《高分子物理》课件-晶态高聚物应力应变曲线第三阶段

《高分子物理》AYB屈服点弹性极限点断裂点应变软化塑性形变（强迫高弹形变）应变硬化典型的非晶态聚合物在玻璃态的应力-应变曲线

yOND1非晶态高聚物的应力-应变曲线（在Tg以下的几十度，拉伸速率一定单轴拉伸）AYB屈服点弹性极限点断裂点应变软化塑性形变（强迫高弹形变）应变硬化

yOND从应力—应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息:聚合物的杨氏模量（OA段斜率）聚合物的屈服强度（Y点强度）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）Y点前弹性区域，Y点后塑性区域(1)

弹性形变（普弹形变）

OA段，A点亦称为比例极限。运动形式：键长、键角变化所引起的形变特点：应力-应变关系符合虎克定律，形变小可回复。外观形貌：试样均匀拉伸1）应力-应变曲线特征及分析

AYB屈服点弹性极限点断裂点应变软化塑性形变（强迫高弹形变）应变硬化

yONDAYB屈服点弹性极限点断裂点应变软化塑性形变（强迫高弹形变）应变硬化

yOND(2)屈服点Y点Y点称为屈服点，对应的应力屈服强度σy，屈服应变εy。屈服现象：应变增加而应力不变或是先下降后不变的现象。外观形貌：截面突然变得不均匀，出现“细颈”。聚合物屈服的主要特征

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，外力去除后，应变不能恢复。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）。金属0.01左右，高聚物0.2左右。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”。AYB屈服点弹性极限点断裂点应变软化塑性形变（强迫高弹形变）应变硬化

yOND(3)应变软化YN段。应变软化：高聚物在过了屈服点以后，应变增加，应力反而下降的现象。外观形貌：“细颈”形成AYB屈服点弹性极限点断裂点应变软化塑性形变（强迫高弹形变）应变硬化

yOND(4)

强迫高弹形变ND段，细颈扩展运动形式：高分子的链段运动，即在大外力的帮助下，玻璃态高聚物本来被冻结的链段被强迫运动，使高分子链发生伸展，产生大的形变。形变特点：形变大；当外力去除后，如果T<Tg，链段被冻结，形变不可回复；如果温度升到其Tg附近，被冻结的链段开始运动，形变可回复。其本质与橡胶的高弹形变一样，并非粘流形变，但表现的形式却有差别，为了与普通的高弹形变区别开来，通常称为强迫高弹形变。外观形貌：细颈沿整个试样扩展高弹形变与强迫高弹形变的比较：相同点：大形变，同属于链段运动机理不同点：强迫高弹形变：需要外力较大，在去除外力后不能恢复，只有温度升高到Tg以上时，才能恢复。高弹形变：需要外力较小，去除外力即可恢复。强迫高弹形变产生的原因：

也就是在外力的作用下，非晶聚合物中本来被冻结的链段被强迫运动，使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚合物仍处于玻璃态，当外力移去后，链段不能再运动，形变也就得不到回复，只有当温度升至Tg附近，使链段运动解冻，形变才能复原。松弛时间与应力的关系：由上式可见，越大，越小，即外力降低了链段在外力作用方向上的运动活化能，因而缩短了沿力场方向的松弛时间，当应力增加致使链段运动松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时，链段开始由蜷曲变为伸展，产生强迫高弹变形。AYB屈服点弹性极限点断裂点应变软化塑性形变（强迫高弹形变）应变硬化

yOND(5)

粘流DB段在应力的持续作用下，此时随应变增加，应力急剧进一步增加的现象称为应变硬化。

AYB屈服点弹性极限点断裂点应变软化塑性形变（强迫高弹形变）应变硬化

yOND应力增加机理：在应力的持续作用下，大量链段不断伸展取向排列后继续拉伸，导致了整个分子链的取向排列，分子链之间重新形成更多的物理结点，使材料的强度进一步提高，需要更大外力进行拉伸，应力迅速上升。

AYB屈服点弹性极限点断裂点应变软化塑性形变（强迫高弹形变）应变硬化

yOND分子运动及形变特点：由于发生分子链的位移，形变是不可逆的。由于它是在强力作用及室温下发生的大分子链的相对滑脱，又称冷流。外观形貌：试样均匀拉伸AYB屈服点弹性极限点断裂点应变软化塑性形变（强迫高弹形变）应变硬化

yOND(6)

断裂点B点，该点对应应力称为断裂强度σB，应变称为断裂伸长率εB。断裂能S：应力-应变曲线下的面积，反映材料的拉伸断裂韧性大小，不能反映冲击韧性

大小。AYB屈服点弹性极限点断裂点应变软化塑性形变（强迫高弹形变）

yONDE越大，材料越硬，判断材料的软硬σB或σy越大，材料越强，判断材料的强弱εB或S越大，说明材料越韧，判断材料的韧脆。从应力-应变曲线可以得到以下重要力学指标：1）整个曲线可分为三个阶段：第一阶段：Y点前弹性区域，曲线上表现应力随应变线性增加试样被均匀拉长。2晶态高聚物的应力-应变曲线

未取向的晶态高聚物在一定温度，以一定拉伸速度进行单轴拉伸时典型的应力-应变曲线：第一阶段到达y点后，试样的截面积变的不均匀，出现一个或几个细颈，由此开始拉伸的第二阶段，在第二阶段，细颈和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，直到整个试样完全变细。曲线上表现出应力几乎不变，而应变不断增加。这种大形变，当拉力去处后，只要加热到接近熔点的温度，同样是可以部分恢复原状的。第二阶段第三阶段：成颈后的试样重新被均匀拉伸曲线上表现应力随应变的增加而增大，直至断裂。由于取向后分子链间排列紧密，相互作用力增强，故必须进一步增加应力，才能使微晶间或者分子间发生位移，最后导致分子链的断裂以致材料破坏。第三阶段玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较相似之处：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，其中大形变在室温时都不能自发回复，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”。区别：（1）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；

（2）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，或包含着球晶中片晶的变形过程。韧性聚合物在屈服后产生细颈（neck），之后细颈逐渐扩展，应变增加而应力不变，这种现象称为冷拉。1.3应力-应变类型

特点：E高，σt

中，εB

≤2％

σ-ε曲线中面积小如低分子量PS、PMMA、酚醛树脂按拉伸过程中屈服点的表现、断裂伸长率大小及断裂情况，聚合物的σ-ε曲线分为五种类型：特点：E高，σt

高，εt

≈5％

σ-ε曲线中面积中

高分子量PS、硬PVC

E高，σt

高，εt

≈100％

σ-ε曲线中面积大

如尼龙、PC、POME低，σt

中，εt

≈20～1000％σ-ε曲线中面积大如硫化rubber，软PVC

E低，σt

低，εt

中

σ-ε曲线中面积中如聚合物凝胶聚合物力学类型软而弱软而韧硬而脆硬而强硬而韧聚合物应力—应变曲线应力应变曲线特点模量（刚性）低低高高高屈服应力（强度）低低高高