第八章高聚物的屈服与断裂

1、 y b b ybdW0从应力应变曲线上可得到的参数从应力应变曲线上可得到的参数模量模量屈服强度屈服强度屈服应变屈服应变断裂强度断裂强度断裂应变断裂应变断裂能断裂能 刚软：模量刚软：模量; 强弱：强度强弱：强度; 脆韧：断裂能脆韧：断裂能0.0刚而刚而脆0.0软而弱软而弱0.0刚而刚而强强0.0刚而刚而韧韧0.0软而韧软而韧在相同温度下，不同高聚物的应力在相同温度下，不同高聚物的应力-应变行为差别很大应变行为差别很大同一高聚物在不同温度下可能表现出非常不同同一高聚物在不同温度下可能表现出非常不同的应力的应力-应变行为。应变行为。010203040506002040608020oC40oC60o

2、C80oC-40oC ,MPa ,%PMMA8.2.1 高聚物屈服点的特征高聚物屈服点的特征1) 屈服应变大：可高达屈服应变大：可高达0.2。而金属材料的屈服应变仅约。而金属材料的屈服应变仅约0.01。2) 屈服后出现应变软化屈服后出现应变软化(屈服后有一个不大的应力下降屈服后有一个不大的应力下降)。 y b b yBYACPMMA0.00.10.20.30.40.504080120MPa流 体静压力0.1MPa69MPa320MPa170MPa , 切809010011012001020300.002/min0.02/min0.2/minMPa Y,T,oCTy-7-6-5-4-3-2-10

3、020406080100MPa60oC,拉伸,拉伸23oC,压缩,压缩lg90oC,拉伸,拉伸 y, (s-1)lgy3) 屈服应力对温度、应变速率和流体静压力有强烈的依赖性。屈服应力对温度、应变速率和流体静压力有强烈的依赖性。4) 屈服时体积略有缩小。屈服时体积略有缩小。5) 压缩屈服应力大于拉伸屈服应力压缩屈服应力大于拉伸屈服应力(Bauschinger效应效应)。8.2.2 高聚物的冷拉成颈现象高聚物的冷拉成颈现象RTEe0 b yTb T1) 非晶态高聚物非晶态高聚物可冷拉的温度范围：可冷拉的温度范围：TbTg本质：强迫高弹性本质：强迫高弹性;2) 部分结晶高聚物部分结晶高聚物可冷拉的

4、温度范围：可冷拉的温度范围：TbTm；本质：非晶相：高弹形变或强迫高弹形变本质：非晶相：高弹形变或强迫高弹形变晶相：凝聚态结构的变化晶相：凝聚态结构的变化 (晶片滑移，取向，再结晶晶片滑移，取向，再结晶); 冷拉成颈的工业意义：纤维的牵伸；塑料的冲压成型。冷拉成颈的工业意义：纤维的牵伸；塑料的冲压成型。试样局部首先出现颈缩的原因：试样局部首先出现颈缩的原因：i)试样截面不均匀，截面最小处应力最大，首先出现颈缩。试样截面不均匀，截面最小处应力最大，首先出现颈缩。 ii)试样材质不均匀，局部最薄弱区屈服强度最低，或局部试样材质不均匀，局部最薄弱区屈服强度最低，或局部应力集中区所受的实际应力最大。应

5、力集中区所受的实际应力最大。0dd真1真真1dd01234BA 真 01234 真 01234 真 3) 嵌段共聚物嵌段共聚物0.0第一次拉伸第一次拉伸第二次拉伸第二次拉伸应变诱发塑料橡胶转变应变诱发塑料橡胶转变（Strain-induced plastics-to-rubber transition)8.2.3 剪切带与银纹剪切带与银纹(shear band and craze)1) 剪切带剪切带:具有高剪切应变具有高剪切应变(可高达可高达1.0以上以上)的薄层，双折射度很高，的薄层，双折射度很高，说明该区域内高分子链高度取向。说明该区域内高分子链高度取向。单轴拉伸或压缩时，试样上也出现与主

6、应力方向成单轴拉伸或压缩时，试样上也出现与主应力方向成的剪切带。的剪切带。45单轴拉伸试样单轴拉伸试样任意截面上力的分解任意截面上力的分解单轴拉伸试样中任意截面上单轴拉伸试样中任意截面上正应力与载面傾角的变化正应力与载面傾角的变化2)银纹银纹(craze)应力银纹和应力应力银纹和应力/溶剂银纹；溶剂银纹；无序银纹无序银纹在复合应力场中在复合应力场中,银纹面垂直于较大的主应力方向银纹面垂直于较大的主应力方向银纹的结构银纹的结构:银纹尖银纹底银纹质银纹质( 高度拉伸取向的纤维束高度拉伸取向的纤维束) +空穴空穴 (体积约体积约40%)银纹银纹(craze)与裂纹与裂纹(crack)的区别与联系：的

7、区别与联系：区别：区别： 1) 银纹可发展到与试样截面相比拟的尺寸银纹可发展到与试样截面相比拟的尺寸; 2) 卸载后，银纹不会闭合卸载后，银纹不会闭合; 3) 恒拉伸载荷作用下，银纹尺寸恒速扩展恒拉伸载荷作用下，银纹尺寸恒速扩展; 4) 材料的弹性模量随银纹化程度的增加变化较小。材料的弹性模量随银纹化程度的增加变化较小。联系：联系： 裂纹往往始于银纹裂纹往往始于银纹银纹化是橡胶增韧塑料机理之一银纹化是橡胶增韧塑料机理之一8.3 断裂与强度断裂与强度(fracture and strength)8.3.1断裂概念与模式断裂概念与模式 断裂断裂：材料内部产生新表面。材料内部产生新表面。断裂过程：裂

8、纹引发，慢速扩展，快速扩展。断裂过程：裂纹引发，慢速扩展，快速扩展。断裂模式断裂模式(按受载方式分按受载方式分)： i)直接加载下的断裂：直接加载下的断裂： 材料在拉伸、压缩、剪切或材料在拉伸、压缩、剪切或冲击载荷作用下断裂；材料断裂时的应力为断裂强度。冲击载荷作用下断裂；材料断裂时的应力为断裂强度。 ii) 疲劳断裂：材料在一个应力水平低于其断裂强度的疲劳断裂：材料在一个应力水平低于其断裂强度的交变应力作用下经多次循环作用而断裂；交变应力作用下经多次循环作用而断裂； iii) 蠕变断裂：材料在一个低于其断裂强度的恒定应力蠕变断裂：材料在一个低于其断裂强度的恒定应力长期作用下发生断裂。长期作用

9、下发生断裂。 iv) 环境环境-应力开裂：材料在环境介质和应力共同作用下应力开裂：材料在环境介质和应力共同作用下发生开裂。在该模式中，环境介质是第一位的；应力是第二发生开裂。在该模式中，环境介质是第一位的；应力是第二位的。位的。 v) 磨损磨耗：磨损磨耗： 一种材料在与另一种材料的摩擦过程中，一种材料在与另一种材料的摩擦过程中，其表面物质以小颗粒形式断裂下来。其表面物质以小颗粒形式断裂下来。 b yTb Tbybyby脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂1) 脆性断裂脆性断裂 断裂应变小，断裂应变小，断裂能低。断裂能低。2) 韧性断裂韧性断裂在脆化温度：在脆化温度： 断裂应变大，断裂应变大，断

10、裂能高。断裂能高。双轴拉伸定向有机双轴拉伸定向有机 玻璃拉伸断口玻璃拉伸断口炭黑填充天然橡胶断口炭黑填充天然橡胶断口全同立构聚丁烯全同立构聚丁烯1 注射成型试样拉伸断口注射成型试样拉伸断口1) 揭示内部结构揭示内部结构2)反映断裂过程：反映断裂过程：粗糙区粗糙区雾状区雾状区镜面区镜面区例例1：有机玻璃：有机玻璃粗糙区粗糙区河流状河流状礼花状礼花状GPa20GPa20MPa210MPa21010实际强度：实际强度：理论强度：理论强度：baot21ccoo221max裂纹尖端应力集中裂纹尖端应力集中c: 半裂纹长度，半裂纹长度， : 裂纹尖端曲率半径裂纹尖端曲率半径0.00.10.20.30.40

11、.5012345深度腐蚀深度腐蚀用HF腐蚀用HF腐蚀未处理未处理 b, GPaD,mm玻璃纤维的实测强度与直径的关系玻璃纤维的实测强度与直径的关系8.3.4 Griffith 脆性断裂理论脆性断裂理论 i) i)断裂产生新表面所需的表面能由内部弹性储能的断裂产生新表面所需的表面能由内部弹性储能的减少来补偿；减少来补偿；dcdAdcdUscEsb2 ii) ii)在微裂纹存在的地方比其它地方有更多的弹性储能在微裂纹存在的地方比其它地方有更多的弹性储能来供给产生新表面所需要的表面能。来供给产生新表面所需要的表面能。高聚物的断裂高聚物的断裂表面表面能包括两部分：能包括两部分：产生新表面所需的能量产生

12、新表面所需的能量 +裂纹尖端塑性形变消耗的能量裂纹尖端塑性形变消耗的能量 s ：单位表面的表面能：单位表面的表面能(断裂法测试值：断裂法测试值：10-4 10-3 J/m2 )(实际值：实际值：10-7 J/m2 )K1C 表征材料阻止裂纹扩展的能力，是材料抵抗表征材料阻止裂纹扩展的能力，是材料抵抗脆性破坏能力的指标，称做断裂韧性。脆性破坏能力的指标，称做断裂韧性。cEsb2为应力强度因子定义cK1材料发生断裂时当，KKc11为临界应力强度因子定义scEK2123/mNsbEc2研究材料断裂韧性常用的试样形式研究材料断裂韧性常用的试样形式单边缺口单边缺口三点弯曲三点弯曲双扭双扭斜面双悬臂梁斜面

13、双悬臂梁 双悬臂梁双悬臂梁 紧凑拉伸紧凑拉伸RTUef0020oC45oC-194oC70oC95oClnf8.3.5 断裂的分子理论断裂的分子理论 当材料内化学键的断裂累积到一定程度以致于材料当材料内化学键的断裂累积到一定程度以致于材料失去承载能力时就发生宏观断裂。失去承载能力时就发生宏观断裂。f则,塑料塑料断键活化能断键活化能U0 kJ/mol热分解活化能热分解活化能kJ/mol聚氯乙烯聚氯乙烯146134聚乙烯聚乙烯226230聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯226218-222聚丙烯聚丙烯235230-243聚四氟乙烯聚四氟乙烯314318-335尼龙尼龙66118180 是材料中应力

14、微观不均匀性的量度是材料中应力微观不均匀性的量度 增塑、增强、取向等对材料强度的影响，实质上是增塑、增强、取向等对材料强度的影响，实质上是改变改变 ； ，则强度，则强度 RTUef008.3.6 冲击强度冲击强度kJ/m2kJ/mkJ/m3Charpy冲击冲击 Izod冲击冲击 8.4.1 结构因素结构因素1) 1) 分子链化学结构分子链化学结构化学键能；化学键能；氢键氢键分子链的柔性与材料韧性的关系分子链的柔性与材料韧性的关系分子链柔性分子链柔性，则，则TbTg的温度范围往往较窄的温度范围往往较窄02468100501001502002503110nMPSPMMAPE脆性弯曲强度脆性弯曲强度

15、， M Pa024681012010203040MPaM 10-3 拉伸,几种塑料脆性强度与分子量的关系几种塑料脆性强度与分子量的关系丁基橡胶强度与起始（硫化前）丁基橡胶强度与起始（硫化前）分子量的关系分子量的关系2) 2) 分子量分子量分子量对模量的影响不大分子量对模量的影响不大MMC时，强度对分子量不再敏感时，强度对分子量不再敏感分子量分子量 ， 韧性韧性0120.00.51.01.52.0 b,MPa交联剂含量交联剂含量，%3)3)交联交联橡胶橡胶: 交联度交联度,则模量则模量;强度在特定交联度强度在特定交联度(正硫化点正硫化点) 达到最高达到最高塑料：交联度塑料：交联度 ，则模量变化不

16、大；，则模量变化不大；强度有所提高；韧性强度有所提高；韧性丁苯橡胶丁苯橡胶i)i)结晶度结晶度，则模量，则模量，屈服强度，屈服强度，断裂强度，断裂强度， 韧性韧性0501001500102030LDPEHDPE ,MPa ,%4) 4) 结晶结晶iii)iii)球晶尺寸：球晶尺寸：0100200300400500010203040MPa大球晶大球晶小球晶小球晶 , ,%ii)ii)晶片之间的连结链晶片之间的连结链，则强度，则强度。一般希望部分结晶制品内的球晶尺寸小而均匀。一般希望部分结晶制品内的球晶尺寸小而均匀。iPP 5)5)取向取向垂直 于取向方 向垂直 于取向方 向平行于取向方 向平行于

17、取向方 向各向异性各向异性高聚物高聚物高度取向时高度取向时未取向时未取向时E,GPaE,GPaE,GPa低密度聚乙烯低密度聚乙烯0.830.330.12高密度聚乙烯高密度聚乙烯4.30.670.59聚丙烯聚丙烯6.30.830.71尼龙尼龙4.21.372.1聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯14.10.632.3为什么取向能提高韧性？为什么取向能提高韧性？普通有机玻璃普通有机玻璃定向有机玻璃定向有机玻璃拉伸比较低拉伸比较低定向有机玻璃定向有机玻璃拉伸比较高拉伸比较高Tb2Tb3Tb1 b yTbbT,150200250010203040吸湿率，吸湿率，% % 0 0.19 0.42温度

18、温度, ,o oC C02468E,GPaE,GPa ,gT-200-10001002000.010.1110 PC PC+30%反 增塑剂反 增塑剂E,GPa温度温度,oC0.010.1110 tg 6) 6) 增塑：增塑：模量模量，强度，强度，*反增塑：某些材料在加入增塑剂后其玻璃态反而更脆。反增塑：某些材料在加入增塑剂后其玻璃态反而更脆。其原因在于低温次级转变受到抑制。其原因在于低温次级转变受到抑制。7) 7) 填充与增强填充与增强非活性无机填料：模量非活性无机填料：模量，成本，成本；活性填料或纤维增强剂：模量活性填料或纤维增强剂：模量，强度，强度， 韧性可能韧性可能 。例例1 1：炭黑增强橡胶：炭黑增强橡胶例例2 2：纤维增强的树脂基复合材料：纤维增强的树脂基复合材料530.110聚苯乙烯聚苯乙烯+5%顺丁胶顺丁胶(共混共混160.045聚苯乙烯聚苯乙烯+5%顺丁胶顺丁胶(共混共混)640.080聚苯乙烯聚苯乙烯+5%丁苯胶丁苯胶(接枝接枝)210.030聚苯乙烯聚苯乙烯+5%丁苯胶丁苯胶(共混共混)16聚苯乙烯聚苯乙烯冲击强度冲击强度(缺口缺口)橡胶相力学内耗橡胶相力学内耗聚合物聚合物tgmJ8)8)共聚与共混共聚与共混共聚：共聚：丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶；丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡