08第八章__高聚物的力学强度(1).doc

第八章 高聚物的屈服、断裂和力学强度概述断裂——材料破碎成几块,产生新的表面.强度--材料抵抗破坏的能力韧性—-能够屈服，并在断裂前发生大形变换言之,材料中断裂之前吸收了大量能量)屈服ｙeild-—（1)材料在拉伸或压缩过程中，当应力超过弹性极限（比例极限)后，变形增加较快,材料失去了抵抗继续变形的能力当应力达到一定值时，应力虽不增加（或在微小范围内波动）,而变形却急速增长的现象，称为屈服.(２)在某应力状态下由弹性状态转变到塑性状态的现象3)材料发生塑性形变4)形变时某个位置出现“颈缩”聚集态结构对力学性能的影响远远超过化学结构的影响.材料内部结构不均匀（晶区和非晶区、填充物、交联密度、内部应力），还有大量的缺陷（微小的空洞、裂纹）极大地影响强度，破坏首先发生在最薄弱位置.高聚物材料的力学性能表现还对温度和形变速率（加载速率）有强烈依赖性(松弛特性的反映）.温度低，试验速率快,表现脆性;温度高、实验速率小，表现韧性脆性——断裂前未屈服（断裂时形变很小)韧性——断裂前屈服(断裂时形变很大）材料是脆性还是韧性不是绝对的,随着实验条件变化而变化有很多力学性能指标和试验方法§８．1 　等速拉伸应力-应变曲线8。

1．1 典型的等速拉伸应力—应变曲线研究材料强度和破坏的重要实验手段是测量材料的拉伸应力-应变特性将材料制成标准试样，以规定的速度均匀拉伸,测量试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏常用的哑铃型标准试样如下图所示，试样中部为测试部分，标距长度为l０，初始截面积为A0哑铃型标准试样应力（工程应力或名义应力）应变(工程应变或名义应变）真应力--载荷除以真实截面积A真应变——式中，F为载荷；Ａ0为试样的原始截面积；A是试样的真实截面积；L0为试样的原始标距长度；L为试样变形后的长度图　典型的等速拉伸应力－应变曲线注意:在一定条件下（温度、加载速率)才能实现可得到的信息:弹性极限(比例极限）A;扬氏模量E、弹性极限（弹性极限应力、弹性极限应变)、屈服点(屈服强度、屈服伸长率）、断裂点(断裂强度、断裂伸长率)、断裂功Ｗ以Y点为界分为二部分：Y点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样,不留任何永久变形这段的斜率 　　　 　 　 　 　即为扬氏模量Y点以后(塑性区域):除去外力后，材料不再恢复原样，而留有永久塑性变形，我们称材料“屈服"了，Y点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多８．１.2　温度和应变速率对应力-应变行为的影响拉伸应力-应变曲线受温度、拉伸速率、材料特性三者的影响。

一)玻璃态高聚物的拉伸应力—应变曲线① 当温度很低时(T<〈Ｔg)应力—应变成正比增加，应变<10％时脆性断裂曲线的起始阶段，应力-应变成正比,表现胡克弹性体的行为，根据斜率可计算杨氏模量.移去外力，试样完全回复原状.这种高模量、小形变的弹性行为是由高分子的键长键角变化引起的② 当温度稍微升高些，但仍在Tg以下应力－应变曲线上出现转折点Y，称为“屈服点”，Ｙ点的应力称为“屈服应力",Ｙ点的应变称为“屈服应变"断裂时总的应变＜2０％③ 温度升高到Tｇ以下几十度的范围内时断裂前发生很大的应变（甚至百分之几百).④ 温度升高到Ｔg以上，进入高弹态发展高弹形变,截面积均匀变细,不再出现屈服点图 玻璃态高聚物在不同温度下的应力—应变曲线Nｏｔｅ：同一温度下采用不同的应变速率,也会表现上面的变化二）结晶高聚物的拉伸应力-应变曲线如果温度在Tg~Tm之间单向拉伸的应力—应变曲线分３个阶段：① 均匀拉长,撤去外力，形变可回复；② 屈服,某一处或几处颈缩（“细颈"诞生了）细颈和非细颈部分的截面积分别维持不变,细颈部分持续扩展,非细颈部分逐渐缩短，直到整个试样完全变成细颈为止应变可达500％~１０00％;③ 成颈后的试样重新均匀拉伸,应力随应变增加,直到断裂。

图 结晶态聚合物冷拉时细颈产生和发展的示意图 (三） 强迫高弹形变和冷拉屈服后2个选择：（1）屈服位置（颈缩点)越来越弱,很快在屈服位置断裂２）屈服位置的形状保持不变，临近未屈服的位置继续发生屈服,直到发展到整个试样为什么会有第二种情况？这说明在屈服位置发生了“应变硬化”，屈服位置比未屈服位置变强了应变硬化的内部机理：分子取向、如果能够结晶还会再结晶１．　强迫高弹形变：定义：在Tb〈T<Ｔg的温度下，玻璃态高聚物在大外力作用下发生的大形变(达到几百%),其本质与橡胶的高弹形变一样，通常称为强迫高弹形变.原因：拉伸力有助于链段运动,缩短了链段运动的松弛时间,相当于降低了Ｔg链段运动本质上是松弛过程增加外力可缩短链段运动的松弛时间，松弛时间和外力的关系如下：ﻩ式中，ΔE是链段运动活化能；a是材料常数是未加应力时链段运动松弛时间Tg以下可认为松弛时间无限大，在观察时间尺度内不能观察到链段运动;可见越大,越小，即外力降低了链段运动活化能当与实验时间尺度（此处为应变速率）相当时，连段运动就表现出来，发生强迫高弹形变温度降低（至脆性温度以下），强迫高弹形变需要的外力随着增加,温度降低到一定程度，需要的外力超过了高聚物的断裂强度，就发生脆性断裂。

强迫高弹形变是可回复的非晶高聚物：加热到Tg以上，形变可基本回复结晶高聚物：加热到熔点附近，形变可基本回复2 冷拉：(1）定义:玻璃态和结晶高聚物在适当的温度和拉伸速率下拉伸的时候，试样出现细颈和细颈的扩展，形变达到几百%,本质上都是高弹形变，把它们统称为“冷拉”2）冷拉的温度结晶高聚物：从略低于Tｇ直到Tm非晶态高聚物：Tg以下几十度内(３）冷拉的机理非晶高聚物:强迫高弹形变结晶高聚物:除了强迫高弹形变,还发生微晶沿着平行于拉伸方向进行重排、重结晶4）加热后形变可回复非晶:加热到Tg以上；结晶:加热到Tm附近.图 结晶态聚合物冷拉时内部结构变化的示意图83 应力－应变曲线的类型（5种）硬而脆-—无屈服,模量很大PS、PMMA的表现硬而强-—有屈服，模量很大，但屈服后不久就断裂,断裂伸长率很小UPVC硬而韧-—有屈服,模量较大，屈服后可冷拉,断裂伸长率很大有使用价值材料多如此，例如PA6、ＰA６６、ＰEＴ等软而韧——橡胶类材料在高弹态的表现如此,无屈服,模量小，伸长率极大硫化橡胶、增塑PVC、LDPE等软而弱——分子量很低时的表现凝胶,生橡胶等（模量—-软硬;强度-—强弱；断裂功——脆韧)注意3个条件：材料特性、温度、加载速率。

应力-应变曲线类型应力-应变曲线类型§8.2 高聚物的屈服一、 高聚物单轴拉伸的应力分析　（画图)沿着样品内任一斜截面,拉伸应力可分解为法向应力和切向应力,分别为 切向应力,当截面倾角等于45度时，达到最大值;法向应力，以横截面上为最大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”高聚物的抗拉伸破坏能力和抗剪切破坏能力不同,最大切应力先达到剪切强度，发生剪切变形；切应力达到剪切强度之前,法应力先达到材料的拉伸强度，发生脆性断裂.二、 　屈服屈服是普遍现象，在适合的温度、应变速率条件下都会发生屈服时应力—应变曲线上出现屈服点屈服的外在表现：外力作用下，某处截面出现颈缩,明显的形变屈服的位置:截面积不均匀，局部截面积较小;内部结构不均匀,某处较弱，局部应力高于平均应力剪切带是发生在整个试样尺寸上的屈服，韧性时发生银纹是试样局部的屈服，脆性时发生.三、银纹化现象 １．银纹的定义：由于应力和环境原因,往往会在材料表面出现裂纹，肉眼可见，这些裂纹强烈反射光,显示银白色，叫银纹2. 产生银纹的基本原因:(1）力学因素：材料受到拉伸应力，银纹面垂直于受力方向；(２）环境因素：与化学物质接触，同时材料有内应力.所以应力是银纹的根本起因。

3． 画图:银纹体、银纹质银纹不同于裂纹：裂纹是空的；银纹内部有固体物质,称为银纹质—高度取向的纤维束,所以银纹能承担应力4． 银纹有发生、增长、终止的过程发生：表面缺陷、擦伤处；内部空穴、杂质的边界;应力集中点增长：应力作用下，银纹可发展,纤维束可断裂,变成裂纹终止：遇到高取向带、颗粒、试样表面.5． 银纹的作用：银纹形成时吸收能量，属于塑性形变，防止脆性断裂; 银纹可进一步发展成裂纹、破坏6.　“应力发白”现象：大量银纹的产生四、屈服后的两种情况1 屈服位置越来越弱，直到断裂原因：分子运动能力不足,2. 屈服位置发生“应变硬化”,3. 　真应力－应变曲线及其屈服判据（不讲了）主要说3种情况：有的没有发生屈服,试样截面积均匀减小，直至断裂;有的屈服后不能形成稳定形状的细颈，细颈越来越细，然后断裂破坏；有的屈服后形成稳定的细颈，就是冷拉真应力为 式中：——真应力；Ｆ-—载荷（外力);Ａ—-真实截面积；——习用应力(=载荷/初始截面积A0）因为A0〉A,所以>屈服时，在σ-ε曲线上出现极大值，而在σ’－ε曲线却是单调上升的Coｎｓidｅrｅ作图法根据屈服点的定义，=０，可得ﻩ高聚物的真应力-应变取曲线可归纳为3种类型：（1） 拉伸时,均匀伸长,不能成颈。

曲线下凹）（2） 只有一个屈服点（满足），成颈,但是随后细颈逐渐变细，负荷下降,直到断裂.（3） 有2个点满足，第一个为屈服点，产生细颈，随后细颈发展到整个样品.即又成颈又冷拉§6.3 高聚物的断裂和强度断裂不是突然发生的，必然从某些微观断裂发展而成.1. 宏观断裂方式—脆性断裂和韧性断裂脆性断裂：不屈服就断裂韧性断裂：屈服之后断裂判别标准：应力-应变曲线；断裂能量、断裂表面的形态.脆性断裂:断裂面垂直于主拉伸方向,断裂面光滑，试样无残余形变.韧性断裂：断面不光滑,有拉出物试样有较多塑性形变２.　脆性-韧性转变及其影响因素脆性断裂,认为是由于屈服强度超过断裂强度一定应变速率下，脆性断裂应力-温度关系，屈服应力－温度关系，二曲线的交点对应的温度为脆性温度Tb,Tb为脆性－韧性转变点，低于此温度，发生脆性断裂；高于此温度,发生韧性断裂.2条曲线是怎么测出来的？Ｔb以上可得2条曲线,Tb以下是理论上的推理脆-韧转变的影响因素：（1）温度高低、实验速率高低温度降低、实验速率提高,变脆;温度提高、实验速率降低,变韧2)分子量：分子量提高,变韧３）取向：取向方向上变韧４)增塑剂：加入增塑剂变韧5)材料形状和内部缺陷：有缺口、内部有空洞、裂纹，则变脆。

四、高聚物的拉伸强度实验证明,强度不决定于分子化学结构，而是决定于微观结构形态、实验条件（温度、实验速率、应力状态、试样形状、化学介质等).如果材料结构是均匀、完善、无缺陷的，则强度应该决定于分子化学结构，实际上材料结构中存在大大小小的缺陷、不均匀.1． 理论强度假设结构完善到理想程度.分子量较小时,分子　间作用力之和小于共价键强度,破坏时分子链被拔出,共价键不断裂；分子量超过临界值后,分子间作用力之和大于共价键强度,破坏时链不可能拔出,而是共价键断裂实际使用的高聚物分子量很大，则按照化学键断裂计算：理论强度＝单键强度×单位面积截面中链的数目,大约2.5×1０5公斤/厘米32． 理论强。