教學(xué)第八章聚合物的屈服與斷裂課件

第八章聚合物的屈服和斷裂第八章聚合物的屈服和斷裂18.1.1非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線8.1聚合物的塑性和屈服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，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。圖8-1啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣

常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖8-1所示，試樣中部為測試部分，標(biāo)距長度為l0，初始截面積為A0。設(shè)以一定的力F拉伸試樣，使兩標(biāo)距間的長度增至，定義試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)椋?.1.1非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線8.1聚合物的塑性和屈2圖8-2非晶態(tài)聚合物典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖

圖8-2非晶態(tài)聚合物典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖3曲線特征：（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力－應(yīng)變呈直線關(guān)系變化，直線斜率相當(dāng)于材料彈性模量。（2）越過A點，應(yīng)力－應(yīng)變曲線偏離直線，說明材料開始發(fā)生塑性形變，極大值Y點稱材料的屈服點，其對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強度）和屈服應(yīng)變。發(fā)生屈服時，試樣上某一局部會出現(xiàn)“細頸”現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降，發(fā)生“屈服軟化”。曲線特征：（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力－應(yīng)4（3）隨著應(yīng)變增加，在很長一個范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細頸”區(qū)越來越大。直到拉伸應(yīng)變很大時，材料應(yīng)力又略有上升（成頸硬化），到達B點發(fā)生斷裂。與B點對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強度（或斷裂強度）和斷裂伸長率，它們是材料發(fā)生破壞的極限強度和極限伸長率。（4）曲線下的面積等于相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，單位為J?m-3，稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個物理量。（3）隨著應(yīng)變增加，在很長一個范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細頸”區(qū)5A

彈性極限應(yīng)變A彈性極限應(yīng)力B

斷裂伸長率B斷裂強度

Y

屈服應(yīng)力Ypoint:Yieldingpoint屈服點Apoint:Pointofelasticlimit彈性極限點Bpoint:Breakingpoint斷裂點εyA彈性極限應(yīng)變A彈性極限應(yīng)力Ypoint:Yie6各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1、溫度的影響環(huán)境溫度對高分子材料拉伸行為的影響十分顯著。溫度升高，分子鏈段熱運動加劇，松弛過程加快，表現(xiàn)出材料模量和強度下降，伸長率變大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀發(fā)生很大變化。圖8-4聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1、溫度的影響環(huán)境溫度對高分子7若在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，則試樣已發(fā)生的大形變無法完全恢復(fù)；只有讓試樣的溫度升到Tg附近，形變方可回復(fù)，因此，這種大形變在本質(zhì)上是一種高彈形變，而不是粘流形變，其分子機理主要是高分子的鏈段運動，它只是在大外力的作用下的一種鏈段運動。為區(qū)別于普通的高彈形變，可稱之為強迫高彈性。若在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，則試樣已發(fā)生的大形變無法8研究高聚物拉伸破壞行為時，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情形。對于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于＜＜時，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形（參見圖8-4中T=80℃，60℃的情形），這種變形稱強迫高彈形變。

非晶聚合物的強迫高彈形變

研究高聚物拉伸破壞行為時，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服9（2）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈段被強迫發(fā)生運動、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強迫高彈形變在外力撤消后，通過適當(dāng)升溫（＞）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。（1）這種現(xiàn)象既不同于高彈態(tài)下的高彈形變，也不同于粘流態(tài)下的粘性流動。這是一種獨特的力學(xué)行為。（3）強迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說明提高應(yīng)力可以促進分子鏈段在作用力方向上的運動，如同升高溫度一樣，起到某種“活化”作用。從鏈段的松弛運動來講，提高應(yīng)力降低了鏈段在作用力方向上的運動活化能，減少了鏈段運動的松弛時間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過勢壘而運動。討論（2）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈段被強迫發(fā)生運10在Tg以下，由于聚合物處于玻璃態(tài)，即使外力除去，已發(fā)生的大形變也不能自發(fā)回復(fù)。在材料出現(xiàn)屈服之前發(fā)生的斷裂稱為脆性斷裂，一般材料在發(fā)生脆性斷裂之前只發(fā)生很小的形變。而在材料屈服之后的斷裂，則稱為韌性斷裂。存在一個特征溫度Tb，只要溫度低于Tb，玻璃態(tài)高聚物就不能發(fā)生強迫高彈形變，而必定發(fā)生脆性斷裂，這個溫度稱為脆化溫度Tb。在Tg以下，由于聚合物處于玻璃態(tài)，即使外力除去，已發(fā)生的大形11圖8-5斷裂強度和屈服強度隨溫度的變化趨勢虛線——高拉伸速率實線——低拉伸速率

材料的拉伸斷裂強度和屈服強度隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化，屈服強度受溫度變化的影響更大些。在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點對應(yīng)的溫度稱脆-韌轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)環(huán)境溫度小于時，材料的＜，受外力作用時，材料未屈服前先已斷裂，呈脆性斷裂特征。環(huán)境溫度高于時，＞，受外力作用時，材料先屈服，出現(xiàn)細頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。圖8-5斷裂強度和屈服強度隨溫度的變化趨勢材料的拉伸斷12拉伸速率對材料的斷裂強度和屈服強度也有明顯影響。2、拉伸速率的影響

減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對材料拉伸行為有相似的影響，這是時-溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。圖8-6斷裂強度和屈服強度隨拉伸速率的變化趨勢實線——低環(huán)境溫度虛線——高環(huán)境溫度與脆-韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線交點，可以定義脆-韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率。拉伸速率高于時，材料呈脆性斷裂特征；低于時，呈韌性斷裂特征。拉伸速率對材料的斷裂強度和屈服強度也有明顯影響。2133、環(huán)境壓力的影響圖8-7聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨環(huán)境壓力的變化（T=31℃）

右圖可見，PS在低環(huán)境壓力（常壓）下呈脆性斷裂特點，強度與斷裂伸長率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料強度增高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。研究發(fā)現(xiàn)，對許多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆-韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。3、環(huán)境壓力的影響圖8-7聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線右14

比較圖8-4和8-7可以發(fā)現(xiàn)，升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境壓力都能使高分子材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。但兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式有很大差別。兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式升高溫度使材料變韌，但其拉伸強度明顯下降。升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時，強度也得到提高，材料變得強而韌。這兩種不同的脆-韌轉(zhuǎn)變方式給我們以啟發(fā)，告訴我們材料增韌改性并非一定要以犧牲強度為代價。設(shè)計恰當(dāng)?shù)姆椒?，就有可能在增韌的同時，保持或提高材料的強度，實現(xiàn)既增韌又增強。塑料的非彈性體增韌改性技術(shù)就是由此發(fā)展起來的。

比較圖8-4和8-7可以發(fā)現(xiàn)，升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境15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”。8.1.2晶態(tài)聚合物的應(yīng)力一應(yīng)變曲線晶態(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)。整個曲線可分為三個階段：8.1.2晶態(tài)聚合物的應(yīng)力一應(yīng)變曲線16晶態(tài)聚合物的“冷拉伸”圖8-8結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強迫高彈變形，這種形變稱“冷拉伸”。結(jié)晶聚合物具有與非晶聚合物相似的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線，如下圖。圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔點時（<），雖然晶區(qū)尚未熔融，材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見圖中曲線3、4、5。這種現(xiàn)象稱“冷拉伸”。晶態(tài)聚合物的“冷拉伸”圖8-8結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-17（1）發(fā)生冷拉之前，材料有明顯的屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)為試樣測試區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一處或幾處“頸縮”。隨著冷拉的進行，細頸部分不斷發(fā)展，形變量不斷增大，而應(yīng)力幾乎保持不變，直到整個試樣測試區(qū)全部變細。再繼續(xù)拉伸，應(yīng)力將上升（應(yīng)變硬化），直至斷裂。討論（2）雖然冷拉伸也屬于強迫高彈形變，但兩者的微觀機理不盡相同。結(jié)晶聚合物從遠低于玻璃化溫度直到熔點附近一個很大溫區(qū)內(nèi)都能發(fā)生冷拉伸。在微觀上，冷拉伸是應(yīng)力作用使原有的結(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。圖8－9球晶拉伸形變時內(nèi)部晶片變化示意圖

（1）發(fā)生冷拉之前，材料有明顯的屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)為試樣測試區(qū)內(nèi)18圖8－10片晶受拉伸形變時內(nèi)部晶片發(fā)生位錯、轉(zhuǎn)向、定向排列、拉伸示意圖

圖8－10片晶受拉伸形變時內(nèi)部晶片發(fā)生位錯、轉(zhuǎn)向、定19（4）環(huán)境溫度、拉伸速率、分子量都對冷拉有明顯影響。溫度過低或拉伸速率過高，分子鏈松弛運動不充分，會造成應(yīng)力集中，使材料過早破壞。溫度過高或拉伸速率過低，分子鏈可能發(fā)生滑移而流動，造成斷裂。分子量較低的聚合物，分子鏈短，不能夠充分拉伸、取向以達到防止材料破壞的程度，也會使材料在屈服點后不久就發(fā)生破壞。（3）實現(xiàn)強迫高彈形變和冷拉必須有一定條件。關(guān)鍵有兩點，一是材料屈服后應(yīng)表現(xiàn)出軟化效應(yīng)；二是擴大應(yīng)變時應(yīng)表現(xiàn)出材料硬化效應(yīng)，軟、硬恰當(dāng)，才能實現(xiàn)大變形和冷拉。（4）環(huán)境溫度、拉伸速率、分子量都對冷拉有明顯影響。溫度過低20

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，其中大形變在室溫時都不能自發(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高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為“冷拉”。兩種拉伸過程又有區(qū)別：

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Tb到Tg，而結(jié)晶聚合物則為Tg至Tm；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(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程。玻璃態(tài)聚合物的拉伸與結(jié)晶聚合物的拉伸相似之處玻璃態(tài)聚合物的拉伸與結(jié)晶聚合物的拉伸相似之處218.1.3應(yīng)力一應(yīng)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(yīng)力都較高的情況，有時可將斷裂功作為“韌性”的標(biāo)志。8.1.3應(yīng)力一應(yīng)變曲線類型“軟”和“硬”用于區(qū)分模量的22（3）硬而韌型此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強度都很高，斷裂伸長率也很大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積很大，說明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。（1）硬而脆型此類材料彈性模量高（OA段斜率大）而斷裂伸長率很小。在很小應(yīng)變下，材料尚未出現(xiàn)屈服已經(jīng)斷裂，斷裂強度較高。在室溫或室溫之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛樹脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。（2）硬而強型此類材料彈性模量高，斷裂強度高，斷裂伸長率小。通常材料拉伸到屈服點附近就發(fā)生破壞（大約為5%）。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類型。說明（3）硬而韌型此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強度都很23（5）軟而弱型此類材料彈性模量低，斷裂強度低，斷裂伸長率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。（4）軟而韌型此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長率大（20%～1000%），斷裂強度可能較高，應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積大。各種橡膠制品和增塑聚氯乙烯具有這種應(yīng)力－應(yīng)變特征。硬而韌的材料，在拉伸過程中顯示出明顯的屈服、冷拉或細頸現(xiàn)象，細頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增大，細頸部分向試樣兩端擴展，直至全部試樣測試區(qū)都變成細頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維素、硝酸纖維素等屬于這種材料。（5）軟而弱型此類材料彈性模量低，斷裂強度低，斷裂伸長24注意材料拉伸過程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測試條件（如拉伸速率）的影響，硬而強型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也會發(fā)生大于100%的斷裂伸長率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點。實際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典型性，或是幾種類型的組合。例如有的材料拉伸時存在明顯的屈服和“頸縮”，有的則沒有；有的材料斷裂強度高于屈服強度，有的則屈服強度高于斷裂強度等。因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實驗環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。注意材料拉伸過程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測試條件（258.

2聚合物的塑性和屈服

Theplasticityandyieldingofpolymer

高聚物屈服點前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點后高聚物將在恒應(yīng)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(yīng)變相當(dāng)大，剪切屈服應(yīng)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(yīng)變軟化。屈服應(yīng)力對應(yīng)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8.2聚合物的塑性和屈服

Theplasticitya26Strainsoftening應(yīng)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(yīng)變軟化：屈服后，應(yīng)變增加，應(yīng)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(yīng)力急劇上升。試樣斷裂。Strainsoftening應(yīng)變軟化彈性變形后繼續(xù)施278.2.1Shearband剪切帶1.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(gòu)成。8.2.1Shearband剪切帶1.定義：韌性28剪切屈服帶剪切屈服帶是材料內(nèi)部具有高度剪切應(yīng)變的薄層，是在應(yīng)力作用下材料局部產(chǎn)生應(yīng)變軟化形成的。剪切帶通常發(fā)生在缺陷、裂縫或由應(yīng)力集中引起的應(yīng)力不均勻區(qū)內(nèi)，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。聚對苯二甲酸乙二酯中的剪切屈服帶在拉伸實驗和壓縮實驗中都曾經(jīng)觀察到剪切帶,而以壓縮實驗為多。理論上剪切帶的方向應(yīng)與應(yīng)力方向成45o角，由于材料的復(fù)雜性，實際夾角往往小于45o。剪切屈服帶剪切屈服帶是材料內(nèi)部具有高度剪切應(yīng)變的薄層，是在292.剪切屈服現(xiàn)象、機理及判據(jù)橫截面A0,受到的應(yīng)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？2.剪切屈服現(xiàn)象、機理及判據(jù)橫截面A0,受到的應(yīng)力030斜截面A受力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力斜截面A受力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力31抵抗外力的方式抗張強度：抵抗拉力的作用抗剪強度：抵抗剪力的作用兩種當(dāng)應(yīng)力0增加時，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同抗張強度什么面最大？

=0，n=0抗剪強度什么面最大？

=45，s=0/2抵抗外力的方式抗張強度：抵抗拉力的作用抗剪強度：抵抗剪力的作32=0n=0s=0=45n=0/2s=0/2=90n=0s=0=0n=0s=0=45n=0/233切應(yīng)力雙生互等定律當(dāng)=45時s=0/2當(dāng)=-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(dāng)=45時發(fā)生屈服切應(yīng)力雙生互等定律當(dāng)=45時s=0/2當(dāng)=-34屈服試樣的剪切變形帶和細頸屈服試樣的剪切變形帶和細頸35樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方

出現(xiàn)“細頸”的位置自由體積增加松弛時間變短出現(xiàn)“細頸”的原因無外力有外力

Orientation8.2.2細頸Necking細頸:屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細的現(xiàn)象。樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方出現(xiàn)“細頸36Necking頸縮現(xiàn)象為什么會出現(xiàn)細頸？——應(yīng)力最大處。哪里的應(yīng)力最大？Necking頸縮現(xiàn)象為什么會出現(xiàn)細頸？——應(yīng)力最大處。37定義：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100μm，寬度為10μm左右，厚度為1μm的微細凹槽現(xiàn)象。特征：應(yīng)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(yīng)力銀紋8.2.3Crazing銀紋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(yīng)力方向垂直定義：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38銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，因此在銀紋和本體之間的界面上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會使銀紋消失。F銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于39銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服主要區(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(yīng)力結(jié)果冷拉裂縫銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象一般情況下40銀紋和剪切帶是高分子材料發(fā)生屈服的兩種主要形式。銀紋是垂直應(yīng)力作用下發(fā)生的屈服，銀紋方向多與應(yīng)力方向垂直；剪切帶是剪切應(yīng)力作用下發(fā)生的屈服，方向與應(yīng)力成45o和135o角。無論發(fā)生銀紋或剪切帶，都需要消耗大量能量，從而使材料韌性提高。發(fā)生銀紋時材料內(nèi)部會形成微空穴（空穴化現(xiàn)象），體積略有漲大；形成剪切屈服時，材料體積不變。銀紋和剪切帶是高分子材料發(fā)生屈服的兩種主要形式。41強度是指物質(zhì)抵抗破壞的能力張應(yīng)力拉伸強度拉伸模量彎曲力矩抗彎強度彎曲模量壓應(yīng)力壓縮強度硬度如何區(qū)分斷裂形式？關(guān)鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂8.3聚合物的斷裂與強度強度是指物質(zhì)抵抗破壞的能力張應(yīng)力拉伸強度拉伸模量彎曲力矩抗彎421.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(yīng)力分量韌性斷裂屈服后斷裂有塑性流動表面粗糙切應(yīng)力分量相比于脆性斷裂，韌性斷裂的斷裂面較為

試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，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(guān)。大小光滑粗糙斷裂伸長率較 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43脆性斷裂和韌性斷裂表面

左圖脆性試樣斷裂表面的照片；右圖韌性試樣斷裂表面的照片左圖脆性試樣斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣斷裂表面的電鏡照片脆性斷裂和韌性斷裂表面左圖脆性試樣斷裂表面的照片；右圖韌性442.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(xué)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。分子間滑脫5000MPa化學(xué)鍵拉斷15000MPa理論值分子間扯離氫鍵500MPa范德華力100MPa2.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(xué)45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(jié)果相差原因樣條存在缺陷應(yīng)力集中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MPa46polymerbasedconcretecontainingsphericalinorganicparticlesfatiguefracturesurfacepolymerbasedconcretecontain47Comparingofbrittleandductilefractures（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法向應(yīng)力剪切應(yīng)力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力Comparingofbrittleandducti48脆韌轉(zhuǎn)變溫度TbTbisalsocalledbrittletemperature.Brittleductiletransition脆韌轉(zhuǎn)變——脆化溫度，脆化點在一定速率下（不同溫度）測定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨溫度的變化曲線脆韌轉(zhuǎn)變溫度TbTbisalsocalledbr49斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力

誰對應(yīng)變速率更敏感？斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力

誰對應(yīng)變速率更敏感？50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(tǒng)，韌性斷裂脆性斷裂和韌性斷裂判斷T<Tb,先達到b，脆性斷裂T>51對材料一般使用溫度為哪一段？—T

>TbTb越低材料韌性越好差對材料一般使用溫度為哪一段？—T>TbTb越低材料韌性52Example–PC聚碳酸酯Tg=150°CTb=-20°C室溫下易不易碎？Example–PC聚碳酸酯Tg=150°CTb=-53TheinfluenceonTb（1）增加應(yīng)變速率，脆化溫度如何變化？（2）存在缺口，形成應(yīng)力集中，趨向于脆性，脆化溫度升高。TheinfluenceonTb（1）增加應(yīng)變速率，脆54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(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力多大？Griffiththeory8.3.2Griffithcracktheory斷裂理論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55無限大平板中橢圓形裂縫的應(yīng)力集中考察橢圓周圍什么地方受力最大？—應(yīng)力集中處（多大？）Ellipsoidab無限大平板中橢圓形裂縫的應(yīng)力集中考察橢圓周圍什么地方受力最大56公式表達對圓形，a=b對橢圓，a增加，b

減小劇烈——最終結(jié)果就是斷裂公式表達對圓形，a=b對橢圓，a增加，b減小劇烈—57Griffithcracktheory斷裂理論——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(yīng)力Griffith從能量平衡的觀點分析斷裂過程，結(jié)果：Griffithcracktheory斷裂理論——討論58臨界應(yīng)力強度K1c和應(yīng)力強度因子K1CriticalstressintensityKIcStressintensityfactorK1E-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越大臨界應(yīng)力強度K1c和應(yīng)力強度因子K1Criticalstr59Discussion臨界應(yīng)力強度KIc裂紋擴展阻力應(yīng)力強度因子K1裂紋擴展動力臨界應(yīng)力強度KIc應(yīng)力強度因子K1裂紋穩(wěn)定臨界應(yīng)力強度KIc應(yīng)力強度因子K1裂紋擴展Discussion臨界應(yīng)力強度KIc裂紋擴展阻力應(yīng)力強度因60主要內(nèi)容：聚合物的拉伸強度與增強聚合物的韌性與增韌聚合物的疲勞本章重點及要求：掌握聚合物強度和韌性的影響因素、增強和增韌的方法與機理。教學(xué)目的：指導(dǎo)選材、改性、加工和使用。8.4聚合物的強度與韌性主要內(nèi)容：8.4聚合物的強度與韌性618.4.1聚合物的拉伸強度Tensilestrength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8.4.1聚合物的拉伸強度Tensilestrength屈622.影響拉伸強度的因素分子間滑脫主要方式化學(xué)鍵拉斷化學(xué)鍵斷裂所需力最大分子間扯離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2.影響拉伸強度的因素分子間滑脫主要方式化學(xué)鍵拉斷化學(xué)鍵斷裂63A、考慮分子結(jié)構(gòu)因素極性基團或氫鍵高低拉伸強度t主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)高低適度的交聯(lián)高低結(jié)晶度大高低取向好高低加入增塑劑高低缺陷存在高低A、考慮分子結(jié)構(gòu)因素極性基團或氫鍵高低拉伸強度t主鏈上含芳64B、考慮外界因素溫度高應(yīng)變速率大高低高低拉伸強度tB、考慮外界因素溫度高應(yīng)變速率大高低高低拉伸強度t65PolymerswithdifferentpropertiesPolymerswithdifferentproper668.4.2增強Reinforcement活性粒子（Powder）纖維Fiber液晶LiquidCrystal

C，SiO2Glassfiber,CarbonfiberPolyesterFiller填料增強途徑8.4.2增強Reinforcement活性粒子（Po67（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（1）活性粒子增強Carbonblackreinforc68（2）纖維增強Glasssteelboatglassyfiber+polyester增強機理：纖維作為骨架幫助基體承擔(dān)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(guān)（2）纖維增強Glasssteelboat增強機理：纖維69（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(jié)構(gòu)而起到增強作用。由于微纖結(jié)構(gòu)是加工過程中由液晶棒狀分子在共混無物基體中就地形成的，故稱做“原位”復(fù)合增強。熱致液晶+熱塑性聚合物共聚酯，聚芳酯Xydar,Vector,Rodrum（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708.5聚合物的韌性與增韌8.5.1沖擊強度Impactstrength——是衡量材料韌性的一種指標(biāo)沖斷試樣所消耗的功沖斷試樣的厚度和寬度增韌劑：elasticizer,plasticizer,softener8.5聚合物的韌性與增韌8.5.1沖擊強度Impact71Pendulummachine擺錘沖擊機Charpy簡支梁Izod懸臂梁Pendulummachine擺錘沖擊機Charpy簡728.5.2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8.5.2影響沖擊強度的因素韌性好壞順序a>b>c>dc>73Discussion強度延展性——分子間作用力——分子鏈柔順性極性基團或氫鍵好差有支鏈結(jié)構(gòu)好差適度交聯(lián)好差結(jié)晶度大好差雙軸取向好差加入增塑劑好差韌性Discussion強度——分子間作用力極性基團或氫鍵好差有74外界因素溫度高好差應(yīng)變速率大好差沖擊強度i即韌性外界因素溫度高好差應(yīng)變速率大好差沖擊強度i即韌性758.5.3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.8.5.3聚合物的增韌(1)橡膠增韌塑料橡膠增韌塑料e76橡膠增韌塑料的增韌機理銀紋機理：橡膠粒子作為應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力致使分散相粒子周圍空化而吸收能量。橡膠增韌塑料的增韌機理銀紋機理：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物誘發(fā)基77（2）剛性粒子增韌剛性有機粒子增韌：拉伸時，由于基體與分散相之間的模量和泊松比差別致使基體對剛性粒子產(chǎn)生赤道面上的強壓力而發(fā)生脆韌—轉(zhuǎn)變，剛性粒子發(fā)生“冷流”而吸收能量。e.gPC/MBS剛性無機粒子增韌:剛性粒子促使基體在斷裂過程中產(chǎn)生塑性變形吸收能量.e.gPVC+CaCO3剛性粒子增韌的條件是:基體必須具有一定韌性.（2）剛性粒子增韌剛性有機粒子增韌：拉伸時，由于基體與分散相78本章作業(yè)（1~3）：1、畫出聚合物的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并在曲線上標(biāo)出下列每一項：a、抗張強度；b、伸長率；c、屈服點；d、模量。2、右圖為某高聚物在不同溫度下測得的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，請說明：①每條曲線應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的特征；②每條曲線實驗測定的溫度范圍；③用曲線c來討論拉伸過程中，拉伸初期、屈服點后和斷裂前等各階段聚合物微觀結(jié)果的變化。本章作業(yè)（1~3）：1、畫出聚合物的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并在793、下圖是PMMA和HDPE在室溫下單軸拉伸得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：①請判斷哪條是屬于PMMA的應(yīng)力-應(yīng)變曲線？哪條是屬于HDPE的應(yīng)力-應(yīng)變曲線？②說明圖（a）和圖（b）中A、Y、B各點稱做什么？OA段發(fā)生的是什么形變？圖（a）的CD段和DB段分別指的是什么？③如果在HDPE中引入交聯(lián)結(jié)構(gòu)，估計它的模量和拉伸強度將發(fā)生什么變化？④如果提高PMMA的相對分子質(zhì)量，估計它的沖擊強度將發(fā)生什么變化？3、下圖是PMMA和HDPE在室溫下單軸拉伸得到的應(yīng)力-應(yīng)變80⑤在圖（a）中，標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的截面積是40mm2，拉到A點時所需要的拉力是400N，此時有效標(biāo)定距離由50mm拉伸到了52.5mm，該聚合物的模量是多少？⑤在圖（a）中，標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的截面積是40mm2，拉到A點時81第八章聚合物的屈服和斷裂第八章聚合物的屈服和斷裂828.1.1非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線8.1聚合物的塑性和屈服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，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。圖8-1啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣

常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖8-1所示，試樣中部為測試部分，標(biāo)距長度為l0，初始截面積為A0。設(shè)以一定的力F拉伸試樣，使兩標(biāo)距間的長度增至，定義試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)椋?.1.1非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線8.1聚合物的塑性和屈83圖8-2非晶態(tài)聚合物典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖

圖8-2非晶態(tài)聚合物典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖84曲線特征：（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力－應(yīng)變呈直線關(guān)系變化，直線斜率相當(dāng)于材料彈性模量。（2）越過A點，應(yīng)力－應(yīng)變曲線偏離直線，說明材料開始發(fā)生塑性形變，極大值Y點稱材料的屈服點，其對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強度）和屈服應(yīng)變。發(fā)生屈服時，試樣上某一局部會出現(xiàn)“細頸”現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降，發(fā)生“屈服軟化”。曲線特征：（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力－應(yīng)85（3）隨著應(yīng)變增加，在很長一個范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細頸”區(qū)越來越大。直到拉伸應(yīng)變很大時，材料應(yīng)力又略有上升（成頸硬化），到達B點發(fā)生斷裂。與B點對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強度（或斷裂強度）和斷裂伸長率，它們是材料發(fā)生破壞的極限強度和極限伸長率。（4）曲線下的面積等于相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，單位為J?m-3，稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個物理量。（3）隨著應(yīng)變增加，在很長一個范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細頸”區(qū)86A

彈性極限應(yīng)變A彈性極限應(yīng)力B

斷裂伸長率B斷裂強度

Y

屈服應(yīng)力Ypoint:Yieldingpoint屈服點Apoint:Pointofelasticlimit彈性極限點Bpoint:Breakingpoint斷裂點εyA彈性極限應(yīng)變A彈性極限應(yīng)力Ypoint:Yie87各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1、溫度的影響環(huán)境溫度對高分子材料拉伸行為的影響十分顯著。溫度升高，分子鏈段熱運動加劇，松弛過程加快，表現(xiàn)出材料模量和強度下降，伸長率變大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀發(fā)生很大變化。圖8-4聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1、溫度的影響環(huán)境溫度對高分子88若在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，則試樣已發(fā)生的大形變無法完全恢復(fù)；只有讓試樣的溫度升到Tg附近，形變方可回復(fù)，因此，這種大形變在本質(zhì)上是一種高彈形變，而不是粘流形變，其分子機理主要是高分子的鏈段運動，它只是在大外力的作用下的一種鏈段運動。為區(qū)別于普通的高彈形變，可稱之為強迫高彈性。若在試樣斷裂前停止拉伸，除去外力，則試樣已發(fā)生的大形變無法89研究高聚物拉伸破壞行為時，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情形。對于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于＜＜時，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形（參見圖8-4中T=80℃，60℃的情形），這種變形稱強迫高彈形變。

非晶聚合物的強迫高彈形變

研究高聚物拉伸破壞行為時，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服90（2）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈段被強迫發(fā)生運動、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強迫高彈形變在外力撤消后，通過適當(dāng)升溫（＞）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。（1）這種現(xiàn)象既不同于高彈態(tài)下的高彈形變，也不同于粘流態(tài)下的粘性流動。這是一種獨特的力學(xué)行為。（3）強迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說明提高應(yīng)力可以促進分子鏈段在作用力方向上的運動，如同升高溫度一樣，起到某種“活化”作用。從鏈段的松弛運動來講，提高應(yīng)力降低了鏈段在作用力方向上的運動活化能，減少了鏈段運動的松弛時間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過勢壘而運動。討論（2）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈段被強迫發(fā)生運91在Tg以下，由于聚合物處于玻璃態(tài)，即使外力除去，已發(fā)生的大形變也不能自發(fā)回復(fù)。在材料出現(xiàn)屈服之前發(fā)生的斷裂稱為脆性斷裂，一般材料在發(fā)生脆性斷裂之前只發(fā)生很小的形變。而在材料屈服之后的斷裂，則稱為韌性斷裂。存在一個特征溫度Tb，只要溫度低于Tb，玻璃態(tài)高聚物就不能發(fā)生強迫高彈形變，而必定發(fā)生脆性斷裂，這個溫度稱為脆化溫度Tb。在Tg以下，由于聚合物處于玻璃態(tài)，即使外力除去，已發(fā)生的大形92圖8-5斷裂強度和屈服強度隨溫度的變化趨勢虛線——高拉伸速率實線——低拉伸速率

材料的拉伸斷裂強度和屈服強度隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化，屈服強度受溫度變化的影響更大些。在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點對應(yīng)的溫度稱脆-韌轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)環(huán)境溫度小于時，材料的＜，受外力作用時，材料未屈服前先已斷裂，呈脆性斷裂特征。環(huán)境溫度高于時，＞，受外力作用時，材料先屈服，出現(xiàn)細頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。圖8-5斷裂強度和屈服強度隨溫度的變化趨勢材料的拉伸斷93拉伸速率對材料的斷裂強度和屈服強度也有明顯影響。2、拉伸速率的影響

減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對材料拉伸行為有相似的影響，這是時-溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。圖8-6斷裂強度和屈服強度隨拉伸速率的變化趨勢實線——低環(huán)境溫度虛線——高環(huán)境溫度與脆-韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線交點，可以定義脆-韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率。拉伸速率高于時，材料呈脆性斷裂特征；低于時，呈韌性斷裂特征。拉伸速率對材料的斷裂強度和屈服強度也有明顯影響。2943、環(huán)境壓力的影響圖8-7聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨環(huán)境壓力的變化（T=31℃）

右圖可見，PS在低環(huán)境壓力（常壓）下呈脆性斷裂特點，強度與斷裂伸長率都很低。隨著環(huán)境壓力升高，材料強度增高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。研究發(fā)現(xiàn)，對許多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆-韌轉(zhuǎn)變行為還與環(huán)境壓力有關(guān)。3、環(huán)境壓力的影響圖8-7聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線右95

比較圖8-4和8-7可以發(fā)現(xiàn)，升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境壓力都能使高分子材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。但兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式有很大差別。兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式升高溫度使材料變韌，但其拉伸強度明顯下降。升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時，強度也得到提高，材料變得強而韌。這兩種不同的脆-韌轉(zhuǎn)變方式給我們以啟發(fā)，告訴我們材料增韌改性并非一定要以犧牲強度為代價。設(shè)計恰當(dāng)?shù)姆椒?，就有可能在增韌的同時，保持或提高材料的強度，實現(xiàn)既增韌又增強。塑料的非彈性體增韌改性技術(shù)就是由此發(fā)展起來的。

比較圖8-4和8-7可以發(fā)現(xiàn)，升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境96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”。8.1.2晶態(tài)聚合物的應(yīng)力一應(yīng)變曲線晶態(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)。整個曲線可分為三個階段：8.1.2晶態(tài)聚合物的應(yīng)力一應(yīng)變曲線97晶態(tài)聚合物的“冷拉伸”圖8-8結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)晶聚合物也能產(chǎn)生強迫高彈變形，這種形變稱“冷拉伸”。結(jié)晶聚合物具有與非晶聚合物相似的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線，如下圖。圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔點時（<），雖然晶區(qū)尚未熔融，材料也發(fā)生了很大拉伸變形。見圖中曲線3、4、5。這種現(xiàn)象稱“冷拉伸”。晶態(tài)聚合物的“冷拉伸”圖8-8結(jié)晶聚合物在不同溫度下的應(yīng)力-98（1）發(fā)生冷拉之前，材料有明顯的屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)為試樣測試區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一處或幾處“頸縮”。隨著冷拉的進行，細頸部分不斷發(fā)展，形變量不斷增大，而應(yīng)力幾乎保持不變，直到整個試樣測試區(qū)全部變細。再繼續(xù)拉伸，應(yīng)力將上升（應(yīng)變硬化），直至斷裂。討論（2）雖然冷拉伸也屬于強迫高彈形變，但兩者的微觀機理不盡相同。結(jié)晶聚合物從遠低于玻璃化溫度直到熔點附近一個很大溫區(qū)內(nèi)都能發(fā)生冷拉伸。在微觀上，冷拉伸是應(yīng)力作用使原有的結(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。圖8－9球晶拉伸形變時內(nèi)部晶片變化示意圖

（1）發(fā)生冷拉之前，材料有明顯的屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)為試樣測試區(qū)內(nèi)99圖8－10片晶受拉伸形變時內(nèi)部晶片發(fā)生位錯、轉(zhuǎn)向、定向排列、拉伸示意圖

圖8－10片晶受拉伸形變時內(nèi)部晶片發(fā)生位錯、轉(zhuǎn)向、定100（4）環(huán)境溫度、拉伸速率、分子量都對冷拉有明顯影響。溫度過低或拉伸速率過高，分子鏈松弛運動不充分，會造成應(yīng)力集中，使材料過早破壞。溫度過高或拉伸速率過低，分子鏈可能發(fā)生滑移而流動，造成斷裂。分子量較低的聚合物，分子鏈短，不能夠充分拉伸、取向以達到防止材料破壞的程度，也會使材料在屈服點后不久就發(fā)生破壞。（3）實現(xiàn)強迫高彈形變和冷拉必須有一定條件。關(guān)鍵有兩點，一是材料屈服后應(yīng)表現(xiàn)出軟化效應(yīng)；二是擴大應(yīng)變時應(yīng)表現(xiàn)出材料硬化效應(yīng)，軟、硬恰當(dāng)，才能實現(xiàn)大變形和冷拉。（4）環(huán)境溫度、拉伸速率、分子量都對冷拉有明顯影響。溫度過低101

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，其中大形變在室溫時都不能自發(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高彈形變。該現(xiàn)象通常稱為“冷拉”。兩種拉伸過程又有區(qū)別：

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Tb到Tg，而結(jié)晶聚合物則為Tg至Tm；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(jié)晶的破壞，取向和再結(jié)晶等過程。玻璃態(tài)聚合物的拉伸與結(jié)晶聚合物的拉伸相似之處玻璃態(tài)聚合物的拉伸與結(jié)晶聚合物的拉伸相似之處1028.1.3應(yīng)力一應(yīng)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(yīng)力都較高的情況，有時可將斷裂功作為“韌性”的標(biāo)志。8.1.3應(yīng)力一應(yīng)變曲線類型“軟”和“硬”用于區(qū)分模量的103（3）硬而韌型此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強度都很高，斷裂伸長率也很大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積很大，說明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。（1）硬而脆型此類材料彈性模量高（OA段斜率大）而斷裂伸長率很小。在很小應(yīng)變下，材料尚未出現(xiàn)屈服已經(jīng)斷裂，斷裂強度較高。在室溫或室溫之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛樹脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。（2）硬而強型此類材料彈性模量高，斷裂強度高，斷裂伸長率小。通常材料拉伸到屈服點附近就發(fā)生破壞（大約為5%）。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類型。說明（3）硬而韌型此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強度都很104（5）軟而弱型此類材料彈性模量低，斷裂強度低，斷裂伸長率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。（4）軟而韌型此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長率大（20%～1000%），斷裂強度可能較高，應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積大。各種橡膠制品和增塑聚氯乙烯具有這種應(yīng)力－應(yīng)變特征。硬而韌的材料，在拉伸過程中顯示出明顯的屈服、冷拉或細頸現(xiàn)象，細頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增大，細頸部分向試樣兩端擴展，直至全部試樣測試區(qū)都變成細頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維素、硝酸纖維素等屬于這種材料。（5）軟而弱型此類材料彈性模量低，斷裂強度低，斷裂伸長105注意材料拉伸過程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測試條件（如拉伸速率）的影響，硬而強型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也會發(fā)生大于100%的斷裂伸長率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點。實際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典型性，或是幾種類型的組合。例如有的材料拉伸時存在明顯的屈服和“頸縮”，有的則沒有；有的材料斷裂強度高于屈服強度，有的則屈服強度高于斷裂強度等。因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實驗環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。注意材料拉伸過程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測試條件（1068.

2聚合物的塑性和屈服

Theplasticityandyieldingofpolymer

高聚物屈服點前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點后高聚物將在恒應(yīng)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(yīng)變相當(dāng)大，剪切屈服應(yīng)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(yīng)變軟化。屈服應(yīng)力對應(yīng)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8.2聚合物的塑性和屈服

Theplasticitya107Strainsoftening應(yīng)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(yīng)變軟化：屈服后，應(yīng)變增加，應(yīng)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(yīng)力急劇上升。試樣斷裂。Strainsoftening應(yīng)變軟化彈性變形后繼續(xù)施1088.2.1Shearband剪切帶1.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(gòu)成。8.2.1Shearband剪切帶1.定義：韌性109剪切屈服帶剪切屈服帶是材料內(nèi)部具有高度剪切應(yīng)變的薄層，是在應(yīng)力作用下材料局部產(chǎn)生應(yīng)變軟化形成的。剪切帶通常發(fā)生在缺陷、裂縫或由應(yīng)力集中引起的應(yīng)力不均勻區(qū)內(nèi)，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。聚對苯二甲酸乙二酯中的剪切屈服帶在拉伸實驗和壓縮實驗中都曾經(jīng)觀察到剪切帶,而以壓縮實驗為多。理論上剪切帶的方向應(yīng)與應(yīng)力方向成45o角，由于材料的復(fù)雜性，實際夾角往往小于45o。剪切屈服帶剪切屈服帶是材料內(nèi)部具有高度剪切應(yīng)變的薄層，是在1102.剪切屈服現(xiàn)象、機理及判據(jù)橫截面A0,受到的應(yīng)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？2.剪切屈服現(xiàn)象、機理及判據(jù)橫截面A0,受到的應(yīng)力0111斜截面A受力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力斜截面A受力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力112抵抗外力的方式抗張強度：抵抗拉力的作用抗剪強度：抵抗剪力的作用兩種當(dāng)應(yīng)力0增加時，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同抗張強度什么面最大？

=0，n=0抗剪強度什么面最大？

=45，s=0/2抵抗外力的方式抗張強度：抵抗拉力的作用抗剪強度：抵抗剪力的作113=0n=0s=0=45n=0/2s=0/2=90n=0s=0=0n=0s=0=45n=0/2114切應(yīng)力雙生互等定律當(dāng)=45時s=0/2當(dāng)=-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(dāng)=45時發(fā)生屈服切應(yīng)力雙生互等定律當(dāng)=45時s=0/2當(dāng)=-115屈服試樣的剪切變形帶和細頸屈服試樣的剪切變形帶和細頸116樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方

出現(xiàn)“細頸”的位置自由體積增加松弛時間變短出現(xiàn)“細頸”的原因無外力有外力

Orientation8.2.2細頸Necking細頸:屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細的現(xiàn)象。樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方出現(xiàn)“細頸117Necking頸縮現(xiàn)象為什么會出現(xiàn)細頸？——應(yīng)力最大處。哪里的應(yīng)力最大？Necking頸縮現(xiàn)象為什么會出現(xiàn)細頸？——應(yīng)力最大處。118定義：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100μm，寬度為10μm左右，厚度為1μm的微細凹槽現(xiàn)象。特征：應(yīng)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(yīng)力銀紋8.2.3Crazing銀紋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(yīng)力方向垂直定義：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119銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，因此在銀紋和本體之間的界面上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會使銀紋消失。F銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于120銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服主要區(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(yīng)力結(jié)果冷拉裂縫銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象一般情況下121銀紋和剪切帶是高分子材料發(fā)生屈服的兩種主要形式。銀紋是垂直應(yīng)力作用下發(fā)生的屈服，銀紋方向多與應(yīng)力方向垂直；剪切帶是剪切應(yīng)力作用下發(fā)生的屈服，方向與應(yīng)力成45o和135o角。無論發(fā)生銀紋或剪切帶，都需要消耗大量能量，從而使材料韌性提高。發(fā)生銀紋時材料內(nèi)部會形成微空穴（空穴化現(xiàn)象），體積略有漲大；形成剪切屈服時，材料體積不變。銀紋和剪切帶是高分子材料發(fā)生屈服的兩種主要形式。122強度是指物質(zhì)抵抗破壞的能力張應(yīng)力拉伸強度拉伸模量彎曲力矩抗彎強度彎曲模量壓應(yīng)力壓縮強度硬度如何區(qū)分斷裂形式？關(guān)鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂8.3聚合物的斷裂與強度強度是指物質(zhì)抵抗破壞的能力張應(yīng)力拉伸強度拉伸模量彎曲力矩抗彎1231.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(yīng)力分量韌性斷裂屈服后斷裂有塑性流動表面粗糙切應(yīng)力分量相比于脆性斷裂，韌性斷裂的斷裂面較為

試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，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(guān)。大小光滑粗糙斷裂伸長率較 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124脆性斷裂和韌性斷裂表面

左圖脆性試樣斷裂表面的照片；右圖韌性試樣斷裂表面的照片左圖脆性試樣斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣斷裂表面的電鏡照片脆性斷裂和韌性斷裂表面左圖脆性試樣斷裂表面的照片；右圖韌性1252.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(xué)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。分子間滑脫5000MPa化學(xué)鍵拉斷15000MPa理論值分子間扯離氫鍵500MPa范德華力100MPa2.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(xué)126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(jié)果相差原因樣條存在缺陷應(yīng)力集中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MPa127polymerbasedconcretecontainingsphericalinorganicparticlesfatiguefracturesurfacepolymerbasedconcretecontain128Comparingofbrittleandductilefractures（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法向應(yīng)力剪切應(yīng)力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力Comparingofbrittleandducti129脆韌轉(zhuǎn)變溫度TbTbisalsocalledbrittletemperature.Brittleductiletransition脆韌轉(zhuǎn)變——脆化溫度，脆化點在一定速率下（不同溫度）測定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力隨溫度的變化曲線脆韌轉(zhuǎn)變溫度TbTbisalsocalledbr130斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力

誰對應(yīng)變速率更敏感？斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力

誰對應(yīng)變速率更敏感？131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(tǒng)，韌性斷裂脆性斷裂和韌性斷裂判斷T<Tb,先達到b，脆性斷裂T>132對材料一般使用溫度為哪一段？—T

>TbTb越低材料韌性越好差對材料一般使用溫度為哪一段？—T>TbTb越低材料韌性133Example–PC聚碳酸酯Tg=150°CTb=-20°C室溫下易不易碎？Example–PC聚碳酸酯Tg=150°CTb=-134TheinfluenceonTb（1）增加應(yīng)變速率，脆化溫度如何變化？（2）存在缺口，形成應(yīng)力集中，趨向于脆性，脆化溫度升高。TheinfluenceonTb（1）增加應(yīng)變速率，脆135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(yīng)力集中缺陷處應(yīng)力多大？Griffiththeory8.3.2Griffithcracktheory斷裂理論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136無限大平板中橢圓形裂縫的應(yīng)力集中考察橢圓周圍什么地方受力最大？—應(yīng)力集中處（多大？）Ellipsoidab無限大平板中橢圓形裂縫的應(yīng)力集中考察橢圓周圍什么地方受力最大137公式表達對圓形，a=b對橢圓，a增加，b

減小劇烈——最終結(jié)果就是斷裂公式表達對圓形，a=b對橢圓，a增加，b減小劇烈—138Griffithcracktheory斷裂理論——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(yīng)力Griffith從能量平衡的觀點分析斷裂過程，結(jié)果：Griffithcracktheory斷裂理論——討論139臨界應(yīng)力強度K1c和應(yīng)力強度因子K1CriticalstressintensityKIcStressintensityfactorK1E-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越大臨界應(yīng)力強度K1c和應(yīng)力強度因子K1Criticalstr140Discussion臨界應(yīng)力強度KIc裂紋擴展阻力應(yīng)力強度因子K1裂紋擴展動力臨界應(yīng)力強度KIc應(yīng)力強度因子K1裂紋穩(wěn)定臨界應(yīng)力強度KIc應(yīng)力強度因子K1裂紋擴展Discussion臨界應(yīng)力強度KIc裂紋擴展阻力應(yīng)力強度因141主要內(nèi)容：聚合物的拉伸強度與增強聚合物的韌性與增韌聚合物的疲勞本章重點及要求：掌握聚合物強度和韌性的影響因素、增強和增韌的方法與機理。教學(xué)目的：指導(dǎo)選材、改性、加工和使用。8.4聚合物的強度與韌性主要內(nèi)容：8.4聚合物的強度與韌性1428.4.1聚合物的拉伸強度Tensilestrength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8.4.1聚合物的拉伸強度Tensi