屈服断裂和强资料PPT课件

1、2021-12-141研究内容u研究对象u聚合物的极限性质，即在较大外力的持续作用或强大外力的短时作用后，聚合物发生大形变直至宏观破坏或断裂。u主要内容一、高分子材料的拉伸应力-应变特性二、高聚物的屈服三、高分子材料的断裂和强度第1页/共33页2021-12-142一、高聚物的拉伸特性 拉伸特性的研究方法 研究材料强度和破坏的重要实验手段是测量材料的拉伸应力-应变特性。 将材料制成标准试样，如图6-1所示，以规定的速度均匀拉伸，测量试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。图6-1 哑铃型标准试样第2页/共33页2021-12-1431.1 典型高聚物的拉伸特性玻璃态高聚物的应力高聚物的应力-

2、-应变曲线应变曲线结晶态高弹态第3页/共33页2021-12-144曲线特性分析（信息？）图图6-2 6-2 玻璃态或结晶态高聚物的应力玻璃态或结晶态高聚物的应力- -应变曲线应变曲线 Y: 屈服点B:B:断裂点断裂点AAEAAEA:A:弹性极限点弹性极限点BdW0应变软化应变硬化冷拉第4页/共33页2021-12-145形变过程弹性形变 -屈服-应变软化-冷拉-应变硬化-断裂从分子运动机理解释上述过程第5页/共33页2021-12-146应变软化 应变软化： 当应力超过屈服应力A后，应力与应变不再保持线性关系，到达Y点，应力达到最大值，此时非晶态高聚物的链段开始运动，卷曲的分子链沿拉伸方向伸

3、展，结晶态高聚物的微晶也进行重排，甚至某些晶体可能破裂，发生取向，出现较大应变，而应力几乎不变或先降低后不变。第6页/共33页2021-12-147冷拉伸 冷拉伸 高聚物材料在低温下（非晶高聚物低于Tg，结晶高聚物低于Tm），受外力作用而产生大形变的现象。 这种大形变在外力撤消后不回复，通过适当升温（TTg或Tm）仍可恢复或部分恢复，属于强迫高弹形变。 冷拉伸时试样的变化第7页/共33页2021-12-148冷拉伸的微观机理 非晶态聚合物 当温度处于Tb TTg时，被冻结的链段在外力作用下强迫运动，产生大变形。 结晶聚合物 在温度处于Tb TTm区间发生冷拉伸时，除了非晶态的链段发生强迫高弹形

4、变，还包括晶区的微晶在应力作用下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，分子链从晶体中被拉出、伸直，沿着拉伸方向排列形成的大形变的过程。第8页/共33页2021-12-149冷拉伸微观机理分析图球晶内部晶片拉伸变化示意图 第9页/共33页2021-12-1410应变硬化 应变硬化： 在应力的继续作用下，从大量的分子链段取向运动发展到整条分子链取向排列，取向后分子链排列紧密规整，被破坏的微晶取向从而形成新的结晶，使材料的强度进一步提高。此时应变变化不大，而应力又急剧增加，直至断裂。第10页/共33页2021-12-14111. 2 影响高聚物拉伸特性的因素(a) (a) 温度

5、的影响温度的影响a: TTb0C脆断-硬而脆 c: TTg5070C韧断-硬而韧d: TTg70C无屈服-软而韧b: TbTTg050C屈服后断-硬而强PVC试样温度范围拉伸特性T第11页/共33页2021-12-1412(b) (b) 拉伸速率的影响速度第12页/共33页2021-12-1413a: 硬而脆性材料 PS、PMMA、酚醛树脂 c: 硬而韧性材料尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰亚胺 b: 硬而强性材料硬质PVC、芳香尼龙、高分子量PS d: 软而韧材料硫化橡胶、软质PVC(c) (c) 物质结构组成第13页/共33页2021-12-1414二、高分子材料的屈服 屈服的形式 银纹屈服

6、剪切屈服屈服点第14页/共33页2021-12-14152.1 银纹屈服 银纹化现象 许多聚合物，尤其是玻璃态透明聚合物如PS、PMMA、PC等，在存储及使用过程中，由于应力和环境因素的影响，表面往往会出现一些微裂纹。有这些裂纹的平面能强烈反射可见光，形成银色的闪光，故称为银纹，相应的开裂现象称为银纹化现象。PSPMMA第15页/共33页2021-12-1416 产生银纹的原因 力学因素（拉应力、弯应力） 环境因素（与某些化学物质相接触） 银纹和裂缝的区别 裂缝是宏观开裂，内部质量为零；而银纹内部有物质填充着，质量不等于零，该物质称银纹质，是由高度取向的聚合物纤维束构成。 银纹具有可逆性，在压

7、应力下或在Tg以上温度退火处理，银纹会回缩或消失，材料重新回复光学均一状态。第16页/共33页2021-12-1417银纹的微观结构F银纹质（微纤）银纹质（微纤）平行于平行于外力外力方向，方向，银纹长度方向银纹长度方向与与外力外力垂直。垂直。第17页/共33页2021-12-14182. 2 剪切屈服 剪切屈服 拉伸时在细颈出现之前，试样上出现与拉伸方向成45 的剪切滑移变形带，从而使形变增大的现象。 剪切屈服带的形成 在最大剪应力平面上由于应变软化引起分子链滑动形成剪切应变的薄层。FPC第18页/共33页2021-12-1419银纹与剪切屈服的区别形变大，几十几百%小 10%曲线特征有明显的

8、屈服点无明显的屈服点体积体积不变体积增加力剪切力张应力结果冷拉裂缝第19页/共33页2021-12-1420三、高分子材料的断裂及强度3.1 宏观断裂方式 脆性断裂 发生脆性断裂时，断裂表面较光滑或略有粗糙，断裂面垂直于主拉伸方向，试样断裂后，残余形变很小。 韧性断裂 韧性断裂时，断裂面与主拉伸方向多成45角，断裂表面粗糙，有明显的屈服（塑性变形、流动等）痕迹，形变不能立即恢复。第20页/共33页2021-12-1421脆脆性断裂和性断裂和韧韧性断裂判断性断裂判断脆性断裂屈服前断裂无塑性流动表面光滑韧性断裂屈服后断裂有塑性流动表面粗糙脆性断裂脆性断裂韧性断裂韧性断裂第21页/共33页2021-

9、12-1422脆性断裂和韧性断裂表面脆性断裂和韧性断裂表面 PSPS试样脆性断裂表面的电镜照片试样脆性断裂表面的电镜照片 增韧改性增韧改性PVCPVC韧性断裂表面的电韧性断裂表面的电镜照片镜照片 第22页/共33页2021-12-14233.2 断裂过程的分子理论 在外应力作用下材料发生形变后，微观分子链范围内会引起各种响应，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。第23页/共33页2021-12-14243.3 高分子材料的强度理论强度和实际强度 理论强度是人们从化学结构可能期望的材料极限强度，根据材料断裂的方式计算，通常聚合物理论断裂强度

10、在几千MPa，而实际强度只有几十Mpa 。第24页/共33页2021-12-1425第25页/共33页2021-12-1426 研究表明，材料内部微观结构的不均匀和缺陷是导致强度下降的主要原因。实际高分子材料中总是存在这样那样的缺陷，如表面划痕、杂质、微孔、晶界及微裂缝等，这些缺陷尺寸很小但危害很大。 在材料使用过程中，由于孔穴的应力集中效应，有可能使孔穴附近分子链承受的应力超过实际材料所受的平均应力几十倍或几百倍，以至达到材料的理论强度，使材料在这些区域首先破坏，继而扩展到材料整体。第26页/共33页2021-12-1427影响高聚物材料强度的因素1）分子结构的影响强度强度第27页/共33页

11、2021-12-14282）温度与形变速率的影响 温度的影响 在一定速率下，测定材料的断裂应力和屈服应力随温度的变化，作断裂应力和屈服应力与温度的关系曲线。 温度对断裂强度影响较小， 而对屈服强度影响较大， 温度升高，材料屈服强度 明显降低。第28页/共33页2021-12-1429 应变速率的影响 在一定温度下，测定材料的断裂应力和屈服应力随应变速率的变化，作断裂应力和屈服应力与应变速率的关系曲线。 应变速率越高，材料的 屈服强度和断裂强度都 增加，但屈服强度对应 变速率更敏感。第29页/共33页2021-12-14303）配方成分的影响 增塑剂 加入增塑剂，材料强度降低，韧性提高 补强填充剂 活性粒子（炭黑、白炭黑） 纤维（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、天然纤维等） 液晶原位增强液晶原位增强Carbon fiber第30页/共33页2021-12-1431炭黑补强橡胶拉伸强度 / MPa增强倍数纯胶含炭黑橡胶非结晶型硅橡胶0.3413