高分子物理第八章

1、主要内容主要内容n前言前言n8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服n8.2 聚合物的断裂和强度聚合物的断裂和强度3重点要求：重点要求：会从聚合物应力会从聚合物应力应变曲线获取信息；掌握屈服和断裂现象应变曲线获取信息；掌握屈服和断裂现象及其机理；韧性和强度的影响因素及增韧、增强方法和机理。及其机理；韧性和强度的影响因素及增韧、增强方法和机理。学习目的：学习目的：能从分子结构、凝聚态结构和屈服、断裂特征上对材料的韧能从分子结构、凝聚态结构和屈服、断裂特征上对材料的韧性和强度进行初步判断，学会聚合物的增韧、增强方法，以性和强度进行初步判断，学会聚合物的增韧、增强方法，以满足其使用要求。满足其使

2、用要求。教学内容：教学内容：聚合物的应力聚合物的应力应变曲线应变曲线聚合物的屈服聚合物的屈服聚合物的断裂与强度聚合物的断裂与强度4研究聚合物的极限性质，即在较大外力的持续作用或强研究聚合物的极限性质，即在较大外力的持续作用或强大外力的短时作用后，聚合物发生大形变直至宏观破坏大外力的短时作用后，聚合物发生大形变直至宏观破坏或断裂。或断裂。强度强度: 抵抗上述破坏或断裂的能力抵抗上述破坏或断裂的能力形变小形变小：可用模量来表示形变特性；：可用模量来表示形变特性；极限范围内的大形变极限范围内的大形变：要用：要用应力应变曲线应力应变曲线来反映这一过程来反映这一过程引引 言言扬氏模量扬氏模量屈服应力屈服

3、应力屈服伸长屈服伸长断裂强度（抗拉强度）断裂强度（抗拉强度）断裂伸长断裂伸长北京理工大学几种常用的力学性能指标（1）拉伸强度）拉伸强度：试样的起始横截面积载荷断裂前试样承受的最大00A:mmtPAP Mpa 1 Mpa = 9.8 kg/cm2 10 kg/cm2北京理工大学拉伸模量（即杨氏模量）拉伸模量（即杨氏模量）：拉伸初始阶段的应力与：拉伸初始阶段的应力与应变比例应变比例ddE 北京理工大学（2）弯曲强度）弯曲强度 /称绕曲强度称绕曲强度是在规定实验条件下，对标准样是在规定实验条件下，对标准样品施加静弯曲力矩，直到试样断品施加静弯曲力矩，直到试样断裂为止，取实验过程中的最大载裂为止，取实

4、验过程中的最大载荷，并按下式计算弯曲强度（三荷，并按下式计算弯曲强度（三点弯曲）点弯曲）北京理工大学（3）冲击强度）冲击强度 表征材料韧性，表示抵抗冲击载荷破坏表征材料韧性，表示抵抗冲击载荷破坏的能力。的能力。试样受冲击载荷而折断时单位面积试样受冲击载荷而折断时单位面积所吸收的能量。所吸收的能量。AEi摆锤式冲击实验：简支梁；悬臂梁。单位 ：KJ/m2;J/m北京理工大学衡量材料表面抵抗机械压力的能力。衡量材料表面抵抗机械压力的能力。 与材料的抗张强度和弹性模量有关。与材料的抗张强度和弹性模量有关。 硬度实验方法很多，加荷方式有动载法和静载法两类。硬度实验方法很多，加荷方式有动载法和静载法两类

5、。 有有布氏、洛氏和邵氏布氏、洛氏和邵氏等名称。等名称。实验是以平稳的载荷将直径D一定的硬刚球压入试样表面，保持一定时间使材料充分变形，并测量压入深度h，计算试样表面凹痕的表面积，以单位面积上承受的载荷公斤/毫米2）为材料的布氏硬度布氏硬度（4）硬度）硬度常见塑料的拉伸和弯曲强度常见塑料的拉伸和弯曲强度8.1.1 聚合物的应力聚合物的应力-应变行为应变行为8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服nInstron Tensile Testor 电子拉力机电子拉力机nMaterial testing machine 材料试验机材料试验机塑料塑料/橡胶橡胶纤维纤维塑料塑料/橡胶橡胶拉伸试验用的试

6、样拉伸试验用的试样塑料试样塑料试样橡胶试样橡胶试样000lllll0AF高聚物的力学性能与温度和力的作用高聚物的力学性能与温度和力的作用速率有关，因此在试验和应用中注意：速率有关，因此在试验和应用中注意：必须标明必须标明温度和应变速率温度和应变速率。14AAEY point: 屈服点屈服点A 弹性极限点弹性极限点B point: 断裂点断裂点 Y 屈服应力，屈服应力， Y 屈服应变屈服应变 B 断裂伸长率断裂伸长率 B断裂强度断裂强度Y点以前（点以前（弹性区域弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形）：除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形Y点以后（点以后（塑性区域塑性区域）

7、：除去外力后，材料不再恢复原样，留有永久变形，）：除去外力后，材料不再恢复原样，留有永久变形，称材料称材料“屈服屈服”了了1、非晶态聚合物的应力、非晶态聚合物的应力-应变曲线（应变曲线（Tg以下）以下）颈缩阶段颈缩阶段15断裂能断裂能 Fracture energydStress-strain曲线下面积称作曲线下面积称作断裂能断裂能：材料从开始拉伸至破坏所吸收的能量。材料从开始拉伸至破坏所吸收的能量。反映材料反映材料拉伸断裂韧性拉伸断裂韧性大小大小试样在拉伸过程的变化过程试样在拉伸过程的变化过程弹性形变弹性形变-屈服屈服-应变软化应变软化-冷拉冷拉-应变硬化应变硬化-断裂断裂颈缩阶段：颈缩阶段

8、：“细颈细颈”扩张，应力变化很小，应变大幅度增加扩张，应力变化很小，应变大幅度增加高模量、小变形高模量、小变形键长、键角运动键长、键角运动受迫高弹形变受迫高弹形变链段运动链段运动粘流粘流分子链运动分子链运动玻璃态，不可恢复，需玻璃态，不可恢复，需Tg以上退火处理恢复。以上退火处理恢复。可恢复可恢复北京理工大学受迫高弹形变受迫高弹形变1）定义：）定义：玻璃态高聚物在大外力的作用下发生的大形变；玻璃态高聚物在大外力的作用下发生的大形变；2）条件：）条件：在在Tg以下以下10（或更低）左右（或更低）左右3）机理：）机理：在大外力的帮助下，玻璃态高聚物本来被冻结的在大外力的帮助下，玻璃态高聚物本来被冻

9、结的链段开始运动，即在外力的帮助下，高分子链的伸展提供链段开始运动，即在外力的帮助下，高分子链的伸展提供了大变形，这时由于在了大变形，这时由于在Tg以下，即使外力除去也不能自发回以下，即使外力除去也不能自发回复。复。高弹形变与受（强）迫高弹形变的比较高弹形变与受（强）迫高弹形变的比较相同点：相同点：大形变，同属于链段运动机理；大形变，同属于链段运动机理；不同点：不同点：受迫高弹形变在去除外力后不能恢复，只有温度受迫高弹形变在去除外力后不能恢复，只有温度升高到升高到Tg以上以上 时，才能恢复，需要外力较大。时，才能恢复，需要外力较大。 高弹形变：去除外力即可恢复，需要外力较小。高弹形变：去除外力

10、即可恢复，需要外力较小。1) 屈服点屈服点Y点点 应力达到一个极大值，屈服应力应力达到一个极大值，屈服应力2) 断裂方式（断裂方式（脆性断裂：屈服点之前发生的断裂（脆性断裂：屈服点之前发生的断裂（韧性断裂：在材料屈服之后的断裂（韧性断裂：在材料屈服之后的断裂（3) 应变软化和应变硬化应变软化和应变硬化应变软化：应变软化：在拉伸过程中，应力随应变的增大而下降在拉伸过程中，应力随应变的增大而下降应变硬化应变硬化：在拉伸过程中，应力随应变的增大而上升：在拉伸过程中，应力随应变的增大而上升4) 拉伸应力曲线反映的材料的力学性质拉伸应力曲线反映的材料的力学性质 聚合物的屈服强度聚合物的屈服强度（Y点强度

11、点强度）弹性弹性 聚合物的杨氏模量聚合物的杨氏模量（OA段斜率段斜率）刚性刚性 聚合物的断裂强度聚合物的断裂强度（B点强度点强度）强度强度 聚合物的断裂伸长率聚合物的断裂伸长率（B点伸长率点伸长率）延性延性 聚合物的断裂韧性聚合物的断裂韧性（曲线下面积曲线下面积）韧性韧性 各种情况下的应力各种情况下的应力-应变曲线应变曲线(a) 温度温度a: TTg c: TTg (几十度)d: T接近Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆性断裂 韧性断裂无屈服屈服后断裂Results TT温度升高，材料温度升高，材料软而韧，屈服应软而韧，屈服应力和断裂强

12、度下力和断裂强度下降，断裂伸长率降，断裂伸长率增加增加(b) 拉伸速率拉伸速率1234Strain rate拉伸速率拉伸速率Example: PMMA拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服应力、断裂拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服应力、断裂强度增加，断裂伸长率减小强度增加，断裂伸长率减小a: 脆性材料脆性材料 c: 韧性材料韧性材料d: 橡胶橡胶b: 半脆性材料半脆性材料酚醛或环氧树脂酚醛或环氧树脂PP, PE, PCPS, PMMANature rubber, PIB(c) 不同的化学结构不同的化学结构(d) Crystallization 结晶结晶与非晶态聚合与非晶态聚合物的拉伸机理物的

13、拉伸机理相同吗？相同吗？晶态聚合物晶态聚合物24应变软化更明显应变软化更明显, 冷拉时冷拉时,包括晶区和非晶区两部分形变。包括晶区和非晶区两部分形变。2、 晶态聚合物的应力晶态聚合物的应力-应变曲线应变曲线Tm以下拉伸以下拉伸Tg以下拉伸以下拉伸细颈 necking（冷拉-cold drawing）分子在拉伸方向取向，微晶也进行重排，甚至某些晶体可能破裂成较小单位，然后在取向下再结晶。玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较相似之处：相似之处：两种拉伸过程均经历两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大弹性变形、屈服、发展大形变以及应变硬化形变以及应变硬化等阶段，其中

14、大形变在室温时都不能自发等阶段，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。该现象通常称为大形变都是高弹形变。该现象通常称为“冷拉冷拉”。区别区别：（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间是TbTg，而结晶聚合物则为，而结晶聚合物则为TgTm；（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）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，它只合物简单得多，它只发生分子链的取向，并不发生相变发生分子链

15、的取向，并不发生相变，而，而后者尚包含有后者尚包含有结晶的破坏、取向和再结晶等过程结晶的破坏、取向和再结晶等过程。26各种情况下的应力各种情况下的应力-应变曲线应变曲线(a) 温度、应变速率对应力温度、应变速率对应力应变曲线的影响应变曲线的影响影响与影响与非晶态非晶态聚合物聚合物相似相似温度升高，屈服应力下降，断裂伸长率增加温度升高，屈服应力下降，断裂伸长率增加拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服应力、断裂强拉伸速率增加，聚合物的模量增加，屈服应力、断裂强度增加，断裂伸长率减小度增加，断裂伸长率减小全同立构聚苯乙烯应力全同立构聚苯乙烯应力-应变应变曲线与温度关系曲线与温度关系高密度聚乙烯的应力

16、高密度聚乙烯的应力-应变行为：应变行为：1-高速负荷，高速负荷，2-低速负荷低速负荷27(b) 球晶大小球晶大小 The Size of Spherulites球晶大，一般断裂伸长率和韧性降低球晶大，一般断裂伸长率和韧性降低28(c) 结晶度结晶度The Degree of Crystallization结晶度增加，屈服应力、强度、模量、硬结晶度增加，屈服应力、强度、模量、硬度等提高；断裂伸长率、冲击性能等下降度等提高；断裂伸长率、冲击性能等下降Different types of stress-strain curve“软软”和和“硬硬”用于区分模量的低或高，用于区分模量的低或高，“弱弱”和

17、和“强强”是指强是指强度的大小，度的大小，“脆脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很小，是指无屈服现象而且断裂伸长很小，“韧韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况。是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况。 软而弱软而弱硬而脆硬而脆硬而强硬而强软而韧软而韧硬而韧硬而韧软而韧软而韧30318.1.2 聚合物的屈服聚合物的屈服n高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后高聚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物将在恒应力下“塑性流动塑性流动”，即，即链段沿外力方向开始取链段沿外力方向开始取向向。n高聚物在屈服点的高聚物在屈服点的应变较大应变较大，剪切屈服应变为，剪切屈服应变为1

18、0%-20%。n屈服点以后，大多数高聚物呈现屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化应变软化。n屈服应力对屈服应力对应变速率和温度都敏感应变速率和温度都敏感。n屈服发生时，拉伸样条表面产生屈服发生时，拉伸样条表面产生“银纹银纹”或或“剪切带剪切带”,继而整个样条局部出现继而整个样条局部出现“细颈细颈”。成颈或冷拉，是薄膜或纤维拉伸工艺的基础成颈或冷拉，是薄膜或纤维拉伸工艺的基础应变软化应变软化 Strain softening 弹性变形后继续施加载荷，则产生塑性形变，称为继续屈服弹性变形后继续施加载荷，则产生塑性形变，称为继续屈服，包括：，包括：n 应变软化应变软化：屈服后，应变增加，应力反而有稍

19、许下跌的现：屈服后，应变增加，应力反而有稍许下跌的现象，原因至今尚不清楚。象，原因至今尚不清楚。n 呈现塑性不稳定性，最常见的为呈现塑性不稳定性，最常见的为细颈细颈。n 塑性形变产生热量，试样温度升高，塑性形变产生热量，试样温度升高，变软变软。n 发生发生“取向硬化取向硬化”，应力急剧上升。，应力急剧上升。n 试样试样断裂断裂。331、细颈、细颈 Necking细颈细颈: 韧性聚合物在屈服点时常可看到试样上出现与拉伸方韧性聚合物在屈服点时常可看到试样上出现与拉伸方向成约向成约45角倾斜的剪切滑移变形带（角倾斜的剪切滑移变形带（Shear band)，并且，并且逐渐生成对称的逐渐生成对称的细颈。

20、细颈。样条尺寸：横截面小的地方样条尺寸：横截面小的地方应变软化：应力集中的地方应变软化：应力集中的地方 出现出现“细颈细颈”的位置的位置自由体积增加自由体积增加松弛时间变短松弛时间变短出现出现“细颈细颈”的原因的原因无外力无外力有外力有外力 0ERTeRTaEe0为什么会出现细颈？为什么会出现细颈？细颈稳定细颈稳定取向硬化取向硬化Considre作图法作图法唯象角度唯象角度 判据35工程应力和真应力工程应力和真应力Engineering stress and true stress AFtrue)1 (000AllAA0AFEngineering stressTrue stressForceI

21、nitial cross-section areaForceCross-section area形变时，形变时，V不变不变)1 ( true36Considre 作图法作图法: :在真应力在真应力-应变曲线上确应变曲线上确定与工程应力定与工程应力-应变屈服应变屈服点点Y所对应的所对应的B点点Y点truetruetruedd10ddetruee370 1 2 3DE0 1 2 30 1 2 3由 无法作切线，不能成颈0由 可作两条切线，有两个点满足屈服条件，D点是屈服点，E点开始冷拉由 可作一条切线，曲线上有一个点满足 ，此点为屈服点，在此点高聚物成颈00dd真真应力真应力-应变曲线及屈服判据三

22、种类型应变曲线及屈服判据三种类型细颈变细，载荷不断增细颈变细，载荷不断增加，材料破裂，不能形加，材料破裂，不能形成稳定的细颈成稳定的细颈应变软化0truetruetruedd1382 、剪切带、剪切带 Shear band WHY？39以单轴拉伸应力分析为例说明剪切屈服现象以单轴拉伸应力分析为例说明剪切屈服现象横截面横截面A0, 受到的应力受到的应力 0=F/A0斜截面斜截面A=A0/coscos0AA cosFFnsinFFs受 力200coscos/cosAFn2sin21cossin00AFs法应力法应力切应力切应力40Discussion=0n=0s=0=45n=0/2s=0/2=90

23、n=0s=00 /245o90o00oanas200coscos/ cosnFA001sin cossin22sFA抗张强度什么面最大？抗张强度什么面最大？ =0， n=0抗剪强度什么面最大？抗剪强度什么面最大？ =45， s=0/2抗张强度抗张强度：抵抗拉力的作用：抵抗拉力的作用抗剪强度抗剪强度：抵抗剪力的作用：抵抗剪力的作用两种两种抵抗外力的方式抵抗外力的方式当应力当应力 0增加时，增加时，法向应力和切向应力增大的幅度不同法向应力和切向应力增大的幅度不同在在45o时时, 切向应力最大切向应力最大法向应力法向应力与材料的与材料的抗拉伸能力抗拉伸能力有关，而抗拉伸能力极限值主要有关，而抗拉伸能

24、力极限值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材料在拉伸作用下发生取决于分子主链的强度（键能）。因此材料在拉伸作用下发生破坏时，往往伴随主链的断裂。破坏时，往往伴随主链的断裂。切向应力切向应力与材料的与材料的抗剪切能力抗剪切能力相关，极限值主要取决于分子间内相关，极限值主要取决于分子间内聚力。材料在聚力。材料在 作用下发生屈服时，往往发生分子链的相对滑移作用下发生屈服时，往往发生分子链的相对滑移（下图）。（下图）。垂直应力下的分子链断裂（垂直应力下的分子链断裂（a a）和剪切应力下的分子链滑移（和剪切应力下的分子链滑移（b b）n例题：已知材料的最大抗拉强度为30MPa，最大抗剪切强度为20M

25、Pa，试问此材料是受张力破坏还是剪切作用下破坏？=0， n=0=45， s=0/20=30MPa0=40MPa先拉断0=30MPa0=40MPa43图8-1720200sincoscos/cosAFn2sin212sin2100sss0nn切应力双生互等定律：切应力双生互等定律：在两个相互垂直的斜面上的剪应力的数值相等，在两个相互垂直的斜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。方向相反，它们是不能单独存在的，总是同时出现。切应力双生互等定律切应力双生互等定律 在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力变化十分复杂，在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力变化十分复杂

26、，断裂和屈服都有可能发生，处于相互竞争状态断裂和屈服都有可能发生，处于相互竞争状态。 韧性材料拉伸时，斜截面上的最大切应力首先增加到材料的剪切强度，因此材料屈服时首先出现与拉伸方向成约45角的剪切滑移变形带。进一步拉伸时，剪切带中由于分子链高度取向强度提高，暂时不发生进一步的变形。而其边缘则进一步发生剪切变形。同样，在135的斜截面上也发生剪切变形，因而试样逐渐生成对称的细颈，直至细颈扩展至整个试样。脆性试样在最大切应力达到剪切强度之前，横截面上的法向正应力已达到材料的拉伸强度，因此试样还来不及屈服就断裂了，而且断面与拉伸方向相垂直。45剪切带的特点剪切带的特点剪切带倾角很少恰为剪切带倾角很少

27、恰为45 ,一般大于一般大于45剪切屈服没有明显的体积变化剪切屈服没有明显的体积变化剪切带中的分子链高度取向剪切带中的分子链高度取向,取向方向接近于外力取向方向接近于外力和剪切力合力的方向和剪切力合力的方向剪切带的厚度约为剪切带的厚度约为1m左右，每个剪切带又是由左右，每个剪切带又是由若干个更细小的不规则微纤若干个更细小的不规则微纤(0.1m)所构所构成成463 、银纹、银纹 Crazing定义：定义：聚合物在聚合物在张应力张应力作用下，在作用下，在材料的薄弱环节，应力集中产生局材料的薄弱环节，应力集中产生局部应力部应力塑性形变和取向塑性形变和取向，而在材料，而在材料表面或者内部出现表面或者内

28、部出现垂直于应力方向垂直于应力方向长度约长度约100 m，宽度约为，宽度约为10 m，厚，厚度约度约1 m的微细凹槽或裂纹的现象。的微细凹槽或裂纹的现象。裂纹处的折光指数低于聚合物体的裂纹处的折光指数低于聚合物体的折光指数，在两者的界面上发生全折光指数，在两者的界面上发生全反射现象，看上去呈发亮的银色条反射现象，看上去呈发亮的银色条纹，因此称为纹，因此称为银纹银纹。银纹现象为聚合物所特有，常出现在非晶态聚合物银纹现象为聚合物所特有，常出现在非晶态聚合物PS、PMMA、PC、PSF，在晶态聚合物，在晶态聚合物PP等也有发现等也有发现分类环境银纹溶剂银纹应力银纹PS的银纹的银纹47Microstr

29、ucture of crazing也称为银纹质也称为银纹质高度取向的高分子链组成高度取向的高分子链组成微纤微纤 Microfibril微纤平行与外力方向，银纹长度方微纤平行与外力方向，银纹长度方向与外力垂直。向与外力垂直。48银纹方向和分子链方向银纹方向和分子链方向 聚合物横向收缩不足补偿塑聚合物横向收缩不足补偿塑性伸长，致使银纹体内产生大性伸长，致使银纹体内产生大量空隙。银纹不是空的，银纹量空隙。银纹不是空的，银纹体的密度为本体密度的体的密度为本体密度的50%，折光指数也低于聚合物本体折折光指数也低于聚合物本体折光指数，因此在银纹和本体之光指数，因此在银纹和本体之间的界面上将对光线产生全反间

30、的界面上将对光线产生全反射现象，呈现银光闪闪的纹路射现象，呈现银光闪闪的纹路。F拉伸试样在拉断前产生银纹化现象：a图为聚苯乙烯，b图为有机玻璃注意银纹方向与应力方向垂直注意银纹方向与应力方向垂直50银纹的扩展中间断裂扩展形成裂纹中间断裂扩展形成裂纹裂纹（crack）银纹（craze）图19银纹与裂纹的区别银纹与裂纹的区别不利：不利：银纹会降低脆性高聚物的强度和使用寿命，往往是脆性银纹会降低脆性高聚物的强度和使用寿命，往往是脆性高聚物破坏的先兆。高聚物破坏的先兆。有利：有利：橡胶增韧塑料中橡胶颗粒周围的塑料基体受到冲击时会橡胶增韧塑料中橡胶颗粒周围的塑料基体受到冲击时会生成大量银纹，从而吸收大量

31、塑性形变能，使材料韧性增加。生成大量银纹，从而吸收大量塑性形变能，使材料韧性增加。相同点：相同点：都是高聚物连续体破坏的结果。都是高聚物连续体破坏的结果。不同点：不同点：（1）银纹体密度不为零；裂纹体密度等于零）银纹体密度不为零；裂纹体密度等于零（2）银纹体仍有一定的力学承载能力，裂纹体不能承载。）银纹体仍有一定的力学承载能力，裂纹体不能承载。（3）银纹在压力或）银纹在压力或Tg以上能退火时能回缩或消失；而裂纹不能。以上能退火时能回缩或消失；而裂纹不能。银纹的不利和有利之处银纹的不利和有利之处534、 细颈、细颈、银纹和剪切带的比较银纹和剪切带的比较相同点相同点: 均有分子链取向，吸收能量，呈

32、现屈服现象均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服主要主要区别区别细颈、剪切带细颈、剪切带银纹屈服银纹屈服形形 变变形变大几十形变大几十几百几百%形变小形变小 10%曲线特征曲线特征有明显的屈服点有明显的屈服点无明显的屈服点无明显的屈服点体体 积积体体 积积 不不 变变体体 积积 增增 加加力力剪剪 切切 力力张张 应应 力力结结 果果冷冷 拉拉裂裂 缝缝54如何区分断裂如何区分断裂形式？形式？关键看屈服关键看屈服屈服前断屈服前断脆性断裂脆性断裂屈服后断屈服后断韧性断裂韧性断裂8.2 聚合物的断裂与强度聚合物的断裂与

33、强度558.2.1 脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂TT脆性脆性断裂断裂： 的关系是线性（或微曲）的关系是线性（或微曲）； 断裂应变低于，断裂能不大断裂应变低于，断裂能不大； 断裂面光滑断裂面光滑。韧性韧性断裂断裂： 关系非线性关系非线性； 断裂前形变大得多，断裂能很大断裂前形变大得多，断裂能很大； 断裂面粗糙断裂面粗糙。断裂面形状和断裂能是区别脆性和韧性断裂最主断裂面形状和断裂能是区别脆性和韧性断裂最主要的指标。要的指标。脆性断裂和韧性断裂表面脆性断裂和韧性断裂表面 左图脆性试样断裂表面的照片；右图韧性试样断裂表面的照片左图脆性试样断裂表面的照片；右图韧性试样断裂表面的照片左图脆性试样断

34、裂表面的电镜照片；右图韧性试样断裂表面的电镜照片左图脆性试样断裂表面的电镜照片；右图韧性试样断裂表面的电镜照片拉丝现象拉丝现象58试样发生脆性或者韧性断裂与材料组成有关试样发生脆性或者韧性断裂与材料组成有关，除此之外，同一材料是发生脆性或韧性断，除此之外，同一材料是发生脆性或韧性断裂还与温度裂还与温度T 和拉伸速度和拉伸速度 有关。有关。温度：温度：低温的脆性断裂在高温可以变成韧性低温的脆性断裂在高温可以变成韧性应变速率应变速率: 速度增加速度增加,韧性可以变成脆性断裂韧性可以变成脆性断裂脆性断裂和韧性断裂互相转变脆性断裂和韧性断裂互相转变缺口缺口: 尖锐的缺口可使断裂从韧性变成脆性尖锐的缺口

35、可使断裂从韧性变成脆性59Comparing of brittle and ductile fractures（分析判断）（分析判断）脆性断裂脆性断裂 韧性断裂韧性断裂屈服-线b断裂能断裂表面断裂原因60相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为 断裂伸长率较例题：61脆韧转变温度脆韧转变温度 TbTb is also called brittle temperature.脆化温度，脆化点在一定速率下（不同温度）测定的断裂应力和屈服应力，作断裂应力和屈服应力随温度的变化曲线62断裂应力断裂应力和和屈服应力屈服应力谁对应变速率更敏感？谁对应变速率更敏感？在一定温度下（不同速率）测定的断裂应力和屈服应力

36、，作断裂应力和屈服应力随应变速率的变化曲线63脆性断裂和韧性断裂判断脆性断裂和韧性断裂判断TTb, 先达到y，韧性断裂64Application对材料对材料一般使用温度一般使用温度为哪一段？为哪一段？T TbTb越低材料韧性越65TbTgTfTdThree statesTgTf66Example PC聚碳酸酯聚碳酸酯Tg=150CTb=-20C室温下易不易碎？67Example PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100CTb=90C室温下脆还是韧？68强度是指物质抵抗强度是指物质抵抗破坏的能力破坏的能力聚合物的强度聚合物的强度69拉伸强度拉伸强度 屈服强度断裂强度bdPtb-试样厚

37、度，d-试样宽度P-最大载荷统一使用拉伸强度tN/m270硬度硬度衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标硬度的大小与材料的拉伸强度和弹性模量有关硬度的大小与材料的拉伸强度和弹性模量有关测量和计算方法不同测量和计算方法不同,硬度可分为布氏、洛氏、邵氏硬度硬度可分为布氏、洛氏、邵氏硬度71理论值材料的破坏方式材料的破坏方式72在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度在在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度在几千几千MPa，而实际只有几十，而实际只有几十MPa 。WHY？e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryerim

38、ent)100011001(exp聚合物实际强度与理论强度聚合物实际强度与理论强度实际的聚合物达不到那种完全规整实际的聚合物达不到那种完全规整的水平，的水平，存在应力集中（杂质，小裂纹，空隙，缺口）存在应力集中（杂质，小裂纹，空隙，缺口）73为什么材料的实际强度远远低于理论强度？存在缺陷为什么在缺陷处断裂？缺陷处应力集中缺陷处应力多大？Griffith theoryGriffith crack theory 断裂理论断裂理论74主要方式化学键断裂化学键断裂所需力最大所需力最大分子间扯离分子间扯离所需力最小所需力最小通过断裂形式分析：通过断裂形式分析：分子之间相互作用大小对强度影响最大分子之间相

39、互作用大小对强度影响最大 影响拉伸强度的因素影响拉伸强度的因素 1、结构因素 2、外在条件75极性基团或氢键极性基团或氢键主链上含芳杂环结构主链上含芳杂环结构适度的交联适度的交联结晶度大结晶度大取向取向拉伸强度拉伸强度 t加入增塑剂加入增塑剂缺陷存在缺陷存在分子结构分子结构1，分子结构，分子结构内因内因（1 1）一次结构：）一次结构： 链节含有强极性基团或氢键链节含有强极性基团或氢键的基团使得分子间作用力增大，的基团使得分子间作用力增大，强度提高强度提高随着极性基团或氢键随着极性基团或氢键 ，强度，强度 ，但密度大，阻碍链段的运，但密度大，阻碍链段的运动，不能产生强迫高弹形变动，不能产生强迫高

40、弹形变脆性断裂脆性断裂交联：交联：适当交联，总是提高聚合物的强度，但如果交联度太适当交联，总是提高聚合物的强度，但如果交联度太大，会使其脆性太大而失去应用价值。大，会使其脆性太大而失去应用价值。空间立构：空间立构：结构规整和等规度高的聚合物因结晶而强度提高。结构规整和等规度高的聚合物因结晶而强度提高。无规立构含量对无规立构含量对PPPP性能影响性能影响支化：支化：支化破坏了链的规整性结晶度降低，还增加了分支化破坏了链的规整性结晶度降低，还增加了分子间的距离分子间力减小，都使强度降低。但是韧性有所子间的距离分子间力减小，都使强度降低。但是韧性有所提高提高。支支(2) (2) 二次结构二次结构：

41、链的刚性链的刚性 高分子链刚性高分子链刚性增加，聚合物强度增加，韧性下降，像主链增加，聚合物强度增加，韧性下降，像主链含有芳杂环结构的聚合物其强度和模量比脂肪族主链高。主链含有芳杂环结构的聚合物其强度和模量比脂肪族主链高。主链上含有大的侧基，刚性大。上含有大的侧基，刚性大。eg. PE 24.5N/m2，PS 35.260N/m2， PET 80N/m2：强度分子量nBAM， 断裂强度。当分子量很小时，强度随着分子量增加当分子量很小时，强度随着分子量增加而增加，而增加，当分子量大到一定值，强度与分子量无当分子量大到一定值，强度与分子量无关。关。 一般认为分子量分布宽时，强度明显下降，这是因为低

42、分子一般认为分子量分布宽时，强度明显下降，这是因为低分子量的物质相当于增塑剂的缘故。分子量分布窄时刚好相反。量的物质相当于增塑剂的缘故。分子量分布窄时刚好相反。理论解释：理论解释： 强度是由强度是由分子间作用力和化学键分子间作用力和化学键决定，分子间作用力具有决定，分子间作用力具有加和性，随着分子量的增加和性，随着分子量的增对应力应变曲线的影响对应力应变曲线的影响而增加，当而增加，当分子量小时分子间作用力小于化学键，破坏发生在分子间，分子量小时分子间作用力小于化学键，破坏发生在分子间，当分子量大到比化学键大时，破坏发生在化学键上，强度与当分子量大到比化学键大时，破坏发生在化学键上，强度与分子量

43、无关分子量无关(3)(3)三次结构：三次结构： 结晶度结晶度增加，强度增加韧性下降以增加，强度增加韧性下降以PE为例。为例。聚乙烯强度与结晶度的关系聚乙烯强度与结晶度的关系 晶体尺寸晶体尺寸：小球晶：小球晶： y 、E、断裂伸长率、断裂伸长率、 b高高大球晶：下降大球晶：下降 结晶形态结晶形态：同一类聚合物，伸直链强度最大，串晶次之，：同一类聚合物，伸直链强度最大，串晶次之，球晶最小。球晶最小。 取向取向：可使材料强度提高几倍几十倍，对纤维和薄膜，：可使材料强度提高几倍几十倍，对纤维和薄膜，取向是提高性能必不可少的措施。取向是提高性能必不可少的措施。原因：取向后分子沿外力的方向有序排列，断裂时

44、主价键原因：取向后分子沿外力的方向有序排列，断裂时主价键比例增大，而使聚合物强度提高。比例增大，而使聚合物强度提高。注意：注意：当外力与取向方向平行，强度高，垂直，强度低。当外力与取向方向平行，强度高，垂直，强度低。 应力集中应力集中: :高聚物由于下列原因产生应力集中，尽管试样受高聚物由于下列原因产生应力集中，尽管试样受力没有达到破坏的程度，但是局部应力集中可以超过聚合物的力没有达到破坏的程度，但是局部应力集中可以超过聚合物的强度。使强度降低。强度。使强度降低。几何尺寸的不连续几何尺寸的不连续：空口，空隙，银纹，沟槽等：空口，空隙，银纹，沟槽等材料的不连续材料的不连续：杂质：杂质负荷的不连续

45、负荷的不连续：挂一个重物，载体上各处受力的程度不同，：挂一个重物，载体上各处受力的程度不同，挂的地方首先破坏。挂的地方首先破坏。为了提高强度，必须消除应力集中，如人们将纤维作的很细，为了提高强度，必须消除应力集中，如人们将纤维作的很细，以消除缺陷，裂纹。以消除缺陷，裂纹。裂纹形状的影响裂纹形状的影响：裂缝越尖，应力集中越严重，强度越低一：裂缝越尖，应力集中越严重，强度越低一般认为：裂缝般认为：裂缝椭圆椭圆圆圆加工方式的影响加工方式的影响：将结晶聚合物淬冷或者加入成核剂，得到：将结晶聚合物淬冷或者加入成核剂，得到小而多的晶体，抗张强度提高，冲击强度提高。如小而多的晶体，抗张强度提高，冲击强度提高

46、。如PP脆，但脆，但是加入成核剂，韧性增大，还有用热处理可以提高强度。是加入成核剂，韧性增大，还有用热处理可以提高强度。 增塑剂的影响：增塑剂的影响： 抗张强度降低抗张强度降低原因：原因：能够同聚合物相容的小分子，是使分子链之间的相互作用能够同聚合物相容的小分子，是使分子链之间的相互作用减弱，分子链活动性增加。从而使材料的拉伸强度下降。减弱，分子链活动性增加。从而使材料的拉伸强度下降。(7)(7)共聚和共混的影响：共聚和共混的影响： 如如PS很脆，但是与丙烯腈共聚所得聚合物的抗张强度冲很脆，但是与丙烯腈共聚所得聚合物的抗张强度冲击强度都提高。若进一步与丁二烯聚合，得到抗冲击强度很高击强度都提高

47、。若进一步与丁二烯聚合，得到抗冲击强度很高的的ABS 树脂。树脂。 提高提高( (降低降低) )拉伸速率拉伸速率 拉伸温度影响拉伸温度影响: T 拉伸速度影响拉伸速度影响: 速度,屈服强度 降低降低( (升高升高) )拉伸温度拉伸温度外因外因高分子链运动的特点，有明显的时间、温度依赖性松高分子链运动的特点，有明显的时间、温度依赖性松弛特性，所以外力作用速度和温度对强度有明显的影响。弛特性，所以外力作用速度和温度对强度有明显的影响。Conclution：随温度的降低或拉伸速率的提高， b、y、E增大， 断裂伸长率减少，聚合物的破坏方式由韧性趋向脆性破坏85增强途径增强途径8.2.4 聚合物的增强

48、聚合物的增强 ReinforcementC ，SiO2PolyesterGlass, Carbon fiber(1) 活性粒子（ Powder）(2) 纤维 Fiber(3) 液晶 Liquid Crystal粉状和纤维填料粉状和纤维填料液晶原位增强复合液晶原位增强复合聚合物基纳米复合材料聚合物基纳米复合材料由于单一聚合物许多性能不能满足需要。常常需要加入一些物质，形成复合材料复合材料(compositematerial)。通过复合来显著提高材料的力学强度的作用称为增强作用。能够提高聚合物基体力学强度的物质称为增强剂增强剂。86（1）活性粒子增强）活性粒子增强Carbon black rein

49、forcement橡胶+碳黑惰性填料怎么办？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉增强机理：增强机理：活性粒子吸附大分子活性粒子吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子，形成链间物理交联，活性粒子起起物理交联点物理交联点的作用。的作用。87（2）纤维增强）纤维增强Glass steel boatglassy fiber+polyester例：尼龙+玻纤/碳纤维/晶须/硼纤维增强效果与纤维的长度、纤维与聚合物之间的界面粘接力有关增强效果与纤维的长度、纤维与聚合物之间的界面粘接力有关增强机理：增强机理：纤维作为纤维作为骨架骨架帮助基体承担载荷帮助基体承担载荷Carbon fiber89（3）液晶原位增

50、强液晶原位增强热致液晶+热塑性聚合物共聚酯，聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum增强机理：增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微纤微纤结构而到增强作用。由于微纤结构是加工过程中由液晶棒状结构而到增强作用。由于微纤结构是加工过程中由液晶棒状分子在共混无物基体中就地形成的，故称做分子在共混无物基体中就地形成的，故称做“原位原位”复合增复合增强。强。随着增强剂含量的增加，聚合物的弹性模量和拉伸强度增加，而断裂随着增强剂含量的增加，聚合物的弹性模量和拉伸强度增加，而断裂伸张率下降。由韧性向脆性转变。伸张率下降。由韧性向脆性转变。90(4)

51、聚合物基复合材料聚合物基复合材料插层复合法 (intercalation compouding)聚合物聚合物/粘土纳粘土纳米复合材料米复合材料共混法 聚合物聚合物/纳米粒子纳米粒子(CaCO3, SiO2 etc)Sol-gel 法原位聚合 (in situ polymerization)纳米材料特殊效应：纳米材料特殊效应：纳米尺度效应、表面界面效应、量子尺寸纳米尺度效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使纳米材料具有特殊的力学、光学、效应和宏观量子隧道效应，使纳米材料具有特殊的力学、光学、磁学、超导、催化、化学反应等性能。磁学、超导、催化、化学反应等性能。制备方法制备方法91d

52、Stress-strain曲线下面积称作曲线下面积称作断裂能断裂能：材料从开始拉伸至破坏所吸收的能量。材料从开始拉伸至破坏所吸收的能量。反映材料反映材料拉伸断裂韧性拉伸断裂韧性大小大小8.2.5 聚合物的耐冲击性聚合物的耐冲击性断裂能断裂能 Fracture energy92是衡量材料韧性的一种指标dbWi冲断试样所消耗的功冲断试样的厚度和宽度1、冲击强度、冲击强度 Impact strength定义：试样在冲击载荷W的作用下折断或折裂时单位截面积所吸收的能量，单位kJ/m2）增韧剂：增韧剂： elasticizer, plasticizer, softener93Pendulum machi

53、ne 摆锤冲击机摆锤冲击机Charpy 简支梁简支梁Izod 悬臂梁悬臂梁强度强度延展性延展性分子间作用力分子间作用力分子链柔顺性分子链柔顺性内因内因 链结构链结构 凝聚态结构凝聚态结构 分子间作用力分子间作用力2、 影响冲击强度的因素影响冲击强度的因素外因外因温度温度应变速率应变速率1）Chain Structure 链结构链结构增加高分子的极性或产生氢键，虽然可提增加高分子的极性或产生氢键，虽然可提高拉伸强度，但如果极性基团过密，阻碍高拉伸强度，但如果极性基团过密，阻碍链段运动，以致不能实现强迫高弹性变，链段运动，以致不能实现强迫高弹性变，则冲击强度下降，材料变为脆性。则冲击强度下降，材料

54、变为脆性。内因内因2）Crystallization 结晶结晶4）Defects 缺陷缺陷材料受力时在裂缝、孔隙、缺口、杂质等缺陷附近的局部材料受力时在裂缝、孔隙、缺口、杂质等缺陷附近的局部范围造成应力集中，从而严重降低材料的拉伸和冲击强度范围造成应力集中，从而严重降低材料的拉伸和冲击强度3）Orientation取向取向垂直于取向方向的冲击强度提高垂直于取向方向的冲击强度提高 加入加入增塑剂增塑剂后后冲击强度冲击强度但拉伸强度但拉伸强度5）增塑剂增塑剂98极性基团或氢键极性基团或氢键有支链结构有支链结构适度交联适度交联结晶度大结晶度大双轴取向双轴取向加入增塑剂加入增塑剂冲击强度冲击强度高分子的