聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1、第八章第八章 聚合物的聚合物的屈服和斷裂屈服和斷裂桂林工學(xué)院材料與化學(xué)工程系高分子教研室彭錦雯 主講內(nèi)容提要內(nèi)容提要v教學(xué)內(nèi)容：聚合物的塑性與屈服，聚合物的應(yīng)力：聚合物的塑性與屈服，聚合物的應(yīng)力-應(yīng)應(yīng)變曲線，細(xì)頸，銀紋，屈服判據(jù)；聚合物的斷裂與強(qiáng)變曲線，細(xì)頸，銀紋，屈服判據(jù)；聚合物的斷裂與強(qiáng)度，斷裂理論，影響聚合物強(qiáng)度的因素與增強(qiáng)，聚合度，斷裂理論，影響聚合物強(qiáng)度的因素與增強(qiáng)，聚合物的增韌。物的增韌。v基本要求：識(shí)別非晶態(tài)聚合物、晶態(tài)聚合物和取向聚：識(shí)別非晶態(tài)聚合物、晶態(tài)聚合物和取向聚合物的應(yīng)力合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，掌握細(xì)頸和銀紋的現(xiàn)象與理論應(yīng)變曲線，掌握細(xì)頸和銀紋的現(xiàn)象與理論解釋，掌握屈服判

2、據(jù)，區(qū)分脆性斷裂與韌性斷裂，明解釋，掌握屈服判據(jù)，區(qū)分脆性斷裂與韌性斷裂，明確聚合物的強(qiáng)度概念，了解斷裂理論，掌握影響聚合確聚合物的強(qiáng)度概念，了解斷裂理論，掌握影響聚合物強(qiáng)度的因素及增強(qiáng)的手段，認(rèn)識(shí)聚合物增韌的途徑物強(qiáng)度的因素及增強(qiáng)的手段，認(rèn)識(shí)聚合物增韌的途徑與機(jī)理及影響因素。與機(jī)理及影響因素。v重點(diǎn)難點(diǎn)：應(yīng)力：應(yīng)力-應(yīng)變曲線，細(xì)頸和銀紋現(xiàn)象的理解，應(yīng)變曲線，細(xì)頸和銀紋現(xiàn)象的理解，屈服判據(jù)，聚合物的增強(qiáng)與增韌。屈服判據(jù)，聚合物的增強(qiáng)與增韌。 本章內(nèi)容本章內(nèi)容v8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服 8.1.1應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線 8.1.2 聚合物的屈服聚合物的屈服v8.2 高聚物的

3、斷裂和強(qiáng)度高聚物的斷裂和強(qiáng)度 8.2.1 脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂 8.2.2 聚合物的強(qiáng)度聚合物的強(qiáng)度 8.2.3 斷裂理論斷裂理論 8.2.4 影響聚合物強(qiáng)度和韌性的因素影響聚合物強(qiáng)度和韌性的因素-增強(qiáng)與增韌增強(qiáng)與增韌 8.2.5 疲勞疲勞表征材料力學(xué)性能的基本物理量 簡(jiǎn)單拉伸 簡(jiǎn)單剪切 均勻壓縮 參數(shù)外力F是與截面垂直，大小相等，方向相反，作用在同一直線上的兩個(gè)力。外力F是與界面平行，大小相等，方向相反的兩個(gè)力。材料受到的是圍壓力。,FF0lFF張應(yīng)變： 真應(yīng)變： 切應(yīng)變： 是偏斜角壓縮應(yīng)變： 張應(yīng)力：真應(yīng)力： 切應(yīng)力： 壓力P00lll lliildl0tgr 0VV0AF

4、AF0AFs楊氏模量： 泊淞比： 切變模量：體積模量：拉伸柔量： 切變?nèi)崃浚?可壓縮度： 00llAFE縱向單位寬度的增加橫向單向單位寬度的llmmtgAFrGs0VPVPB0ED1GJ1B1不同材料的泊松比材料名稱泊松比材料名稱泊松比鋅0.210.21玻璃0.250.25鋼0.250.350.250.35石料0.160.340.160.34銅0.310.340.310.34聚苯乙系0.330.33鋁0.320.360.320.36聚乙烯0.380.38鉛0.450.45有機(jī)玻璃0.330.33汞0.500.50橡膠類0.490.500.490.50幾種常用的力學(xué)強(qiáng)度v拉伸強(qiáng)度 t= P/bd

5、 （最大負(fù)荷/截面積)MPa 1 MPa = 9.8 kg/cm2 10 kg/cm2 v彎曲強(qiáng)度 f = 1.5(Pl/bd) MPav沖擊強(qiáng)度 i = W/bd Kgcm/cm2 注意!不同方法測(cè)量結(jié)果會(huì)有不同不同方法測(cè)量結(jié)果會(huì)有不同常見塑料的拉伸和彎曲強(qiáng)度聚乙烯2239601500.840.9525401.11.4聚苯乙烯35.263.312252.83.561.298.4ABS塑料16.963.3101400.72.925.394.93.0有機(jī)玻璃49.277.32103.291.4119聚丙烯33.742.22007001.21.442.256.21.21.6聚氯乙烯35.263.3

6、20402.54.270.3112尼龍6683603.23.31001102.93.0尼龍674781502.61002.42.6尼龍101052551002501.6891.3聚甲醛626860752.891922.6聚碳酸酯67601002.22.4981062.03.0聚砜7285201002.52.91081272.8聚酰亞胺94.5681003.2聚苯醚86.589.530802.62.8981372.02.1氯化聚醚42.3601601.170770.9線性聚酯802002.9117聚四氟乙41114聚合物力學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)聚合物力學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)。即力學(xué)性質(zhì)。即

7、力學(xué)性質(zhì)的多樣性。例如液體有軟彈性、硬彈性、剛性、脆性、的多樣性。例如液體有軟彈性、硬彈性、剛性、脆性、韌性等?？梢詮募冋承越?jīng)粘彈性到純彈性，為應(yīng)用提韌性等。可以從純粘性經(jīng)粘彈性到純彈性，為應(yīng)用提供了廣闊的選擇余地。供了廣闊的選擇余地。v例子：例子：1. PS制品很脆，一敲就碎（脆性）2. 尼龍制品很堅(jiān)韌，不易變形，也不易破碎（韌性）3. 輕度交聯(lián)的橡膠拉伸時(shí)，可伸長好幾倍，力解除后基本恢復(fù)原狀（彈性）4. 膠泥變形后，卻完全保持新的形狀（粘性）。造成以上特點(diǎn)。造成以上特點(diǎn)的原因：歸結(jié)為聚合物的長鏈分子結(jié)構(gòu)。的原因：歸結(jié)為聚合物的長鏈分子結(jié)構(gòu)。v高彈性高聚物特有高聚物特有 顯示高彈性的溫度范圍

8、(TgTf) 分子量 溫度范圍(TgTf)增寬 (TgTf)的范圍決定了橡膠的使用溫度范圍v粘彈性力學(xué)行為對(duì)溫度和時(shí)間 有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系 為高聚物獨(dú)特的力學(xué)行為 （應(yīng)力） （應(yīng)變） 在研究高聚物力學(xué)行為 T（溫度） 時(shí)必須同時(shí)考慮 t（時(shí)間）v比強(qiáng)度特高 比強(qiáng)度單位重量材料能承受的最大負(fù)荷幾種金屬材料和塑料(增強(qiáng))的比強(qiáng)度材 料 名 稱比 重拉伸強(qiáng)度（MPa）比 強(qiáng) 度高級(jí)合金鋼8.01280160A3鋼7.8540050鋁合金2.8420160鑄鐵7.424032聚乙烯0.953031.6尼龍661.128374.1玻璃增強(qiáng)尼龍661.31.598218143聚酯玻璃鋼1.8290160環(huán)氧

9、玻璃鋼1.73500280玻璃增強(qiáng)聚碳酸酯1.412013092.9芳香聚酰胺纖維1.4528001900聚酯纖維1.381100800超高分子量聚乙烯纖維0.9735003400聚苯并噁唑(纖維)1.56580037008.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服1. 1. 典型的應(yīng)力典型的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 -以屈服點(diǎn)以屈服點(diǎn)A A為界分成為界分成兩部分兩部分：yyB應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線AAE斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn)B point: Breaking point A 彈性極限應(yīng)變彈性極限應(yīng)變 A彈性極限應(yīng)力彈性極限應(yīng)力 B 斷裂伸長率斷裂伸長率 B斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度 Y 屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力屈服

10、點(diǎn)屈服點(diǎn)Y point: Yielding point彈性極限點(diǎn)彈性極限點(diǎn)A point: Point of elastic limitv 應(yīng)力：應(yīng)力： = F/A0v 應(yīng)變：應(yīng)變： = = l / l0v 材料的楊氏模量材料的楊氏模量E為應(yīng)力為應(yīng)力-應(yīng)變曲線起始部分應(yīng)變曲線起始部分的斜率的斜率 E = tg = = / / 應(yīng)力應(yīng)變曲線形變過程分析應(yīng)力應(yīng)變曲線形變過程分析2、外界條件對(duì)應(yīng)力、外界條件對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響應(yīng)變曲線的影響TTa: TTg 脆斷b: TTg 屈服后斷c: TTg 幾十度 韌斷d: Tg以上 無屈服 速度速度.4.3.2.1拉伸速率拉伸速率v（3）物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成）物質(zhì)

11、結(jié)構(gòu)組成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, PMMANature rubber, PIv(4) 結(jié)晶結(jié)晶v應(yīng)變軟化更明顯應(yīng)變軟化更明顯v冷拉時(shí)晶片的傾斜、冷拉時(shí)晶片的傾斜、滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)，形成滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)，形成微晶或微纖束微晶或微纖束v(5) 球晶大小球晶大小v(6) 結(jié)晶度結(jié)晶度3.3.晶態(tài)聚合物的應(yīng)力一應(yīng)變曲線晶態(tài)聚合物的應(yīng)力一應(yīng)變曲線整個(gè)曲線可分為三個(gè)階段：整個(gè)曲線可分為三個(gè)階段： 到到y(tǒng)點(diǎn)后，試樣截面開始變得不點(diǎn)后，試樣截面開始變得不均勻，出現(xiàn)均勻，出現(xiàn) “細(xì)頸細(xì)頸”。晶態(tài)聚合物“冷拉”的原因：Tm以下，冷拉：拉伸成頸（球晶中片晶

12、的變形）非晶態(tài)：Tg以下冷拉，只發(fā)生分子鏈的取向晶態(tài)：Tm以下，發(fā)生結(jié)晶的破壞，取向，再結(jié)晶過程，與溫度、應(yīng)變速率、結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)有關(guān)。v玻璃態(tài)聚合物的拉伸與結(jié)晶聚合物的拉伸相似之處： 即兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應(yīng)即兩種拉伸過程均經(jīng)歷彈性變形、屈服、發(fā)展大形變以及應(yīng)變硬化等階段，其中大形變?cè)谑覝貢r(shí)都不能自發(fā)回復(fù)，而加變硬化等階段，其中大形變?cè)谑覝貢r(shí)都不能自發(fā)回復(fù)，而加熱后則產(chǎn)生回復(fù)，故本質(zhì)上兩種拉伸過程造成的大形變都是熱后則產(chǎn)生回復(fù)，故本質(zhì)上兩種拉伸過程造成的大形變都是高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為“冷拉”。v兩種拉伸過程又有區(qū)別： 即產(chǎn)生冷拉的溫度

13、范圍不同，玻璃態(tài)聚合物的冷拉溫度區(qū)間即產(chǎn)生冷拉的溫度范圍不同，玻璃態(tài)聚合物的冷拉溫度區(qū)間是是Tb到到Tg，而結(jié)晶聚合物則為，而結(jié)晶聚合物則為Tg至至Tm；另一差別在于玻璃；另一差別在于玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比晶態(tài)聚合物簡(jiǎn)單態(tài)聚合物在冷拉過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化比晶態(tài)聚合物簡(jiǎn)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(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程。含有結(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程。4、聚合物具有的應(yīng)力、聚合物具有的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型：應(yīng)變曲線類型：聚合物力學(xué)類型聚合物力學(xué)類型軟而弱軟而弱軟而韌軟而韌硬而脆硬而脆

14、硬而強(qiáng)硬而強(qiáng)硬而韌硬而韌聚合物應(yīng)力聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)應(yīng)變變曲曲線線特特點(diǎn)點(diǎn)模模 量量（剛性）（剛性）低低低低高高高高高高屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力（強(qiáng)度）（強(qiáng)度）低低低低高高高高高高極限強(qiáng)度極限強(qiáng)度（強(qiáng)度）（強(qiáng)度）低低 中中高高高高斷裂伸長斷裂伸長（延性）（延性）中等中等按屈服應(yīng)力按屈服應(yīng)力低低中中高高應(yīng)力應(yīng)變曲應(yīng)力應(yīng)變曲線下面積線下面積（韌性）（韌性）小小中中小小中中大大v五種不同類型材料的比較五種不同類型材料的比較v例子例子聚合物聚合物力學(xué)類力學(xué)類型型軟而弱軟而弱軟而韌軟而韌硬而脆硬而脆硬而強(qiáng)硬而強(qiáng)硬而韌硬而韌聚合物聚合物應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變曲線曲線 實(shí)實(shí)例例聚合物凝膠聚合物凝膠橡膠

15、橡膠.增塑增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固化酚醛樹固化酚醛樹脂斷裂前無脂斷裂前無塑性形變斷塑性形變斷裂前有銀紋裂前有銀紋硬硬PVCABS.PC.PE.PA有明顯有明顯的屈服和塑的屈服和塑性形變性形變.韌韌性好性好8.1.2 聚合物的屈服1.高聚物屈服點(diǎn)的特征大多數(shù)高聚物有屈服現(xiàn)象，最明顯的屈服現(xiàn)象是拉伸中出現(xiàn)的細(xì)頸現(xiàn)象。它是獨(dú)特的力學(xué)行為。并不是所有的高聚物材料都表現(xiàn)出屈服過程，這是由于溫度和時(shí)間對(duì)高聚物的性能的影響往往掩蓋了屈服行為的普遍性，有的高聚物出現(xiàn)細(xì)頸和冷拉，而有的高聚物脆性易斷。關(guān)于關(guān)于細(xì)頸現(xiàn)象細(xì)頸現(xiàn)象樣條尺寸：橫截面小的地方樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中

16、的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方 出現(xiàn)出現(xiàn)“細(xì)細(xì)頸頸”的位的位置置自由體積增加自由體積增加松弛時(shí)間變短松弛時(shí)間變短出現(xiàn)出現(xiàn)“細(xì)頸細(xì)頸”的原因的原因無外力無外力有外力有外力 OrientationRTEe0RTaEe0細(xì)頸穩(wěn)定細(xì)頸穩(wěn)定取向硬化取向硬化 Considre作圖法作圖法唯象角度唯象角度 判據(jù)判據(jù)細(xì)頸細(xì)頸:屈服時(shí)，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。屈服時(shí)，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。(1)：高聚物的屈服應(yīng)變比：高聚物的屈服應(yīng)變比金屬大得多，金屬金屬大得多，金屬0.01左右，高聚物左右，高聚物0.2左右（例如左右（例如PMMA的切變屈服為的切變屈服為0.25，壓縮屈服為，壓縮屈服為0.13）(2)：許

17、多高：許多高聚物在過屈服點(diǎn)后均有一個(gè)應(yīng)力不太聚物在過屈服點(diǎn)后均有一個(gè)應(yīng)力不太大的下降，叫應(yīng)變軟化，這時(shí)應(yīng)變?cè)龃蟮南陆?，叫?yīng)變軟化，這時(shí)應(yīng)變?cè)龃?，?yīng)力反而下降。大，應(yīng)力反而下降。(3)：應(yīng)變速率增大，屈：應(yīng)變速率增大，屈服應(yīng)力增大。服應(yīng)力增大。應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)變速率對(duì)PMMA真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響應(yīng)應(yīng)變變速速率率增增大大123410.2吋分吋分真應(yīng)變真應(yīng)變 41.28吋吋/分分31.13吋吋/分分20.8吋吋/分分真應(yīng)力真應(yīng)力(4)：溫度升高，屈服應(yīng)力：溫度升高，屈服應(yīng)力下降。在溫度達(dá)到下降。在溫度達(dá)到 時(shí)，屈服應(yīng)力等于時(shí)，屈服應(yīng)力等于0 0gT溫度對(duì)醋酸纖維素應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響溫

18、度對(duì)醋酸纖維素應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變80655025025(5)：壓力增大，：壓力增大，屈服應(yīng)力增大。屈服應(yīng)力增大。1.7千巴千巴1巴巴0.69千巴千巴3.2千巴千巴切應(yīng)力切應(yīng)力切應(yīng)變切應(yīng)變(6)，一般后者大一些。所以高聚物取，一般后者大一些。所以高聚物取向薄膜不同方向上的屈服應(yīng)力差別很向薄膜不同方向上的屈服應(yīng)力差別很大。大。(7)關(guān)于關(guān)于工程應(yīng)力和真應(yīng)力v應(yīng)力應(yīng)力: = F/A0v真應(yīng)力：真應(yīng)力： 真真= F/A A = A0l0 / l = A0 / (1+ ) 因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?A Considere作圖法（真應(yīng)力作圖法（真應(yīng)力-應(yīng)變曲線）應(yīng)變曲線） (P180)v在橫坐標(biāo)在橫坐

19、標(biāo) = -1處向真應(yīng)力處向真應(yīng)力-應(yīng)變曲線作切線就是表觀屈服點(diǎn)，應(yīng)變曲線作切線就是表觀屈服點(diǎn)，有：有： d 真真/ d = = 真真/ / (1+ ) = 真真/ 這種以真應(yīng)力作圖求表觀屈服點(diǎn)的方法就是這種以真應(yīng)力作圖求表觀屈服點(diǎn)的方法就是Considere作圖法作圖法。Y點(diǎn)1truetruedd0dde在真應(yīng)力在真應(yīng)力-應(yīng)變曲線上確定與應(yīng)變曲線上確定與工程應(yīng)力工程應(yīng)力-應(yīng)變屈服點(diǎn)應(yīng)變屈服點(diǎn)Y所對(duì)應(yīng)所對(duì)應(yīng)的的B點(diǎn)點(diǎn)。 2 2. .真應(yīng)力-應(yīng)變曲線及屈服判據(jù)三種類型DE0 1 2 30 1 2 30 1 2 3由由 無法作無法作切線，不能成切線，不能成頸頸由由 可作兩可作兩條切線，有兩條切線，有

20、兩個(gè)點(diǎn)滿足屈服個(gè)點(diǎn)滿足屈服條件，條件，D點(diǎn)時(shí)點(diǎn)時(shí)屈服點(diǎn)，屈服點(diǎn)，E點(diǎn)點(diǎn)開始冷拉開始冷拉由由 可作一可作一條切線，曲線條切線，曲線上有一個(gè)點(diǎn)滿上有一個(gè)點(diǎn)滿足足 ，此點(diǎn)，此點(diǎn)為屈服點(diǎn)，在為屈服點(diǎn)，在此點(diǎn)高聚物成此點(diǎn)高聚物成頸頸0000dd 最大變形能理論（最大變形能理論（Von MisesVon Mises） 雙參數(shù)屈服判據(jù)理論（雙參數(shù)屈服判據(jù)理論（Coulomb, MohrCoulomb, Mohr）FF產(chǎn)生銀紋的原因：a.是高聚物受到張應(yīng)力作用時(shí)，在材料某些薄弱環(huán)節(jié)上應(yīng)力是高聚物受到張應(yīng)力作用時(shí)，在材料某些薄弱環(huán)節(jié)上應(yīng)力集中，而產(chǎn)生局部塑性形變，而在材料表面或內(nèi)部出現(xiàn)集中，而產(chǎn)生局部塑性形變，

21、而在材料表面或內(nèi)部出現(xiàn)垂直于應(yīng)力方向的微細(xì)凹槽或垂直于應(yīng)力方向的微細(xì)凹槽或“裂紋裂紋”的現(xiàn)象的現(xiàn)象b. 環(huán)境因素也會(huì)促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散到高聚物中，環(huán)境因素也會(huì)促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散到高聚物中，使微觀表面溶脹或增塑，增加分子鏈段的活動(dòng)性，玻璃使微觀表面溶脹或增塑，增加分子鏈段的活動(dòng)性，玻璃化溫度下降促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，另外，試樣表面的缺陷和擦化溫度下降促進(jìn)銀紋產(chǎn)生，另外，試樣表面的缺陷和擦傷處也易產(chǎn)生銀紋，或起始于試樣內(nèi)部空穴或夾雜物的傷處也易產(chǎn)生銀紋，或起始于試樣內(nèi)部空穴或夾雜物的邊界處，這些缺陷造成應(yīng)力集中，有利于銀紋產(chǎn)生邊界處，這些缺陷造成應(yīng)力集中，有利于銀紋產(chǎn)生：銀紋現(xiàn)象為聚合物所

22、特有，是聚合物在張應(yīng)力作：銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，是聚合物在張應(yīng)力作用下，于材料的某些薄弱部分出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性用下，于材料的某些薄弱部分出現(xiàn)應(yīng)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(yīng)力方向上出現(xiàn)長形變的取向，以至在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為度為100m，寬度為，寬度為10m左右，厚度為左右，厚度為1m的微細(xì)凹槽。的微細(xì)凹槽。v銀紋特征：應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，密度為本體的銀紋特征：應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，密度為本體的50，高度取向的高，高度取向的高分子微纖。分子微纖。 銀紋進(jìn)一步發(fā)展銀紋進(jìn)一步發(fā)展裂縫裂縫脆性斷裂。脆性斷裂。剪切帶的結(jié)構(gòu)形態(tài)剪切帶的結(jié)構(gòu)形態(tài)定義定義：

23、韌性聚合物單軸拉伸至屈服點(diǎn)時(shí)，可看到與拉伸方：韌性聚合物單軸拉伸至屈服點(diǎn)時(shí)，可看到與拉伸方向成向成45的剪切滑移變形帶，有明顯的雙折射現(xiàn)象，分子的剪切滑移變形帶，有明顯的雙折射現(xiàn)象，分子鏈高度取向，剪切帶厚度約鏈高度取向，剪切帶厚度約1m左右，每個(gè)剪切帶又由若左右，每個(gè)剪切帶又由若干個(gè)細(xì)小的不規(guī)則微纖構(gòu)成。干個(gè)細(xì)小的不規(guī)則微纖構(gòu)成。電鏡（電鏡（SEM）下的剪切帶圖片）下的剪切帶圖片巖石山體的剪切帶巖石山體的剪切帶主要區(qū)別主要區(qū)別剪切屈服剪切屈服銀紋屈服銀紋屈服形變形變形變大幾十形變大幾十幾百幾百%形變小形變小 10%曲線特征曲線特征有明顯的屈服點(diǎn)有明顯的屈服點(diǎn)無明顯的屈服點(diǎn)無明顯的屈服點(diǎn)體積體

24、積體積不變體積不變體積增加體積增加力力剪切力剪切力張應(yīng)力張應(yīng)力結(jié)果結(jié)果冷拉冷拉裂縫裂縫細(xì)頸、剪切帶和銀紋比較主要區(qū)別主要區(qū)別細(xì)頸、剪切帶細(xì)頸、剪切帶銀紋銀紋形變量形變量形變量大形變量大10100%形變量小形變量小 10%曲線特征曲線特征有明顯的屈服點(diǎn)有明顯的屈服點(diǎn)無明顯的屈服點(diǎn)無明顯的屈服點(diǎn)體積體積體積幾乎不變體積幾乎不變體積增加體積增加主要相同點(diǎn)主要相同點(diǎn)能量能量吸收能量吸收能量吸收能量吸收能量？ -關(guān)鍵看屈服：關(guān)鍵看屈服： 屈服前斷裂為脆性斷裂屈服前斷裂為脆性斷裂 屈服后斷裂為韌性斷裂屈服后斷裂為韌性斷裂8.2 高聚物的斷裂和強(qiáng)度高聚物的斷裂和強(qiáng)度8.2.1 脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌

25、性斷裂：（1）與材料的組成有關(guān)（內(nèi)因）與材料的組成有關(guān)（內(nèi)因）（2）與拉伸溫度與拉伸速度有關(guān)（外因）與拉伸溫度與拉伸速度有關(guān)（外因）1. 1. 判斷材料斷裂的方式判斷材料斷裂的方式脆性斷裂與韌性斷裂表面脆性斷裂與韌性斷裂表面v脆性斷裂脆性斷裂 韌性斷裂韌性斷裂2.2.脆韌轉(zhuǎn)變溫度脆韌轉(zhuǎn)變溫度T Tb b ( (脆化溫度、脆化點(diǎn)脆化溫度、脆化點(diǎn)) )v在一定速率下在一定速率下（不同溫度）測(cè)（不同溫度）測(cè)定的斷裂應(yīng)力和定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨溫度的變化力隨溫度的變化曲線曲線-其交點(diǎn)其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為脆對(duì)應(yīng)的溫度為脆化溫度化溫度TbTBTy問題：斷裂

26、應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對(duì)溫度更敏感？問題：斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對(duì)溫度更敏感？v屈服應(yīng)力比斷裂應(yīng)力對(duì)溫度更敏感！屈服應(yīng)力比斷裂應(yīng)力對(duì)溫度更敏感！問題：斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對(duì)應(yīng)變速率更敏感？問題：斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對(duì)應(yīng)變速率更敏感？v屈服應(yīng)力比斷裂應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率更敏感！屈服應(yīng)力比斷裂應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率更敏感！脆性斷裂與韌性斷裂的判斷脆性斷裂與韌性斷裂的判斷TTb, 先達(dá)到 y，韌韌性斷裂塑料一般的使用溫度范圍？塑料一般的使用溫度范圍？-Tb-TgvTb越低聚合物材料的韌性越越低聚合物材料的韌性越 ?好好差差 T Tb4. 材料的斷裂方式材料的斷裂方式v聚合物材料的破壞是聚合物材料的破壞是、及及。15000

27、MPa5000MPa氫鍵氫鍵 500MPa范德華力范德華力 100MPa理論值理論值v通常高分子在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合通常高分子在斷裂時(shí)三種方式兼而有之，通常聚合物的理論斷裂強(qiáng)度在數(shù)千物的理論斷裂強(qiáng)度在數(shù)千MPa，而實(shí)際斷裂強(qiáng)度只，而實(shí)際斷裂強(qiáng)度只有數(shù)十有數(shù)十MPa.v例：例：PA，60 MPa； PPO，70 MPav理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差如此之大的原因：理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差如此之大的原因： theoryeriment)100011001(exp含有球形無機(jī)粒子的聚合物粘結(jié)劑的電鏡圖片含有球形無機(jī)粒子的聚合物粘結(jié)劑的電鏡圖片疲勞斷裂的表面電鏡圖片疲勞斷裂的表面電鏡圖片聚合物木層板斷

28、裂表面的電鏡圖片聚合物木層板斷裂表面的電鏡圖片例例1：PC聚碳酸酯聚碳酸酯vTg = 150vTb = -20 v室溫下室溫下PC是否易碎？是否易碎？例例2：PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯vTg = 100vTb = 90 v室溫下室溫下PMMA脆性脆性的還是韌性的？的還是韌性的？8.2.2 聚合物的強(qiáng)度聚合物的強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度：拉伸強(qiáng)度：dbftmax%100%maxlolol斷l(xiāng)oldbfEdbflof22max3dblofEf343bdWi 8.2.3 斷裂理論斷裂理論v自學(xué)自學(xué)8.2.4 影響聚合物強(qiáng)度和韌性的因素影響聚合物強(qiáng)度和韌性的因素 -增強(qiáng)與增韌增強(qiáng)與增韌-拉伸強(qiáng)度和拉伸

29、模量的增加拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的增加-沖擊強(qiáng)度的增加沖擊強(qiáng)度的增加 -沖擊強(qiáng)度是衡量材料韌性的指標(biāo)沖擊強(qiáng)度是衡量材料韌性的指標(biāo)dbWiv從分子角度來看，聚合物之所以具有抵抗外力破壞從分子角度來看，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)鍵合力和分子間范德華力的能力主要靠分子內(nèi)的化學(xué)鍵合力和分子間范德華力和和H鍵力，據(jù)此可計(jì)算出聚合物的理論強(qiáng)度。鍵力，據(jù)此可計(jì)算出聚合物的理論強(qiáng)度。主主要要方方式式化學(xué)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(duì)強(qiáng)度影響最大通過斷裂形式分析：分子之間相互作用大小對(duì)強(qiáng)度影響最大1.高分子結(jié)構(gòu)的影響高分子結(jié)構(gòu)的影響vA、高分子

30、的強(qiáng)度來源于主鏈的化學(xué)鍵力和分子之間、高分子的強(qiáng)度來源于主鏈的化學(xué)鍵力和分子之間的作用力，極性的作用力，極性 則強(qiáng)度則強(qiáng)度 ；H鍵鍵 則也強(qiáng)度則也強(qiáng)度 例：例： LPPE PVC PA610 PA66拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度（kg/cm2） 150 500 600 830注解注解 無極性無極性 有極性基團(tuán)有極性基團(tuán) 有有H H鍵鍵 H H鍵密度大鍵密度大v說明：極性基團(tuán)過密或取代基過大，阻礙鏈段的運(yùn)動(dòng)，說明：極性基團(tuán)過密或取代基過大，阻礙鏈段的運(yùn)動(dòng)，Tb高，顯脆性，盡管拉伸強(qiáng)度大了，但易發(fā)生脆性斷高，顯脆性，盡管拉伸強(qiáng)度大了，但易發(fā)生脆性斷裂。裂。vB、主鏈含芳雜環(huán)的聚合物強(qiáng)度大于脂肪族主鏈的聚合、主

31、鏈含芳雜環(huán)的聚合物強(qiáng)度大于脂肪族主鏈的聚合物物v例：例： PC PPO 聚芳砜聚芳砜 PE PS拉伸強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度（kg/cm2） 670 850 720-850 220-390 350-633注解注解 含芳雜環(huán)含芳雜環(huán) 不含不含 側(cè)基含芳環(huán)側(cè)基含芳環(huán)v聚芳砜的結(jié)構(gòu)：聚芳砜的結(jié)構(gòu)：*OS*OOnvC、分子鏈支化程度、分子鏈支化程度 分子間距分子間距 分子間作用力分子間作用力 ，會(huì)導(dǎo)致抗拉伸強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致抗拉伸強(qiáng)度 抗沖擊強(qiáng)度抗沖擊強(qiáng)度 v例：例： HPPE（LDPE，支化），支化） LPPE（PDPE，線型），線型） 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 160 220-390 （kg/cm2） 沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度（J

32、/m.24,缺口缺口） 7850 27-1080vD、程度關(guān)聯(lián)可有效的增加分子鏈間的聯(lián)系，、程度關(guān)聯(lián)可有效的增加分子鏈間的聯(lián)系，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均可提高拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均可提高v例：例： 交聯(lián)交聯(lián)PE比比PE: 拉伸強(qiáng)度大一倍拉伸強(qiáng)度大一倍 沖擊強(qiáng)度大沖擊強(qiáng)度大34倍倍vE、分子量的影響、分子量的影響 分分 子量小時(shí)隨子量小時(shí)隨M 拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均 ，達(dá)到一定分子量（達(dá)到一定分子量（104）以后，拉伸強(qiáng)度不再隨）以后，拉伸強(qiáng)度不再隨M 而而 ，但沖擊強(qiáng)度仍能隨，但沖擊強(qiáng)度仍能隨M 而而 。v例：例：超高分子量超高分子量PE（M=46106）比普通）比普通PE沖擊沖擊

33、強(qiáng)度大三倍，用于制造人造關(guān)節(jié)。強(qiáng)度大三倍，用于制造人造關(guān)節(jié)。2、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響（結(jié)晶和取向）、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響（結(jié)晶和取向）vA、結(jié)晶度、結(jié)晶度 ，拉伸強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度 、抗彎強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度 、彈性模、彈性模量量 v例例 PP結(jié)晶度結(jié)晶度 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度 98% 345 565 96.5% 325 450 93.6% 290 410v結(jié)晶度結(jié)晶度 太高，沖擊強(qiáng)度太高，沖擊強(qiáng)度 ，材料變脆，材料變脆vB、球晶尺寸過大，會(huì)使拉伸強(qiáng)度、球晶尺寸過大，會(huì)使拉伸強(qiáng)度 ，沖擊強(qiáng)度顯，沖擊強(qiáng)度顯著著 v例：例：PP球晶尺寸球晶尺寸(m) 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 斷裂伸長斷裂伸長(%) 10 3

34、00 500 100 225 25 200 125 25 v微晶微晶PP的沖擊強(qiáng)度的沖擊強(qiáng)度 球晶球晶PPvC、取向可以使強(qiáng)度成倍提高、取向可以使強(qiáng)度成倍提高v原因：原因：（1）取向后高分子鏈順著外力的方向平行排列，使）取向后高分子鏈順著外力的方向平行排列，使斷裂斷裂 時(shí)，破壞主價(jià)鍵的比例大大提高，而共價(jià)鍵的時(shí)，破壞主價(jià)鍵的比例大大提高，而共價(jià)鍵的強(qiáng)度比范德華力的強(qiáng)度高。強(qiáng)度比范德華力的強(qiáng)度高。（2）取向可以阻礙裂紋向縱深發(fā)展。）取向可以阻礙裂紋向縱深發(fā)展。0.2 0 0.4 0.8 1.0強(qiáng)度強(qiáng)度取向因子取向因子f3.應(yīng)力集中物的影響應(yīng)力集中物的影響：材料的缺陷在受力時(shí)，使材料內(nèi)部：材料的缺

35、陷在受力時(shí)，使材料內(nèi)部的應(yīng)力平均分布的狀態(tài)發(fā)生變使缺陷附近局部范圍的應(yīng)力平均分布的狀態(tài)發(fā)生變使缺陷附近局部范圍內(nèi)的應(yīng)力急劇增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均值。內(nèi)的應(yīng)力急劇增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均值。：它包括裂縫、空隙、缺口、：它包括裂縫、空隙、缺口、銀紋和雜質(zhì)。銀紋和雜質(zhì)。v應(yīng)力集中物的存在大大應(yīng)力集中物的存在大大，也是，也是的原因。的原因。4、增塑劑的影響、增塑劑的影響v增塑劑的加入對(duì)聚合物起稀釋作用，減小了高增塑劑的加入對(duì)聚合物起稀釋作用，減小了高分子鏈間的作用力，因而使拉伸強(qiáng)度分子鏈間的作用力，因而使拉伸強(qiáng)度 ，且有，且有下降值與增塑劑加入量成正比。下降值與增塑劑加入量成正比。v增塑劑使鏈段運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，所以沖擊強(qiáng)度增塑劑使鏈段運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，所以沖擊強(qiáng)度 5、填料的影響、填料的影響v按作用分：按作用分：惰性填料：只起稀釋作用，加入后使強(qiáng)度惰性填料：只起稀釋作用，加入后使強(qiáng)度 活性填料：可使強(qiáng)度顯著活性填料：可使強(qiáng)度顯著 v按填料形狀分：按填料形狀分： 粉狀填料粉狀填料 纖維狀填料纖維狀填料 液晶填料液晶填料6、共聚與共混的影響、共聚與共混的影響，一般，一般用橡膠增韌塑料用橡膠增韌塑料：如：如ABS樹脂樹脂 共聚：接枝共聚得到高抗沖共聚：接枝共聚得到高抗沖ABS樹脂樹脂 共混：丁腈橡膠與共混：丁腈橡膠與AS樹脂（機(jī)械或乳液）共混樹脂（機(jī)械或乳