I第八章聚合物的屈服与断裂.ppt

1、第八章 聚合物的屈服与断裂,高 分 子 物 理,The yielding and fracture of polymers,A,Y,B,x,掌握：聚合物应力应变曲线、从该曲线所能获得的重要信息，以及各种因素对应力应变曲线的影响，屈服现象和机理，银纹、剪切带的概念，聚合物的强度、韧性和疲劳等概念。聚合物强度的影响因素、增强方法和增强机理，聚合物韧性的影响因素、增韧方法和增韧机理。 重点：高聚物的宏观与微观屈服现象与冷拉机理；理论与实际强度；影响高聚物的应力-应变行为的内因与外因,第八章 聚合物的屈服与断裂,在极大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料发生大形变直至宏观破坏或断裂，对这种破坏或

2、断裂的抵抗能力称为强度。 脆性断裂是缺陷快速扩展的结果，而韧性断裂是屈服后的断裂。 高分子材料的屈服实际上是材料在外力作用下产生的塑性形变。 为了有效的和经济的利用材料和对材料进行改性，不仅需要具体了解材料的各项力学性能指标，而且必须深入研究屈服和断裂过程的物理本质,第八章 聚合物的屈服与断裂,应力-应变实验是一种使用最广泛的、非常重要而又实用的力学实验。 实验方法：在拉力F的作用下，试样沿纵轴方向以均匀的速率被拉伸，直到断裂为止,8.1 聚合物的塑性和屈服,设以一定的力 F 拉伸试样，使两标距间的长度增至l，定义试样中的应力和应变为,测试拉伸性质的样品,哑铃型标准试样,8.1.1.1 非晶态

3、聚合物,8.1 聚合物的塑性和屈服,8.1.1 聚合物典型应力-应变曲线,A,Y,Yielding point 屈服点,Point of elastic limit 弹性极限点,Breaking point 断裂点,Cold drawing 冷拉,弹性形变,屈服,应变软化,冷拉,应变硬化,断裂,Strain softening 应变软化,B,Strain hardening 应变硬化,8.1 聚合物的塑性和屈服,0 1 2 3 4 5,12 10 8 6 4 2 0,应力应变曲线下的面积称作断裂能。它可以反映材料的断裂韧性大小，但不能反映冲击韧性大小,8.1 聚合物的塑性和屈服,以应力应变曲线

4、测定的韧性,由于聚合物的粘弹性本质，其应力应变行为明显地受到外界条件的影响,8.1 聚合物的塑性和屈服,一）温度,b,c,d,a) TTg,不同温度下的应力应变曲线,高于 Tg,低于 Tg,随着拉伸速率提高，聚合物的模量增加，屈服应力，断裂强度增加，断裂伸长率减小,8.1 聚合物的塑性和屈服,二）应变速率,PVC在室温不同拉伸速率下应力应变曲线,0,5,10,15,20,25,2,4,6,8,10,0.1MPa,30MPa,40MPa,100MPa,200MPa,400MPa,300MPa,8.1 聚合物的塑性和屈服,随着静压力的增加，减少了聚合物分子链的活动性，松弛转变移向较高的温度。 聚合

5、物的模量显著的增加，阻止“颈缩”的发生,三）流体静压力,拉伸强度（GB/T 1447-2005） 断裂伸长率 应力应变曲线,拉力机,8.1 聚合物的塑性和屈服,8.1 聚合物的塑性和屈服,未取向晶态聚合物在一定温度，以一定拉伸速度进行单轴拉伸时，其典型的拉伸曲线如下图所示，它比非晶态聚合物具有更明显的转折,8.1.1.2 晶态聚合物,A,Y,B,8.1 聚合物的塑性和屈服,0 1 2 3 4 5,MP,84 70 56 42 28 14 0,人们把晶态聚合物的拉伸成颈归结为球晶中片晶变形的结果。 在微观上，冷拉伸是应力作用使原有的结晶结构破坏，球晶、片晶被拉开分裂成更小的结晶单元，分子链从晶体

6、中被拉出、伸直，沿着拉伸方向排列形成的,8.1 聚合物的塑性和屈服,球晶拉伸形变时内部晶片变化示意图,片晶受拉伸形变时内部晶片发生位错、转向、定向排列、拉伸示意图,F,F,F,F,相似之处：两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自发回复，而加热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是高弹形变。该现象通常称为“冷拉”。 区别：（1）产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉温度区间是Tb到Tg，而结晶聚合物则为Tg 至Tm； （2）玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶态聚合物简单得多，它只发生分子链的取向，并不发生相变，而后者包

7、含有结晶的破坏，取向和再结晶等过程,8.1 聚合物的塑性和屈服,玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较,取向聚合物材料在取向方向上的强度随取向程度的增加而很快增大。此时，分子量和结晶度的影响较小。性能主要由取向度决定。高度取向时，垂直于取向方向上材料的强度很小，容易开裂。 平行取向方向上，模量比未取向时增大很多，但垂直方向上模量与未取向时差别不大。 双轴取向，改进材料的力学性能,8.1.1.3 取向聚合物,8.1 聚合物的塑性和屈服,应力-应变曲线的类型,软”和“硬”用于区分模量的低或高，“弱”和“强”是指强度的大小，“脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很小，“韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况

8、,s,e,4 软而弱,1 硬而脆,2 硬而强,5 软而韧,3 硬而韧,8.1.1.4 聚合物类型,8.1 聚合物的塑性和屈服,1,2,3,4,5,以Y点为界分为二部分：Y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。斜率即为杨氏模量。 Y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，Y点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多,8.1.2 聚合物的屈服 The yielding of polymer,8.1 聚合物的塑性和屈服,A,Y,B,屈服点,塑性,聚合物屈服的主要特征,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

9、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）。金属0.01左右，高聚物0.2左右。 屈服点以后，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,8.1 聚合物的塑性和屈服,细颈 Necking,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,细颈: 屈服时，试样出现的局部变细的现象,8.1 聚合物的塑性和屈服,D,E,0 1 2 3,0 1 2 3,0 1 2 3,由=0无法作切线，不能成颈,

10、由=0可作两条切线，有两个点满足屈服条件，D点时屈服点，E点开始冷拉,由=0可作一条切线，曲线上有一个点满足 ，此点为屈服点，在此点高聚物成颈,真应力-应变曲线及屈服判据三种类型,Considre 作图法,8.1 聚合物的塑性和屈服,为什么会出现细颈,应力最大处,哪里的应力最大,8.1.4 剪切变形带(Shear band)和剪切屈服,剪切屈服：即在细颈发生前，试样表面出现与拉伸方向成45o角的剪切滑移变形带,8.1 聚合物的塑性和屈服,Fan,Fas,横截面A0, 受到的应力 0=F/A0,斜截面A = A0 / cosa,Fcosa,Fsina,法应力,切应力,8.1 聚合物的塑性和屈服,

11、Discussion,s0 /2,45o,90o,aan,aas,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,当应力0增加时，法向应力和切向应力增大的幅度不同 在45o时, 切向应力最大,8.1 聚合物的塑性和屈服,对韧性材料来说，拉伸时45o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45o的剪切滑移变形带。 对脆性材料来说，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。 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,8.1 聚合物的塑性和屈服,8.1.5 银纹 Craz

12、ing,银纹现象为聚合物所特有，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的微细凹槽或“裂纹”的现象,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，因此在银纹和本体之间的界面上将对光线产生全反射现象，呈现银光闪闪的纹路。加热退火会使银纹消失,8.1 聚合物的塑性和屈服,银纹的扩展,银纹平面,裂缝平面,8.1 聚合物的塑性和屈服,银纹特征：应力发白现象，密度为本体的50，高度取向的高分子微纤。银纹进一步发展裂缝脆性断裂,应力发白和银纹化之间

13、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,银纹终止,8.1 聚合物的塑性和屈服,银纹与银纹的作用，银纹与剪切带、空洞以及分散的橡胶粒子的相遇，都已证明是有效的银纹终止手段,大橡胶粒子终止银纹,银纹和剪切带,一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服,均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象,8.1 聚合物的塑性和屈服,8.2 聚合物的断裂与强度,8.2.1 脆性断裂和韧性断裂,从实用观点来看，聚合物材料的最大优点之一是它们内在的韧性，这种材料在断裂前能吸收大量的能量。 但是，材料内在的韧性不是总能表现出来的，由于加载方式改变、或者温度、应变速率、制件形状和尺寸的改变等

14、都会使聚合物材料的韧性变坏，甚至发生脆性断裂,脆性断裂:试样在出现屈服点之前断裂 断裂表面光滑 韧性断裂:试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象 断裂表面粗糙,8.2 聚合物的断裂与强度,对高聚物材料，脆性还是韧性极大地取决于实验条件：主要看温度和测试速率。 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：应变速率上伸，表现为脆性形式；应变速率下降，表现为韧性形式,实验条件对断裂方式的影响,8.2 聚合物的断裂与强度,材料的断裂方式分析,聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏,化学键拉断,15000MPa,分子间滑脱,50

15、00MPa,分子间扯离,氢键 500MPa,范德华力100MPa,强度理论值,8.2 聚合物的断裂与强度,通过断裂形式分析：分子之间相互作用大小对强度影响最大,当材料所受的外力越过其承受能力时，材料就被破坏，机械强度是材料抵抗外力破坏的能力,8.2.2 聚合物强度与理论强度,8.2 聚合物的断裂与强度,标准试样沿轴向施加拉伸载荷，直至断裂前试样所受的最大载荷P与试样横截面的比值，称为拉伸强度t,拉伸强度,b-试样厚度，d-试样宽度 P-最大载荷,试样宽度在位伸过程中随试样的伸长而逐渐减小，在工程上一般采用起始尺寸来计算拉伸强度。 聚合物杨氏模量（拉伸模量）的计算通常由初始阶段的应力与应变比例计

16、算,8.2 聚合物的断裂与强度,A,Y,B,在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度在几千MPa，而实际只有几十Mpa,8.2.2 聚合物强度与理论强度,为什么材料的实际强度远远低于理论强度,存在缺陷,为什么在缺陷处断裂,缺陷处应力集中,缺陷处应力多大,断裂理论,8.2 聚合物的断裂与强度,应力集中效应,对于椭圆孔：无限大平板中椭圆形两端点的应力最大,0,对圆形，a=b,对椭圆，a增加，b减小,剧烈增大,最终结果就是断裂,8.2.3 聚合物断裂理论,8.2 聚合物的断裂与强度,b,a,对于圆孔：在孔边上与0方向成角的切向应力分量可表示为,极性基团或氢键,主链上含芳杂环结构,适度的交联,

17、结晶度大,取向好,高,低,拉伸强度t,加入增塑剂,缺陷存在,影响聚合物强度的因素,8.2 聚合物的断裂与强度,8.2.4 聚合物的增强 Reinforcement,活性粒子（ Powder） 纤维 Fiber 液晶 Liquid Crystal 纳米材料,C ，SiO2 Glass fiber, Carbon fiber Polyester 黏土，碳纳米管,填料 Filler,增 强 途 径,8.2 聚合物的断裂与强度,陶瓷纤维复合材料,铝硅盐微球复合材料,8.2 聚合物的断裂与强度,碳纤维复合材料,8.2.5 聚合物的耐冲击性（冲击韧性,冲击强度 Impact strength,是衡量材料韧

18、性的一种指标,冲断试样所消耗的功,冲断试样的厚度和宽度,冲击强度的单位: 对于无缺口试样的冲击试验，单位为kJ/m2 对于带缺口试样的冲击试验，单位为kJ/m或kJ/m2,8.2 聚合物的断裂与强度,Pendulum machine 摆锤冲击实验仪,摆锤式冲击强度试验仪器,8.2 聚合物的断裂与强度,8.2.6 聚合物的增韧,1) 橡胶增韧塑料,e.gPVCCPE，PPEPDM,增韧效果取决于分散相相畴大小和界面粘接力，即两者相容性,8.2 聚合物的断裂与强度,橡胶增韧塑料的增韧机理,银纹机理：橡胶粒子作为应力集中物诱发基体产生银纹而吸收能量。（一般脆性聚合物增韧为此机理，如：PS/SBS，PMMA/ACR,银纹剪切带机理：橡胶粒子作为应力集中物，在外力作用下诱发大量银纹和剪切带，吸收能量。橡胶粒子和剪切带控制和终止银纹,8.2 聚合物的断裂与强度,2）刚性粒子增韧,刚性有机粒子增韧：拉伸时，由于基体与分散相之间的模量和泊松比差别致使基体对刚性粒子产生赤道面上的强压力而发生脆韧转变，刚性粒子