第七章聚合物屈服和断裂

第七章聚合物的屈服和断裂刘卅引言材料的力学性能:指材料在受机械力作用时，发生可逆或不可逆形变的能力及抗破损的能力。高聚物力学性能的突出特点（与金属、陶瓷等相比）在一定条件下呈高弹性具有突出的粘弹性力学性能种类形变性能断裂性能：强度、破坏、屈服、韧性粘性普弹性弹性高弹性粘弹性力学性能是高聚物一切优异物理性能的基础，是决定材料合理应用的主导因素一、描述高聚物力学性质的基本物理量和力学性能指标1、应力、应变、弹性模量拉伸应力s张应变e杨氏模量E应

力应

变弹性模量切应力ss切应变g剪切模量G压缩应力P压缩应变体积模量B表达式e

Dl

l0E

=

s

=

F

A0G

=

s

s

=

F

g

A0

tanqB=

P

=

PV0DV

V0

DV拉伸压缩剪切压缩应变应变——当材料受到外力作用而所处条件又不能产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化称为应变（也可称形变）。内力——材料发生宏观形变时，其内部结构如分子或原子的相对位置、晶粒的取向等发生变化，从而产生了抵抗外力的附加内力，当形变达到平衡时，附加内力和外力大小相等而方向相反。应力——定义单位面积上的附加内力为应力弹性模量——对于理想的弹性固体，应力与应变关系服从虎克定律，即应力与应变成正比，比例常数称为弹性模量，简称模量弹性模量的物理意义——材料发生单位应变时的应力，它表征材料抵抗变形能力的大小，模量愈大，愈不容易变形，表示材料刚性愈大二、聚合物的应力-应变曲线stress-straincurve在应力-应变试验中，以某一给定的应变速率对试样施加负荷，直到试样断裂为止。这类试验大多采用拉伸方式。所以明确些说，是拉伸应力－应变试验。应力-应变曲线可以得出材料的以下参数：杨氏模量，极限伸长度和抗张强度。根据断裂前是否发生屈服来判断材料是延性还是脆性，由曲线下的面积还可求出断裂功（能）。A=Ds

sDe

eAE

=eA

弹性极限应变sA弹性极限应力eB

断裂伸长率sB断裂强度sY

屈服应力Y

点:屈服点A

点:弹性极限点B

点:断裂点典型的应力-应变曲线2、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）7.1

玻璃态聚合物的拉伸Temperaturea:

T<<Tgb:

T<Tgc:

T<Tg

几十度d:

T接近TgExample-PVC0°C0~50°C50~70°C70°CResults脆性断裂屈服后断韧性断裂无屈服TT玻璃态聚合物不同温度下的应力-应变曲线7.2玻璃态聚合物强迫高弹形变强迫高弹性形变：玻璃态聚合物在大外力下发生的大形变，其本质与橡胶的高弹形变一样，但表现的形式却有差别，为区别于普通的高弹形变，可称之为强迫高弹性形变。若在试样断裂前停止拉伸，除去外力，则试样已发生的大形变无法完全恢复；只有让试样的温度升到

Tg附近，形变方可回复，因此，这种大形变在本质上是一种高弹形变，而不是粘流形变，其分子机理主要是高分子的链段运动，它只是在大外力的作用下的一种链段运动。产生强迫高弹形变的原因由于外力的作用减小了在作用力方向上高分子链

段运动的松弛时间，使得在玻璃态被冻结的链段能越过位垒而运动，实验表明，松弛时间τ与外界应力σ之间有如下关系：DE是活化能，a是材料常数作用在聚合物材料上的力降低了活化能，因而使松弛时间缩短。当应力增加使松弛时间减小到与外力作用时间(拉伸速率)同一数量级时，聚合物就产生强迫高弹形变。外力作用对松弛过程的影响与升高温度相似。玻璃态聚合物强发生迫高弹形变的因素1、温度特征温度Tb当Tb<T<Tg

,产生强迫高弹形变当T<Tb,不产生强迫高弹形变脆性温度，塑料的使用下限温度在一定速率下（不同温度）测定的断裂应力和屈服应力，作断裂应力和屈服应力随温度的变化曲线问题PMMA聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100°CTb=90°C室温下可否发生强迫高弹形变？PC聚碳酸酯

Tg=150°CTb=-20°C室温下可否发生强迫高弹形变？3、拉伸速度太快：来不及发生强迫高弹形变，发生脆性断裂太慢：发生部分粘流，升温后形变也不可回复适当4、结构因素太柔顺：Tb与Tg接近，Tg以下就发生脆性断裂太刚性：链段不能运动，如聚酰亚胺5、分子量适度的柔顺性超过临界分子量太低：Tb与Tg接近，发生脆性断裂2、外力只有当应力增大到屈服应力以上时，链段运动的松弛时间减小至与拉伸速度相适应的数值，聚合物才可发生大形变与升温有相同作用7.1.3

结晶高聚物的拉伸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Y球晶大小问题：球晶大的材料冲击强度高，还是球晶小的冲击强度高？结晶度The

Degree

ofCrystallization玻璃态与结晶态聚合物大形变拉伸曲线的异同点1、相似之处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

Tg或Tm下都不能自发回复，而加热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是高弹形变。该现象通常称为“冷拉”拉伸后都呈各向异性2、不同之处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Tb到Tg，而结晶聚合物则为Tg至Tm；另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，并不发生相变，而后者尚包含有结晶的破坏，取向和再结晶等过程。7.1