高分子物理 第8章 聚合物的屈服与断裂2

1、Xinjiang university 聚合物的屈服和断裂聚合物的屈服和断裂 The Yield strength and Breaking of Polymer 1924 A A B A B B O M C y y y 屈服伸长率屈服伸长率 A A 屈服强度屈服强度 应变增加，应力反而有所降低的现象；应变增加，应力反而有所降低的现象； 细颈沿样品扩散，最后，应力急剧增细颈沿样品扩散，最后，应力急剧增 加，试样才能产生一定的应变的现象；加，试样才能产生一定的应变的现象； 断裂强度（拉伸强度）断裂强度（拉伸强度） 断裂伸长率断裂伸长率 B B 玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较玻璃态聚合物与结晶

2、聚合物的拉伸比较 相似之处：相似之处：两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形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。该现象通常称为形变都是高弹形变。该现象通常称为“冷拉冷拉”。 区别区别：1）产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉温产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉温 度区间是度区间是Tb到到Tg，而结晶聚合物则为远低于，而结晶聚合物则为远低于 T

3、g至至Tm 2）玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶）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，并不态聚合物简单得多，它只发生分子链的取向，并不 发生相变，后者尚包含有结晶的破坏，取向和再结发生相变，后者尚包含有结晶的破坏，取向和再结 晶等过程。晶等过程。 强而韧强而韧 软而韧软而韧 3）曲线中面积大小区分：曲线中面积大小区分： 1）拉伸强度区分：）拉伸强度区分：2）模量）模量E高低区分：高低区分： 1924 1）许多高聚物材料在塑性形变时往往会出现均匀形变许多高聚物材料在塑性形变时往往会出现均匀形变 的不稳定性。的不稳定性。 2）试样某个局

4、部的应变比试样整体的应变增加试样某个局部的应变比试样整体的应变增加 更为迅速，使得形变变成了不均匀的形变。更为迅速，使得形变变成了不均匀的形变。 剪切带剪切带 3）剪切带的产生与发展吸收了大量能量。同时，由于发生）剪切带的产生与发展吸收了大量能量。同时，由于发生 取向硬化，阻止了形变的进一步发展。取向硬化，阻止了形变的进一步发展。 2）剪切带的厚度约）剪切带的厚度约1m，在剪切带内部，高分子链沿外力方，在剪切带内部，高分子链沿外力方 向高度取向剪切带内部没有空隙。因此，形变过程没有明向高度取向剪切带内部没有空隙。因此，形变过程没有明 显的体积变化；显的体积变化； 1）剪切带是韧性聚合物在单向拉

5、伸至屈服点时出现的与拉伸）剪切带是韧性聚合物在单向拉伸至屈服点时出现的与拉伸 方向成约方向成约45角倾斜的剪切滑移变形带角倾斜的剪切滑移变形带; 1924 是聚合物在张应力作用下，于材料某些薄弱部位出现是聚合物在张应力作用下，于材料某些薄弱部位出现 应力集中而产生的塑性形变和取向，在材料表面或内应力集中而产生的塑性形变和取向，在材料表面或内 部垂直于应力方向上出现长度为部垂直于应力方向上出现长度为100m、宽度为、宽度为10 m 左右、厚度约为左右、厚度约为1 m的微细凹槽的现象。的微细凹槽的现象。 如何区分断裂形式？如何区分断裂形式？ 关键看屈服关键看屈服 屈服前断屈服前断 脆性断裂脆性断裂

6、 屈服后断屈服后断 韧性断裂韧性断裂 一、脆性断裂和韧性断裂一、脆性断裂和韧性断裂 实用角度看，实用角度看，聚合物材料最大优点之一就是它们内在的韧性聚合物材料最大优点之一就是它们内在的韧性。 加载方式加载方式 温温 度度 应变速率应变速率 制件形状制件形状 断裂前吸收大量的能量断裂前吸收大量的能量 脆性断裂脆性断裂 使材料韧性变坏使材料韧性变坏 工程上要尽力避免材料的脆性断裂工程上要尽力避免材料的脆性断裂 脆性断裂和韧性断裂脆性断裂和韧性断裂最主要的指标：最主要的指标： 断裂断裂面形状面形状和断裂和断裂能能 1924 1 1、脆性断裂和韧性断裂的区别、脆性断裂和韧性断裂的区别 (brittle

7、 rupture) 断裂面光滑；断裂面光滑； (tough rupture) 试样断面粗糙；试样断面粗糙； 断裂前试样的形变是均匀的；断裂前试样的形变是均匀的； 屈服前断裂屈服前断裂, 断裂能小。断裂能小。 断裂应变值低于断裂应变值低于5%； 断裂前试样的形变是不均匀的；断裂前试样的形变是不均匀的； 屈服后断裂屈服后断裂断裂能很大断裂能很大。 脆性断裂和韧性断裂表面脆性断裂和韧性断裂表面 脆性试样断裂表面的照片脆性试样断裂表面的照片 脆性试样断裂表面的电镜照片脆性试样断裂表面的电镜照片 韧性试样断裂表面的照片韧性试样断裂表面的照片 韧性试样断裂表面的电镜照片韧性试样断裂表面的电镜照片 1924

8、 2、脆性与韧性断裂的实验条件、脆性与韧性断裂的实验条件 T B A B A 结论：结论： A A B A 例例1 研究玻璃态高聚物的大形变常用什么实验方法研究玻璃态高聚物的大形变常用什么实验方法? 说明高说明高 聚物中两种断裂类型的特点，并画出两种断裂的典型应聚物中两种断裂类型的特点，并画出两种断裂的典型应 力力应变曲线。应变曲线。 大形变常用拉力机大形变常用拉力机 拉伸实验拉伸实验 二、聚合物的强度二、聚合物的强度 对于各种不同的破坏力，有不同的强度指标对于各种不同的破坏力，有不同的强度指标 1. 拉伸强度（拉伸强度（ ） t 在与试样横截面的比值在与试样横截面的比值 。 一、脆性断裂和韧

9、性断裂一、脆性断裂和韧性断裂 规定的试验温度规定的试验温度 湿度和试验速度湿度和试验速度 沿轴向施加拉伸载荷沿轴向施加拉伸载荷 直至断裂前试样承受的最大载荷直至断裂前试样承受的最大载荷P 拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、剪切强度、冲击强度拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、剪切强度、冲击强度 1924 通常由拉伸初始阶段的应力与应变比例计算：通常由拉伸初始阶段的应力与应变比例计算： pa,mn bd P 2 t 0 t ll bdp E 变形较小时的载荷变形较小时的载荷p 拉伸模量（杨氏模量）拉伸模量（杨氏模量） 拉伸强度：拉伸强度： 1924 内镶式滴灌带原料力学性能对比内镶式滴灌带原料力学性能对比

10、 原料名称原料名称 屈服强度屈服强度 拉伸强度拉伸强度 断裂伸长率断裂伸长率 弹性模量弹性模量 MPa MPa % LLHPE0209 10.6 21.6 413.8 81.4 LDPE15803 19.33 20.26 131.3 48.24 LDPE2426H 25.27 25.29 224.8 69.19 HDPE5410 27.42 28.16 421.6 348.6 HDPE 5000S 22.16 28.42 418.2 231.9 HDPE6070 23.96 24.01 441.0 472.8 HDPE60550 27.38 27.48 711.3 323.6 HDPE276-

11、73 30.25 30.93 506.1 328.9 材料拉伸实验演示视频材料拉伸实验演示视频 1924 2. 抗弯强度抗弯强度( ) f 在规定试样条件下对标准试样施加静弯曲力矩，直到在规定试样条件下对标准试样施加静弯曲力矩，直到 试样断裂为止。试样断裂为止。 式中：式中： 挠度，是试样着力处的位移挠度，是试样着力处的位移 2 0 f bd pl 1.5 4bd pl E 3 3 0 f 弯曲模量：弯曲模量： 1924 3. 聚合物的硬度聚合物的硬度 是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。 硬度可作为估计材料拉伸强度的一个替代办法硬度可作为估

12、计材料拉伸强度的一个替代办法 硬度机可分为：硬度机可分为： 硬度的大小与拉伸强度和弹性模量有关硬度的大小与拉伸强度和弹性模量有关 在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度 在几千在几千MPa，而实际只有几十而实际只有几十Mpa 。 PA, 60 MPa PPO, 70 MPa theoryeriment ) 1000 1 100 1 ( exp 4、聚合物实际强度与理论强度、聚合物实际强度与理论强度 1924 时造成的时造成的 由于材料内部的应力集中所致。由于材料内部的应力集中所致。 引起材料应力集中的缺陷有：引起材料应力集中的缺陷有：

13、几何的不连续几何的不连续 材质的不连续材质的不连续 载荷的不连续载荷的不连续 不连续的温度分布产生的热应力不连续的温度分布产生的热应力 许多的缺陷许多的缺陷 强度理论值强度理论值 因此设想破坏的可能情况是：首先，未取向部分的氢因此设想破坏的可能情况是：首先，未取向部分的氢 键或范得华力破坏，然后由于应力集中，导致取向的主链键或范得华力破坏，然后由于应力集中，导致取向的主链 中某些化学建断裂，最终引起材料破坏。中某些化学建断裂，最终引起材料破坏。 拉断一个氢键拉断一个氢键H 490MPa 拉断一个范德华力拉断一个范德华力W 98 MPa 这个数据同实测高度取向纤维在同一数量级；这个数据同实测高度

14、取向纤维在同一数量级； 通过分析可得出结论：通过分析可得出结论： 原因是实际高分子材料结构达不到理论假设那样完全规原因是实际高分子材料结构达不到理论假设那样完全规 整水平，事实上高分子不能完全取向，也不可能使分子链在同整水平，事实上高分子不能完全取向，也不可能使分子链在同 一截面上同时断裂。一截面上同时断裂。 实实=0.010.001 理论理论 实与分子间键能在同一数量级。实与分子间键能在同一数量级。 三、影响聚合物强度的因素与增强三、影响聚合物强度的因素与增强 高分子材料的强度上限取决于：高分子材料的强度上限取决于： 二、聚合物的强度二、聚合物的强度 一、脆性断裂和韧性断裂一、脆性断裂和韧性

15、断裂 1）主链结构）主链结构 化学结构、分子量、支化和交联、结晶与取向；化学结构、分子量、支化和交联、结晶与取向； 温度、湿度、光照、氧化老化、作用力的速度。温度、湿度、光照、氧化老化、作用力的速度。 增塑剂、共混、填料、应力集中物；增塑剂、共混、填料、应力集中物； 1924 在主链上增加极性和形成氢键能力，强度增加；在主链上增加极性和形成氢键能力，强度增加； 主链含有芳杂环可提高聚合物的强度，侧基为芳杂主链含有芳杂环可提高聚合物的强度，侧基为芳杂 环也可提高聚合物的强度。环也可提高聚合物的强度。 分子键的支化程度增加，分子之间的距离增加，作用力分子键的支化程度增加，分子之间的距离增加，作用力

16、 减小，聚合物减小，聚合物 降低。降低。 t LDPEPVC 1516 MPa 50MPa PA-610 PA-66 60MPa 80MPa 芳香尼龙的强度和模量比普通尼龙高芳香尼龙的强度和模量比普通尼龙高 双酚双酚A聚碳酸酯比脂肪族的聚碳酸酯高聚碳酸酯比脂肪族的聚碳酸酯高 LDPE的拉伸强度比的拉伸强度比HDPE的低；的低； 而而LDPE的冲击强度比的冲击强度比HDPE的高。的高。 1924 2）交联度）交联度 适度交联可以有效地增加分子链间的联系，不易发适度交联可以有效地增加分子链间的联系，不易发 生的形变，生的形变， 提高；提高； t 过度交联导致过度交联导致 下降；下降； t 3）分子

17、量）分子量 高到一定程度后，对高到一定程度后，对 影响不大，而冲击强度提高；影响不大，而冲击强度提高； nM PE交联后，拉伸强度可以提高交联后，拉伸强度可以提高1倍，冲击强度可以提高倍，冲击强度可以提高34倍倍 分子量低时，拉伸强度和冲击强度都低；分子量低时，拉伸强度和冲击强度都低； 分子量的增大，拉伸强度和冲击强度都会提高；分子量的增大，拉伸强度和冲击强度都会提高； t 超高分子量聚乙烯（超高分子量聚乙烯（M1106左右）左右） 冲击强度比普通冲击强度比普通PE提高提高3倍倍多，在多，在一一40时可提高时可提高18倍倍 1924 4）结晶度与球晶（晶体形态）结晶度与球晶（晶体形态） 结晶度

18、高，结晶度高， 增大，增大， 增大，而过高变为脆性；增大，而过高变为脆性； 控制球晶尺寸大小，伸直链晶控制球晶尺寸大小，伸直链晶 最高。最高。 t t t E 无规结构的含量无规结构的含量 拉伸强度拉伸强度 MPa弯曲强度弯曲强度 MPa 2.0 2.5 3.3 3.5 6.4 11.8 34.5 34.0 32.5 20.0 56.5 46.0 45.0 45.0 41.0 40.0 结晶度太高，冲击强度和断裂伸长率的降低，导致材料变脆；结晶度太高，冲击强度和断裂伸长率的降低，导致材料变脆； 材料材料相对密度相对密度拉伸模量拉伸模量 /GPa 比模量比模量 /GPa 拉伸强度拉伸强度 /GP

19、a 比强度比强度 /GPa 高倍率拉高倍率拉 伸聚乙烯伸聚乙烯 0.96668710.30.3 高模量挤高模量挤 出聚乙烯出聚乙烯 0.9767690.480.49 Kevlar49 聚芳酰胺聚芳酰胺 1.45128882.61.8 玻璃纤维玻璃纤维2.56913828550.41.70.150.7 碳纤维碳纤维2.0200420100210231.01.5 5）聚合物的取向）聚合物的取向 增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷 界界 面面 的的 黏黏 附附 性性 材料材料拉伸拉伸 强度强度 MPa 伸长率伸长率 % 拉伸拉伸 模量模量 GPa 弯曲弯曲

20、强度强度 MPa 弯曲弯曲 模量模量 GPa 缺口冲缺口冲 击强度击强度 J/m 聚醚砜聚醚砜 未增强未增强 聚碳酸酯聚碳酸酯 未增强未增强 63.6 125.5 66.9 121 122 3.8 100 3.49 2.50 4.99 2.32 5.72 101.9 125.9 91.3 132 2.58 6.11 2.47 4.54 77.4 35.2 14.8 1924 6）应力集中物的影响应力集中物的影响 材料存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布状态材料存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布状态 将发生变化，使缺陷附近局部范围内的应力急剧地增加，将发生变化，使缺陷附近局部范围内的应力急

21、剧地增加， 远远超过应力平均值，这种现象称为远远超过应力平均值，这种现象称为应力集中应力集中。 缺陷就是应力集中物缺陷就是应力集中物 缺陷包括：缺陷包括：裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质等。裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质等。 是造成聚合物实际强度与理论强度之间巨大差别的主要原因。是造成聚合物实际强度与理论强度之间巨大差别的主要原因。 1）增塑剂的影响）增塑剂的影响 是粘度低、沸点高、低分子量的液体或固体有机化合物。是粘度低、沸点高、低分子量的液体或固体有机化合物。 1924 棉、麻、丝、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、石墨纤维棉、麻、丝、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、石墨纤维 对聚合物起了稀释作用，减小了高分

22、子链之间的作用，对聚合物起了稀释作用，减小了高分子链之间的作用， 因而强度降低。因而强度降低。 胶粘剂高分子化合物中，增加固化体系的可塑性和弹性，胶粘剂高分子化合物中，增加固化体系的可塑性和弹性， 改进柔软性和耐寒性、低温脆性等。改进柔软性和耐寒性、低温脆性等。 能增加树脂的流动性，有利于浸润、扩散和吸收。能增加树脂的流动性，有利于浸润、扩散和吸收。 2）填料的影响）填料的影响 按照材料的形态，可以分为：按照材料的形态，可以分为： 能够提高聚合物基体力学强度的物质。能够提高聚合物基体力学强度的物质。 纤维状填料纤维状填料粉状填料粉状填料 木粉、木粉、炭黑、轻质二氧化硅、碳酸镁、氧化锌炭黑、轻质

23、二氧化硅、碳酸镁、氧化锌 1924 （1）增大内聚强度；）增大内聚强度； （2）调节粘度或作业性；）调节粘度或作业性； （3）提高耐热性；）提高耐热性； （4）降低热膨胀系数和减少收缩率）降低热膨胀系数和减少收缩率; （5）给与间隙填充性；）给与间隙填充性； （6）给与导电性；）给与导电性； （7）降低成本。）降低成本。 聚合物中常加入聚合物中常加入定数量的填料，以改善聚合物的如下性能：定数量的填料，以改善聚合物的如下性能： 温度、湿度、光照、氧化老化、作用力的速度。温度、湿度、光照、氧化老化、作用力的速度。 3）共聚和共混的影响）共聚和共混的影响 极性基团或氢键极性基团或氢键 主链上含芳杂环

24、结构主链上含芳杂环结构 适度的交联适度的交联 结晶度大结晶度大 取向好取向好 高高 低低 拉伸强度拉伸强度 t 加入增塑剂加入增塑剂 缺陷存在缺陷存在 四、聚合物的耐冲击性四、聚合物的耐冲击性 1. 冲击强度（冲击强度（ ） bd W i i 三、影响聚合物强度的因素与增强三、影响聚合物强度的因素与增强 二、聚合物的强度二、聚合物的强度 一、脆性断裂和韧性断裂一、脆性断裂和韧性断裂 试样受冲击载荷而折断时单位截试样受冲击载荷而折断时单位截 面积所吸收的能量。面积所吸收的能量。 冲断试样消耗的功冲断试样消耗的功 简支梁冲击试验视频演示 悬臂梁冲击试验视频演示 1924 2. 影响聚合物冲击强度的

25、因素影响聚合物冲击强度的因素 1）高分子的结构）高分子的结构 a) 增加分子的极性或产生氢键，可以提高聚合物的拉伸强度，增加分子的极性或产生氢键，可以提高聚合物的拉伸强度， 但强度过高，材料表现为脆性。但强度过高，材料表现为脆性。 b) 分子链支化程度增加，分子之间的距离增加，作用力减小，分子链支化程度增加，分子之间的距离增加，作用力减小， 拉伸强度降低，但冲击强度提高拉伸强度降低，但冲击强度提高. c) 适度交联后，拉伸和冲击强度均可提高。适度交联后，拉伸和冲击强度均可提高。 d) 聚合物的结晶度增高，冲击强度和断裂伸长率都将下降，聚合物的结晶度增高，冲击强度和断裂伸长率都将下降， 甚至表现

26、为脆性。甚至表现为脆性。 e) 聚合物加工成型过程中生成大的球晶聚合物加工成型过程中生成大的球晶,冲击强度下降。冲击强度下降。 1924 f ) 适当的双轴取向，冲击强度提高；适当的双轴取向，冲击强度提高； g) 适量的增塑剂的加入，使聚合物的链运动能力加强，适量的增塑剂的加入，使聚合物的链运动能力加强， 冲击强度提高，但材料变软。冲击强度提高，但材料变软。 2）温度和外力作用的速度）温度和外力作用的速度 a) 随着温度的升高，冲击强度逐渐增加，到了接近随着温度的升高，冲击强度逐渐增加，到了接近Tg时，时， 冲击强度将迅速增加。冲击强度将迅速增加。 b) 外力作用时间长，相当于温度升高，冲击强

27、度增加。外力作用时间长，相当于温度升高，冲击强度增加。 T g T例例3 下列几种高聚物的冲击性能如何？如何解释？下列几种高聚物的冲击性能如何？如何解释？ 6）聚乙烯）聚乙烯 1）聚异丁烯）聚异丁烯 2）聚苯乙烯）聚苯乙烯3）聚苯醚）聚苯醚 4）聚碳酸酯）聚碳酸酯5）ABS T g T 1）聚异丁烯：在）聚异丁烯：在 因为聚异丁烯是柔性链，链段活动容易；因为聚异丁烯是柔性链，链段活动容易； 冲击性能不好冲击性能不好 彼此间通过链段的调整形成紧密堆积；彼此间通过链段的调整形成紧密堆积； 自由体积少。自由体积少。 为典型的为典型的。 2）聚苯乙烯：）聚苯乙烯： 冲击性能不好冲击性能不好 因主链挂上

28、体积庞大的侧基苯环；因主链挂上体积庞大的侧基苯环； 使之成为难以改变构象的刚性链；使之成为难以改变构象的刚性链； 3）聚苯醚：）聚苯醚： 因主链含有刚性的苯环；因主链含有刚性的苯环； 冲击性能不好冲击性能不好 PPO的链节为的链节为 使之成为为难以改变构象的刚性链。使之成为为难以改变构象的刚性链。 4）聚碳酸酯：）聚碳酸酯： 冲击性能好冲击性能好 PC的链节为的链节为 由于主链中由于主链中 在在-120可产生局部模式运动可产生局部模式运动 称之为称之为 转变转变 时，在外力作用，时，在外力作用，T g T转变吸收冲击能；转变吸收冲击能； 使聚合物上的能量得以分散。使聚合物上的能量得以分散。 由

29、于结晶限制了链段的运动。由于结晶限制了链段的运动。 5）聚乙烯：）聚乙烯：冲击性能好冲击性能好 链节结构极为规整和对称，体积又小；链节结构极为规整和对称，体积又小； 非常容易结晶，而且结晶度比较高；非常容易结晶，而且结晶度比较高； 枝化枝化 BR 相当于橡胶微粒分散在连续的塑料相中；相当于橡胶微粒分散在连续的塑料相中； 6）ABS： 冲击性能很好冲击性能很好 引进引进A（丙烯腈单体）后使其抗张强度和冲击强度（丙烯腈单体）后使其抗张强度和冲击强度 引进引进B（丁二烯单体）接枝共聚，冲击强度（丁二烯单体）接枝共聚，冲击强度 从而能吸收大量的冲击能。从而能吸收大量的冲击能。 当材料受到冲击时，它们可

30、以引发大量的当材料受到冲击时，它们可以引发大量的银纹银纹； 五、聚合物的耐疲劳性五、聚合物的耐疲劳性 在低于屈服应力或断裂应力的周期应力作用下，材在低于屈服应力或断裂应力的周期应力作用下，材 料内部或其表面应力集中处引发裂纹，并促使裂纹料内部或其表面应力集中处引发裂纹，并促使裂纹 传播，从而导致最终的破坏。传播，从而导致最终的破坏。 是材料或构件在周期应力作用下断裂或失效的现象是材料或构件在周期应力作用下断裂或失效的现象, , 是材料在实际使用中常见的破坏形式。是材料在实际使用中常见的破坏形式。 四、聚合物的耐冲击性四、聚合物的耐冲击性 三、影响聚合物强度的因素与增强三、影响聚合物强度的因素与

31、增强 二、聚合物的强度二、聚合物的强度 一、脆性断裂和韧性断裂一、脆性断裂和韧性断裂 （S-N曲线）曲线） S 是受载应力的极大值（即振幅）；是受载应力的极大值（即振幅）； N 是达到材料破坏的应力循环次数（周期数），疲劳寿命。是达到材料破坏的应力循环次数（周期数），疲劳寿命。 典型的疲劳曲线典型的疲劳曲线 随随N增加而逐渐减小，到达一定周增加而逐渐减小，到达一定周 期数时就产生期数时就产生“疲劳极限疲劳极限”，即随着即随着 N的增加，的增加，S-N曲线变成水平线。曲线变成水平线。 热塑性聚合物的热塑性聚合物的“疲劳极限疲劳极限”为为静态极限强度的静态极限强度的1/5； 曲线解释曲线解释: 疲

32、劳极限是这样一个极限值，当应力低于这个值时，材料疲劳极限是这样一个极限值，当应力低于这个值时，材料 可承受的周期数为无限大。可承受的周期数为无限大。 增强塑料的这个比值略高一些；增强塑料的这个比值略高一些； 聚甲醛、聚四氟乙烯为静态极限强度的聚甲醛、聚四氟乙烯为静态极限强度的0.4 0.5。 1924 是裂纹的形成和增长造成的损伤在周期应力作用下逐渐是裂纹的形成和增长造成的损伤在周期应力作用下逐渐 积累而发生的，而玻璃态聚合物和某些半晶态聚合物的裂纹积累而发生的，而玻璃态聚合物和某些半晶态聚合物的裂纹 可能是最初就存在的，或者是外加应力后以银纹为先导而产可能是最初就存在的，或者是外加应力后以银

33、纹为先导而产 生的。生的。 疲劳破坏：疲劳破坏： C裂纹长度裂纹长度 N应力的周期数应力的周期数 T撕裂能撕裂能 A和和n与材料有关的常数，与材料有关的常数，n的数值在的数值在16之间之间 n AT dN dC 1924 K K 应力强度因子的范围应力强度因子的范围 A和和m 与材料本身和试验条件有关的常数与材料本身和试验条件有关的常数 m KA dN dC )( 六、聚合物的增韧六、聚合物的增韧 实际上聚合物增韧的根本问题就是通过引入某种机制，实际上聚合物增韧的根本问题就是通过引入某种机制， 使材料在形变、损伤与破坏过程中耗散更多的能量。使材料在形变、损伤与破坏过程中耗散更多的能量。 非弹性

34、体增韧非弹性体增韧弹性体增韧弹性体增韧 传统的增韧改性传统的增韧改性 橡胶类弹性体材料作为增韧剂，以适当橡胶类弹性体材料作为增韧剂，以适当 方式分散到塑料基体中以达到增韧目的方式分散到塑料基体中以达到增韧目的 高抗冲聚苯乙烯；高抗冲聚苯乙烯； 乙丙共聚弹性体增韧聚丙烯；乙丙共聚弹性体增韧聚丙烯； 粉末粉末NBR增韧增韧PVC。 刚度、强度、热变形温度都有较大幅度降低刚度、强度、热变形温度都有较大幅度降低 1984年首次提出的新思想年首次提出的新思想 二、增韧机理二、增韧机理 （一）（一） 概述概述 高分子材料高分子材料 韧性材料：具有高的断裂能韧性材料：具有高的断裂能 脆性材料：具有低的断裂能

35、脆性材料：具有低的断裂能 分析应力分析应力应变曲线可知，提高高分子材料断裂能的具应变曲线可知，提高高分子材料断裂能的具 体途径有：体途径有：提高拉伸强度提高拉伸强度提高断裂形变（伸长率）。提高断裂形变（伸长率）。 下面分别给予介绍：下面分别给予介绍： 1提高拉伸强度提高拉伸强度FRP纤维增强塑料（纤维增强塑料（Fiber Reinforcing Plastics） 采用玻璃纤维增强热固性树脂，目的是提高拉伸强度，采用玻璃纤维增强热固性树脂，目的是提高拉伸强度， 降低脆性，从而提高韧性的典型例子。降低脆性，从而提高韧性的典型例子。 2提高断裂形变提高断裂形变 方法：采用少量橡胶或弹性体与塑料共混

36、或采用接枝 方法改善塑料韧性。 PS：i=13.421.4J/m HIPS：i=26.7427J/m 硬PVC：i=21.4160.2J/m P V C / N B R 、 P V C / B R / N B R 、 P V C / C P E ： i=160.21067.6J/m PP/EPDM、PP/EPR、PP/SBS、PP/BR的冲击强度均较 PP大幅度提高。 橡胶增韧塑料的结构应是宏观均相，微观相分离的两 相结构，并且两相界面粘接性好，冲击强度高。如 PVC/NBR、PP/EPDM。 对PVC、BR两者极性相差较大，两者粘接性不好，可加 入第三组分作为增容剂。如NBR、PVC-g-E

37、VA、CPE等。 需要说明的是，弹性体增韧塑料虽然可大幅度提高冲击 强度，但也使塑料的一些宝贵性能下降。如强度、模量、 使用温度上限、加工性能等。为了克服上述不足，出现 刚性塑料填料增韧塑料的新思想。如PS/PC、AS/Nylon 等。刚性粒子填料增韧：细粒径CaCO3/PP等。 （二）增韧理论 1多重“裂纹”化理论 橡胶增韧塑料(rubber-reinforced plastic)时，橡胶一般以 微粒状分散于连续的塑料相之中。分散相的橡胶微粒 作为大量的应力集中物，材料受到冲击时，橡胶粒子 引发“银纹”，并吸收大量的冲击能量，降低“银纹” 端应力，阻碍“银纹”进一步发展，大大提高材料的 韧性

38、（应力发白）。 影响因素：两相的相容性，两相的化学组成和结构， 两相的分子量，橡胶相含量、粒径、交联度等。 此理论较好的解释了HIPS拉伸过程中的应力发白现象。 2剪切屈服理论 HIPS拉伸时应力发白，可用多重裂纹化理论成功解释。 但用CPE等增韧PVC时，在拉伸屈服试验中出现明显的细颈现象，且没 有应力发白现象，因而不能多重裂纹化理论解释。因而可认为橡胶的增 韧作用主要是由母体的剪切屈服所引起。 该理论认为：橡胶粒子在其周围的塑料相中建立了静水张应力，使塑料 相的自由体积增大，从而降低了玻璃化温度，使它较易产生剪切滑移变 形。 3有剪切屈服的裂纹化 对于大多数橡胶增韧塑料来说，一般认为，这些

39、材料在形变过程中同时发生裂 纹化和剪切屈服。 综上所述，橡胶增韧塑料的机理不在于橡胶本身吸收能量，而是橡胶在塑料基 体中作为应力集中体诱发基体银纹化和剪切屈服，使基体发生脆-韧转变，从 而提高其韧性。 三、影响高聚物及增韧塑料冲击强度的因素 （一）高聚物 1高分子结构 高分子链极性 增加高分子的极性或产生氢键，虽然可提高拉伸强度，但如果极性基团过密， 阻碍链段运动，以致不能实现强迫高弹性变，则冲击强度下降，材料变为脆 性。 分子链支化程度提高，t下降，但冲击强度i提高。i（LDPE）i （HDPE）。 交联 适度交联，可提高冲击强度。PE交联后，i提高34倍。在-40时，甚至提 高18倍以上。

40、 结晶 高聚物结晶度增高，冲击强度和断裂伸长率将下降，甚至表现为脆性。 取向 聚合物经适当的双轴取向后，冲击强度提高。 增塑剂 增塑剂加入高聚物后，链段运动能力增强，冲击强度提高，但材料的模量下降 较大。 2.温度和外力作用速度 温度 冲击试验中，温度对材料的冲击强度影响很大，随温度升高，冲击强度逐渐增 加，到接近Tg时，冲击强度迅速增加 PS室温下脆性大，到Tg附近变成一种韧性材料。但热固性聚合物的冲击强度 受温度影响较小。 外力作用速度 外力作用时间长，冲击强度提高。相当于提高温度。 （二）增韧塑料 1.温度 增韧塑料的冲击强度随温度升高而增加。在很低温度时，橡胶相进入玻璃态， 橡胶增韧聚

41、合物呈现脆性。在较高温度下，某些增韧聚合物如HIPS，多重裂 纹化机理变得活跃起来，冲击强度显著上升，另一些增韧聚合物如增韧PVC， 则发生了剪切屈服。 2.增韧聚合物内部两相分散情况对冲击强度的影响 （1）橡胶粒子大小和分布 这里先介绍一下临界粒子尺寸dc，当橡胶粒子直径小于dc，增韧改性效果 不好。这是由于橡胶粒子尺寸较小，不能有效的引发银纹，并且对终止银 纹不起作用。 （2）橡胶粒子的密度 一般来说，橡胶粒子密度增大，粒子间距离变短，裂纹与胶粒相遇的机会 增多，裂纹容易终止。但太多则不利，因为橡胶含量太多，会降低材料的 拉伸强度和模量。 （3）胶粒本身交联度应适度 a.过大，胶粒不易变形

42、，引发银纹和剪切带的效率就低，结果冲击强度和 伸长率下降。 b.过小也不利，此时胶粒形态不稳定。在应力作用下胶粒容易变形甚至破 裂，使裂纹容易发展为裂缝。 3.塑料与橡胶相的界面情况 两者界面结合力的大小，对增韧效果有很大影响。两者界面粘合力差，显 然裂纹终止机理无效，冲击强度低下。 一、填空题一、填空题 2）银纹的密度约为本体的（）银纹的密度约为本体的（ ），银纹中分子链（），银纹中分子链（ ） 于银纹的长度方向，加热退火会使银纹（于银纹的长度方向，加热退火会使银纹（ ）。）。 4）随应变速率的增加，高分子材料的脆韧转变温度将（）随应变速率的增加，高分子材料的脆韧转变温度将（ ） 1）银纹是

43、在（）银纹是在（ ）力或（）力或（ ）的作用下产生的，）的作用下产生的， 银纹内部存在（银纹内部存在（ ），其方向与外力方向（），其方向与外力方向（ ）。）。 3）相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为（）相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为（ ），）， 断裂伸长率较（断裂伸长率较（ ），并且在断裂前存在（），并且在断裂前存在（ ）。）。 垂直垂直 垂直垂直 粗糙粗糙 长长屈服屈服 降低降低 弯应力弯应力拉应力拉应力 微细凹槽微细凹槽 50%左右左右 加速加速 二、选择题二、选择题 1）高聚物的应力应变曲线中哪个阶段表现出强迫高弹性（）高聚物的应力应变曲线中哪个阶段表现出强迫高弹性（ ） A、大

44、形变、大形变 B、应变硬化、应变硬化 C、断裂、断裂 2）非结晶性高聚物的应力应变曲线不存在以下那个阶段（）非结晶性高聚物的应力应变曲线不存在以下那个阶段（ ） A、屈服、屈服 B、细颈化、细颈化 C、应变软化、应变软化 3）关于银纹，以下哪条不正确（）关于银纹，以下哪条不正确（ ） A、透明性增加、透明性增加 B、抗冲击强度增加、抗冲击强度增加 C、加速环境应力开裂、加速环境应力开裂 4）聚碳酸酯的应力）聚碳酸酯的应力-应变曲线属于以下那一类（应变曲线属于以下那一类（ ） A、硬而脆、硬而脆 B、软而韧、软而韧 C、强而韧、强而韧 A B A C 三、判断题三、判断题 1）高聚物产生屈服是由

45、银纺纹引起的。）高聚物产生屈服是由银纺纹引起的。 2）冷拉和强迫高弹性的运动单元都是链锻。）冷拉和强迫高弹性的运动单元都是链锻。 3）只有在脆化温度以下才会出现脆性断裂。）只有在脆化温度以下才会出现脆性断裂。 4）银纹的产生有利于提高材料的拉伸强度的冲击强度。）银纹的产生有利于提高材料的拉伸强度的冲击强度。 5）在）在Tg以下高分子材料的链段和整链都不会运动。以下高分子材料的链段和整链都不会运动。 6）理论强度是一个不可实现的值。）理论强度是一个不可实现的值。 7）交联后材料的强度一定会提高。）交联后材料的强度一定会提高。 8）线型聚乙烯的强度比支化聚乙烯的强度高、韧性好。）线型聚乙烯的强度比

46、支化聚乙烯的强度高、韧性好。 9）分子间作用力大的材料强度高。）分子间作用力大的材料强度高。 10）交联可使高聚物的强度提高、韧性减小。）交联可使高聚物的强度提高、韧性减小。 11）同一高聚物，在不同温度下测得的断裂强度不同。）同一高聚物，在不同温度下测得的断裂强度不同。 12）脆性破坏是发生在屈服点以前，断裂表面光滑，延性破坏，）脆性破坏是发生在屈服点以前，断裂表面光滑，延性破坏， 发生在屈服点之后，断裂表面粗糙。发生在屈服点之后，断裂表面粗糙。 13）温度由低变高，材料的宏观断裂形式由脆性变为韧性，）温度由低变高，材料的宏观断裂形式由脆性变为韧性， 应变速率由慢变快，宏观断裂形式又由韧性变为脆性。应变速率由慢变快，宏观断裂形式又由韧性变为脆性。 14）随聚合物结晶度的增加，抗张强度和抗冲击强度增加