高分子物理第八章

1、2v在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料将发生在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料将发生大形变直至宏观破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能力称大形变直至宏观破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能力称为为强度强度。v材料断裂的方式与其形变性质有着密切的联系。材料断裂的方式与其形变性质有着密切的联系。脆性断裂是缺陷快速扩展的结果脆性断裂是缺陷快速扩展的结果韧性断裂是屈服后的断裂韧性断裂是屈服后的断裂高分子材料的屈服实际上是材料在外力作用下产生的塑性形高分子材料的屈服实际上是材料在外力作用下产生的塑性形变。变。38.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v应力应力-应变曲线应

2、变曲线48.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服vY点以前是弹性区域，试样被均匀点以前是弹性区域，试样被均匀拉伸，除去应力，试样的应变可恢拉伸，除去应力，试样的应变可恢复。复。vY点以后，试样呈现塑性行为，除点以后，试样呈现塑性行为，除去应力，应变不能恢复，留下永久去应力，应变不能恢复，留下永久形变。只有在形变。只有在Tg以上进行退火处理，以上进行退火处理，方能回复。方能回复。屈服点屈服点到达屈服点时，试样截面突到达屈服点时，试样截面突然变得不均匀，出现然变得不均匀，出现“细细颈颈”。断裂点断裂点Y屈服应力（或称屈服强度）屈服应力（或称屈服强度）Y屈服应变（或称屈服伸长率）屈服应变（或称屈

3、服伸长率）58.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服vY点之后，开始时应变增加、应力点之后，开始时应变增加、应力反而有所降低，称作反而有所降低，称作“应变软化应变软化”；v随后，随后，“颈缩阶段颈缩阶段”，“细颈细颈”沿沿样品扩展；样品扩展；v最后，应力急剧增加，试样才能产最后，应力急剧增加，试样才能产生一定的应变，称作生一定的应变，称作“取向硬化取向硬化”。在这阶段，成颈后的试样又被均匀在这阶段，成颈后的试样又被均匀地拉伸，直至地拉伸，直至B点，材料发生断裂点，材料发生断裂vB断裂强度断裂强度 B断裂伸长率。断裂伸长率。8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服曲线下面积称作断裂能：材

4、料从开始拉伸至破坏所曲线下面积称作断裂能：材料从开始拉伸至破坏所吸收的能量。吸收的能量。可反映材料的拉伸断裂韧性大小，但可反映材料的拉伸断裂韧性大小，但不能反映材料的冲击韧性大小。不能反映材料的冲击韧性大小。断裂能断裂能678.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v从应力应力应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息 聚合物的屈服强度（聚合物的屈服强度（Y点强度）点强度） 聚合物的杨氏模量（聚合物的杨氏模量（OA段斜率）段斜率） 聚合物的聚合物的 断裂强度（断裂强度（B点强度）点强度） 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） 聚合物的断

5、裂韧性（曲线下面积）聚合物的断裂韧性（曲线下面积）88.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v影响应力影响应力-应变行为的外界条件应变行为的外界条件v温度温度温度升高，材料逐步变得软而韧，温度升高，材料逐步变得软而韧，断裂强度下降，断裂伸长率增加；断裂强度下降，断裂伸长率增加；温度下降时，材料逐步转向硬而温度下降时，材料逐步转向硬而脆，断裂强度增加，断裂伸长率脆，断裂强度增加，断裂伸长率减小。减小。98.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服a: TTg c: TTg (几十度几十度)d: T接近接近Tgb: TTg温度温度0507070050PVC脆断脆断 韧断韧断无屈服无屈服屈服后断

6、屈服后断结果结果TT108.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服应变速率应变速率v拉伸速度拉伸速度，聚合物的模量，聚合物的模量，屈服，屈服应力、断裂强度应力、断裂强度，断裂伸长率，断裂伸长率。v屈服应力对应变速率具有更大的依屈服应力对应变速率具有更大的依赖性。在拉伸试验中，增加应变速赖性。在拉伸试验中，增加应变速率与降低温度的效应相似。率与降低温度的效应相似。速度速度速度速度118.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服流体静压力流体静压力v随着压力随着压力，聚合物的模量显著，聚合物的模量显著，阻止，阻止“颈缩颈缩”发生。发生。这可能是由于压力减少了链段的活动性，松弛转变移向这可能是由于

7、压力减少了链段的活动性，松弛转变移向较高的温度。较高的温度。v在给定的温度下增加压力与给定压力下降低温度具有一在给定的温度下增加压力与给定压力下降低温度具有一定的相似效应。定的相似效应。128.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服晶态聚合物的应力晶态聚合物的应力-应变曲线应变曲线v晶态聚合物在比晶态聚合物在比Tg低得多的温低得多的温度到接近度到接近Tm的温度范围内均可的温度范围内均可成颈。拉力除去后，只要加热成颈。拉力除去后，只要加热到接近到接近Tm的温度，也能部分回的温度，也能部分回复到未拉伸的状态。复到未拉伸的状态。冷拉冷拉138.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v晶态聚合物的

8、拉伸成颈原因：球晶中片晶变形的结果。晶态聚合物的拉伸成颈原因：球晶中片晶变形的结果。v球晶中片晶的变形大体包括：球晶中片晶的变形大体包括：相转变和双晶化；相转变和双晶化；分子链的倾斜，片晶沿着分子轴方向滑移和转动；分子链的倾斜，片晶沿着分子轴方向滑移和转动；片晶的破裂，更大的倾斜、滑移和转动，一些分子链从结晶体片晶的破裂，更大的倾斜、滑移和转动，一些分子链从结晶体中拉出；中拉出；破裂的分子链和被拉直的链段一道组成微丝结构。破裂的分子链和被拉直的链段一道组成微丝结构。v沿着分子轴方向并伴有结晶偏转的片晶滑移使片晶变薄和变长。沿着分子轴方向并伴有结晶偏转的片晶滑移使片晶变薄和变长。片晶由于沿分子轴

9、的滑移而伸长变薄片晶由于沿分子轴的滑移而伸长变薄14晶态聚合物的应力晶态聚合物的应力-应变曲线应变曲线15晶态聚合物的应力晶态聚合物的应力-应变曲线应变曲线168.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服取向聚合物的应力取向聚合物的应力-应变曲线应变曲线v在取向方向上的强度随取向程度的增加而增大，此时，分子量和在取向方向上的强度随取向程度的增加而增大，此时，分子量和结晶度的影响较小，性能主要由取向状况所决定。高度取向时，结晶度的影响较小，性能主要由取向状况所决定。高度取向时，垂直于取向方向上材料的强度很小，容易开裂。垂直于取向方向上材料的强度很小，容易开裂。v取向方向上，材料的模量增大。平行方

10、向上模量比未取向时增大取向方向上，材料的模量增大。平行方向上模量比未取向时增大很多，在垂直方向上模量与未取向时差别不大。很多，在垂直方向上模量与未取向时差别不大。v双轴取向时，在该双轴构成的平面内，性能不像单轴取向那样有双轴取向时，在该双轴构成的平面内，性能不像单轴取向那样有薄弱的方向。利用双轴取向，可改进材料的性能。薄弱的方向。利用双轴取向，可改进材料的性能。17v聚合物应力应变聚合物应力应变-曲线的类型曲线的类型188.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v硬而脆硬而脆：模量高，拉伸强度相当大，没有屈服点，断裂伸长率一：模量高，拉伸强度相当大，没有屈服点，断裂伸长率一般低于般低于2%。

11、PS，PMMA，酚醛树脂，酚醛树脂v硬而强硬而强：高的杨氏模量，高的拉伸强度，断裂伸长率约为：高的杨氏模量，高的拉伸强度，断裂伸长率约为5%。硬质硬质PVCv强而韧强而韧：强度高，断裂伸长率较大。拉伸过程中产生细颈。：强度高，断裂伸长率较大。拉伸过程中产生细颈。尼龙尼龙66，PC，POMv软而韧软而韧：模量低，屈服点低或者没有明显的屈服点，曲线有较大：模量低，屈服点低或者没有明显的屈服点，曲线有较大弯曲部分，伸长率很大（弯曲部分，伸长率很大（201000%），断裂强度高。），断裂强度高。橡胶和增塑橡胶和增塑PVCv软而弱软而弱：模量低，强度低，断裂伸长率低：模量低，强度低，断裂伸长率低一些柔软

12、的凝胶，很少用作材料来使用。一些柔软的凝胶，很少用作材料来使用。198.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v细颈细颈：聚合物在塑性形变时出现均匀形变的不稳定性。：聚合物在塑性形变时出现均匀形变的不稳定性。形成的原因可能有两个：形成的原因可能有两个：v几何因素几何因素，材料试片尺寸在各处的微小差别。如果试样某部分有，材料试片尺寸在各处的微小差别。如果试样某部分有效截面积比试样其他部分稍小，它受到的应力就比其他部分高一效截面积比试样其他部分稍小，它受到的应力就比其他部分高一点，该部分将首先达到屈服点，其有效刚性比其他部位低，继续点，该部分将首先达到屈服点，其有效刚性比其他部位低，继续形变更为

13、容易。如此循环，直到该部位发生取向硬化，从而阻止形变更为容易。如此循环，直到该部位发生取向硬化，从而阻止了这一不均匀形变的发展。了这一不均匀形变的发展。v材料在屈服点以后的应变软化材料在屈服点以后的应变软化。如果材料在某局部的应变稍稍高。如果材料在某局部的应变稍稍高于其他地方（如应力集中），则该处将局部软化，进而使塑性不于其他地方（如应力集中），则该处将局部软化，进而使塑性不稳定性更易发展，这一过程只能被材料取向硬化所阻止。稳定性更易发展，这一过程只能被材料取向硬化所阻止。20真真 曲线上的极大值点曲线上的极大值点Y是与是与材料特性有关的真正屈服点材料特性有关的真正屈服点（特性屈服点特性屈服点

14、）；B点只是点只是表观屈表观屈服点服点。 假设拉伸形变中，假设拉伸形变中，dV = 0， ，可将实测可将实测 换算成换算成 。真Considre作图法作图法： 在在 真真 曲线上，从横坐标轴上曲线上，从横坐标轴上 = 1处向曲线作切线，切点就是处向曲线作切线，切点就是B点。点。真应力应变曲线：真应力应变曲线：8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服工程应力工程应力-应变曲线应变曲线真应力真应力-应变曲线应变曲线21 在 曲线上，Y点满足d0dse=(1) 真2dd1(1)0d(1)dsseseee=+-=+真真 dd1真真真( 真真 曲线对应曲线对应B点位置的斜率点位置的斜率)从点（从点（

15、-1, 0）到点（）到点（ , 真真）的直线斜率：）的直线斜率：0(1)1ssee-=- -+真真（正是（正是 真真 曲线上曲线上B点的斜率）点的斜率） 用用Considre作图法判断能形成稳定细颈的高聚物：作图法判断能形成稳定细颈的高聚物： 从从 = 0处向处向 真真 曲线可作两条切线。曲线可作两条切线。8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服228.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服238.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服屈服判据屈服判据v应力一般由包括应力一般由包括3个正应力和个正应力和3个切应力的个切应力的6个分量组成，不个分量组成，不同的应力状态又对应于不同应力分量

16、的组合，在组合应力条同的应力状态又对应于不同应力分量的组合，在组合应力条件下材料的屈服条件称为屈服判据或屈服准则。件下材料的屈服条件称为屈服判据或屈服准则。最大切应力理论最大切应力理论Trasca（单参数屈服判据）（单参数屈服判据）最大变形能理论最大变形能理论Von Mises（单参数屈服判据）（单参数屈服判据）双参数屈服判据双参数屈服判据Coulomb248.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服剪切带的结构形态剪切带的结构形态v韧性聚合物单向拉伸至屈韧性聚合物单向拉伸至屈服点时，常可看到试样上服点时，常可看到试样上出现与拉伸方向成出现与拉伸方向成45角角的剪切滑移变形带的剪切滑移变形带2

17、58.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服横截面横截面A0, 受到的应力受到的应力 0=F/A0斜截面斜截面A 受受 力力法向应力法向应力剪切应力剪切应力268.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服=0n=0s=0=45n=0/2s=0/2=90n=0s=0278.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服抵抗外力的方式抵抗外力的方式抗张强度：抵抗拉力的作用抗张强度：抵抗拉力的作用抗剪强度：抵抗剪力的作用抗剪强度：抵抗剪力的作用两种两种当应力当应力 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抗张强度最大抗张强度最大 =0 ， n= 0抗剪强度最大抗

18、剪强度最大 =45 ， s= 0/2288.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v切应力双生互等定律切应力双生互等定律法向应力法向应力剪切应力剪切应力法向应力法向应力剪切应力剪切应力对于倾角为对于倾角为=+/2的另一个截面的另一个截面对于倾角为对于倾角为的截面的截面298.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v剪切屈服是没有明显体积变化的形状扭变，一般分为扩剪切屈服是没有明显体积变化的形状扭变，一般分为扩散剪切屈服和剪切带：散剪切屈服和剪切带：扩散剪切屈服扩散剪切屈服指在整个受力区域内发生的大范围剪指在整个受力区域内发生的大范围剪切形变。切形变。剪切带剪切带指只发生在局部带状区域内的剪

19、切形变。指只发生在局部带状区域内的剪切形变。v剪切屈服不仅在外加剪切力作用下能够发生，而且拉伸剪切屈服不仅在外加剪切力作用下能够发生，而且拉伸应力、压缩应力都能引起。应力、压缩应力都能引起。308.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服银纹现象银纹现象v为聚合物所特有，是聚合物在张应力作用下，于材料某为聚合物所特有，是聚合物在张应力作用下，于材料某些薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，些薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，以至于在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为以至于在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100m、宽度为宽度为10 m左右、厚度约为左右、厚

20、度约为1 m的微细凹槽的微细凹槽的现象。的现象。v分类分类：应力银纹，环境银纹，溶剂银纹应力银纹，环境银纹，溶剂银纹318.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服328.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v银纹方向和分子链方向银纹方向和分子链方向v银纹不是空的，银纹体的密度为银纹不是空的，银纹体的密度为本体密度的本体密度的50%，折光指数低于，折光指数低于聚合物本体折光指数，在银纹和聚合物本体折光指数，在银纹和本体之间的界面上将对光线产生本体之间的界面上将对光线产生全反射现象，呈现银光闪闪的纹全反射现象，呈现银光闪闪的纹路（所以也称应力发白）。加热路（所以也称应力发白）。加热退火会使银

21、纹消失。退火会使银纹消失。F338.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服银纹的扩展银纹的扩展中间分子中间分子链断裂链断裂扩展扩展形成裂纹形成裂纹348.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服微纤的缠结结构与其拉伸比相关微纤的缠结结构与其拉伸比相关v缠结点密度缠结点密度 ，Le，值值 ，缠结链伸展较困难，不易发生银，缠结链伸展较困难，不易发生银纹化。纹化。v缠结点密度缠结点密度 ，Le，值值 ，缠结链伸长长度大，容易产生银，缠结链伸长长度大，容易产生银纹化。纹化。 358.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v银纹在整个聚合物试样中的体积分数有限，因此银纹银纹在整个聚合物试样中的体积分

22、数有限，因此银纹的形变对脆性聚合物的宏观形变贡献不大。的形变对脆性聚合物的宏观形变贡献不大。v银纹化可以是玻璃态聚合物断裂的先决条件，也可以银纹化可以是玻璃态聚合物断裂的先决条件，也可以是聚合物屈服的机理。是聚合物屈服的机理。应力银纹结构若不能稳定，则将发展而导致聚合物应力银纹结构若不能稳定，则将发展而导致聚合物断裂。断裂。银纹可吸收塑性形变能，提高韧性。银纹可吸收塑性形变能，提高韧性。368.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v环境银纹：在加工或使用过程中，因环境介质（流体、环境银纹：在加工或使用过程中，因环境介质（流体、气体）与应力的共同作用，也会出现银纹。时常发展为气体）与应力的共

23、同作用，也会出现银纹。时常发展为环境应力开裂。环境介质的作用，致使引发银纹所需的环境应力开裂。环境介质的作用，致使引发银纹所需的应力或应变大为降低。应力或应变大为降低。v溶剂银纹：处于溶剂环境中，易产生溶剂银纹。溶剂银纹：处于溶剂环境中，易产生溶剂银纹。378.2 聚合物的断裂与强度聚合物的断裂与强度强度指物质抵强度指物质抵抗破坏的能力抗破坏的能力张应力张应力拉伸强度拉伸强度弯曲力矩弯曲力矩抗弯强度抗弯强度压应力压应力压缩强度压缩强度拉伸模量拉伸模量弯曲模量弯曲模量硬度硬度388.2.1 脆性断裂和韧性断裂脆性断裂和韧性断裂v内在韧性内在韧性材料在断裂前能吸收大量的能量。材料在断裂前能吸收大量

24、的能量。v韧性变坏韧性变坏脆性断裂脆性断裂如何区分断如何区分断裂形式？裂形式？关键看屈服关键看屈服屈服前断脆性断裂屈服前断脆性断裂屈服后断韧性断裂屈服后断韧性断裂398.2.1 脆性断裂和韧性断裂脆性断裂和韧性断裂v所加的应力体系和试样的几何形状决定试样中张应力分量和切应所加的应力体系和试样的几何形状决定试样中张应力分量和切应力分量的相对值，影响材料的断裂形式。力分量的相对值，影响材料的断裂形式。eg：流体静压力通常可使断裂由脆性变为韧性，尖锐的缺口改：流体静压力通常可使断裂由脆性变为韧性，尖锐的缺口改变断裂方式变断裂方式由韧变脆。由韧变脆。v断裂形式与温度和测试速率（应变速率）有关。断裂形式

25、与温度和测试速率（应变速率）有关。 T，由低温的脆性形变由低温的脆性形变高温的韧性形变。应变速率的影响高温的韧性形变。应变速率的影响与温度相反。与温度相反。408.2.1 脆性断裂和韧性断裂脆性断裂和韧性断裂v断裂应力受温度和应变速率影响不大，屈服应力受温度和应变速断裂应力受温度和应变速率影响不大，屈服应力受温度和应变速率影响很大。率影响很大。v温度温度屈服应力屈服应力，应变速率应变速率屈服应力屈服应力 。v脆韧转变将随应变速率增加而移向高温，即在低应变速率时是韧脆韧转变将随应变速率增加而移向高温，即在低应变速率时是韧性的材料，高应变速率时将会发生脆性断裂。性的材料，高应变速率时将会发生脆性断

26、裂。脆化温度，脆化点脆化温度，脆化点418.2.2 聚合物的强度聚合物的强度v机械强度是材料抵抗外力破坏的能力。机械强度是材料抵抗外力破坏的能力。v拉伸强度拉伸强度在规定的试验温度、湿度和试验速度下，在标准试样上沿在规定的试验温度、湿度和试验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷直至断裂前试样承受的最大载荷轴向施加拉伸载荷直至断裂前试样承受的最大载荷P与试与试样横截面的比值样横截面的比值v拉伸模量（即杨氏模量）通常由拉伸初始阶段的应力与应拉伸模量（即杨氏模量）通常由拉伸初始阶段的应力与应变比例计算变比例计算428.2.2 聚合物的强度聚合物的强度v施加单向压缩载荷，得到抗压强度和压缩模量。施加

27、单向压缩载荷，得到抗压强度和压缩模量。v理论上：虎克定律也适用于压缩的情况理论上：虎克定律也适用于压缩的情况压缩模量压缩模量=拉伸模量拉伸模量v实际上：压缩模量通常稍大于拉伸模量实际上：压缩模量通常稍大于拉伸模量v抗张强与抗压强度的相对大小则因材料的性质而异。抗张强与抗压强度的相对大小则因材料的性质而异。v一般塑性材料善于抵抗拉力一般塑性材料善于抵抗拉力 脆性材料善于抵抗压力脆性材料善于抵抗压力438.2.2 聚合物的强度聚合物的强度v抗弯强度（或称挠曲强度）：在规定试验条件下对标准抗弯强度（或称挠曲强度）：在规定试验条件下对标准试样施加静弯曲力矩，直到试样断裂为止。试样施加静弯曲力矩，直到试

28、样断裂为止。448.2.2 聚合物的强度聚合物的强度v硬度：硬度：衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。硬度的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，而硬度试验不大小与材料的拉伸强度和弹性模量有关，而硬度试验不破坏材料且方法简单。有时可作为估计材料拉伸强度的破坏材料且方法简单。有时可作为估计材料拉伸强度的替代办法。替代办法。v因测量和计算方法的差异，硬度可分为布氏、洛氏和邵因测量和计算方法的差异，硬度可分为布氏、洛氏和邵氏等几种。氏等几种。458.2.2 影响因素影响因素v内因（结构因素）与外因（温度和拉伸速率）内因（结构因素）与外因（温度和拉伸

29、速率）高分子材料的强度上限取决于主链化学键力和分子链间的作用力。高分子材料的强度上限取决于主链化学键力和分子链间的作用力。v极性基团或氢键：极性基团或氢键：一般情况，增加高分子的极性或形成氢键可以使其强度提高。极一般情况，增加高分子的极性或形成氢键可以使其强度提高。极性基团或氢键的密度越大，强度越高。性基团或氢键的密度越大，强度越高。如极性基团过密或取代基团过大，不利于分子运动，材料的拉伸如极性基团过密或取代基团过大，不利于分子运动，材料的拉伸强度虽然提高，但呈现脆性。强度虽然提高，但呈现脆性。v芳杂环：芳杂环：主链含有芳杂环的聚合物，其强度和模量都比脂肪族的高。侧基主链含有芳杂环的聚合物，其

30、强度和模量都比脂肪族的高。侧基为芳杂环时，强度和模量也较高。为芳杂环时，强度和模量也较高。468.2.2 影响因素影响因素v支化程度：支化程度：分子链的支化程度分子链的支化程度，分子之间的距离，分子之间的距离，作用力，作用力，聚合物拉伸强，聚合物拉伸强度度。v交联：交联：适度交联，分子链间的联系适度交联，分子链间的联系 ，分子链不易发生相对滑移。交联度，分子链不易发生相对滑移。交联度，不易发生大的形变，同时材料强度，不易发生大的形变，同时材料强度。结晶的聚合物，交联使聚合物结晶度结晶的聚合物，交联使聚合物结晶度，结晶倾向，结晶倾向，过分交联使强，过分交联使强度度。不结晶的聚合物，交联密度过大，

31、强度不结晶的聚合物，交联密度过大，强度。原因原因：可能是交联度高：可能是交联度高时，网链不能均匀承载，易集中应力于局部网链上，有效网链数时，网链不能均匀承载，易集中应力于局部网链上，有效网链数 。交联度交联度 ，承载的不均匀性，承载的不均匀性 ，强度，强度 。 478.2.2 影响因素影响因素v分子量对聚合物脆性断裂强度的影响分子量对聚合物脆性断裂强度的影响v分子量提高到一定程度后，对断裂强度的改善不明显，分子量提高到一定程度后，对断裂强度的改善不明显，但冲击强度继续增加。但冲击强度继续增加。v晶态聚合物中的微晶晶态聚合物中的微晶与物理交联相似。结晶度增加，拉伸强度、抗弯强度和与物理交联相似。

32、结晶度增加，拉伸强度、抗弯强度和弹性模量均有提高。如结晶度太高，材料发脆。弹性模量均有提高。如结晶度太高，材料发脆。v球晶的结构球晶的结构成型加工的温度、成核剂的加入以及后处理条件等，对成型加工的温度、成核剂的加入以及后处理条件等，对结晶聚合物的机械性能有很大影响。结晶聚合物的机械性能有很大影响。488.2.2 影响因素影响因素v晶体结构晶体结构由伸直链组成的纤维状晶体，其抗拉性能较折叠链晶体优越。由伸直链组成的纤维状晶体，其抗拉性能较折叠链晶体优越。v取向取向可使材料的强度提高几倍甚至几十倍。可使材料的强度提高几倍甚至几十倍。单轴取向后，高分子链顺着外力方向平行排列，沿取向方向断单轴取向后，

33、高分子链顺着外力方向平行排列，沿取向方向断裂时破坏主价键的比例大大增加，主价键的强度比范德华力的裂时破坏主价键的比例大大增加，主价键的强度比范德华力的强度高强度高50倍左右。倍左右。双轴取向后，在长、宽两个方向上强度和模量都有提高，同时双轴取向后，在长、宽两个方向上强度和模量都有提高，同时可以阻碍裂缝向纵深发展。可以阻碍裂缝向纵深发展。498.2.2 影响因素影响因素v材料中的缺陷材料中的缺陷造成应力集中，严重地降低了材料的强度。加工过程中混合不均造成应力集中，严重地降低了材料的强度。加工过程中混合不均或塑化不良，成型过程中制件表里冷却速度不同而产生内应力等或塑化不良，成型过程中制件表里冷却速

34、度不同而产生内应力等等，均可产生缺陷。等，均可产生缺陷。v增塑剂增塑剂起稀释作用，减小了分子间作用力，强度降低。起稀释作用，减小了分子间作用力，强度降低。v低温和高应变速率低温和高应变速率聚合物倾向于发生脆性断裂。温度越低，应变速率越高，断裂强聚合物倾向于发生脆性断裂。温度越低，应变速率越高，断裂强度越大。度越大。508.2.2 聚合物的强度聚合物的强度聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。理论值理论值518.2.2 聚合物的强度聚合物的强度在断裂时

35、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 。e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPa理论值与实验结果相差原因理论值与实验结果相差原因样条存在缺陷样条存在缺陷应力集中应力集中528.2.2 聚合物的强度聚合物的强度引起应力集中的缺陷引起应力集中的缺陷:v几何的不连续，如孔、空洞、缺口、沟槽、裂纹；几何的不连续，如孔、空洞、缺口、沟槽、裂纹；v材质的不连续，如杂质的颗粒、共混物相容性差造成的过大第二材质的不连续，如杂质的颗粒、共混物相容性差造成的过大第二组分颗粒；组分颗粒；v载荷的不连续

36、；载荷的不连续；v不连续的温度分布产生的热应力等。不连续的温度分布产生的热应力等。缺陷的来源缺陷的来源v材料中固有；材料中固有；v产品设计或加工时造成。产品设计或加工时造成。538.2.3 断裂理论断裂理论v有裂缝的材料极易开裂。裂缝端部的锐度对裂缝的扩展有裂缝的材料极易开裂。裂缝端部的锐度对裂缝的扩展有很大影响。有很大影响。圆孔：圆孔：在孔边上与在孔边上与0成成角的切向应力分量角的切向应力分量:圆孔使应力集中了圆孔使应力集中了3倍倍548.2.3 断裂理论断裂理论椭圆孔椭圆孔应力集中随平均应力的增大和裂缝尖端处半径的减小而增大。当应力集中随平均应力的增大和裂缝尖端处半径的减小而增大。当应力集

37、中到一定程度时，就会达到和超过分子、原子的最大内聚应力集中到一定程度时，就会达到和超过分子、原子的最大内聚力而使材料破坏。力而使材料破坏。558.2.3 断裂理论断裂理论v从裂缝存在的几率来看，与试样的几何形状和尺寸有关。从裂缝存在的几率来看，与试样的几何形状和尺寸有关。v例如：例如：细试样中危害大的裂缝存在的几率比粗试样中为小细试样中危害大的裂缝存在的几率比粗试样中为小纤维强度纤维强度随其直径的减小而增高。随其直径的减小而增高。大试样中出现裂缝的几率比小试样大得多大试样中出现裂缝的几率比小试样大得多试样的平均强度随试样的平均强度随其长度的降低而提高。其长度的降低而提高。v测定材料强度时要求试

38、样有一定规格。测定材料强度时要求试样有一定规格。568.2.3 断裂理论断裂理论格里菲思线弹性断裂理论格里菲思线弹性断裂理论为什么材料的实际强度为什么材料的实际强度远远低于理论强度？远远低于理论强度？存在缺陷存在缺陷为什么在缺陷处断裂？为什么在缺陷处断裂？缺陷处应力集中缺陷处应力集中缺陷处应力多大？缺陷处应力多大？Griffith理论理论578.2.3 断裂理论断裂理论格里菲思能量平衡的观点认为：格里菲思能量平衡的观点认为：v断裂要产生新的表面，需要一定的表面能，断裂产生断裂要产生新的表面，需要一定的表面能，断裂产生新的表面所需要的表面能是由材料内部弹性储能的减少新的表面所需要的表面能是由材料

39、内部弹性储能的减少来补偿的；来补偿的；v弹性储能在材料中的分布是不均匀的。裂缝附近集中弹性储能在材料中的分布是不均匀的。裂缝附近集中了大量弹性储能，有裂缝的地方要比其他地方有更多的了大量弹性储能，有裂缝的地方要比其他地方有更多的弹性储能来供给产生新表面所需要的表面能，致使材料弹性储能来供给产生新表面所需要的表面能，致使材料在裂缝处先行断裂。在裂缝处先行断裂。588.2.3 断裂理论断裂理论v裂缝失去稳定性的条件裂缝失去稳定性的条件每扩展单位面积裂缝时，端点附近每扩展单位面积裂缝时，端点附近所释放出来的弹性能所释放出来的弹性能能量释放能量释放率，是驱动裂缝扩展的原动力，与率，是驱动裂缝扩展的原动

40、力，与应力的类型及大小、裂缝尺寸、试应力的类型及大小、裂缝尺寸、试样的几何形状等有关（样的几何形状等有关（）产生每单位面积裂缝的表面功，产生每单位面积裂缝的表面功，反映材料抵抗裂缝扩展的一种反映材料抵抗裂缝扩展的一种性质。性质。内储弹性能内储弹性能598.2.3 断裂理论断裂理论裂缝扩展力裂缝扩展力引起裂缝扩展引起裂缝扩展的临界应力的临界应力无限大薄板上裂缝长度之半无限大薄板上裂缝长度之半张应力张应力材料的弹性模量材料的弹性模量608.2.3 断裂理论断裂理论v假定，脆性玻璃无塑性流动，裂缝增长所需的表面功仅假定，脆性玻璃无塑性流动，裂缝增长所需的表面功仅与表面能（表面张力）有关与表面能（表面

41、张力）有关脆性固体断裂的格里菲思能量判据方程脆性固体断裂的格里菲思能量判据方程,适用于尖端无曲率半径的适用于尖端无曲率半径的“线裂缝线裂缝”的情的情况。况。对于长度为对于长度为2a的裂缝，只要外应力的裂缝，只要外应力c，裂缝能稳定，材料裂缝能稳定，材料有安全的保证。有安全的保证。618.2.3 断裂理论断裂理论材料的断裂与外应力和裂纹长度和材料的断裂与外应力和裂纹长度和乘积有关乘积有关脆性聚合物脆性聚合物628.2.3 断裂理论断裂理论临界应力强度临界应力强度KIc应力强度因子应力强度因子K1裂纹扩展阻力裂纹扩展阻力裂纹扩展动力裂纹扩展动力临界应力强度临界应力强度KIc应力强度因子应力强度因子

42、K1裂纹裂纹稳定稳定临界应力强度临界应力强度KIc应力强度因子应力强度因子K1裂纹裂纹扩展扩展638.2.3 断裂理论断裂理论v非线性断裂理论非线性断裂理论弹性体的撕裂为非线性断裂过程，采用广义格里菲思判据，即撕弹性体的撕裂为非线性断裂过程，采用广义格里菲思判据，即撕裂时释放的应变能大于撕裂能时裂缝将失去稳定性。裂时释放的应变能大于撕裂能时裂缝将失去稳定性。v断裂的分子理论断裂的分子理论考虑了结构因素，认为材料的断裂也是一个松弛过程，宏观断裂考虑了结构因素，认为材料的断裂也是一个松弛过程，宏观断裂是微观化学键断裂的热活化过程，即当原子热运动的无规热涨落是微观化学键断裂的热活化过程，即当原子热运

43、动的无规热涨落能量超过束缚原子间的势垒时，会使化学键离解，从而发生断裂。能量超过束缚原子间的势垒时，会使化学键离解，从而发生断裂。648.2.4 聚合物的增强聚合物的增强增强途径与机理增强途径与机理v聚合物基体中加入第二种物质，形成聚合物基体中加入第二种物质，形成“复合材料复合材料”，通，通过复合来显著提高材料力学强度的作用称为过复合来显著提高材料力学强度的作用称为“增强增强”作作用，能够提高聚合物基体力学强度的物质称为用，能够提高聚合物基体力学强度的物质称为增强剂增强剂或或活性填料活性填料。惰性填料惰性填料在聚合物中起着稀释作用，可以降在聚合物中起着稀释作用，可以降低材料的成本。低材料的成本

44、。v按照填料的形态，可以分为按照填料的形态，可以分为粉状粉状和和纤维状纤维状两类。两类。658.2.4 聚合物的增强聚合物的增强活性填料的作用（橡胶的补强）活性填料的作用（橡胶的补强）v填料的表面效应填料的表面效应：活性填料粒子的活性表面较强烈地吸附橡胶的：活性填料粒子的活性表面较强烈地吸附橡胶的分子链，通常一个粒子表面上连结有几条分子链，形成链间的物分子链，通常一个粒子表面上连结有几条分子链，形成链间的物理交联。吸附了分子链的这种粒子能起到均匀分布负荷的作用，理交联。吸附了分子链的这种粒子能起到均匀分布负荷的作用，降低了橡胶发生断裂的可能性，从而起到增强作用。降低了橡胶发生断裂的可能性，从而

45、起到增强作用。v增强的效果受粒子和分子链间结合的牢固程度所制约。两者在界增强的效果受粒子和分子链间结合的牢固程度所制约。两者在界面上的亲和性面上的亲和性，结合力，结合力，增强作用，增强作用。用化学处理方法或加入偶。用化学处理方法或加入偶联剂强化结合力。联剂强化结合力。668.2.4 聚合物的增强聚合物的增强v纤维填料纤维填料主要作为骨架，以帮助承担负荷。主要作为骨架，以帮助承担负荷。纤维填充塑料增强的原因：依靠复合作用，利用纤维的高强度以纤维填充塑料增强的原因：依靠复合作用，利用纤维的高强度以承受应力，利用基体树脂的塑性流动及其与纤维的粘结性以传递承受应力，利用基体树脂的塑性流动及其与纤维的粘

46、结性以传递应力。应力。v高分子液晶高分子液晶热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微纤结构起到增强作热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微纤结构起到增强作用。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用。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，称做地形成的，称做“原位原位”复合增强。复合增强。678.2.5 聚合物的耐冲击性聚合物的耐冲击性v冲击强度冲击强度衡量材料韧性衡量材料韧性的一种指标，通常定义为试样在冲击载荷的一种指标，通常定义为试样在冲击载荷的作用下折断或折裂时单位截面积所吸收的能量。的作用下折断或折裂时单位截面积所吸收的能量。v测试方法测试方法：摆

47、锤式冲击试验、落重式冲击试验和高速拉伸等三类。：摆锤式冲击试验、落重式冲击试验和高速拉伸等三类。不同试验方法常给出不同的聚合物冲击强度。测得的值与试样的不同试验方法常给出不同的聚合物冲击强度。测得的值与试样的几何形状和尺寸有关，薄的试样一般比厚的试样给出较高的冲击几何形状和尺寸有关，薄的试样一般比厚的试样给出较高的冲击强度。强度。冲断试样所消耗的功冲断试样所消耗的功冲断试样的厚度和宽度冲断试样的厚度和宽度688.2.5 聚合物的耐冲击性聚合物的耐冲击性v摆锤式冲击试验摆锤式冲击试验 Charpy 简支梁，简支梁，Izod 悬臂梁悬臂梁 可用带缺口的或无可用带缺口的或无缺口试样。缺口试样。 采用带缺口试样的采用带缺口试样的目的：使缺口处的截面目的：使缺口处的截面积大为减小，受冲击时积大为减小，受冲击时试样断裂一定发生在这试样断裂一定发生在这一薄弱处，所有的冲击一薄弱处，所有的冲击能量都能在这局部地区能量都能在这局部地区被吸收，提高试验的准被吸收，提高试验的准确性。确性。Charpy 简支梁简支梁698.2.5 聚合物的耐冲击性聚合物的耐冲击性Izod 悬臂梁悬臂梁708.2.5 聚合物的耐冲击性聚合物的耐冲击性影响聚合物冲击强度的因素：高分子结构影响聚合物冲击强度的因素：高分子结构高分子的极性高分子的极性或产生氢键，拉伸强度或产生氢键，拉伸强度。 如极性基团过密