聚合物的应力-应变曲线

第八章聚合物的屈服和断裂,桂林工学院材料与化学工程系高分子教研室彭锦雯主讲,内容提要,教学内容：聚合物的塑性与屈服，聚合物的应力-应变曲线，细颈，银纹，屈服判据；聚合物的断裂与强度，断裂理论，影响聚合物强度的因素与增强，聚合物的增韧。基本要求：识别非晶态聚合物、晶态聚合物和取向聚合物的应力-应变曲线，掌握细颈和银纹的现象与理论解释，掌握屈服判据，区分脆性断裂与韧性断裂，明确聚合物的强度概念，了解断裂理论，掌握影响聚合物强度的因素及增强的手段，认识聚合物增韧的途径与机理及影响因素。重点难点：应力-应变曲线，细颈和银纹现象的理解，屈服判据，聚合物的增强与增韧。,本章内容,8.1聚合物的塑性和屈服8.1.1应力应变曲线8.1.2聚合物的屈服8.2高聚物的断裂和强度8.2.1脆性断裂与韧性断裂8.2.2聚合物的强度8.2.3断裂理论8.2.4影响聚合物强度和韧性的因素-增强与增韧8.2.5疲劳,表征材料力学性能的基本物理量,不同材料的泊松比,几种常用的力学强度,拉伸强度t=P/bd（最大负荷/截面积)MPa1MPa=9.8kg/cm210kg/cm2弯曲强度f=1.5(Pl/bd)MPa冲击强度i=W/bdKgcm/cm2注意!不同方法测量结果会有不同,常见塑料的拉伸和弯曲强度,聚合物力学性质的特点,是已知材料中变性范围最宽的力学性质。即力学性质的多样性。例如液体有软弹性、硬弹性、刚性、脆性、韧性等。可以从纯粘性经粘弹性到纯弹性，为应用提供了广阔的选择余地。例子：1.PS制品很脆，一敲就碎（脆性）2.尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性）3.轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几倍，力解除后基本恢复原状（弹性）4.胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性）力学性对温度和时间有强烈的信赖性。造成以上特点的原因：归结为聚合物的长链分子结构。,高弹性高聚物特有显示高弹性的温度范围(TgTf)分子量温度范围(TgTf)增宽(TgTf)的范围决定了橡胶的使用温度范围,粘弹性力学行为对温度和时间有强烈的依赖关系为高聚物独特的力学行为（应力）（应变）在研究高聚物力学行为T（温度）时必须同时考虑t（时间）,比强度特高比强度单位重量材料能承受的最大负荷,几种金属材料和塑料(增强)的比强度,8.1聚合物的塑性和屈服,8.1.1应力应变曲线,玻璃态高聚物的塑性与屈服：小形变的情况大形变的情况,研究玻璃态高聚物大形变常用应力-应变实验，判断高聚物材料的强弱，硬软，韧脆。,1.典型的应力-应变曲线-以屈服点A为界分成两部分：,A点以前是弹性区域，可恢复原样。A点以后呈塑性行为，不可恢复原样，发生永久变形，材料屈服。其中：A点为屈服点，对应的应力和应变为屈服应力和屈服应变AB段叫应变软化BC段颈缩阶段CD段取向硬化D点发生断裂，对应的应力为抗拉强度,应力应变曲线,断裂点Bpoint:Breakingpoint,A弹性极限应变A弹性极限应力B断裂伸长率B断裂强度Y屈服应力,屈服点Ypoint:Yieldingpoint,弹性极限点Apoint:Pointofelasticlimit,应力：=F/A0应变：=l/l0材料的杨氏模量E为应力-应变曲线起始部分的斜率E=tg=/,应力应变曲线形变过程分析,弹性形变屈服应变软化冷拉应变硬化断裂,2、外界条件对应力-应变曲线的影响,（1）不同温度随温度的增加应力-应变曲线的类型从硬而脆的变为软而韧的。,a:TTg脆断b:TTg屈服后断c:TTb,4.材料的断裂方式,聚合物材料的破坏是高分子主链的化学键断裂、高分子分子间滑脱及分子链间相互作用力的破坏。,通常高分子在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物的理论断裂强度在数千MPa，而实际断裂强度只有数十MPa.例：PA，60MPa；PPO，70MPa理论值与实验结果相差如此之大的原因：高分子链长度有限样条存在缺陷应力集中,含有球形无机粒子的聚合物粘结剂的电镜图片,疲劳断裂的表面电镜图片,聚合物木层板断裂表面的电镜图片,例1：PC聚碳酸酯,Tg=150Tb=-20室温下PC是否易碎？,例2：PMMA聚甲基丙烯酸甲酯,Tg=100Tb=90室温下PMMA脆性的还是韧性的？,极限强度衡量材料抵抗外力破坏的能力的量度，表征了材料的受力极限。,8.2.2聚合物的强度,拉伸强度：,（1）拉伸强度与压缩强度,断裂伸长率：,扬氏模量：,（2）弯曲强度,弯曲强度：,弯曲模量：,（3）冲击强度,冲击强度：,式中W是冲断试样所消耗的功。,8.2.3断裂理论,自学,8.2.4影响聚合物强度和韧性的因素-增强与增韧,聚合物的增强-拉伸强度和拉伸模量的增加聚合物的增韧-冲击强度的增加-冲击强度是衡量材料韧性的指标,冲断试样所消耗的功,冲断试样的厚度和宽度,从分子角度来看，聚合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范德华力和H键力，据此可计算出聚合物的理论强度。,1.高分子结构的影响,A、高分子的强度来源于主链的化学键力和分子之间的作用力，极性则强度；H键则也强度例：LPPEPVCPA610PA66拉伸强度（kg/cm2）150500600830注解无极性有极性基团有H键H键密度大说明：极性基团过密或取代基过大，阻碍链段的运动，Tb高，显脆性，尽管拉伸强度大了，但易发生脆性断裂。,B、主链含芳杂环的聚合物强度大于脂肪族主链的聚合物例：PCPPO聚芳砜PEPS拉伸强度（kg/cm2）670850720-850220-390350-633注解含芳杂环不含侧基含芳环聚芳砜的结构：,C、分子链支化程度分子间距分子间作用力，会导致抗拉伸强度抗冲击强度例：HPPE（LDPE，支化）LPPE（PDPE，线型）拉伸强度16027-1080,D、程度关联可有效的增加分子链间的联系，拉伸强度和冲击强度均可提高例：交联PE比PE:拉伸强度大一倍冲击强度大34倍,E、分子量的影响分子量小时随M拉伸强度和冲击强度均，达到一定分子量（104）以后，拉伸强度不再随M而，但冲击强度仍能随M而。例：超高分子量PE（M=46106）比普通PE冲击强度大三倍，用于制造人造关节。,2、聚集态结构的影响（结晶和取向）,A、结晶度，拉伸强度、抗弯强度、弹性模量例PP结晶度拉伸强度抗弯强度98%34556596.5%32545093.6%290410结晶度太高，冲击强度，材料变脆,B、球晶尺寸过大，会使拉伸强度，冲击强度显著例：PP球晶尺寸(m)拉伸强度断裂伸长(%)103005001002252520012525微晶PP的冲击强度球晶PP,C、取向可以使强度成倍提高原因：（1）取向后高分子链顺着外力的方向平行排列，使断裂时，破坏主价键的比例大大提高，而共价键的强度比范德华力的强度高。（2）取向可以阻碍裂纹向纵深发展。,0.200.40.81.0,强度,取向因子f,3.应力集中物的影响,应力集中现象：材料的缺陷在受力时，使材料内部的应力平均分布的状态发生变使缺陷附近局部范围内的应力急剧增加，远远大于平均值。缺陷就是应力集中物：它包括裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质。应力集中物的存在大大降低了材料的强度，也是造成聚合物实际强度远小于理论强度的原因。,4、增塑剂的影响,增塑剂的加入对聚合物起稀释作用，减小了高分子链间的作用力，因而使拉伸强度，且有下降值与增塑剂加入量成正比。增塑剂使链段运动能力增强，所以冲击强度,5、填料的影响,按作用分：惰性填料：只起稀释作用，加入后使强度活性填料：可使强度显著按填料形状分：粉状填料纤维状填料液晶填料,6、共聚与共混的影响,共聚和共混可以综合两种以上均聚物的性能，一般用橡胶增韧塑料共聚和共混方法不同：如ABS树脂共聚：接枝共聚得到高抗冲ABS树脂共混：丁腈橡胶与AS树脂（机械或乳液）共混共聚和共混两者结构相同：都具有两相结构，橡胶以微粒状分散于连续的塑料相中，塑料连续相使模量和硬度得以保持，承载应力；分散的橡胶微粒作为应力集中物吸收大量的冲击能，使韧性提高。,7.外力作用速率和温度的影响,A、外力作用速率拉伸速率，屈服强度和断裂强度均，这是由于链段运动跟不上外力作用，使材料屈服需更大外力的结果。,B、温度温度，屈服强度和断裂强度均，这是由于链段运动被冻结，使材料屈服需更大外力的结果。,C、拉伸速率增加对强度影响的效果大致相同于温度降低的效果-时温等效原理的表现形式之一。,考虑分子结构因素-增强小结,极性基团或氢键,主链上含芳杂环结构,适度的交联,结晶度大,取向好,高,低,拉伸强度t,高,低,加入增塑剂,高,低,高,低,高,低,高,低,考虑外界因素-拉伸强度小结,温度高,应变速率大,高,低,高,低,拉伸强度t,冲击强度（韧性）的判断,abcd,cdba,dcba,曲线下的面积代表所吸收能量,因素,强度延展性,请判断:韧性好坏顺序,增韧小结,强度延展性,分子间作用力分子链柔顺性,极性基团或氢键,有支链结构,适度交联,结晶度大,双轴取向,好,差,好,差,加入增塑剂,好,差,好,差,好,差,好,差,韧性,考虑外界因素-冲击强度小结,温度高,应变速率大,好,差,好,差,冲击强度i即韧性,8.2.5疲劳,定义：是材料在周期应力作用下断裂或失效的现象。材料在递增的应力作用下将发生屈服或断裂，在低于屈服应力或断裂应力的周期应力作用下会产生疲劳。疲劳的测定：疲劳曲线（S-N曲线）S：受载应力的极大值N：达到材料破坏的应力循环次数，也叫疲劳寿命,关于S-N疲劳曲线,max随N