高聚物的断裂和力学强度-1.

1、第七章第七章 高聚物的断裂和力学强度高聚物的断裂和力学强度Chapt.7 The Failure and Strength of Solid Polymers 第一部分第一部分 Part 1 理论上，根据完全伸理论上，根据完全伸直链晶胞参数求得的聚直链晶胞参数求得的聚乙烯最高理论强度达乙烯最高理论强度达1.9x104MPa，是钢丝的，是钢丝的几十倍。几十倍。 实验室中，已经获得实验室中，已经获得高拉伸聚酰胺纤维在液高拉伸聚酰胺纤维在液氮中的最高实际强度达氮中的最高实际强度达2.3x103MPa。 在高分子材料诸多应用中，作为结构材料使用是其最常见、在高分子材料诸多应用中，作为结构材料使用是其最

2、常见、最重要的应用。在许多领域，高分子材料已成为金属、木材、最重要的应用。在许多领域，高分子材料已成为金属、木材、陶瓷、玻璃等的代用品。陶瓷、玻璃等的代用品。引言引言 之所以如此，除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀之所以如此，除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀等优点外，还因为它具有较高的力学强度和韧性。等优点外，还因为它具有较高的力学强度和韧性。 本章一方面介绍描述高分子材料宏观力学强度的物理量和演本章一方面介绍描述高分子材料宏观力学强度的物理量和演化规律；另一方面从分子结构特点探讨影响高分子材料力学强化规律；另一方面从分子结构特点探讨影响高分子材料力学强度的因素，为研制设计性能更

3、佳的材料提供理论指导。度的因素，为研制设计性能更佳的材料提供理论指导。 为了评价高分子材料使用价值，扬长避短地利用、控制其强度为了评价高分子材料使用价值，扬长避短地利用、控制其强度和破坏规律，进而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高和破坏规律，进而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高分子材料力学强度变化的宏观规律和微观机理。分子材料力学强度变化的宏观规律和微观机理。 鉴于高分子材料力学状态的复鉴于高分子材料力学状态的复杂性，以及力学状态与外部环境杂性，以及力学状态与外部环境条件密切相关，高分子材料的力条件密切相关，高分子材料的力学强度和破坏形式也必然与材料学强度和破坏形式也必然与材料的使用

4、环境和使用条件有关。的使用环境和使用条件有关。主要内容及学习线索：主要内容及学习线索：一、高分子材料的一、高分子材料的拉伸应力拉伸应力-应变特性应变特性应力应变曲线及其类型应力应变曲线及其类型影响拉伸行为的外部因素影响拉伸行为的外部因素强迫高弹形变与强迫高弹形变与“冷拉伸冷拉伸”二、高分子材料的二、高分子材料的断裂和强度断裂和强度宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂断裂过程，断裂的分子理论断裂过程，断裂的分子理论高分子材料的强度高分子材料的强度高分子材料的增强改性高分子材料的增强改性三、高分子材料的三、高分子材料的抗冲击强度和增韧改性抗冲击强度和增韧改性抗冲击强度实

5、验抗冲击强度实验影响抗冲击强度的因素影响抗冲击强度的因素高分子材料的增韧改性高分子材料的增韧改性一、高分子材料的拉伸应力一、高分子材料的拉伸应力-应变特性应变特性 （一）应力应变曲线及其类型（一）应力应变曲线及其类型 图图7-1 哑铃型标准试样哑铃型标准试样 常用的哑铃型标准试样如图常用的哑铃型标准试样如图7-1所示，试样中部为测试部分，所示，试样中部为测试部分，标距长度为标距长度为l0，初始截面积为，初始截面积为A0。 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，测量应变特性。将

6、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。试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。l0AF000lllll 设以一定的力设以一定的力 F 拉伸试样，使两标距间的长度增至拉伸试样，使两标距间的长度增至 ，定义试样中的应力和应变为：定义试样中的应力和应变为： 注意此处定义的应力注意此处定义的应力等于拉力除以试样原始截面积等于拉力除以试样原始截面积A0，这，这种应力称工程应力或公称应力，并不等于材料所受的真实应力。种应力称工程应力或公称应力，并不等于材料所受的真实应力。同样这儿定义的应变为工程应变，属于应变的同样这儿定义的应变为工程应变，属于应变的Euler

7、度量。度量。（7-1）（7-2）典型高分子材料拉伸应力典型高分子材料拉伸应力-应变曲线如图应变曲线如图7-2所示。所示。应力应力应变应变图图7-2 典型的拉伸应力典型的拉伸应力-应变曲线应变曲线 曲线特征：曲线特征：（1）OA段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力应变呈直段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力应变呈直线关系变化，直线斜率线关系变化，直线斜率 相当于材料弹性模量。相当于材料弹性模量。 Edd（2 2）越过）越过A点，应力应变曲线偏离直线，说明材料开始发点，应力应变曲线偏离直线，说明材料开始发生塑性形变，极大值生塑性形变，极大值Y点称材料的屈服点，其对应的应力、应点称材料的屈服点，其对

8、应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）变分别称屈服应力（或屈服强度） 和屈服应变和屈服应变 。发生。发生屈服时，试样上某一局部会出现屈服时，试样上某一局部会出现“细颈细颈”现象，材料应力略现象，材料应力略有下降，发生有下降，发生“屈服软化屈服软化”。 yy（3 3）随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，）随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈细颈”区越来越大。直到拉伸应变很大时，材料应力又略区越来越大。直到拉伸应变很大时，材料应力又略有上升（成颈硬化），到达有上升（成颈硬化），到达B点发生断裂。与点发生断裂。与B点对应的应点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度

9、）力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度） 和断裂和断裂伸长率伸长率 ，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。率。 BBBdW0（4）曲线下的面积等于）曲线下的面积等于（7-3）相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为Jm-3，称断，称断裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。 由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应变曲线由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类具有多种形状。归纳起来，可分为五类 。图图7-3

10、 高分子材料应力高分子材料应力-应变曲线的类型应变曲线的类型曲线的类型曲线的类型（1）硬而脆型）硬而脆型（2）硬而强型）硬而强型（3）硬而韧型）硬而韧型（4）软而韧型）软而韧型（5）软而弱型）软而弱型 （3）硬而韧型）硬而韧型 此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，应力应变曲线下的面积很大，说很高，断裂伸长率也很大，应力应变曲线下的面积很大，说明材料韧性好，是优良的工程材料。明材料韧性好，是优良的工程材料。（1）硬而脆型）硬而脆型 此类材料弹性模量高（此类材料弹性模量高（OA段斜率大）而断裂段斜率大）而断裂伸长率很小。在很小应变下，

11、材料尚未出现屈服已经断裂，断伸长率很小。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲裂强度较高。在室温或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。（2）硬而强型）硬而强型 此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长率小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为率小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为5%）。）。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。说明说明（5）软而弱型）软而弱型 此类材料弹性模量低，断裂强

12、度低，断裂伸长此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。（4）软而韧型）软而韧型 此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大（长率大（20%1000%），断裂强度可能较高，应力应变），断裂强度可能较高，应力应变曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力应变特征。力应变特征。 硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或细颈现象，细颈部分

13、可产生非常大的形变。随着形变的增细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。硝酸纤维素等属于这种材料。注意注意 材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件（如拉伸速率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很（如拉伸速率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也会发生大于慢速率下拉伸也会发生大于

14、100%的断裂伸长率，显现出硬而的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。韧型特点。 实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典型性，或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显型性，或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显的屈服和的屈服和“颈缩颈缩”，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。（二）（二） 影响拉伸行为的外部因素影

15、响拉伸行为的外部因素1、温度的影响、温度的影响图图7-4 聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变曲线随环境温度的变化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下） 环境温度对高分子材料环境温度对高分子材料拉伸行为的影响十分显著。拉伸行为的影响十分显著。温度升高，分子链段热运温度升高，分子链段热运动加剧，松弛过程加快，动加剧，松弛过程加快，表现出材料模量和强度下表现出材料模量和强度下降，伸长率变大，应力降，伸长率变大，应力应变曲线形状发生很大变应变曲线形状发生很大变化。化。 图图7-5 断裂强度断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势和屈服强度随温度的变化趋势 虚线虚线高拉伸速率高拉伸速率

16、实线实线低拉伸速率低拉伸速率 材料的拉伸断裂强度材料的拉伸断裂强度 和屈服强度和屈服强度 随环境温度而发生随环境温度而发生变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。 By 在温度升高过程中，材料发生脆在温度升高过程中，材料发生脆-韧转变。两曲线交点对韧转变。两曲线交点对应的温度称脆应的温度称脆-韧转变温度韧转变温度 。 tT 当环境温度小于当环境温度小于 时，时，材料的材料的 ，受外，受外力作用时，材料未屈服前力作用时，材料未屈服前先已断裂，呈脆性断裂特先已断裂，呈脆性断裂特征。征。 tTBy 环境温度高于环境温度高于 时，时， ，受外力作，受外力作用时，材料

17、先屈服，出现用时，材料先屈服，出现细颈和很大变形后才断裂，细颈和很大变形后才断裂，呈韧性断裂特征。呈韧性断裂特征。 tTBy2、拉伸速率的影响、拉伸速率的影响 减慢拉伸速率与升高环减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时相似的影响，这是时-温等温等效原理在高分子力学行为效原理在高分子力学行为中的体现。中的体现。 B图图7-6 断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势实线低环境温度 虚线高环境温度y 与脆与脆-韧转变温度相韧转变温度相似，根据图中两曲线交似，根据图中两曲线交点，可以定义脆点，可以定义脆-韧转韧转变（拉伸

18、）速率变（拉伸）速率 。拉伸速率高于拉伸速率高于 时，时，材料呈脆性断裂特征；材料呈脆性断裂特征；低于低于 时，呈韧性断时，呈韧性断裂特征。裂特征。 ttt 拉伸速率对材料的断裂强度拉伸速率对材料的断裂强度 和屈服强度和屈服强度 也有明也有明显影响显影响 。3、环境压力的影响、环境压力的影响图图7-7 聚苯乙烯的应力聚苯乙烯的应力-应变曲线应变曲线随环境压力的变化（随环境压力的变化（T=31） 右图可见，右图可见，PSPS在低环境压力在低环境压力（常压）下呈脆性断裂特点，（常压）下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低。随强度与断裂伸长率都很低。随着环境压力升高，材料强度增着环境压力升高，材料

19、强度增高，伸长率变大，出现典型屈高，伸长率变大，出现典型屈服现象，材料发生脆服现象，材料发生脆- -韧转变。韧转变。 研究发现，对许多非晶聚合研究发现，对许多非晶聚合物，如物，如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韧转变行为还与环境压力有关。韧转变行为还与环境压力有关。 这两种不同的脆这两种不同的脆-韧转变方式给我们以启发，告诉我们韧转变方式给我们以启发，告诉我们材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当的方法，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强的方法，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强度，实现既增韧又增强。塑料的非弹性体增韧改性技

20、术度，实现既增韧又增强。塑料的非弹性体增韧改性技术就是由此发展起来的（后详）。就是由此发展起来的（后详）。 比较图比较图7-4和和7 7-7可以发现，可以发现，升高环境温度和升高环境压升高环境温度和升高环境压力都能使高分子材料发生脆力都能使高分子材料发生脆-韧转变。但两种脆韧转变。但两种脆-韧转变方韧转变方式有很大差别。式有很大差别。两种脆两种脆-韧转变方式韧转变方式 升高温度使材料变韧，但其拉伸强度明显下降。升高温度使材料变韧，但其拉伸强度明显下降。 升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，材料变得强而韧。材料变得强而韧。（三）（三

21、） 强迫高弹形变与强迫高弹形变与“冷拉伸冷拉伸” 已知环境对高分子材料拉伸行为有显著影响，这儿再重点已知环境对高分子材料拉伸行为有显著影响，这儿再重点介绍在特殊环境条件下，高分子材料的两种特殊拉伸行为。介绍在特殊环境条件下，高分子材料的两种特殊拉伸行为。 1、非晶聚合物的强迫高弹形变、非晶聚合物的强迫高弹形变 图图7-4 聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变曲线随环境温度的变化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下） 研究高聚物拉伸破坏行为时，研究高聚物拉伸破坏行为时，特别要注意在较低温度下的拉伸、特别要注意在较低温度下的拉伸、屈服、断裂的情形。对于非晶聚屈服、断裂的情形。对

22、于非晶聚合物，当环境温度处于合物，当环境温度处于 时，虽然材料处于玻璃态，时，虽然材料处于玻璃态，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分之几百的大变材料仍能发生百分之几百的大变形（参见图形（参见图7-4中中T = 80，60的情形），这种变形称强迫高弹的情形），这种变形称强迫高弹形变。形变。 bTTgT（2 2）现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫）现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（种强

23、迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（ ）仍可恢复或部分恢复。仍可恢复或部分恢复。 TgT（1 1）这种现象既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘）这种现象既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘流态下的粘性流动。这是一种独特的力学行为。流态下的粘性流动。这是一种独特的力学行为。（3 3）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种“活化活化”作用。从链段的松弛运动来讲，提高应力降低了链作用。从链段的松弛运动来讲，提高应力降低了链段在作用力方向

24、上的运动活化能，减少了链段运动的松弛时段在作用力方向上的运动活化能，减少了链段运动的松弛时间，使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。间，使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。 讨论讨论RTEexp0E0 由（由（7-4）式可见，）式可见， 越大，越大， 越小，越小， 降低了链段降低了链段运动活化能。当应力增加致使链段运动松弛时间减小到与外运动活化能。当应力增加致使链段运动松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时，就可能产生强迫高弹变形。力作用时间同一数量级时，就可能产生强迫高弹变形。（4）研究表明，链段松弛时间）研究表明，链段松弛时间 与外应力与外应力 之间有如下之间有如下关系：关系：

25、 （7-4）式中：式中： 是链段运动活化能，是链段运动活化能， 是材料常数，是材料常数， 是未是未加应力时链段运动松弛时间。加应力时链段运动松弛时间。 2、晶态聚合物的、晶态聚合物的“冷拉伸冷拉伸”图图7-8 结晶聚合物在不同温度下的应力结晶聚合物在不同温度下的应力-应变曲线应变曲线 结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种形变称结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种形变称“冷拉伸冷拉伸”。结晶聚合物具有与非晶聚合物相似的拉伸应力应变曲线，见结晶聚合物具有与非晶聚合物相似的拉伸应力应变曲线，见图图7-87-8。 图中当环境温度低于图中当环境温度低于熔点时（熔点时（ ），虽），虽然晶区尚未熔融，材料然

26、晶区尚未熔融，材料也发生了很大拉伸变形。也发生了很大拉伸变形。见图中曲线见图中曲线3、4、5。 这种现象称这种现象称“冷拉冷拉伸伸”。 TmT（1 1）发生冷拉之前，材料有明显的屈服现象，表现为试样测试）发生冷拉之前，材料有明显的屈服现象，表现为试样测试区内出现一处或几处区内出现一处或几处“颈缩颈缩”。随着冷拉的进行，细颈部分不断。随着冷拉的进行，细颈部分不断发展，形变量不断增大，而应力几乎保持不变，直到整个试样测发展，形变量不断增大，而应力几乎保持不变，直到整个试样测试区全部变细。再继续拉伸，应力将上升（应变硬化），直至断试区全部变细。再继续拉伸，应力将上升（应变硬化），直至断裂。裂。 讨论讨论（2 2）虽然冷拉