高分子物理(北京化工大学)8-1

1、College of Materials Science and Engineering Beijing University of Chemical Technology6学时本章的教学内容、要求和目的教学内容： 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及其机应变曲线获取信息，掌握屈服和断裂现象及其机理、韧性和强度的影响理、韧性和强度的影响 因素及增韧、增强方法和机理。因素及增韧、增强方法和机理。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

2、料的韧性和强度能从分子结构、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，以满足其使用要求。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。第二十一讲第二十一讲 聚合物的盈应力聚合物的盈应力应变曲线和屈服应变曲线和屈服主要内容：主要内容： 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 聚合物的屈服现象、机理和屈服判据聚合物的屈服现象、机理和屈服判据 本讲重点及要求：本讲重点及要求：学会从分子运动角度分析聚学会从分子运动角度分析聚合物的应力合物的应力应变曲线，掌握聚合物屈服现象、应变曲线，掌握聚合物屈服现象、机理和判据。机

3、理和判据。Yielding and Fracture of Polymer 第八章第八章 聚合物的屈服与断裂聚合物的屈服与断裂8.1 The stress-strain curves 应力应力-应变曲线应变曲线研究聚合物的极限性质，即在较大外力的持续作用在较大外力的持续作用或强大外力的短时作强大外力的短时作后，聚合物发生大大形变直至宏观破宏观破坏坏或断裂断裂。Typical stress-strain curve for amorphous polymer at temperature below TgEngineering stress to Engineering stress to en

4、gineering strainengineering strain8.1.1 The stress-strain curves 应力应力-应变曲线应变曲线AAE 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Y point: Yielding point 屈服点屈服点A point: Point of elastic limit 弹性极限点弹性极限点B point: Breaking point 断裂点断裂点断裂能 Fracture energydStress-strain曲线下面积称作断裂能：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。材料从开始拉伸

5、至破坏所吸收的能量。Youngs Modulus 杨氏模量形变过程形变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-断裂断裂从分子运动机理解释上述过程从分子运动机理解释上述过程从应力从应力应变曲线可以获得的被拉伸聚应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息合物的信息 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） 聚合物的断裂韧性（曲线下面积）聚合物的断裂韧性（曲线下面积）8.1.

6、2 Stress-strain curves under various conditions 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) Different temperaturea: TTg c: TTg (几十度)d: T接近Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆断 韧断无屈服屈服后断Results TT(b) Different strain rate.4.3.2.1Strain rate时温等效原理：拉伸速度快时温等效原理：拉伸速度快=时间短时间短温度低温度低速度速度Example: PMMAa: 脆性材料 c: 韧

7、性材料d: 橡胶b: 半脆性材料酚醛或环氧树脂PP, PE, PCPS, PMMANature rubber, PI(c) Composition of Polymers 物质结构组成(d) Crystallization 结晶应变软化更明显明显冷拉时晶片的倾斜、滑移、转动，形成微晶或微纤束(e) The Size of Spherulites 球晶大小(f) The Degree of Crystallization 结晶度Different types of stress-strain curveComparing8.2 The plasticity and yielding of pol

8、ymer 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后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高聚物将在恒应力下“塑性流动塑性流动”，即链段沿外力，即链段沿外力方向开始取向。方向开始取向。高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为10%-20%（与金属相比）。（与金属相比）。屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还非常迅速。非常迅速。屈服应力对应变速率和温度都敏感。屈服应力对应变速率和温度都敏感。屈服发生时，拉伸样条表面产生屈服发生时，拉伸样条表面

9、产生“银纹银纹”或或“剪切剪切带带”,继而整个样条局部出现继而整个样条局部出现“细颈细颈”。屈服主要特征Strain softening 应变软化应变软化 弹性变形后继续施加载荷，则产生塑性形变，称为继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：续屈服，包括：应变软化：屈服后，应变增加，应力反而有稍许下跌应变软化：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。的现象，原因至今尚不清楚。呈现塑性不稳定性，最常见的为细颈。呈现塑性不稳定性，最常见的为细颈。塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。发生发生“取向硬化取向硬化”，应力急

10、剧上升。，应力急剧上升。试样断裂。试样断裂。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 OrientationRTEe0RTaEe0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 判据判据8.2.1 Necking 细颈与剪切带细颈与剪切带(1) 细颈细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。屈服时，试样出现的局部变细的现象。Necking 颈缩现象颈缩现象为什么会出现细颈？

11、为什么会出现细颈？应力最大处。应力最大处。哪里的应力最大？哪里的应力最大？Engineering stress and true stress 工程应力和真应力工程应力和真应力AFtrue)1 (000AllAA0AFeEngineering stressTrue stressForceInitial cross-section areaForceCross-section areaRelationship between engineering stress and true stress under incompressible conditionConsidre 作图法作图法:在真应力在

12、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1truetruedd0dde（2）剪切屈服现象、机理及判据）剪切屈服现象、机理及判据横截面横截面A0, 受到的受到的应力应力 0=F/A0拉伸中材料某个面受力分析拉伸中材料某个面受力分析剪切屈服：即在细颈发生前，试样表面出现与拉伸方向成剪切屈服：即在细颈发生前，试样表面出现与拉伸方向成45度角的剪切度角的剪切带。带。WHY？斜截面Acos0AA cosFFnsinFFs受 力200coscos/cosAFn2sin21cossin00AFs发向应力发向应力剪切应力剪切应力Discuss

13、ion =0 n= 0 s=0 =45 n= 0/2 s= 0/2 =90 n=0 s=0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= 0/2Yield Criterion 屈服判据屈服判据Metal剪切作用最大方向上的剪切应力达到某一临界值s时，材料呈现屈服现象。321000000s)(2131

14、For simple elongation当材料的剪切应变能达到某一当材料的剪切应变能达到某一临界值临界值时，就产生屈服现象。时，就产生屈服现象。const213232221)()()(在某平面出现屈服行为的在某平面出现屈服行为的临界压力临界压力 s与垂直于该平与垂直于该平面的正压力面的正压力 N成正比。成正比。PolymerconstNs切应力双生互等定律切应力双生互等定律021sY0212sin2111s2sin21)2(2sin212212s2sin)(2121s)(2121sYs2121Shear band 剪切带剪切带（3 3） Crazing Crazing 银纹银纹银纹现象为聚合

15、物所特有，它是聚合物在张应力作用下，银纹现象为聚合物所特有，它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，以至于在材料表面或内部垂直于应力方向上变和取向，以至于在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为出现长度为100m、宽度为宽度为10 m左右、厚度约为左右、厚度约为1 m的的微细凹槽的现象微细凹槽的现象分分类类环境银纹环境银纹溶剂银纹溶剂银纹应力银纹应力银纹Microstructure of crazing微纤微纤 Microfibril微纤微纤平行与平行与外力外力方向，方向，银纹银纹长度方向长度方向与与

16、外力外力垂直。垂直。也称为银纹质也称为银纹质银纹方向和分子链方向银纹方向和分子链方向银纹不是空的，银纹体的密度为本体密度的50%，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间的界面上将对光线产生全反射现象，呈现银光闪闪的纹路（所以也称应力发白）。加热退火会使银纹消失 。F银银纹纹的的扩扩展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主要区别主要区别剪切屈服剪切屈服银纹屈服银纹屈服形变形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积体积体积不变体积不变体积增加体积增加力力剪切力剪切力张应力张应力结果结果冷拉冷