聚合物的屈服断裂和强度部分解析PPT课件.ppt

1,第七章 高聚物的屈服、断裂和强度,在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料将发生大形变直至宏观破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能力称为强度。 材料断裂的方式形变性质 脆性断裂 韧性断裂,2,7.1 描述力学性质的基本物理量和几种常用的力学性能指标,一 应力与应变 应变：材料受到外力作用，而所处的条件使它不能产生惯性移动时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化称为应变。 应力：单位面积上的附加内力为应力。 应力单位：N/m2，又称帕斯卡，Pa。,3,二 应变类型 三种基本的应变类型 简单拉伸 简单剪切 均匀压缩,4,1 拉伸应变 在简单拉伸的情况下，材料受到的外力F是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个力，如下图所示，这时材料的形变称为拉伸应变。,5, 小形变时 拉伸应变通常以单位长度的伸长来定义，如果材料的起始长度为l0，变形后的长度为l，则拉伸应变 式中l材料的绝对伸长 习用应变，相对伸长 拉伸应变拉伸应力 习用应变习用应力，习用应力定义为： 式中A0材料的起始截面积,6, 大形变时 材料的截面积将发生较大的变化，习用应力与材料的真实应力会发生较大的偏差，应以真实截面积A代替A0，得到的应力则称为真应力。 真应变：lili+dli， 其他拉伸应变的定义，如：,7,2 剪切应变 在简单剪切的情况下，材料受到的力F是与截面A0相平行的大小相等、方向相反的两个力，如下图所示，这时材料的形变称为剪切应变。 简单剪切示意图,8,切应变定义为剪切位移量S与剪切面之间的距离d的比值，即剪切角（或称偏斜角）的正切。 当切应变足够小时， 材料的剪切应力为：,9,3 均匀压缩应变 在均匀(流体静力)压缩的情况下，材斜受到的围压力P的作用，发生体积形变，使材料从起始体积V0缩小为V0-V，如下图所示，这时材料的形变称为均匀压缩应变，定义为单位体积的体积减小，即,均匀流体静压缩示意图,10,三 弹性模量和柔量 对于理想的弹性固体，应力与应变成正比，比例常数称为弹性模量。 表征材料抵抗变形能力的大小，模量越大，越不容易变形，材料刚性越大。 上述三种基本类型的弹性模量分别称为杨氏模量E，剪切模量G和体积模量B。,11,三种基本应变的模量,拉伸: 杨氏模量 E (MPa) -应力 -应变 F-拉伸力 AO-试样原始截面积 lO-试样原始长度 l-伸长长度,12,三种基本应变的模量,剪切: 剪切模量:G (MPa) s 剪切应力 剪切应变 = tg ,13,三种基本应变的模量,压缩: 体积模量 B (Kg) P 流体静压力 V 体积变化 VO 原始体积,14,柔量：模量的倒数 杨氏模量E的倒数称为拉伸柔量，用D表示 剪切模量G的倒数称为剪切柔量，用J表示 体积模量B的倒数称为可压缩度,15,三种应变模量的关系,各向同性的材料： E = 2G (1+) = 3B (1-2 ) (泊松比):横向形变与纵向形变之比,16,不同材料的泊松比,17,四 机械强度 当材料所受的外力超过其承载能力时，材料抵抗外力破坏的能力就是机械强度。 1 拉伸强度 拉伸强度是在规定的试验温度、湿度和试验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷，如下图所示，直至断裂时试样承受的最大载荷P与试样横截面的比值，通常用t表示，即 其单位为N/m2或Pa,18,对应的拉伸模量通常由拉伸初始阶段的应力与应变比例计算，即： 式中P变形较小时的载荷,19,2 压缩强度 与拉伸试验类似，若向试样施加的是单向压缩载荷，则得到的是压缩强度和压缩模量。 理论上，所得压缩模量应与拉伸模量相等，即Et=Ec， 实际上，压缩模量Ec通常稍大于拉伸模量Et,20,3 弯曲强度（挠曲强度） 是在规定试验条件下，对标准试样施加静弯曲力矩，如下图所示，直到试样折断为止，取试验过程中的最大载荷P，并按下式计算弯曲强度 式中挠度,21,4 冲击强度 冲击强度是衡量材料韧性的一种强度指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力。 通常定义为试样受冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。 式中W冲断试样所消耗的功（冲击功）,22,5 硬度 硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。 硬度的大小材料的抗张强度和弹性模量 硬度试验方法有划痕法、压入法和动态法。不同测量方法所得硬度的量值和物理意义均不同。 划痕法测得的硬度表示材料抵抗表面局部断裂的能力，称为莫氏硬度；,23,压入法测得的硬度表示材料抵抗表面塑性变形的能力，根据试验方式分为： 布氏硬度 洛氏硬度 邵氏硬度 动态法测得的硬度表示材料抵抗弹性变形的能力，主要有： 肖氏硬度 动态布氏硬度,24,常见塑料的拉伸和弯曲强度,25,7.2 高聚物的屈服、断裂现象及拉伸强度与增强,一 玻璃态和结晶高聚物的拉伸 应力-应变实验通常在张力F的作用下进行。试验时，测量加于试样上的载荷和相应标线间长度的改变l=l-l0，如果试样的初始截而积为A0，标距的原长为l0，应力和应变分别有下式 表示：,拉伸试样示意图,26,从试验测得的应力、应变数据可以绘制出应力-应变曲线，如下图所示：,应力-应变曲线示意图,27,(一）玻璃态高聚物的应力-应变曲线,1 特征及分析 典型的玻璃态高聚物试样当温度在Tg以下几十度的范围内以一定速率被单轴拉伸时，其应力-应变曲线如下图所示：,28,A点弹性极限点，A为弹性强度极限，A为弹性伸长极限； Y点屈服点，Y为屈服强度Y为屈服伸长率； B点断裂点， B为断裂强度A 为断裂伸长率。,玻璃态高聚物典型的应力-应变曲线,29,拉伸过程中，高分子链的运动分别经历三个过程： （1）弹性形变 （2）强迫高弹形变 （3）粘流,30,2 影响因素 （1）外因温度、拉伸速率 温度,31,曲线（1）：TTg，应力随应变成正比地增加，10，发生断裂。 曲线（2）：温度略微升高以后，出现了一个转折点Y，即屈服点。应力在Y点处达极大值。,玻璃态高聚物在不同温度下的应 力-应变曲线,32,曲线（3）：温度升至Tg以下几十度的范围内时，屈服点之后，试样在不增加外力或者外力增加不大的情况下，能发生很大的应变，然后应力又增加，直至断裂 曲线（4）：TTg，试样进入高弹态，在不大的应力下便可发展高弹形变，曲线不再出现屈服点，试样断裂前，应力又出现急剧上升。,玻璃态高聚物在不同温度下的应 力-应变曲线,33,B与Y与T的关系曲线如下：,TTg， BY，高聚物可产生强迫高弹形变； TTg ，BY，产生强迫高弹形变之前，试样已经被拉断了。 Tb-高聚物的脆化温度，把高聚物的玻璃态分为受迫高弹态和脆性玻璃态。,非晶聚合物（玻璃态）的屈服应力Y和断裂应力B的温度依赖性,34,温度低于Tb，玻璃态高聚物必定发生脆性断裂，因此这个温度称为脆化温度，玻璃态高聚物在Tb 和Tg之间的温度范围内，才能在外力作用下发生强迫高弹形变，而这正是塑料具有韧性的原因，因此Tb 是塑料使用的最低温度。 Tb以下，塑料象玻璃一样一敲就碎，没有使用价值。,Tb,Tg,35, 拉伸速率 同一高聚物，在一定温度，不同拉伸速率下的应力-应变曲线如下图所示：,不同应变速率下的拉伸应力-应变曲线（到屈服点为止）,36,随着拉伸速率的提高，高聚物的屈服应力Y和拉伸强度都相应提高。所以，拉伸速率和T对应力-应变性质的影响是等效的。,37,（2）内因结构 产生强迫高弹性的必要条件是：高聚物具有可运动的链段。,38,高聚物的分子量对强迫高弹性也有影响。分子量较小的高聚物在玻璃态时堆砌紧密，呈现脆性，Tb和Tg很接近；分子量增大到一定程度后，Tb与Tg拉开，且随分子量，T越大，直至达到临界分子量为止，如下图所示： 非晶高聚物的Tb、Tg与分子量的关系曲线,39,（二）晶态高聚物的应力-应变曲线,典型的末取向晶态高聚物在单轴拉伸时的应力-应变曲线如下图所示，它比玻璃态高聚物的拉伸曲线具有更为明显的转折，整个曲线可分为三段：,40,拉伸初期，很快而 很小，随线性，代表普弹形变 .A.达Y点后进入拉伸的第二阶段，Y点后，试样的截面积突然变得不均匀，出现一个或几个“细颈”。 B.细颈与非细颈部分的截面积分别维持不变，而细颈部分不断扩展；非细颈部分逐渐缩短，直至整个试样完全变细。 C.应力几乎不变而应变不断增加,结晶高聚物拉伸过程应力-应变曲线及试样外形变化示意图,41, A.成颈后的试样重新被均匀拉伸 B.由于取向后分子链间排列紧密，相互作用力增强，故必须进一步增大应力，才能使分子链的断裂以致材料破坏。,结晶高聚物拉伸过程应力-应变曲线及试样外形变化示意图,42,（三）取向高聚物的应力-应变曲线,已取向的晶态高聚物的应力-应变曲线，其特点为： 沿取向方向技伸时，伸长率极小，不出现细颈，如前面结晶高聚物拉伸过程应力-应变曲线中的第段直线。 沿垂直于取向方向拉伸时，其过程与末取向试样相似， 最后得到与原取向垂直的新的取向试样，伸长率可达500-800。,43,已取向的非晶高聚物的应力-应变曲线，其特点为： 沿取向方向拉伸时，若原来取向程度已较高，则曲线可能不再出现屈服伸长而断裂。一般说来，沿取向方向的拉伸强度较大。 沿垂直取向方向拉伸时，若在拉伸过程中分子链可再取向，则断裂伸长率及拉伸强度均较大；若在拉伸时强迫高弹形变不能发生，则称脆性断裂，且强度较低。,44,典型的曲线,45,应力-应变曲线的类型Typ