第八章-聚合物的斷裂和強(qiáng)度..ppt

聚合物流變學(xué)基礎(chǔ) 主講人 孫立波計(jì)劃學(xué)時(shí) 32聯(lián)系方式 新理工樓7210sunlibo0536 主要參考書目 顧國芳 浦鴻汀 聚合物流變學(xué)基礎(chǔ) 吳其曄 巫靜安 高分子材料流變學(xué) 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 1聚合物的斷裂模式 聚合物的斷裂現(xiàn)象十分復(fù)雜 聚合物材料的斷裂模式是多種多樣的 根據(jù)斷裂的吸收能量的大小或者斷裂點(diǎn)的不同 可分為脆性斷裂和韌性斷裂 脆性斷裂 發(fā)生在材料屈服之前 材料只有普彈形變 應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系或者接近線性關(guān)系 形變量小 斷伸率小于5 在拉伸應(yīng)力的作用下 微裂紋會(huì)迅速發(fā)展 最終導(dǎo)致脆性斷裂 韌性斷裂 發(fā)生在材料屈服之后 材料先發(fā)生屈服 隨后發(fā)生大的形變 應(yīng)力應(yīng)變呈非線性關(guān)系 形變量大 斷伸率大于10 然后由于屈服剪切帶的發(fā)展最終導(dǎo)致韌性斷裂 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 1聚合物的斷裂模式 根據(jù)受載條件的不同 可以分為以下幾類 直接加載下的斷裂 材料在拉伸 壓縮 剪切等載荷作用下形變直至發(fā)生快速斷裂 材料斷裂時(shí)的應(yīng)力叫做斷裂強(qiáng)度 材料在沖擊載荷作用下的斷裂也屬于這一類 其特殊性僅在于加載速率非常之高 疲勞斷裂 材料在一個(gè)應(yīng)力水平低于其斷裂強(qiáng)度的交變應(yīng)力作用下 經(jīng)多次循環(huán)作用而斷裂 材料的疲勞過程是材料中微觀局部損傷的擴(kuò)展過程 使材料發(fā)生疲勞斷裂所需經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)稱為材料的疲勞壽命 一般用Nf表示 材料所受的應(yīng)力水平越低 疲勞壽命越長 當(dāng)應(yīng)力水平低于某個(gè)臨界值時(shí) 材料不出現(xiàn)疲勞斷裂 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 1聚合物的斷裂模式 根據(jù)受載條件的不同 可以分為以下幾類 蠕變斷裂 材料在一個(gè)低于其斷裂強(qiáng)度的恒定應(yīng)力的長期作用下發(fā)生斷裂 也叫做靜態(tài)疲勞 聚合物從蠕變開始直至斷裂所需的時(shí)間t與所受應(yīng)力 的關(guān)系一般符合公式t Ae B 環(huán)境應(yīng)力開裂 材料在腐蝕性環(huán)境和應(yīng)力的共同作用下發(fā)生開裂 在這種破壞模式中 環(huán)境因素的作用是第一位的 應(yīng)力雖然是必要的因素 但居于第二位 表征材料抗環(huán)境應(yīng)力開裂的指標(biāo)是該材料的標(biāo)準(zhǔn)條狀試樣在單軸拉伸和接觸某種介質(zhì)的條件下直至斷裂所需的時(shí)間 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 1聚合物的斷裂模式 根據(jù)受載條件的不同 可以分為以下幾類 磨損磨耗 一種材料在與另一種材料的摩擦過程中 其表面材料以小顆粒形式斷裂下來 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 線型無定型聚合物的斷裂過程 T Tg 非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力 應(yīng)變曲線 按材料斷裂點(diǎn)的不同 可以分為脆性斷裂和韌性斷裂 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 脆性斷裂 高聚物典型的斷裂行為 定義 如果斷裂發(fā)生在a點(diǎn)以下 材料不發(fā)生屈服 這種斷裂稱為脆性斷裂 斷裂的前只發(fā)生很小的變形 斷裂后變形消失 特征 應(yīng)變較小 低于彈性極限a點(diǎn) 應(yīng)力應(yīng)變有線性關(guān)系 在該范圍材料變形是線性彈性 符合虎克定律 E 直線的斜率為彈性模量 形變的發(fā)生只涉及鍵的拉伸 彎曲和鍵角變化 是可完全回復(fù)的變形 這部分變形也稱為普彈變形 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 脆性斷裂 高聚物典型的斷裂行為 斷裂機(jī)理 脆性斷裂過程有兩個(gè)階段 首先由一最危險(xiǎn)處形成裂紋源并緩慢發(fā)展而形成鏡面區(qū) 這是第一階段 當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定長度 臨界值 時(shí) 斷裂立即發(fā)生 這是第二階段 即快速發(fā)展階段 這個(gè)階段產(chǎn)生的斷面是粗糙區(qū) 從宏觀上看斷口呈一個(gè)面 實(shí)際上有許多凸凹不平的局部斷裂特征 脆性斷裂時(shí)斷裂面的特征是其截面積基本不變 即末留下永久變形 在斷裂面的光滑區(qū)有肋狀條紋和雙曲線形狀的次級(jí)斷裂線 在粗糙區(qū)是快速斷裂形成的山脊?fàn)钐卣?雙曲線形狀的次級(jí)斷裂的尖端指向裂紋源 發(fā)生脆性斷裂的條件是材料的脆性斷裂強(qiáng)度低于其屈服強(qiáng)度 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 脆性斷裂 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 脆性斷裂 高聚物典型的斷裂行為 在脆性斷裂的應(yīng)力應(yīng)變區(qū)直線的斜率即為彈性模量 可以定義材料的兩個(gè)性能 剛性 表示材料抵抗變形的能力 它的大小用彈性模量來衡量 也即應(yīng)力應(yīng)變圖中直線的斜率 斜率越大 模量越高 剛性越大 俗稱越硬 強(qiáng)度 斷裂時(shí)的應(yīng)力高低表示材料的強(qiáng)度 強(qiáng)度表示固體材料對(duì)其本身破壞的阻力 也即阻止它的斷裂或者阻止它的不可逆形變時(shí)的最大應(yīng)力 在脆性斷裂時(shí)則為阻止破裂的最大應(yīng)力 脆性斷裂強(qiáng)度用 B表示 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 韌性斷裂 非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力 應(yīng)變曲線 如果應(yīng)力在達(dá)到彈性極限時(shí)并不斷裂而是繼續(xù)上升 到達(dá)某個(gè)應(yīng)力 y時(shí) 應(yīng)力開始下降 我們說材料發(fā)生了屈服 發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力 用 y表示 從微觀上講 在應(yīng)力超過 y后 應(yīng)力已足以克服鏈段運(yùn)動(dòng)所需克服的勢壘 鏈段開始運(yùn)動(dòng) 甚至發(fā)生分子鏈之間相互滑移 即流動(dòng) 超過屈服應(yīng)力后應(yīng)力一般略有下降 原因可能有兩個(gè)方面 一方面屈服后鏈段開始運(yùn)動(dòng) 與線彈性變形涉及的鍵拉伸等變形相比所需應(yīng)力較小 另一方面是在屈服后試樣的截面積變小 達(dá)到同一應(yīng)力所需的作用力就相應(yīng)較小 而應(yīng)力應(yīng)變曲線中的工程應(yīng)力仍以原始面積計(jì)算應(yīng)力 這種應(yīng)力下降的現(xiàn)象稱為應(yīng)力軟化 是材料屈服的特征 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 韌性斷裂 超過屈服后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象一般稱為韌性斷裂 韌性斷裂可能會(huì)有幾種不同的情況 在屈服強(qiáng)度達(dá)到后應(yīng)變發(fā)展不大時(shí)就發(fā)生斷裂 斷裂時(shí)的應(yīng)力低于屈服應(yīng)力 y 這種材料雖有韌性 但韌性很小 其強(qiáng)度應(yīng)以屈服應(yīng)力表示 這種韌性斷裂稱為 非應(yīng)變硬化斷裂 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 韌性斷裂 超過屈服后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象一般稱為韌性斷裂 韌性斷裂可能會(huì)有幾種不同的情況 在屈服后應(yīng)力基本不變而應(yīng)變不斷增大 在試樣的某些部位截面則突然縮小 形成一個(gè)細(xì)頸 形成細(xì)頸后繼續(xù)拉伸時(shí) 或者是細(xì)頸部分不斷地變得更細(xì) 或者是細(xì)頸直徑不變 出現(xiàn)細(xì)頸的肩部被拉伸成細(xì)頸部 但細(xì)頸越來越長 這時(shí)應(yīng)力近似恒定 這種現(xiàn)象稱為冷拉伸 或冷流動(dòng) 在冷拉伸后應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)上升的現(xiàn)象 稱為應(yīng)力硬化 最后發(fā)生斷裂 這種斷裂也稱為 應(yīng)變硬化斷裂 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 韌性斷裂 超過屈服后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象一般稱為韌性斷裂 韌性斷裂可能會(huì)有幾種不同的情況 機(jī)理 從微觀上來說 在屈服點(diǎn)后高分子鏈段開始運(yùn)動(dòng) 對(duì)處于玻璃態(tài)的聚合物來說 鏈段是被凍結(jié)的 由于受外力的作用鏈段被迫運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的變形 因此這種性質(zhì)被稱為強(qiáng)迫高彈性 這種變形主要由鏈段運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生 對(duì)線性聚合物來說 雖無交聯(lián) 但出于分子鏈的纏結(jié) 這種變形本質(zhì)上大部分是彈性的 即可回復(fù)的 其中有部分變形可能涉及分子的滑移即流動(dòng) 但是 當(dāng)外力除去后 因?yàn)樘幱诓ＡB(tài) 這種彈性變形被 凍結(jié) 起來 只有加熱至Tg以上時(shí)才有可能回復(fù) 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 韌性斷裂 韌性表示在外力作用下材料變形破壞時(shí)外力所作的功 可以用下圖曲線下的面積大小表示 面積大的為韌性大的材料 反之為韌性小的材料 延伸率 斷裂時(shí)的應(yīng)變 越大 斷裂能愈高 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 韌性斷裂 如果線性聚合物的溫度高于Tg 它又處于高彈態(tài) 因此這時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線中沒有屈服點(diǎn) 或者說它的 y 0 其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為非線性的 如下圖d所示 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 韌性斷裂 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 聚合物斷裂過程的分類 綜上所述 線型無定型聚合物的斷裂過程大致可分為以下六種類型 它們拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線如下圖所示 硬而脆的材料 硬而強(qiáng)的材料 強(qiáng)而韌的材料 軟而韌的材料 軟而弱的材料 弱而脆的材料 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 聚合物斷裂過程的分類 硬而脆的材料 它在屈服點(diǎn)前發(fā)生脆性斷裂 應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率較大 即具有較高的彈性模量 同時(shí)斷裂時(shí)的應(yīng)力較高 即具有較高的斷裂抗拉強(qiáng)度 無定型聚苯烯的斷裂屬于這種類型 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 聚合物斷裂過程的分類 硬而強(qiáng)的材料 它在斷裂前發(fā)生屈服 為韌性斷裂 但只有應(yīng)力軟化 斷裂強(qiáng)度低于屈服應(yīng)力 斷裂延伸較小 即斷裂能小 韌性小 同時(shí)其屈服應(yīng)力較高 彈性模量較高 硬聚氯乙烯的斷裂屬于這種類型 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 聚合物斷裂過程的分類 強(qiáng)而韌的材料 發(fā)生屈服 延伸率大 并發(fā)生應(yīng)變硬化 斷裂強(qiáng)度高于屈服應(yīng)力 同時(shí)模量高 斷裂強(qiáng)度也高 是高性能的材料 工程塑料如聚碳酸酯的斷裂屬于這種類型 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 聚合物斷裂過程的分類 軟而韌的材料 在較低的應(yīng)力發(fā)生屈服 模量較低 但斷裂延伸較大 斷裂應(yīng)力也較低 這種材料也稱為柔性材料 其柔性好 軟聚氯乙烯 低密度聚乙烯的斷裂屬于這種類型 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 聚合物斷裂過程的分類 軟而弱的材料 模量低 但有一定延伸 斷裂強(qiáng)度低 末硫化的橡膠的斷裂屬于這種類型 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 聚合物斷裂過程的分類 弱而脆的材料 發(fā)生脆性斷裂 而且模量很低 固體狀態(tài)的低聚物 如熱塑性酚醛樹脂 環(huán)氧樹脂的斷裂屬于這種類型 它們必須經(jīng)交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)才能作為材料使用 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 聚合物斷裂過程的分類 評(píng)判材料的力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)可歸納為下表 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 聚合物斷裂過程的分類 評(píng)判材料的力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)可歸納為下表 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 晶態(tài)聚合物的斷裂行為 未取向的結(jié)晶聚合物拉伸斷裂時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線通常如圖中c的形狀 即發(fā)生細(xì)頸現(xiàn)象并有應(yīng)變硬化現(xiàn)象 解釋 當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí) 外力已足夠克服晶格能 結(jié)晶破壞 開始出現(xiàn)細(xì)頸 同時(shí)鏈段開始運(yùn)動(dòng) 產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變 分子鏈段沿拉伸方向取向 并重新形成結(jié)晶 如果這時(shí)聚合物重新結(jié)晶的速度足夠大 那么分子鏈會(huì)沿外力方向重新排列成結(jié)晶 成為取向態(tài)的聚合物結(jié)晶 如果結(jié)晶速率太低 就成為取向的無定形聚合物 等細(xì)頸發(fā)展完全 即分子鏈完全取向后 應(yīng)力開始上升 即進(jìn)一步變形要克服分子間的力甚至鍵力 即發(fā)生應(yīng)變硬化 最后當(dāng)外力高于分子間力和鍵力時(shí)發(fā)生斷裂 因此在結(jié)晶聚合物斷裂過程中有相變發(fā)生 即首先結(jié)晶破壞 然后在取向過程重新形成結(jié)晶或形成取向的無定形聚合物 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 晶態(tài)聚合物的斷裂行為 拉伸時(shí)出現(xiàn)細(xì)頸的應(yīng)力稱為重結(jié)晶應(yīng)力或強(qiáng)迫高彈性應(yīng)力 是結(jié)晶聚合物的重要機(jī)械性能之一 結(jié)晶聚合物已經(jīng)取向拉伸 則有各向異性 結(jié)晶聚合物經(jīng)拉伸取向后 在拉伸方向的強(qiáng)度大大高于未拉伸方向的強(qiáng)度 原因是拉伸方向的形變是由于鍵的拉直引起的 未拉伸方向的形變是因?yàn)榉肿渔溨g的距離拉長引起的 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 晶態(tài)聚合物的斷裂行為 單向拉伸的結(jié)晶聚合物的斷裂行為與拉伸的方向有關(guān) 拉伸方向與原來單向拉伸取向方向相同時(shí)如取向程度已相當(dāng)高 則拉伸時(shí)不再發(fā)生屈服 延伸率也較小 如取向程度較低 則可能有較大的延伸 拉伸方向與原來取向的方向垂直 則如果脆性斷裂強(qiáng)度低于重結(jié)晶應(yīng)力 即在重結(jié)晶前斷裂 則發(fā)生脆性斷裂 強(qiáng)度較低 如重結(jié)晶應(yīng)力較低 則斷裂過程類似于未取向的結(jié)晶聚合物 分子鏈在垂直方向重新取向和結(jié)晶 最后得到與原取向方向垂直的新結(jié)晶聚合物 最后經(jīng)應(yīng)變硬化斷裂 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 橡膠的斷裂 在不同應(yīng)變速率下 或不同溫度下 測定橡膠的應(yīng)力應(yīng)變曲線 可得到如圖的結(jié)果 圖中OA OB OC等為在不同應(yīng)變速率下測得的應(yīng)力應(yīng)變曲線 應(yīng)變速率按圖中箭頭方向增大 A B C各點(diǎn)為不同應(yīng)變速率時(shí)的斷裂點(diǎn) 由圖可見 隨著應(yīng)變速率的提高 斷裂應(yīng)力提高 而延伸率先升后降 將斷裂點(diǎn)A B C等連接起來得到的曲線稱為包絡(luò)線 橡膠的斷裂行為 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 橡膠的斷裂 根據(jù)包絡(luò)線 可以分析橡膠的力學(xué)行為 例如在某溫度G時(shí) 如保持 G不變 提高溫度 這時(shí)應(yīng)力發(fā)生松弛降低到G 時(shí)與包絡(luò)線相交 試樣斷裂 如保持應(yīng)力不變 提高溫度則應(yīng)變發(fā)展到與包絡(luò)線相交于G 點(diǎn) 試樣斷裂 但如果試樣處于D時(shí) 則提高溫度時(shí) 應(yīng)力應(yīng)變不會(huì)與包絡(luò)線相交 而與OA相交 橡膠的斷裂行為 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 溫度和應(yīng)變速率對(duì)斷裂行為的影響 1 溫度的影響 溫度對(duì)線型聚合物的斷裂行為有很大影響 圖為不同溫度時(shí)聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力應(yīng)變曲線 溫度的改變可使其斷裂從脆性斷裂變?yōu)轫g性斷裂 如圖所示 在溫度低于400C時(shí) 它表現(xiàn)為脆性斷裂 模量和斷裂強(qiáng)度隨溫度的升高而降低 溫度高于400C時(shí) 它表現(xiàn)為韌性斷裂 隨溫度的上升延伸提高 屈服應(yīng)力下降 溫度對(duì)斷裂行為的影響 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 溫度和應(yīng)變速率對(duì)斷裂行為的影響 1 溫度的影響 根據(jù)脆性 延性轉(zhuǎn)變理論 假定脆性斷裂 斷裂應(yīng)力為 B 和韌性斷裂 屈服應(yīng)力 y 是相互獨(dú)立的過程 它們對(duì)溫度有不同的依賴關(guān)系 隨溫度的升高 它們都隨之下降 但下降的速率不同 在溫度低時(shí) 脆性斷裂應(yīng)力 B低于屈服應(yīng)力 y 因此當(dāng)外力首先達(dá)到 B時(shí) 發(fā)生脆性斷裂 B隨溫度下降的變化率較 y隨溫度的變化率小 因而兩條曲線之間會(huì)在某個(gè)溫度相交 該溫度就是脆性韌性斷裂轉(zhuǎn)變溫度 對(duì)輕度交聯(lián)聚合物即橡膠而言 該溫度稱為脆化溫度TB 脆性韌性轉(zhuǎn)變溫度 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 溫度和應(yīng)變速率對(duì)斷裂行為的影響 2 應(yīng)變速率的影響 根據(jù)時(shí)溫等效原理 應(yīng)變速率變化與溫度變化等效 即提高應(yīng)變速率與降低溫度等效 降低應(yīng)變速率與升高溫度等效 下圖為聚丙烯在不同拉伸速率時(shí)的斷裂行為 由圖可見 在高拉伸速率時(shí)的行為與低溫時(shí)相同 表現(xiàn)為延伸較小 韌性降低 從分子角度看 在低溫和高應(yīng)變速率下 分子鏈段不能運(yùn)動(dòng) 因而表現(xiàn)出脆性 而提高溫度和在低應(yīng)變速率下 分子鏈段有足夠的時(shí)間運(yùn)動(dòng) 因而表現(xiàn)出韌性 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 溫度和應(yīng)變速率對(duì)斷裂行為的影響 3 應(yīng)力性質(zhì)的影響 在不同性質(zhì)應(yīng)力作用下 同一材料可表現(xiàn)出不同的斷裂行為 壓縮 簡單剪切 拉伸 沖擊 延性減小 脆性增大 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 2聚合物的斷裂過程和斷裂強(qiáng)度 溫度和應(yīng)變速率對(duì)斷裂行為的影響 3 應(yīng)力性質(zhì)的影響 動(dòng)態(tài)負(fù)荷下 聚合物在106 107周期后破裂 同時(shí)應(yīng)力水平比靜態(tài)負(fù)荷下的屈服應(yīng)力或極限應(yīng)力低得多 在長時(shí)間應(yīng)力作用下 由于聚合物的蠕變 聚合物的斷裂強(qiáng)度降低 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 3固體聚合物的屈服行為 固體聚合物屈服行為的特點(diǎn) 在拉伸試驗(yàn)中固體聚合物發(fā)生屈服時(shí) 發(fā)生剪切變形 通常稱為剪切屈服 這種屈服變形隨試驗(yàn)條件不同其大小和性質(zhì)不向 如溫度較低 屈服后發(fā)生強(qiáng)迫高彈性 形變大 而且大部分變形是彈性的 但被凍結(jié) 升高溫度可以回復(fù) 如果溫度較高 則屈服后的變形可能大部分由分子鏈相互滑移造成 是不可回復(fù)的形變 這種變形可稱為塑性變形 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 3固體聚合物的屈服行為 固體聚合物屈服行為的特點(diǎn) 1 聚合物如發(fā)生屈服 屈服后一般發(fā)生應(yīng)變軟化 屈服應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變較小 2 屈服應(yīng)力對(duì)溫度和應(yīng)變速率較敏感 它隨溫度升高較快下降 3 當(dāng)溫度高于玻璃化溫度時(shí) 屈服應(yīng)力很快趨于0 4 結(jié)晶聚合物屈服后 可以形成細(xì)頸 并發(fā)生相變化 原有的結(jié)晶破壞 重新形成新的結(jié)晶 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 3固體聚合物的屈服行為 屈服和冷拉伸條件的判定 在線性彈性中 作用力f與試樣的原始截面積A0之比表示應(yīng)力 稱為工程應(yīng)力 因?yàn)樵诰€性彈性變形中截面積變化很小 在討論聚合物的屈服行為時(shí) 由于應(yīng)變較大 試樣的截面積在應(yīng)變過程中變化較大 其實(shí)際面積Af比原始面積小許多 因此真實(shí)應(yīng)力 f比工程應(yīng)力大 f f Af f A0 假定材料不可壓縮 0 5 變形中體積保持不變 l A0 lf Af l和lf為試樣原始長度和實(shí)際長度 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 3固體聚合物的屈服行為 屈服和冷拉伸條件的判定 Af A0 l lf 1 為拉伸比 Af 1A0 f f Af f 1A0 f f Af f A0 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 3固體聚合物的屈服行為 屈服和冷拉伸條件的判定 若以 f與應(yīng)變作圖所得曲線稱為真應(yīng)力應(yīng)變曲線 下圖畫出了工程應(yīng)力應(yīng)變曲線和真應(yīng)力應(yīng)變曲線 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線上的極大值出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)力可認(rèn)為是屈服應(yīng)力 即d d 0 屈服應(yīng)力符合如下條件 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線與真應(yīng)力應(yīng)變曲線 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 3固體聚合物的屈服行為 屈服和冷拉伸條件的判定 f f 或 1 d d 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 3固體聚合物的屈服行為 屈服和冷拉伸條件的判定 用作圖法求出屈服時(shí)的真應(yīng)力 該方法稱為Considere作圖法 如下圖所示 通過拉伸比和應(yīng)力為零的一點(diǎn)作真應(yīng)力應(yīng)變曲線的切線 則相切點(diǎn)A的真應(yīng)力符合式8 3的條件 該點(diǎn)時(shí)的真實(shí)應(yīng)力為屈服真應(yīng)力 Considere作圖法 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 3固體聚合物的屈服行為 屈服和冷拉伸條件的判定 Considere作圖法可用來判斷一種聚合物是否屈服和冷拉伸 可能會(huì)有三種真應(yīng)力應(yīng)變曲線 如圖所示 第一種情況 圖a d f d 總是大于 f 說明該材料不發(fā)生屈服 過 f 0 0這點(diǎn)畫不出該曲線的切線 橡膠在溫度高于Tg時(shí) 如氯丁膠屬于這種情況 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 3固體聚合物的屈服行為 屈服和冷拉伸條件的判定 Considere作圖法可用來判斷一種聚合物是否屈服和冷拉伸 可能會(huì)有三種真應(yīng)力應(yīng)變曲線 如圖所示 第二種情況 圖b 在曲線有一點(diǎn)可畫出通過 f 0 0點(diǎn)的切線 說明在該點(diǎn)的真應(yīng)力材料發(fā)生屈服 形成細(xì)頸 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 3固體聚合物的屈服行為 屈服和冷拉伸條件的判定 Considere作圖法可用來判斷一種聚合物是否屈服和冷拉伸 可能會(huì)有三種真應(yīng)力應(yīng)變曲線 如圖所示 第三種情況 圖c 在曲線有兩點(diǎn)可通過 f 0 0點(diǎn)作切線 表示在第一個(gè)真應(yīng)力處發(fā)生屈服 并發(fā)生冷拉伸 然后在第二個(gè)真應(yīng)力處發(fā)生應(yīng)變硬化 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 4固體聚合物的強(qiáng)度 材料的強(qiáng)度表征材料抵抗斷裂的能力 從分子結(jié)構(gòu)的角度來看 聚合物之所以具有抵抗外力破壞的能力 主要靠分子內(nèi)的化學(xué)鍵力和分子間的范德華力和氫鍵 聚合物斷裂的微觀機(jī)理有的三種可能 如果高分子鏈的排列方向是平行于受力方向的 則斷裂時(shí)可能是化學(xué)鍵的斷裂或分子間的滑脫 如果高分子鏈的排列方向是垂直于受力方向的 則斷列時(shí)可能是范德華力或氫鍵的破壞 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 4固體聚合物的強(qiáng)度 實(shí)際材料的強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低的多的原因 a 實(shí)際的聚合物的分子鏈的取向 分子鏈的定向分布 不是理想的取向 b 聚合物的缺陷 如表面劃痕 內(nèi)部夾雜 微孔 銀紋 裂縫等 聚合物的實(shí)際斷裂行為與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 1 化學(xué)本性的影響 從結(jié)構(gòu)角度考慮 使聚合物具有結(jié)晶性 引入交聯(lián)鍵和增加分子鏈的剛性均有利于提高材料的強(qiáng)度 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 4固體聚合物的強(qiáng)度 聚合物的實(shí)際斷裂行為與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 2 分子量的影響 分子鏈化學(xué)成分決定以后 分子量及其分布對(duì)強(qiáng)度有較大的影響 一般來說 分子量越大 強(qiáng)度也越高 3 結(jié)晶和取向的影響 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 4聚合物斷裂的裂縫理論 斷裂的裂縫理論認(rèn)為 這些裂縫和缺陷會(huì)使應(yīng)力局部集中于其尖端 大大超過試樣受到的平均應(yīng)力 當(dāng)它達(dá)到和超過某一臨界條件時(shí) 裂縫失去穩(wěn)定性而發(fā)生擴(kuò)展 最終在低的名義應(yīng)力下引起材料的斷裂 應(yīng)力集中隨平均應(yīng)力的增大和裂縫尖端處半徑的減小而增大 若能消除裂縫或者鈍化裂縫的銳度 則材料強(qiáng)度可相應(yīng)得到提高 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 4聚合物斷裂的裂縫理論 玻璃態(tài)聚合物的表面常出現(xiàn)一些肉眼可見的閃亮的微細(xì)裂紋 稱為銀紋 銀紋區(qū)別于裂縫的特點(diǎn) 銀紋的質(zhì)量不為零 在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)連續(xù)性 銀紋具有可逆性 含有銀紋的樣品在壓縮力的作用下或者在Tg以上溫度退火處理時(shí) 樣品中的銀紋趨向回縮和消失 并能回復(fù)到開裂時(shí)的光學(xué)均一狀態(tài) 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 4聚合物斷裂的裂縫理論 Griffith斷裂理論 裂縫應(yīng)力公式 問題 一個(gè)具有尖銳裂縫的材料有沒有有限的強(qiáng)度 Griffith理論的兩個(gè)假設(shè) 斷裂要產(chǎn)生新的表面 需要一定的表面能 斷裂產(chǎn)生新表面所需要的表面能是由材料內(nèi)部彈性儲(chǔ)能的減少來補(bǔ)償?shù)?彈性儲(chǔ)能在材料中的分布是不均勻的 在材料的裂縫附近集中了大量彈性儲(chǔ)能 這就是說 有裂縫的地方要比其他地方有更多的彈性儲(chǔ)能來供給產(chǎn)生新表面所需的表面能 致使材料在裂縫處先行斷裂 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 4聚合物斷裂的裂縫理論 Griffith斷裂理論 擴(kuò)展單位面積裂縫時(shí)裂縫端點(diǎn)附近所釋放出來的彈性能 是驅(qū)動(dòng)裂縫擴(kuò)展的原動(dòng)力 產(chǎn)生每單位面積裂縫的表面功 反映材料抵抗裂縫擴(kuò)展的一種性質(zhì) 無機(jī)玻璃 陶瓷等脆性材料的裂縫擴(kuò)展力為 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 4聚合物斷裂的裂縫理論 Griffith斷裂理論 脆性固體斷裂的Griffith能量判據(jù) 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 4聚合物斷裂的分子理論 斷裂的分子理論認(rèn)為 宏觀斷裂是微觀化學(xué)鍵斷裂的熱活化過程 即當(dāng)原子熱運(yùn)動(dòng)的無規(guī)熱漲落能量超過束縛原子間的勢壘時(shí) 會(huì)使化學(xué)鍵離解 從而發(fā)生斷裂 式中 0 原子熱振動(dòng)的頻率 U 勢壘高度即活化能 k 波爾茲曼常數(shù) T 絕對(duì)溫度 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 4聚合物斷裂的分子理論 應(yīng)力的作用在于減低了鍵的離解能 使化學(xué)鍵活化 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 8 聚合物的斷裂和強(qiáng)度 8 4聚合物斷裂的分子理論 斷裂是一種力學(xué)和熱力學(xué)的