高分子物理第八章 聚合物的屈服和断裂

1、聚合物物理学，第8章聚合物的屈服和断裂，介绍，蠕变？压力放松？不断增加的压力或紧张，会发生什么？特定温度，应力，讨论：应变-时间，特定温度，应变，讨论：应力-时间，聚合物将达到极限性质，即，在大外力的连续作用或强外力的短时间操作之后，聚合物将经历大变形，直到宏观损伤或断裂，并且对这种损伤或断裂的抵抗被称为强度。一方面，本章介绍和描述了高分子材料的宏观力学性能指标：杨氏模量、屈服强度和屈服伸长率。另一方面，从分子结构特征出发，讨论了影响高分子材料机械强度的因素，为开发具有更好设计性能的材料提供了理论指导。引言，8.1聚合物的塑性和屈服，第8章聚合物的屈服和断裂，塑性断裂是缺陷快速扩展的结果，而延

2、性断裂是屈服后的断裂。聚合物材料的屈服实际上是材料在外力作用下的塑性变形。F，F，l=l0 Dl，8.1.1聚合物应力-应变行为，应变，应力，l0，应力-应变曲线，弹性变形，非晶聚合物的应力-应变曲线，屈服，应变软化，颈缩，应变硬化，断裂，应力-应变曲线特征，Y点：屈服点3360。B点：断裂点B、应力-应变曲线、聚合物屈服强度(y点强度)、杨氏模量(OA段斜率)、聚合物断裂强度(B点强度)、聚合物断裂伸长率(B点伸长率)、聚合物断裂韧性(曲线下面积)，从分子运动、弹性变形和小尺度运动解释非晶聚合物的应力-应变曲线变形可稍有恢复，二、强制橡胶状变形。 其迫使在大外力作用下通过高弹性变形而冻结的聚

3、合物链段沿着外力方向取向，在分子链拉伸之后，粘性流动和塑性变形继续拉伸整个链排列，这进一步提高了材料的强度。 变形是不可逆的。讨论：温度、拉伸速率和结晶对应力-应变曲线的影响、影响拉伸行为的因素以及环境温度对聚合物材料的拉伸行为有显著影响。随着温度的升高，分子链段的热运动和松弛过程加剧，表现为材料的模量和强度降低，伸长率增加，应力-应变曲线形状变化较大。(1) TTb (3)-(4)温度继续上升，没有产量。聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变曲线随环境温度(在常压下)和影响拉伸行为的外部因素而变化。随着温度的升高，材料逐渐变软变韧，断裂强度降低，断裂伸长率增加；随着温度的降低，材料逐渐变得硬而脆，断裂

4、强度增加，断裂伸长率降低。时间-温度等效原理：快速拉伸速度=短时间=低温，影响拉伸行为的外部因素，应变速率的影响，8.1.1.2结晶聚合物，在低于Tm的适当拉伸速率下拉伸得到的结晶聚合物的典型应力-应变曲线，颈缩或冷拉伸，结晶聚合物的应力-应变曲线，结晶聚合物的拉伸应力-应变曲线与非晶聚合物相似，但在受迫高弹性变形的微观机理上有所不同，我们称之为“冷拉伸”。冷拉伸是指常温下拉伸应力超过屈服应力的材料被强制拉伸的现象，属于延性变形。韧性聚合物在屈服后产生颈缩，然后颈缩逐渐膨胀，应变增加，应力保持不变。这种现象被称为冷拉，直到颈部延伸到整个样品，应力再次增加，样品断裂。冷拉是被迫的。对于结晶聚合物

5、，主要是颗粒的变形。冷拉包括晶区和非晶区的变形，非晶区先出现，然后球晶变形。晶体区域的变形是原始晶体结构被应力破坏，球晶和片晶被拉开并分裂成更小的晶体单元，分子链从晶体中被拉出并拉直并沿拉伸方向排列。与结晶聚合物相比，8.1.1.2结晶聚合物、影响拉伸行为的外部因素、结晶度、结晶度、球晶尺寸、无定形和结晶聚合物都经历了一般的弹性变形。拉伸后，所有的材料都是各向异性的，产生很大的变形，在室温下不能恢复，导致强制变形“冷拉”。不同之处如下：冷拉温度范围：非晶TbTg结晶TgTm，结晶聚合物的拉伸过程伴随着凝聚结构的变化，由于聚合物材料的多样性，实际获得的材料应力-应变曲线具有不同的形状。总而言之，

6、它可以分为五类：聚合物材料的应力-应变曲线的类型，8.1.1.4的曲线类型，(a)硬而脆，(b)硬而强，(c)强而韧，(d)软而韧，(e)软而弱，硬度：模量：屈服强度：韧性和脆性：断裂能，应力-。应变软化：在应力集中的地方，出现“细颈”的原因，聚合物的屈服特性，在屈服点之前聚合物的变形可以完全恢复，在屈服点之后，聚合物将在恒定应力下“塑性流动”，也就是说，片段将开始沿外力方向定向。聚合物在屈服点的应变相当大(与金属相比)。在屈服点之后，大多数聚合物表现出应变软化，其中一些非常迅速，其机理尚不清楚。屈服应力对应变率和温度都很敏感。当发生屈服时，拉伸样条表面出现“银纹”或“剪切带”，然后整个样条局

7、部出现“细颈”。8.1.4剪切带的结构形式8.1.5银纹现象，伴随聚合物屈服的一些现象，8.1.4剪切带的结构形式，在韧性聚合物屈服点处的试样上经常可以看到与拉伸方向成45角的剪切带，并逐渐形成对称的薄颈，剪切带的屈服机制，截面A0，应力0=F/A0，斜截面，正应力，剪应力，以单轴拉伸应力分析试样为例， 剪切带的屈服机制，抗外力的方式，抗拉强度：抗拉强度，抗剪强度：抗剪强度，两种，最大的抗拉强度是什么？=0，n=0，哪个平面的剪切强度最大？=45，s=0/2，剪切带屈服机制，剪切带屈服机制，=0，n=0，=45，s=0/2，0，n=30MPa，s=15MPa。众所周知，材料的最大拉伸强度和剪切

8、强度分别为40兆帕和15兆帕。如果最大剪切强度是25兆帕呢？实质上，正应力与材料的抗拉强度有关，抗拉强度的极限值主要取决于分子骨架的强度(键能)。因此，当材料在作用下损坏时，主链通常会断裂。切向应力与材料的抗剪强度有关，极限值主要取决于分子间的内聚力。当材料在作用下屈服时，分子链的相对滑移经常发生(见下图)。垂直应力下的分子链断裂(a)和剪切应力下的分子链滑移(b)、剪切带屈服机制、剪切带屈服机制，在外力场的作用下，材料的内应力分布和应力变化非常复杂，可能发生断裂和屈服，并且它们处于竞争状态。当延性材料被拉伸时，斜截面上的最大剪应力首先增加到材料的抗剪强度，材料屈服，出现与拉伸方向成45角的剪

9、切滑移变形带。在进一步拉伸期间，由于分子链的高取向强度，剪切带没有进一步变形。它的边缘因剪切而进一步变形。同样，剪切变形发生在135的倾斜截面上，因此试样逐渐产生对称的细颈，直到细颈延伸到整个试样。在最大剪应力达到抗剪强度之前，脆性试件横截面上的法向应力已经达到材料的抗拉强度，因此试件在屈服前断裂，截面垂直于拉伸方向。(1)当韧性聚合物在一个方向上拉伸到屈服点时，剪切带是相对于拉伸方向倾斜约45的剪切滑移变形带。(2)剪切带的厚度约为1m。在剪切带中，聚合物链沿外力方向高度取向，在剪切带中没有间隙，因此在变形过程中没有明显的体积变化。(3)剪切带的产生和发展吸收了大量的能量。同时，由于取向硬化

10、，防止了变形的进一步发展。剪切带的屈服机制，银纹现象是指在拉伸应力的作用下，材料的某些薄弱部位发生应力集中，导致局部塑性变形和取向，从而在材料表面或内部垂直于应力方向出现长度为100um、宽度约为10 m、厚度为1 m的细槽或“裂纹”的现象。8.1.5银粒现象，银粒平面垂直于产生银粒的拉应力。在拉伸应力的作用下，在能产生银颗粒的局部区域，聚合物发生塑性变形，聚合物链沿拉伸应力方向高度取向并吸收能量。横向收缩不足以补偿塑性伸长，塑性伸长会导致晶粒中出现大量空洞。密度和折射率下降。银粒，又称银粒，微纤丝，微纤丝平行于外力方向，而银粒的长度方向垂直于外力方向。银粒，银粒不是空的，银粒的密度是体密度的

11、50%，折射率低于聚合物体，所以在银粒和体之间的界面上会有全反射，呈现银粒(所以也叫应力增白)。加热和退火会使银线消失。中分子链断裂并膨胀，形成裂纹。银纹和剪切带都具有分子链取向，吸收能量并呈现屈服现象。一般来说，材料同时具有银纹和剪切屈服。8.2聚合物的断裂和强度，脆性断裂：与材料的弹性响应有关，试样在断裂前变形均匀。8.2.1脆性断裂和延性断裂，延性断裂：屈服点后断裂，导致大变形，截面显示外延变形(颈缩结果)，曲线非线性，5%，剪切应力引起的管片移动结果，聚合物的脆性断裂和延性断裂，聚苯乙烯样品脆性断裂表面的电子显微照片，增韧改性聚氯乙烯韧性断裂表面的电子显微照片，脆性断裂，屈服前无塑性流

12、动，光滑表面，延性断裂，屈服后断裂，塑性流动，粗糙表面。 试样的脆性或延性断裂与材料成分有关，同一材料的脆性或延性断裂也与温度t和拉伸速率有关。 聚合物的脆性断裂和韧性断裂、材料的拉伸断裂强度和屈服强度随环境温度和应变率而变化，屈服强度受温度和应变率的影响更大。当温度升高时，发生脆-韧转变。对应两条曲线交点的温度称为脆-韧转变温度。脆性-延性转变，脆性-延性断裂，屈服，-线，b，断裂能，断裂表面，断裂原因，无，有，无，有，有，线性，非线性，小，大，小，大，小，大，光滑，粗糙，光滑，粗糙，正常示例PMMA聚甲基丙烯酸甲酯，玻璃化转变温度=100，Tb=90C，室温下易碎或坚韧？屈服特性，屈服，现

13、象：应力不再随应变而增加，本质：剪切作用下的塑性流动，8.2.2聚合物的强度，从分子水平来看，聚合物断裂将破坏分子内的化学键和分子间的范德华力和氢键。内部结构的失效可归因于以下三种情况：化学键失效、分子间滑移、范德华力或氢键失效、15000兆帕、5000兆帕、氢键500兆帕、范德华力100兆帕、聚合物强度以及断裂中三种方法的结合。通常，聚合物的理论断裂强度是几千兆帕，但实际上只有几十兆帕。为什么？PA、60 MPa、PPO、70 MPa，理论值与实验结果差异的原因是花键缺陷、应力集中、聚合物强度、无限平板中椭圆裂纹的应力集中、聚合物强度、化学键断裂、分子间滑移、分子间撕裂等主要方式，化学键断裂

14、需要最大的力，而分子间撕裂需要最小的力。通过对断裂形式的分析，分子间的相互作用对强度影响最大。一级和一级结构：链节含有强极性基团或氢键基团，增加了分子间的作用力和强度。1.结构因素2。外部条件、链节极性对聚合物强度的影响以及影响聚合物力学性能的因素。交联：适当的交联总是会提高聚合物的强度，但如果交联度太大，就会使其太脆，失去应用价值。有了极性基团或氢键，强度高但密度大阻碍了链段的运动，从而不会产生强制的高弹性变形脆性断裂，以及影响聚合物力学性能的因素，空间立体学：具有规则结构和高等规度的聚合物的强度由于结晶而增加。表6无规立构含量对聚丙烯性能的影响，影响聚合物机械性能的因素，支化：支化破坏了链

15、的规则性，降低了结晶度，增加了分子间的距离，降低了分子间的力，所有这些都降低了强度。但是韧性提高了。表7支化度对聚合物力学性能的影响，影响聚合物力学性能的因素，二级和二级结构：链刚性增加，聚合物强度增加，韧性降低。例如，主链中具有芳族杂环结构的聚合物比脂族主链具有更高的强度和模量。主链包含大的侧基，具有高刚性。例如，聚乙烯24.5牛顿/平方米，聚苯乙烯35.260牛顿/平方米，聚酯80牛顿/平方米，影响聚合物机械性能的因素，分子量：分子量是一个结构参数，对聚合物材料的机械性能(包括强度、弹性和韧性)起决定性作用。当分子量很小时，强度随着分子量的增加而增加；当分子量达到一定值时，强度与分子量无关

16、。图20，影响聚合物、三级和三级结构机械性能的因素：结晶度增加，强度增加，韧性降低。以体育为例。表8聚乙烯强度与结晶度的关系，图21结晶度对应力-应变曲线的影响，影响聚合物力学性能的因素，晶体尺寸，表9聚丙烯球晶尺寸与力学性能的关系，小球晶：T，E，断裂伸长率，I高，大球晶：下降，图22球晶尺寸对应力-应变曲线的影响，影响聚合物力学性能的因素，晶体形态：同种类聚合物，取向：可提高材料强度几倍和几十倍。对于纤维和薄膜，取向是改善性能的重要措施。原因：取向后，分子沿外力方向有序排列，断裂时主价键比例增加，提高了聚合物的强度。影响聚合物力学性能的因素和增塑剂的影响：拉伸强度降低，冲击性能提高。原因：与聚合物