究材料強度和破壞的重要實驗手段是測量材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性。 將材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖6-1所示，以規(guī)定的速度均勻拉伸，測量試樣上的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，直到試樣破壞。,2020/10/7,4,1.1 典型高聚物的拉伸特性,高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,2020/10

2、/7,5,曲線特性分析（信息？）,圖6-2 玻璃態(tài)或結(jié)晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,應(yīng)變軟化,應(yīng)變硬化,冷拉,2020/10/7,6,形變過程,彈性形變 -屈服-應(yīng)變軟化-冷拉-應(yīng)變硬化-斷裂,從分子運動機理解釋上述過程,2020/10/7,7,1.1.1 應(yīng)變軟化,應(yīng)變軟化： 當(dāng)應(yīng)力超過屈服應(yīng)力A后，應(yīng)力與應(yīng)變不再保持線性關(guān)系，到達Y點，應(yīng)力達到最大值，此時非晶態(tài)高聚物的鏈段開始運動，卷曲的分子鏈沿拉伸方向伸展，結(jié)晶態(tài)高聚物的微晶也進行重排，甚至某些晶體可能破裂，發(fā)生取向，出現(xiàn)較大應(yīng)變，而應(yīng)力幾乎不變或先降低后不變。,2020/10/7,8,1.1.2 冷拉伸,冷拉伸 高聚物材料在低溫下（非晶

3、高聚物低于Tg，結(jié)晶高聚物低于Tm），受外力作用而產(chǎn)生大形變的現(xiàn)象。 這種大形變在外力撤消后不回復(fù)，通過適當(dāng)升溫（TTg或Tm）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)，屬于強迫高彈形變。 冷拉伸時試樣的變化,2020/10/7,9,冷拉伸的微觀機理,非晶態(tài)聚合物 當(dāng)溫度處于Tb TTg時，被凍結(jié)的鏈段在外力作用下強迫運動，產(chǎn)生大變形。 結(jié)晶聚合物 在溫度處于Tb TTm區(qū)間發(fā)生冷拉伸時，除了非晶態(tài)的鏈段發(fā)生強迫高彈形變，還包括晶區(qū)的微晶在應(yīng)力作用下使原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，球晶、片晶被拉開分裂成更小的結(jié)晶單元，分子鏈從晶體中被拉出、伸直，沿著拉伸方向排列形成的大形變的過程。,2020/10/7,10,冷拉伸微觀機理分

4、析圖,球晶內(nèi)部晶片拉伸變化示意圖,2020/10/7,11,1.1.3 應(yīng)變硬化,應(yīng)變硬化： 在應(yīng)力的繼續(xù)作用下，從大量的分子鏈段取向運動發(fā)展到整條分子鏈取向排列，取向后分子鏈排列緊密規(guī)整，被破壞的微晶取向從而形成新的結(jié)晶，使材料的強度進一步提高。此時應(yīng)變變化不大，而應(yīng)力又急劇增加，直至斷裂。,2020/10/7,12,1. 2 影響高聚物拉伸特性的因素,(a) 溫度的影響,T,溫度升高，材料模量和強度下降，伸長率變大。,2020/10/7,13,(b) 拉伸速率的影響,提高拉伸速率，材料模量、屈服應(yīng)力和拉伸強度增加，斷裂伸長率降低，與降低溫度對材料拉伸行為有相似的影響，這是時-溫等效原理在高

5、分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。,2020/10/7,14,(c) 物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成,2020/10/7,15,二、高分子材料的屈服,屈服的形式 銀紋屈服 剪切屈服,2020/10/7,16,2.1 銀紋屈服,銀紋化現(xiàn)象 許多聚合物，尤其是玻璃態(tài)透明聚合物如PS、PMMA、PC等，在存儲及使用過程中，由于應(yīng)力和環(huán)境因素的影響，表面往往會出現(xiàn)一些微裂紋。有這些裂紋的平面能強烈反射可見光，形成銀色的閃光，故稱為銀紋，相應(yīng)的開裂現(xiàn)象稱為銀紋化現(xiàn)象。,2020/10/7,17,產(chǎn)生銀紋的原因 力學(xué)因素（拉應(yīng)力、彎應(yīng)力） 環(huán)境因素（與某些化學(xué)物質(zhì)相接觸） 銀紋和裂縫的區(qū)別 裂縫是宏觀開裂，內(nèi)部質(zhì)量為零；而銀紋內(nèi)部有物

6、質(zhì)填充著，質(zhì)量不等于零，該物質(zhì)稱銀紋質(zhì)，是由高度取向的聚合物纖維束構(gòu)成。 銀紋具有可逆性，在壓應(yīng)力下或在Tg以上溫度退火處理，銀紋會回縮或消失，材料重新回復(fù)光學(xué)均一狀態(tài)。,2020/10/7,18,銀紋的微觀結(jié)構(gòu),銀紋質(zhì)（微纖）平行于外力方向，銀紋長度方向與外力垂直。,2020/10/7,19,2. 2 剪切屈服,剪切屈服 拉伸時在細頸出現(xiàn)之前，試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成45的剪切滑移變形帶，從而使形變增大的現(xiàn)象。 剪切屈服帶的形成 在最大剪應(yīng)力平面上由于應(yīng)變軟化引起分子鏈滑動形成剪切應(yīng)變的薄層。,PC,2020/10/7,20,銀紋與剪切屈服的區(qū)別,2020/10/7,21,三、高分子材料的斷裂

7、及強度,3.1 宏觀斷裂方式 脆性斷裂 發(fā)生脆性斷裂時，斷裂表面較光滑或略有粗糙，斷裂面垂直于主拉伸方向，試樣斷裂后，殘余形變很小。 韌性斷裂 韌性斷裂時，斷裂面與主拉伸方向多成45角，斷裂表面粗糙，有明顯的屈服（塑性變形、流動等）痕跡，形變不能立即恢復(fù)。,2020/10/7,22,脆性斷裂和韌性斷裂判斷,2020/10/7,23,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,2020/10/7,24,3.2 斷裂過程的分子理論,在外應(yīng)力作用下材料發(fā)生形變后，微觀分子鏈范圍內(nèi)會引起各種響應(yīng)，聚合物材料的破壞可能是高分子主鏈的化學(xué)鍵斷裂或是高分子分

8、子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。,2020/10/7,25,3.3 高分子材料的強度,3.3.1 理論強度和實際強度 理論強度是人們從化學(xué)結(jié)構(gòu)可能期望的材料極限強度，根據(jù)材料斷裂的方式計算，通常聚合物理論斷裂強度在幾千MPa，而實際強度只有幾十Mpa 。,理論值與實驗結(jié)果偏離的原因,存在缺陷,應(yīng)力集中,2020/10/7,26,2020/10/7,27,研究表明，材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的不均勻和缺陷是導(dǎo)致強度下降的主要原因。實際高分子材料中總是存在這樣那樣的缺陷，如表面劃痕、雜質(zhì)、微孔、晶界及微裂縫等，這些缺陷尺寸很小但危害很大。 在材料使用過程中，由于孔穴的應(yīng)力集中效應(yīng)，有可能使孔穴附近分子鏈

9、承受的應(yīng)力超過實際材料所受的平均應(yīng)力幾十倍或幾百倍，以至達到材料的理論強度，使材料在這些區(qū)域首先破壞，繼而擴展到材料整體。,2020/10/7,28,3.3.2 影響高聚物材料強度的因素,1）分子結(jié)構(gòu)的影響,2020/10/7,29,2）溫度與形變速率的影響,溫度的影響 在一定速率下，測定材料的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨溫度的變化，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線。 溫度對斷裂強度影響較小， 而對屈服強度影響較大， 溫度升高，材料屈服強度 明顯降低。,2020/10/7,30,應(yīng)變速率的影響 在一定溫度下，測定材料的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨應(yīng)變速率的變化，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系曲線。 應(yīng)變速率越高，材料的 屈服強度和斷裂強度都 增加，但屈服強度對應(yīng) 變速率更敏感。,2020/10/7,31,3）配方成分的影響,增塑劑 加入增塑劑，材料強度