PPT8 第八章 屈服与强度

1、第8章聚合物的屈服与断裂The yielding and fracture of polymers8.1 The tensile stress-strain curves 应力-应变曲线lInstron Tensile Testor 电子拉力机电子拉力机lMaterial testing machine 材料试验机材料试验机玻璃态聚合物在不同温度下的应力玻璃态聚合物在不同温度下的应力- -应变曲线应变曲线AAEAYBYielding point 屈服点屈服点Point of elastic limit 弹性极限点弹性极限点Breaking point 断裂点断裂点ABAYBStrain sof

2、tening 应变软化Cold drawing 冷拉Strain hardening 应变硬化典型非晶态聚合物的拉伸应力典型非晶态聚合物的拉伸应力-应变曲线应变曲线你能解你能解释吗？释吗？弹性形变弹性形变屈服屈服应变软化应变软化冷拉冷拉应变硬化应变硬化断裂断裂从分子运动机理解释形变过程 l(1) 弹性形变 OA段，A点亦称为比例极限，应力-应变关系符合虎克定律 斜率E为弹性模量，且这种高模量，小形变的弹性行为是由高分子的键长、键角变化所引起的。Al(2) 强迫高弹形变 A点应力后，应力-应变曲线不再保持线性关系。 屈服(yield)现象：张应力达到某一最大值（Y点）后，曲线开始出现应变增加而应

3、力不变或是先下降后不变的现象。A 玻璃态高聚物在大应力作用下发生的大形变（形变量高达3001000），其本质与橡胶的高弹形变一样，表现形式有差别，常称为强迫高弹形变 (forced high-elastic deformation)。 材料在屈服后出现了较大的应变，如果在试样断裂前停止拉伸，除去外力试样的大形变已无法完全回复，但是如果试样的温度升到Tg附近，则可发现，形变又回复了。显然，这在本质上是高弹形变，而不是粘流形变。因此，屈服点以后材料的大形变分子运动机理主要是高分子的链段运动，即在大外力的帮助下，玻璃态高聚物本来被冻结的链段开始运动，高分子链的伸展提供了材料的大形变。复。以上，形变大

4、部分能恢或至形变不能回复，但加热去除外力，以下的大应力大形变，或强迫高弹形变：形变能立即回复；去除外力，以上的小应力大形变，或高弹形变：不同点。引起的链段的都相同，都是由大分子相同点：本mgmgmgTTTTTT。 运动质高弹形变和强迫高弹形变的异同 ：活化能 ：与材料相关的常数 由上式可知，随应力增加，链段运动的松弛时间将缩短。当应力增大到屈服应力时，链段运动的松弛时间减小至与拉伸速度相适应的数值，高聚物可产生大形变。所以加大外力对松弛过程的影响与升高温度相似。 应变软化(strain softening)：高聚物在过了屈服点以后，应变增加，应力反而下降的现象。 RTEe0E实验证明，链段运动

5、的松弛时间与应力之间有如下关系：l（3） 粘流 在应力的持续作用下，此时随应变增加，应力急剧进一步增加的现象称为应变硬化(strain hardening)。这阶段的形变是不可逆的，产生永久变形。此时粘流的机理是在强力作用下及室温下发生的分子链转移，也称为冷流(cold flow)。 应力增加机理：由大量链段取向过渡到分子链取向，并且链间重新形成更多的物理交联点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聚合物的屈服强度屈服强度聚合物的聚合物的杨氏模量杨氏模量聚合物的聚合物的断裂强度断裂强度聚合物的聚合物的断裂伸长率断裂伸长率聚合物的聚合物的断裂韧性断裂韧性聚合物的断裂行为聚合物的断裂行

6、为脆性断裂脆性断裂 brittle fracture韧性断裂韧性断裂 ductile fracture 各种情况下的应力-应变曲线(a) 不同温度不同温度a: TTg c: TTg (几十度)d: T接近Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆性断裂 韧性断裂无屈服屈服后断裂Results TTlBT曲线与yT曲线交点温度称为脆性温度Tb，Tb把高聚物的玻璃态分为强迫高弹态和脆性玻璃态两部分。非晶态高聚物只有在TbTg之间，才能在外力作用下，产生强迫高弹型变。而强迫高弹形变是塑料具有韧性的原因，因此Tb是塑料使用的下限温度。l而y,B与温度的

7、关系见左图lb速率（拉伸速率）lv, y,B均，且增加速率相当于降低温度。lTg,Tc,Tm,Tf,Tb,Td(b) 不同的拉伸速率Strain rate拉伸速率拉伸速率Example: PMMAa: 脆性材料脆性材料 c: 韧性材料韧性材料d: 橡胶橡胶b: 半脆性材料半脆性材料酚醛或环氧树脂酚醛或环氧树脂PP, PE, PCPS, PMMANature rubber, PIB(c) 不同的化学结构(d) Crystallization 结晶与非晶态聚合与非晶态聚合物的拉伸机理物的拉伸机理相同吗？相同吗？玻璃态聚合物与结晶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、

8、强迫高两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、强迫高弹形变以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自弹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。该现象通常称为的大形变都是高弹形变。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拉温度区间是Tb到到Tg，而结晶聚合物则为，而结晶聚合物则为Tg至至Tm； （2）玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化）玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集

9、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，而后者尚包含有相变，而后者尚包含有结晶的破坏，取向和再结晶等过程结晶的破坏，取向和再结晶等过程。The Size of Spherulites 球晶大小球晶大小The Degree of Crystallization 结晶度结晶度Different types of stress-strain curve“软软”和和“硬硬”用于区分模量的低或高，用于区分模量的低或高，“弱弱”和和“强强”是指强度的大小，是指强度的大小，“脆脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很是指无屈服现象而且

10、断裂伸长很小，小，“韧韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况。是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况。 软而弱软而弱硬而脆硬而脆硬而强硬而强软而韧软而韧硬而韧硬而韧8.2 The yielding of polymer 聚合物的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高聚物将在恒应力下“塑性流动塑性流动”，即链段沿外力，即链段沿外力方向开始取向。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）。（与金属相比）。屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，

11、有些还屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还非常迅速。非常迅速。屈服应力对应变速率和温度都敏感。屈服应力对应变速率和温度都敏感。屈服发生时，拉伸样条表面产生屈服发生时，拉伸样条表面产生“银纹银纹”或或“剪切剪切带带”,继而整个样条局部出现继而整个样条局部出现“细颈细颈”。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：续屈服，包括：应变软化：屈服后，应变增加，应力反而有稍许下应变软化：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。跌的现象，原因至今尚不清楚。呈

12、现塑性不稳定性，最常见的为细颈。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。塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。发生发生“取向硬化取向硬化”，应力急剧上升。，应力急剧上升。试样断裂。试样断裂。样条尺寸：横截面小的地方样条尺寸：横截面小的地方应变软化：应力集中的地方应变软化：应力集中的地方 出现出现“细颈细颈”的位置的位置自由体积增加自由体积增加松弛时间变短松弛时间变短出现出现“细颈细颈”的原因的原因无外力无外力有外力有外力 RTEe0RTaEe0Necking 细颈与剪切带细颈细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。屈服时，试样出现的局部变细的现象。 为什么会出现

13、细颈？为什么会出现细颈？ 应力最大处。应力最大处。哪里的应力最大？哪里的应力最大？剪切屈服现象、机理及判据剪切屈服：即在细颈发生前，试样表面剪切屈服：即在细颈发生前，试样表面出现与拉伸方向成出现与拉伸方向成45度角的剪切带。度角的剪切带。WHY？F nF s FF横截面横截面A0, 受到的应力受到的应力 0=F/A0斜截面A = A0 / cos=Fcos =Fsin 法向应力法向应力剪切应力剪切应力2nn0F= cos Ass0F1= sin2A2Discussion = 0 n = 0 s = 0 = 45 n = 0/2 s = 0/2 = 90 n =0 s =0200coscos/c

14、osnFA001sin cossin22sFA 0 /2 0 0o45o90o an as抵抗外力的方式抗张强度：抵抗拉力的作用抗张强度：抵抗拉力的作用抗剪强度：抵抗剪力的作用抗剪强度：抵抗剪力的作用两种两种当应力当应力 0增加时，增加时，法向应力和切向应力增大的幅度不同法向应力和切向应力增大的幅度不同在在45o时时, 切向应力最大切向应力最大抗张强度什么面最大？抗张强度什么面最大？ =0 ， n= 0抗剪强度什么面最大？抗剪强度什么面最大？ =45 ， s= 0/2 0 0 /2 0o45o90o an as切应力双生互等定律012s012Y01sin22s(1) Shear band剪切带

15、聚合物屈服的表现形式聚合物屈服的表现形式(2) Crazing 银纹银纹现象为聚合物所特有，在张应力作用下，于材料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分分类类环境银纹环境银纹溶剂银纹溶剂银纹应力银纹应力银纹Microstructure of crazing微纤微纤 Microfibril微纤

16、平行与外力方向，银纹长度方微纤平行与外力方向，银纹长度方向与外力垂直。向与外力垂直。也称为银纹质也称为银纹质银纹与裂纹银纹不是空的，银纹体的密银纹不是空的，银纹体的密度为本体密度的度为本体密度的50%，折光，折光指数也低于聚合物本体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指数，因此在银纹和本体之间的界面上将对光线产生全间的界面上将对光线产生全反射现象，呈现银光闪闪的反射现象，呈现银光闪闪的纹路（所以也称纹路（所以也称应力发白应力发白）。加热退火会使银纹消失。加热退火会使银纹消失 。F银银纹纹的的扩扩展展中间分子中间分子链断裂链断裂扩展扩展形成裂纹形成裂纹银纹和剪切带主要主要区别区别

17、剪切屈服剪切屈服银纹屈服银纹屈服形形 变变形变大几十形变大几十几百几百%形变小形变小 PE。lc支化度增加，分子间距离增大，作用力减少，强度下降lt（LDPE）cba曲线下的面积代表曲线下的面积代表所吸收能量所吸收能量因素因素强度强度延展性延展性快速拉伸Discussion强度强度延展性延展性分子间作用力分子间作用力分子链柔顺性分子链柔顺性极性基团或氢键极性基团或氢键有支链结构有支链结构适度交联适度交联结晶度大结晶度大双轴取向双轴取向好好差差加入增塑剂加入增塑剂韧韧 性性外界因素温度高温度高应变速率大应变速率大好好差差冲击强度冲击强度 i 即韧性即韧性7.5.3 聚合物的增韧(1) 橡胶增韧塑

18、料橡胶增韧塑料橡胶橡胶增韧增韧塑料塑料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, ,即两者相容性即两者相容性. .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：纹而吸收能量。（一般脆性聚合物增韧为此机理，如：PS/SBS，PMMA/ACR）银纹银纹剪切带机理：橡胶粒子作为应力集中物剪切带机理：橡胶粒子作为应力集中物,在外力在外力作用下诱发大量银纹和剪切带作用下诱发大量银纹和剪切带,吸收能量吸收能量.橡胶粒子和橡胶粒子和剪切带控制和终止银纹。剪切带控制和终止银纹。（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力而