高聚物的强度、屈服与断裂ppt课件

.,5.5极限力学行为屈服、强度与断裂,5.5.1概述5.5.2应力应变曲线5.5.3屈服5.5.4冷拉与成颈5.5.5银纹与应力发白5.5.6强度与破坏,.,5.5.1概述,非极限范围内的小形变：可用模量来表示形变特性极限范围内的大形变：要用应力应变曲线来反映这一过程,.,由应力应变曲线上可获得的反映破坏过程的力学量:扬氏模量屈服应力屈服伸长断裂强度（抗拉强度）断裂伸长,.,由于高聚物的力学性能与温度和力的作用速率有关，因此在试验和应用中务必牢记：（1）必须标明温度和施力速率（或形变速率），切勿将正常形变速率下测试数据用于持久力作用或冲击力作用下的场合下；（2）切勿将正常温度下得到的数据用于低温或高温下。只有在宽广的温度范围和形变速率范围内测得的数据才可以帮助我们判断高聚物材料的强度、硬软、韧脆；（3）材料的设计和应用要根据环境的要求。,.,材料破坏有二种方式，可从拉伸应力应变曲线的形状和破坏是断面形状来区分：脆性破坏:试样在出现屈服点之前断裂断裂表面光滑韧性破坏:试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象短裂表面粗糙,.,.,.,拉伸应力曲线反映的材料的力学性质力学参量力学性质弹性模量刚性屈服点弹性断裂伸长延性屈服应力强度（或断裂强度、抗拉强度）应力应变曲线下部的面积韧性弹性线下部的面积回弹性,.,5.5.2应力-应变曲线,1.高聚物的应力应变综合曲线,.,上面是典型的应力应变曲线实际聚合物材料，通常是综合曲线的一部分或是其变异。处于玻璃态的塑料只在一段范围内才具有这种形状。处于高弹态的橡胶，只有在温度较低和分子量很大时具有这种形状。,.,分析：以B点为界分为二部分：B点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形。斜率即为扬氏模量。B点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢复原样，而留有永久变形，我们称材料“屈服”了，B点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多,.,B点：屈服点B点时对应的应力屈服应力B点时对应的应变屈服应变C点：断裂点C点对应的应力断裂应力（断裂强度）抗拉强度C点对应的应变断裂伸长率,.,.,5.5.3高聚物的屈服,1.高聚物屈服点的特征大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现象是拉伸中出现的细颈现象。它是独特的力学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出屈服过程，这是由于温度和时间对高聚物的性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性，有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物脆性易断。,.,(1)屈服应变大：高聚物的屈服应变比金属大得多，金属0.01左右，高聚物0.2左右（例如PMMA的切变屈服为0.25，压缩屈服为0.13）(2)屈服过程有应变软化现象：许多高聚物在过屈服点后均有一个应力不太大的下降，叫应变软化，这时应变增大，应力反而下降。,.,(3)屈服应力依赖应变速率：应变速率增大，屈服应力增大。,应变速率对PMMA真应力应变曲线的影响,应变速率增大,1,2,3,4,10.2吋分,真应变,41.28吋/分,31.13吋/分,20.8吋/分,真应力,.,(4)屈服应力依赖于温度：温度升高，屈服应力下降。在温度达到时，屈服应力等于0,应力,应变,80,65,50,25,0,25,.,(5)屈服应力受流体静压力的影响：压力增大，屈服应力增大。,1.7千巴,1巴,0.69千巴,3.2千巴,切应力,切应变,.,(6)高聚物屈服应力不等于压缩屈服应力，一般后者大一些。所以高聚物取向薄膜不同方向上的屈服应力差别很大。(7)高聚物在屈服时体积略有缩小。,.,2.真应力-应变曲线及屈服判据三种类型,.,3.屈服机理(1)银纹屈服-银纹现象与应力发白1)银纹现象：很多高聚物，尤其是玻璃态透明高聚物（PS、PMMA、PC）在储存过程及使用过程中，往往会在表面出现像陶瓷的那样，肉眼可见的微细的裂纹，这些裂纹，由于可以强烈地反射可见光看上去是闪亮的，所以又称为银纹,.,原因：（1）应力银纹：高聚物承受张应力作用时，在某些薄弱环节由于局部应力集中而产生局部塑性形变，其宏观体现为：材料表面或内部出现垂直于应力方向的微细凹槽或“裂纹”现象。（2）环境因素诱发银纹：化学物质扩散到高聚物中，使微观表面溶胀或增塑、分子链段的活动性增加，在玻璃化温度下降促进银纹产生；试样表面的缺陷和擦伤也易产生银纹；试样内部空穴或夹杂物的边界处由于缺陷造成应力集中，易导致银纹产生,.,2)应力发白现象：橡胶改性的PS：HIPS或ABS在受到破坏时，其应力面变成乳白色，这就是所谓应力发白现象。应力发白和银纹化之间的差别在于银纹带的大小和多少，应力发白是由大量尺寸非常小的银纹聚集而成。,.,(2)剪切屈服现象：韧性高聚物在拉伸至屈服点时，常可见试样上出现与拉伸方向成45角的剪切滑移变形带。对韧性材料来说，拉伸时45斜截面上的最大切应力首先达到材料的剪切强度，所以首先出现与拉伸方向成45的剪切滑移变形带-细颈。因为变形带中分子链的取向度高，故变形逐步向整个试样扩展。,.,通常，韧性材料最大切应力首先达到抗剪强度，所以材料先屈服。脆性材料最大切应力达到抗剪强度之前，真应力已超过材料强度，所以材料来不及屈服就已断裂。即：韧性材料先屈服后断裂；脆性材料还没屈服就断了。因此韧性材料-断面粗糙-明显变形脆性材料-断面光滑-断面与拉伸方向垂直,.,5.5.4高聚物的断裂与强度,1.脆性断裂与韧性断裂从实用观点来看，高聚物材料的最大优点是它们内在的韧性，也就是说它在断裂前能吸收大量的能量，但是这种内在的韧性不是总能表现出来的，由于加载方式、温度、应变速率、试样形状、大小等的改变会使韧性变差，甚至会脆性断裂，而材料的脆性断裂在工程上是要尽量避免的。,.,脆性：的关系是线性（或微曲）断裂应变低于，断裂能不大断裂面光滑韧性：关系非线性断裂前形变大得多，断裂能很大断裂面粗糙,.,高聚物材料是表现为是脆性还是韧性，这极大地取决于实验条件：主要是温度和测试速率。在恒定的应变速率下：低温脆性形式向高温韧性形式转变在恒定温度下：应变速率上升，表现为脆性形式；应变速率下降，表现为韧性形式,.,.高聚物的强度（1）高聚物材料的破坏实质上大分子主链上化学键的断裂或是高分子链之间相互作用力的破坏。所以从构成高分子链化学键的强度和高分子链间相互作用力的强度可以估称高聚物材料的理论强度。（2）半经验公式：杨氏模量,.,（3）一般讲，实际强度仅是理论强度的1/100到1/1000，为什么？材料内部应力集中引起（有的有缺陷，有的是杂质）。受外力作用时，缺陷根部的应力比材料平均受到的应力大得多，形成塑性屈服区，所以当材料的平均应力还没有达到它的理论强度以前，而缺陷根部的应力首先达到了理论强度的临界值，材料就先从这里开始破坏。,.,（4）影响强度的因素（规定试样尺寸）填料：与填料高聚物的性质有关（纤维填料能改进高聚物的力学强度）。粉料填料也可以作增强剂（如碳黑增强橡胶，模量和强度增加）受力的条件（温度、速度）：按作用力作用方式不同力学强度分为：抗拉强度，抗压强度，抗弯强度，冲击强度为了得到重复性好的结果，为了消除受力条件的影响，规定了统一的标准条件-标准测试,.,.,.,.,5.5.5塑料常规力学性能的测试,1测试标准方法内部标准方法（内标）企业标准方法（企标）部标准方法（部标）国家标准方