高分子物理07课件

第七章聚合物的屈服和断裂7.1高聚物的拉伸行为7.1.1高聚物的拉伸典型的玻璃态聚合物单轴拉伸时的应力—应变曲线

第七章聚合物的屈服和断裂7.1高聚物的拉伸行为1玻璃态高聚物的拉伸行为：①T<<Tg，应力随应变成正比地增加，最后应变不到l0％就发生断裂②T<Tg，应力—应变曲线上出现了一个转折点B，称为屈服点，应力在B点达到一个极大值，称为屈服应力。过了B点应力反而降低，试样应变增大。但由于温度仍然较低，继续拉伸，试样便发生断裂，总的应变也没有超过20％。玻璃态高聚物的拉伸行为：2③T小于Tg几十，屈服点之后，试样在不增加外力或者外力增加不大的情况下能发生很大的应变(甚至可能有百分之几百)。在后一阶段，曲线又出现较明显地上升，直到最后断裂。断裂点c的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率。④T>Tg，试样进入高弹态，在不大的应力下，便可以发展高弹形变，曲线不再出现屈服点，而呈现一段较长的平台，即在不明显增加应力时，应变有很大的发展，直到试样断裂前，曲线才又出现急剧地上升。③T小于Tg几十，屈服点之后，试样在不增加外力或者外力增加37.1.2玻璃态聚合物的强迫高弹形变

强迫高弹形变：为了区别于普通的高弹形变，玻璃态高聚物屈服点以后材料的大形变的称为强迫高弹形变。实验证明，松弛时间与应力之间有如下关系要使强迫高弹形变能够发生，必须满足断裂应力大于屈服应力的条件。T减小，松弛时间将增长，玻璃态高聚物只有处在Tb（脆化温度）到Tg之间的温度范围内，才能在外力作用下实现强迫高弹形变。强迫高弹性的必要条件是高聚物要具有可运动的链段。要求分子链不能太柔软，分子量不能太小。7.1.2玻璃态聚合物的强迫高弹形变强迫高弹形变：为了区别47.1.3结晶高聚物的拉伸单向拉伸时的应力—应变曲线可分为三段。第一段应力随应变线性地增加，试样被均匀地拉长，伸长率可达百分之几到十几，到Y点后，试样的截面突然变得不均匀，出现一个或几个“细颈”，由此开始进入第二阶段。在第二阶段，细颈与非细颈部分的截面积分别维持不变，而细颈部分不断扩展，非细颈部分逐渐缩短，直至整个试样完全变细为止。第三阶段是成颈后的试样重新被均匀拉伸，应力又随应变的增加而增大直到断裂点。结晶高聚物拉伸曲线上的转折点是与细颈的突然出现，以及最后发展到整个试样而突然终止相关的。7.1.3结晶高聚物的拉伸单向拉伸时的应力—应变曲线可分为三57.1.4硬弹性材料的拉伸

硬弹性材料:其弹性模量比一般橡胶高得多。拉伸初始，应力随应变的增加急剧上升，发生了不太典型的屈服，应力应变曲线发生明显转折。继续拉伸时，应力会继续以较缓慢的速度上升。到达一定形变量后，移去载荷时形变可以自发回复，拉伸曲线与回复曲线之间形成较大的滞后圈，弹性回复率有时可高达98％。7.1.4硬弹性材料的拉伸硬弹性材料:其弹性模量比一般橡6高分子物理07课件7

7.1.5应变诱发塑料—橡胶转变

这是某些嵌段共聚物及其与相应均聚物组成的共混物所表现出来的一种特有的应变软化现象。以苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)为例：7.1.5应变诱发塑料—橡胶转变这是某些嵌段共聚物及8高分子物理07课件97.2高聚物的屈服脆性高聚物在断裂前，试样并没有明显的变化，断裂面一般与拉伸方向相垂直，断裂面也很光洁；韧性高聚物拉伸至屈服点时，常可看到试样上出现与拉伸方向成大约45角倾斜的剪切滑移变形带，或者在材料内部形成与拉伸方向倾斜一定角度的“剪切带”。

7.2高聚物的屈服脆性高聚物在断裂前，试样并没有明显的变10高分子物理07课件117.2.1聚合物单轴拉伸的应力分析在试样上任意取一倾斜的截面，设其与横截面的夹角为α，

7.2.1聚合物单轴拉伸的应力分析在试样上任意取一倾斜的截12两个互相垂直的斜截面上的剪应力的数值相等，方向相反，它们是不能单独存在的，总是同时出现，这种性质称为切应力双生互等定律．

两个互相垂直的斜截面上的剪应力的数值相等，方向相反，它们是不137.2.2真应力—应变曲线及其屈服判据

假定试样变形时体积不变，则拉伸时实际受力的截面积为真应力：屈服点：由此得：7.2.2真应力—应变曲线及其屈服判据假定试样变形时体积14高聚物的真应力—应变曲线可归纳为三种类型：

（1）（2）（3）（1）（2）有一个值（3）有二个值高聚物的真应力—应变曲线可归纳为三种类型：（1）（2）（3157．3聚合物的断裂理论和理论强度韧性材料在受到较大应力，或经受变形时，可以发生屈服，吸收大量的能量，它使聚合物材料在实际应用中可以发生较大的变形或承受较大的冲击而不破坏。外力超过一定限度，聚合物材料会发生韧性断裂，也可以发生脆性断裂。影响聚合物材料的断裂行为的外界条件主要是温度和应变速率。7．3聚合物的断裂理论和理论强度韧性材料在受到较大应力，167.3.1断裂的分子理论

Zhurkov等人提出了断裂的分子理论：材料断裂过程是一个松弛过程，材料的宏观断裂对应于微观化学键的断裂，而后者是与时间有关的活化过程。承载寿命与拉伸应力和绝对温度之间的关系：7.3.1断裂的分子理论Zhurkov等人提出了断裂的分177.3.2非线性断裂理论Andrews提出了广义断裂理论：含有一裂缝的无限大的平板试样在拉伸应力作用下，裂缝增长产生单位面积体系消耗的总能量的普适表达式为7.3.2非线性断裂理论Andrews提出了广义断裂理论187.3.3微裂纹微裂纹：聚合物在张应力作用下，出现于材料的缺陷或薄弱处，与主应力方向相垂直的长条形细微凹槽，也叫银纹。产生微裂纹的部位叫做微裂纹体，微裂纹是由沿外力方向高度取向的聚合物微纤及其周围的空洞组成的，因而微裂纹的质量不为零，但其密度下降，因而微裂纹的折光指数比聚合物本体低。微裂纹有可逆性，在压力下或在Tg以上退火时微裂纹能回缩和消失。7.3.3微裂纹微裂纹：聚合物在张应力作用下，出现于材料19引起聚合物产生微裂纹的基本原因有两种：一种是力学因素；另一种是环境因素。它包括：溶剂银纹；非溶剂银纹；热应力开裂；氧化应力开裂。引起聚合物产生微裂纹的基本原因有两种：207.3.4聚合物的理论强度

从分子结构的角度来看，高聚物之所以具有抵抗外力破坏的能力，主要靠分子内的化学键合力和分子间的范德华力和氢键。高聚物断裂的微观过程归结为如下三种：7.3.4聚合物的理论强度从分子结构的角度来看，高聚物21第一种情况，高聚物的断裂必须破坏所有的链，破坏一根共价键所需要的力因此：第二种情况，分子链间滑脱能比共价键的键能大好几倍，所以断裂完全是由分子间滑脱是不可能的。第三种情况，分子是垂直于受力方向排列的，断裂时是部分氢键或范德华力的破坏。拉断一个氢键和范德华键所需要的力分别约为1×10-10牛顿和3×10-11牛顿。拉伸强度约103公斤／厘米2。

第一种情况，高聚物的断裂必须破坏所有的链，破坏一根共价键所需22实际强度远未达到理论强度。理论强度与实际强度之间的巨大差距说明，提高高聚物实际强度的潜力是很大的。如果材料的强度提高十倍，就可以把机械零件的重量降低到1／20至1／30或者更多。需要弄清楚造成实际强度与理论强度之间的巨大差距的原因。实际强度远未达到理论强度。237.4影响聚合物实际强度的因素

1．高分子本身结构的影响（1）极性或产生氢键可使强度提高。（2）主链含有芳杂环的高聚物，其强度和模量都比脂肪族主链的高。（3）分子链支化程度增加，高聚物的拉伸强度会降低。（4）适度的交联可使强度增高。（5）分子量的增大，拉伸强度和冲击强度都会提高。7.4影响聚合物实际强度的因素1．高分子本身结构的影响242．结晶和取向的影响

（1）结晶度增加，能提高拉伸强度、弯曲强度和弹性模量。（2）取向可以使材料的强度提高几倍甚至几十倍。

3．应力集中物的影响

如果材料存在缺陷，受力时材料内部的应力平均分布状态将发生变化，使缺陷附近局部范围内的应力急剧地增加，远远超过应力平均值，这种现象称为应力集中，缺陷就是应力集中物，包括裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质等，它们合成为材料破坏的薄弱环节，严重地降低材料的强度，是造成高聚物实际强度与理论强度之间巨大差别的主要原因之一。2．结晶和取向的影响（1）结晶度增加，能提高拉伸强度、弯曲254．增塑剂的影响增塑剂的加入对高聚物起了稀释作用，减小了高分子链之间的作用力，因而强度降低。5．填料的影响惰性填料：只起稀释作用。添加这种填料虽然降低了制品的成本，但强度也随着降低。活性填料：适当使用可以显著提高强度。但是各种填料增强的程度很不一样。一般说来，这与填料本身的强度有为关，也与填料和高聚物之间的亲和力大小有关。4．增塑剂的影响26（1）粉状填料：例如木粉加于酚醛树脂，在相当大的范围内可以不降低材料的拉伸强度，而大幅度提高它的冲击强度，这是因为木粉能吸收一部分冲击能量，起着阻尼作用。（2）纤维状填料：例如，棉、麻、丝