高分子物理Chapter8-1.ppt

Chap 8 Yielding and Fracture of Polymer 第八章 聚合物的屈服与断裂,6学时,本章的教学内容、要求和目的,教学内容： 聚合物的应力应变曲线 聚合物的屈服 聚合物的断裂与强度 重点要求： 会从聚合物应力应变曲线获取信息，掌握屈服和断裂现象及其机理、韧性和强度的影响 因素及增韧、增强方法和机理。 学习目的： 能从分子结构、凝聚态结构和屈服、断裂特征上对材料的韧性和强度进行初步判断，学会聚合物的增韧、增强方法，以满足其使用要求。,聚合物的盈应力应变曲线和屈服,主要内容： 聚合物的应力应变曲线 聚合物的屈服 聚合物的屈服现象、机理和屈服判据,本讲重点及要求：学会从分子运动角度分析聚合物的应力应变曲线，掌握聚合物屈服现象、机理和判据。,Yielding and Fracture of Polymer 第八章 聚合物的屈服与断裂,8.1 The stress-strain curves 应力-应变曲线,研究聚合物的极限性质，即在较大外力的持续作用或强大外力的短时作用后，聚合物发生大形变直至宏观破坏或断裂。,Typical stress-strain curve for amorphous polymer at temperature below Tg,Engineering stress to engineering strain,8.1.1 The stress-strain curves 应力-应变曲线,A 弹性极限应变 A弹性极限应力 B 断裂伸长率 B断裂强度 Y 屈服应力,Y point: Yielding point 屈服点,A point: Point of elastic limit 弹性极限点,B point: Breaking point 断裂点,断裂能 Fracture energy,Stress-strain曲线下面积称作断裂能：材料从开始拉伸至破坏所吸收的能量。,Youngs Modulus 杨氏模量,形变过程,弹性形变 -屈服-应变软化-冷拉-应变硬化-断裂,从分子运动机理解释上述过程,从应力应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息,聚合物的屈服强度（Y点强度） 聚合物的杨氏模量（OA段斜率） 聚合物的 断裂强度（B点强度） 聚合物的断裂伸长率（B点伸长率） 聚合物的断裂韧性（曲线下面积）,8.1.2 Stress-strain curves under various conditions 各种情况下的应力-应变曲线,(a) Different temperature,a: TTg,c: TTg (几十度),d: T接近Tg,b: TTg,Temperature,0C,5070C,70C,050C,Example-PVC,脆断,韧断,无屈服,屈服后断,Results,(b) Different strain rate,Strain rate,速度,速度,Example: PMMA,a: 脆性材料,c: 韧性材料,d: 橡胶,b: 半脆性材料,酚醛或环氧树脂,PP, PE, PC,PS, PMMA,Nature rubber, PI,(c) Composition of Polymers 物质结构组成,(d) Crystallization 结晶,应变软化更明显 冷拉时晶片的倾斜、滑移、转动，形成微晶或微纤束,(e) The Size of Spherulites 球晶大小,(f) The Degree of Crystallization 结晶度,Different types of stress-strain curve,Comparing,8.2 The plasticity and yielding of polymer 聚合物的塑性和屈服,高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后高聚物将在恒应力下“塑性流动”，即链段沿外力方向开始取向。 高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为10%-20%（与金属相比）。 屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还非常迅速。 屈服应力对应变速率和温度都敏感。 屈服发生时，拉伸样条表面产生“银纹”或“剪切带”,继而整个样条局部出现“细颈”。,屈服主要特征,Strain softening 应变软化,弹性变形后继续施加载荷，则产生塑性形变，称为继续屈服，包括： 应变软化：屈服后，应变增加，应力反而有稍许下跌的现象，原因至今尚不清楚。 呈现塑性不稳定性，最常见的为细颈。 塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。 发生“取向硬化”，应力急剧上升。 试样断裂。,样条尺寸：横截面小的地方,应变软化：应力集中的地方,出现“细颈”的位置,自由体积增加,松弛时间变短,出现“细颈”的原因,无外力,有外力,Orientation,细颈稳定,取向硬化,Considre作图法,唯象角度,判据,8.2.1 Necking 细颈与剪切带,(1) 细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。,Necking 颈缩现象,为什么会出现细颈？,应力最大处。,哪里的应力最大？,Engineering stress and true stress 工程应力和真应力,Engineering stress,True stress,Force,Initial cross-section area,Force,Cross-section area,Relationship between engineering stress and true stress under incompressible condition,Considre 作图法:,在真应力-应变曲线上确定与工程应力-应变屈服点Y所对应的B点。,Y点,（2）剪切屈服现象、机理及判据,横截面A0, 受到的应力 0=F/A0,拉伸中材料某个面受力分析,剪切屈服：即在细颈发生前，试样表面出现与拉伸方向成45度角的剪切带。WHY？,斜截面A,受 力,法向应力,剪切应力,Discussion,抵抗外力的方式,抗张强度：抵抗拉力的作用,抗剪强度：抵抗剪力的作用,两种,当应力0增加时，法向应力和切向应力增大的幅度不同,抗张强度什么面最大？ =0， n=0,抗剪强度什么面最大？ =45， s=0/2,Yield Criterion 屈服判据,Von Mises criterion,Coulomb (MC) criterion,当材料的剪切应变能达到某一临界值时，就产生屈服现象。,在某平面出现屈服行为的临界压力s与垂直于该平面的正压力N成正比。,Polymer,切应力双生互等定律,当=45时,s=0/2,当=-90=-45时,s=-0/2,发生屈服,屈服判据,双轴拉伸,屈服判据,当=45时,发生屈服,Shear band 剪切带,在细颈出现之前试样上出现与拉伸方向成45角的剪切滑移变形带,（3） Crazing 银纹,银纹现象为聚合物所特有，它是聚合物在张应力作用下，于材料某些薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，以至于在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100m、宽度为10 m左右、厚度约为1 m的微细凹槽的现象,分类,环境银纹,溶剂银纹,应力银纹,Microstructure of crazing,微纤 Microfibril,微纤平行与外力方向，银纹长度方向与外力垂直。,也称为银纹质,银纹方向和分子链方向,银纹不是空的，银纹体的密度为本体密度的50%，折光指数也低于聚合物本体折光指数，因此