高聚物的斷裂和力學(xué)強(qiáng)度課件

第七章高聚物的斷裂和力學(xué)強(qiáng)度

Chapt.7TheFailureandStrength

ofSolidPolymers

計(jì)劃學(xué)時(shí)：8-10學(xué)時(shí)主要參考書：何曼君主編：高分子物理金日光主編：高分子物理Brostow:FailureofPlastics第一部分Part1理論上，根據(jù)完全伸直鏈晶胞參數(shù)求得的聚乙烯最高理論強(qiáng)度達(dá)1.9x104MPa，是鋼絲的幾十倍。實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)獲得高拉伸聚酰胺纖維在液氮中的最高實(shí)際強(qiáng)度達(dá)2.3x103MPa。

在高分子材料諸多應(yīng)用中，作為結(jié)構(gòu)材料使用是其最常見、最重要的應(yīng)用。在許多領(lǐng)域，高分子材料已成為金屬、木材、陶瓷、玻璃等的代用品。引言之所以如此，除去它具有制造加工便利、質(zhì)輕、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)外，還因?yàn)樗哂休^高的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。本章一方面介紹描述高分子材料宏觀力學(xué)強(qiáng)度的物理量和演化規(guī)律；另一方面從分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)探討影響高分子材料力學(xué)強(qiáng)度的因素，為研制設(shè)計(jì)性能更佳的材料提供理論指導(dǎo)。為了評(píng)價(jià)高分子材料使用價(jià)值，揚(yáng)長(zhǎng)避短地利用、控制其強(qiáng)度和破壞規(guī)律，進(jìn)而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高分子材料力學(xué)強(qiáng)度變化的宏觀規(guī)律和微觀機(jī)理。鑒于高分子材料力學(xué)狀態(tài)的復(fù)雜性，以及力學(xué)狀態(tài)與外部環(huán)境條件密切相關(guān)，高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度和破壞形式也必然與材料的使用環(huán)境和使用條件有關(guān)。一、高分子材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性

（一）應(yīng)力－應(yīng)變曲線及其類型

圖7-1啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣

常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖7-1所示，試樣中部為測(cè)試部分，標(biāo)距長(zhǎng)度為l0，初始截面積為A0。

研究材料強(qiáng)度和破壞的重要實(shí)驗(yàn)手段是測(cè)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(cè)量試樣上的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，直到試樣破壞。設(shè)以一定的力F拉伸試樣，使兩標(biāo)距間的長(zhǎng)度增至，定義試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)椋鹤⒁獯颂幎x的應(yīng)力σ等于拉力除以試樣原始截面積A0，這種應(yīng)力稱工程應(yīng)力或公稱應(yīng)力，并不等于材料所受的真實(shí)應(yīng)力。同樣這兒定義的應(yīng)變?yōu)楣こ虘?yīng)變，屬于應(yīng)變的Euler度量。（7-1）（7-2）典型高分子材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7-2所示。應(yīng)力應(yīng)變圖7-2典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

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。

由于高分子材料種類繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有多種形狀。歸納起來(lái)，可分為五類。圖7-3高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型曲線的類型（1）硬而脆型（2）硬而強(qiáng)型（3）硬而韌型（4）軟而韌型（5）軟而弱型

（3）硬而韌型此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強(qiáng)度都很高，斷裂伸長(zhǎng)率也很大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積很大，說(shuō)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(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)型此類材料彈性模量高，斷裂強(qiáng)度高，斷裂伸長(zhǎng)率小。通常材料拉伸到屈服點(diǎn)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(shuō)明（5）軟而弱型

此類材料彈性模量低，斷裂強(qiáng)度低，斷裂伸長(zhǎng)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(zhǎng)率大（20%～1000%），斷裂強(qiáng)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(guò)程中顯示出明顯的屈服、冷拉或細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測(cè)試區(qū)都變成細(xì)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。（二）

影響拉伸行為的外部因素1、溫度的影響圖7-4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）環(huán)境溫度對(duì)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(yùn)動(dòng)加劇，松弛過(guò)程加快，表現(xiàn)出材料模量和強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率變大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀發(fā)生很大變化。

圖7-5斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)虛線——高拉伸速率實(shí)線——低拉伸速率

材料的拉伸斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化，屈服強(qiáng)度受溫度變化的影響更大些。

在溫度升高過(guò)程中，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱脆-韌轉(zhuǎn)變溫度。

當(dāng)環(huán)境溫度小于時(shí)，材料的＜，受外力作用時(shí)，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(shí)，＞，受外力作用時(shí)，材料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。

2、拉伸速率的影響

減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對(duì)材料拉伸行為有相似的影響，這是時(shí)-溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。

圖7-6斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨拉伸速率的變化趨勢(shì)實(shí)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(diǎn)，可以定義脆-韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率。拉伸速率高于時(shí)，材料呈脆性斷裂特征；低于時(shí)，呈韌性斷裂特征。

拉伸速率對(duì)材料的斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也有明顯影響

。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(qiáng)度為代價(jià)。設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ陀锌赡茉谠鲰g的同時(shí)，保持或提高材料的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)既增韌又增強(qiáng)。塑料的非彈性體增韌改性技術(shù)就是由此發(fā)展起來(lái)的（后詳）。

比較圖7-4和7-7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(qiáng)度明顯下降。升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時(shí)，強(qiáng)度也得到提高，材料變得強(qiáng)而韌。（三）

強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸”已知環(huán)境對(duì)高分子材料拉伸行為有顯著影響，這兒再重點(diǎn)介紹在特殊環(huán)境條件下，高分子材料的兩種特殊拉伸行為。

1、非晶聚合物的強(qiáng)迫高彈形變

圖7-4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）研究高聚物拉伸破壞行為時(shí)，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情形。對(duì)于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于＜＜時(shí)，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7-4中T=80℃，60℃的情形），這種變形稱強(qiáng)迫高彈形變。

（2）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來(lái)卷曲的分子鏈段被強(qiáng)迫發(fā)生運(yùn)動(dòng)、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強(qiáng)迫高彈形變?cè)谕饬Τ废?，通過(guò)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(dòng)。這是一種獨(dú)特的力學(xué)行為。（3）強(qiáng)迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說(shuō)明提高應(yīng)力可以促進(jìn)分子鏈段在作用力方向上的運(yùn)動(dòng)，如同升高溫度一樣，起到某種“活化”作用。從鏈段的松弛運(yùn)動(dòng)來(lái)講，提高應(yīng)力降低了鏈段在作用力方向上的運(yùn)動(dòng)活化能，減少了鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間，使得在玻璃態(tài)被凍結(jié)的鏈段能越過(guò)勢(shì)壘而運(yùn)動(dòng)。

討論2、晶態(tài)聚合物的“冷拉伸”圖7-8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(qiáng)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，見圖7-8。

圖中當(dāng)環(huán)境溫度低于熔點(diǎn)時(shí)（<），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”。

（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(cè)試區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一處或幾處“頸縮”。隨著冷拉的進(jìn)行，細(xì)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(gè)試樣測(cè)試區(qū)全部變細(xì)。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(qiáng)迫高彈形變，但兩者的微觀機(jī)理不盡相同。結(jié)晶聚合物從遠(yuǎn)低于玻璃化溫度直到熔點(diǎn)附近一個(gè)很大