8章聚合物的屈服和断裂解析课件

1、第八章 聚合物的屈服与断裂第1页，共47页。本章的教学内容、要求和目的教学内容： 聚合物的应力应变曲线 聚合物的屈服 聚合物的断裂与强度重点要求： 会从聚合物应力应变曲线获取信息，掌握屈服和断裂现象及其机理、韧性和强度的影响 因素及增韧、增强方法和机理。学习目的： 能从分子结构、凝聚态结构和屈服、断裂特征上对材料的韧性和强度进行初步判断，学会聚合物的增韧、增强方法，以满足其使用要求。第2页，共47页。8.1 The stress-strain curves 应力-应变曲线研究聚合物的极限性质，即在较大外力的持续作用或强大外力的短时作后，聚合物发生大形变直至宏观破坏或断裂。Typical str

2、ess-strain curve for amorphous polymer at temperature below TgEngineering stress to engineering strain第3页，共47页。8.1.1 The stress-strain curves 应力-应变曲线A 弹性极限应变 A弹性极限应力B 断裂伸长率 B断裂强度 Y 屈服应力Y point: Yielding point 屈服点A point: Point of elastic limit 弹性极限点B point: Breaking point 断裂点第4页，共47页。断裂能 Fracture en

3、ergyStress-strain曲线下面积称作断裂能：材料从开始拉伸至破坏所吸收的能量。第5页，共47页。Youngs Modulus 杨氏模量第6页，共47页。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7页，共47页。从应力应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息 聚合物的屈服强度（Y点强度） 聚合物的杨氏模量（OA段斜率） 聚合物的 断裂强度（B点强度） 聚合物的断裂伸长率（B点伸长率） 聚合物的断裂韧性（曲线下面积）第8页，共47页。8.1.2 Stress-strain curves under various conditions 各种情况下的

4、应力-应变曲线(a) Different temperaturea: TTg c: TTg (几十度)d: T接近Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆断 韧断无屈服屈服后断Results TT第9页，共47页。(b) Different strain rateStrain rate时温等效原理：拉伸速度快=时间短温度低速度速度第10页，共47页。Example: PMMA第11页，共47页。a: 脆性材料 c: 韧性材料d: 橡胶b: 半脆性材料酚醛或环氧树脂PP, PE, PCPS, PMMANature rubber, PI(c) C

5、omposition of Polymers 物质结构组成第12页，共47页。(d) Crystallization 结晶应变软化更明显冷拉时晶片的倾斜、滑移、转动，形成微晶或微纤束第13页，共47页。(e) The Size of Spherulites 球晶大小第14页，共47页。(f) The Degree of Crystallization 结晶度第15页，共47页。Different types of stress-strain curve第16页，共47页。Comparing第17页，共47页。8.2 The plasticity and yielding of polymer

6、聚合物的塑性和屈服高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后高聚物将在恒应力下“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）。屈服点以后，大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”。屈服主要特征第18页，共47页。Strain softening 应变软化 弹性变形后继续施加载荷，则产生塑性形变，称为继续屈服，包括：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。呈现塑性不稳定性，最常见的为细颈。

7、塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。发生“取向硬化”，应力急剧上升。试样断裂。第19页，共47页。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”的位置自由体积增加松弛时间变短出现“细颈”的原因无外力有外力 Orientation细颈稳定取向硬化 Considre作图法唯象角度 判据8.2.1 Necking 细颈与剪切带(1) 细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。第20页，共47页。Necking 颈缩现象为什么会出现细颈？应力最大处。哪里的应力最大？第21页，共47页。（2）剪切屈服现象、机理及判据横截面A0, 受到的应力 0=F/A0拉伸中材料某个面受力分析剪切屈服：

8、即在细颈发生前，试样表面出现与拉伸方向成45度角的剪切带。第22页，共47页。抵抗外力的方式抗张强度：抵抗拉力的作用抗剪强度：抵抗剪力的作用两种当应力0增加时，法向应力和切向应力增大的幅度不同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第23页，共47页。（3） Crazing 银纹银纹现象为聚合物所特有，它是聚合物在张应力作用下，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的微细凹槽的现象分类环境银纹溶剂银纹应力银纹第24页，共47页。Microstru

9、cture of crazing微纤 Microfibril微纤平行与外力方向，银纹长度方向与外力垂直。也称为银纹质第25页，共47页。银纹方向和分子链方向银纹不是空的，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（所以也称应力发白）。加热退火会使银纹消失 。F第26页，共47页。银纹的扩展中间分子链断裂扩展形成裂纹第27页，共47页。银纹和剪切带均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象主要区别剪切屈服银纹屈服形变形变大几十几百%形变小 10%曲线特征有明显的屈服点无明显的屈服点体积体积不变体积增加力剪切

10、力张应力结果冷拉裂缝一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服第28页，共47页。细颈、剪切带和银纹比较主要区别细颈、剪切带银纹形变量形变量大 10100%形变量小 bcdcdbadcba曲线下的面积代表所吸收能量因素强度延展性请判断第41页，共47页。Discussion强度延展性分子间作用力分子链柔顺性极性基团或氢键有支链结构适度交联结晶度大双轴取向差好加入增塑剂好差好好韧性第42页，共47页。外界因素温度高应变速率大好差冲击强度i 即韧性第43页，共47页。8.3 聚合物的增韧(1) 橡胶增韧塑料橡胶增韧塑料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

11、容性.第44页，共47页。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。三轴应力空化机理:基体与分散相界面呈现脱离状态,在外力作用下发生三轴应力致使分散相粒子周围空化而吸收能量。第45页，共47页。（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，刚性粒子发生“冷流”而吸收能量。e.g PC/MBS刚性无机粒子增韧:刚性粒子促使基体在断裂过程中产生塑性变形吸收能量. e.g PVC+CaCO3刚性粒子增韧的条件是:基体必须具有一定韧性.第46页，共47页。下图是PMMA在室温下单轴拉伸得到的应力-应变曲线：（1）请说明图（a）和图（b）中Y、B点称做什么点？ OA段发生什么形变？图