高分子科学-第8章 聚合物的屈服与断裂

1、1第第8章章聚合物的屈服与断裂聚合物的屈服与断裂The yielding and fracture of polymers2本章的教学内容、要求和目的本章的教学内容、要求和目的教学内容：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重点要求：重点要求： 掌握聚合物的应力掌握聚合物的应力应变曲线；屈服和断裂现象及其机理；影响应变曲线；屈服和断裂现象及其机理；影响聚合物强度与韧性的因素及增韧、增强方法。聚合物强度与韧性的因素及增韧、增强方法。目的：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性能从分子结构、凝聚态

2、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。用要求。3不同条件下聚合物的力学行为：不同条件下聚合物的力学行为：高弹性、粘弹性和流动性高弹性、粘弹性和流动性研究聚合物的极限性质，即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或强大外力的短时作强大外力的短时作用用后，聚合物发生后，聚合物发生大大形变直至形变直至宏观破坏宏观破坏或或断裂断裂。4l电子拉力机电子拉力机l材料试验机材料试验机8.1.1 应力应力-应变曲线（应变曲线（stress-strain curve

3、s） 8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服 000lllll0FA玻璃态聚合物在不同温度下的应力玻璃态聚合物在不同温度下的应力- -应变曲线应变曲线5AAE YBYielding point 屈服点屈服点Breaking point 断裂点断裂点BYB应变软化应变软化(大形变区）大形变区）Cold drawing 冷拉冷拉应变硬化应变硬化典型非晶态聚合物在玻璃态的应力典型非晶态聚合物在玻璃态的应力-应变曲线应变曲线 y屈服应力或屈服强度；屈服应力或屈服强度； y 屈服应变（屈服伸长率）屈服应变（屈服伸长率） B断裂强度；断裂强度； B 断裂伸长率断裂伸长率 y6Y点以前普弹形变点以前普

4、弹形变：应力与应变成正：应力与应变成正比，斜率为扬氏模量。形变小，比，斜率为扬氏模量。形变小，键键长、键角的变化长、键角的变化Y点屈服（点屈服（ 塑性区域）塑性区域） ：在大应力：在大应力作用下链段开始运动，作用下链段开始运动，应变软化应变软化：应变增加，应力略下降，：应变增加，应力略下降，模量下降，模量下降，链段运动链段运动，除去外力后，除去外力后，有永久变形。有永久变形。大形变区（冷拉）大形变区（冷拉）：应力基本不变应变增加很大，：应力基本不变应变增加很大， 升温至升温至Tg可回复可回复（强迫高弹形变强迫高弹形变）应变硬化应变硬化：应力增加：应力增加,分子链沿外力方向伸展分子链沿外力方向伸

5、展形成取向结构形成取向结构B点：断裂点点：断裂点7你能解你能解释吗？释吗？屈服屈服（链段开（链段开始运动）始运动）应变软化应变软化（链段运动）（链段运动）应变硬化应变硬化（分子链沿（分子链沿外力取向外力取向形形变不可回复变不可回复）断裂断裂冷拉冷拉（强（强迫高弹形变）迫高弹形变）从分子运动机理解释形变过程从分子运动机理解释形变过程 弹性形变弹性形变（键（键长键角变化，形长键角变化，形变小可回复）变小可回复）8 玻璃态高聚物在屈服点后大外力作用下发生的大形变，本质与橡胶的高弹玻璃态高聚物在屈服点后大外力作用下发生的大形变，本质与橡胶的高弹形变一样都是链段运动引起的，并不是分子链的滑移，只不过表现

6、形式有差别。形变一样都是链段运动引起的，并不是分子链的滑移，只不过表现形式有差别。由于聚合物处在玻璃态，形变在停止拉伸后无法自动恢复，但是如果让温度升由于聚合物处在玻璃态，形变在停止拉伸后无法自动恢复，但是如果让温度升到到Tg附近形变又可恢复。附近形变又可恢复。强迫高弹形变强迫高弹形变9RTEexp0 降低了链段运动的活化能，降低了链段运动的活化能，减小。当应力增加使链段运减小。当应力增加使链段运动的松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时，链段动的松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时，链段开始运动，产生强迫高弹变形。开始运动，产生强迫高弹变形。链段松弛时间链段松弛时间与外应力与外应力的关

7、系：的关系： E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，0是未加应力时链是未加应力时链段松弛时间。段松弛时间。强迫高弹形变产生的原因：强迫高弹形变产生的原因：10强迫高弹形变产生的条件强迫高弹形变产生的条件: :（1）温度：）温度：TbTgRTEexp0温度越低温度越低链段运动的松链段运动的松弛时间弛时间越大越大必须使用更必须使用更大外力大外力强迫高弹形变强迫高弹形变存在一个特征温度存在一个特征温度Tb，如果低于该温度，玻璃态高聚物不，如果低于该温度，玻璃态高聚物不能发生强迫高弹形变，而只会发生脆性断裂，该温度能发生强迫高弹形变，而只会发生脆性断裂，该温度称为称为脆化温度。

8、脆化温度。非晶态塑料的使用温度范围非晶态塑料的使用温度范围: TbTg（2 2） 应力：应力： B y（断裂应力大于屈服应力）断裂应力大于屈服应力）当应力增加到一定值（屈服应力）时，被冻结的高分子链当应力增加到一定值（屈服应力）时，被冻结的高分子链段运动产生大的形变。段运动产生大的形变。增加应力与升高温度对松弛时间的影响是相同的。增加应力与升高温度对松弛时间的影响是相同的。11断裂能断裂能d断裂能：材料从开始拉伸至破坏所断裂能：材料从开始拉伸至破坏所吸收的能量，反映材料拉伸断裂韧吸收的能量，反映材料拉伸断裂韧性大小性大小12从应力从应力应变曲线可以获得的信息应变曲线可以获得的信息屈服强度（屈服

9、强度（y）屈服伸长率（屈服伸长率（ y） 杨氏模量（杨氏模量（OA段斜率）段斜率） 断裂强度（断裂强度（ B） 断裂伸长率（断裂伸长率（ B ） 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）聚合物的断裂聚合物的断裂脆性断裂脆性断裂 :屈服点前断裂屈服点前断裂韧性断裂韧性断裂 ：屈服点后断裂：屈服点后断裂13 8.1.2 影响应力影响应力-应变曲线的因素应变曲线的因素1. 温度温度 12345图图8 非晶聚合物不同温度下的非晶聚合物不同温度下的 曲线曲线T曲线曲线1： TTg ，硬玻璃态，硬玻璃态，键长键长键角的变化，形变小，高模量键角的变化，形变小，高模量脆性断裂脆性断裂曲线曲

10、线4：高弹态，：高弹态，无屈服点，形变大，链段运动，高弹形变。无屈服点，形变大，链段运动，高弹形变。曲线曲线5：粘流态，：粘流态，分子链运动，模量很小，不可逆形变。分子链运动，模量很小，不可逆形变。曲线曲线2.3： TbTTg，软玻璃态：，软玻璃态：出现强迫高弹形变，外力除去后，出现强迫高弹形变，外力除去后，形变不能回复，但是升温到形变不能回复，但是升温到Tg时，时，形变回复。形变回复。14a: TTg c: TTg (几十度几十度)d: T接近或大于接近或大于Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆性断裂（应变脆性断裂（应变10） 韧性断裂

11、（应变大）韧性断裂（应变大）无屈服无屈服屈服后断裂（屈服后断裂（应变应变20） Results TT温度升高，材料变得软而韧，断裂强度下降，断裂伸长率增加；温度升高，材料变得软而韧，断裂强度下降，断裂伸长率增加；温度下降，材料变硬变脆，断裂强度增加，断裂伸长率减小温度下降，材料变硬变脆，断裂强度增加，断裂伸长率减小152. 拉伸速率拉伸速率拉伸速率拉伸速率拉伸速率拉伸速率PMMA增加拉伸速率与降低温度一致：模量、屈服应力、断裂强度增加，断裂伸长增加拉伸速率与降低温度一致：模量、屈服应力、断裂强度增加，断裂伸长率减小率减小由于聚合物的粘弹性本质，温度与应变速率对其影响由于聚合物的粘弹性本质，温度

12、与应变速率对其影响是相同的是相同的时时-温等效原理温等效原理163. 结晶结晶- -普弹形变普弹形变屈服，缩颈（应变变大，应屈服，缩颈（应变变大，应力下降）力下降）强迫高弹形变强迫高弹形变- -细颈化细颈化: :试样重新被均匀拉伸，试样重新被均匀拉伸，应变随应力增加应变硬化应变随应力增加应变硬化与非晶态聚合与非晶态聚合物的拉伸机理物的拉伸机理相同吗？相同吗？与非晶态聚合物相比成颈现象更与非晶态聚合物相比成颈现象更为明显（转折更明显）为明显（转折更明显）17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相似：都经历都经历弹性形变、屈服、发展大形变、应变硬化、断裂弹性形变

13、、屈服、发展大形变、应变硬化、断裂等阶段。等阶段。其中大形变在室温时都不能自发回复，加热后可回复，故本质其中大形变在室温时都不能自发回复，加热后可回复，故本质上两种拉伸造成的大形变都是上两种拉伸造成的大形变都是强迫高弹形变强迫高弹形变“冷拉冷拉”。区别区别：（1）产生冷拉的温度范围不同，产生冷拉的温度范围不同，非晶态非晶态TbTg结晶态结晶态TbTm（2）玻璃态聚合物在冷拉过程中凝聚态只发生）玻璃态聚合物在冷拉过程中凝聚态只发生分子链的分子链的取向不发生相变取向不发生相变；晶态聚合物还包含；晶态聚合物还包含结晶的破坏、取向结晶的破坏、取向和再结晶等过程和再结晶等过程(相变）。相变）。18结晶度

14、结晶度结晶度增加，屈服应力、结晶度增加，屈服应力、模量、强度等提高，断模量、强度等提高，断裂伸长率降低裂伸长率降低球晶大小大球晶使模量提高，断大球晶使模量提高，断裂伸长率和韧性降低裂伸长率和韧性降低19 5）软而弱：凝胶，模量低，有一定延伸，强度低）软而弱：凝胶，模量低，有一定延伸，强度低1）硬而脆：）硬而脆：PS, PMMA等，屈服点前等，屈服点前脆性断裂脆性断裂，模量高，拉伸强度大，断裂伸长率低模量高，拉伸强度大，断裂伸长率低22）硬而强）硬而强:硬质硬质PVC，韧性断裂，应，韧性断裂，应力软化，断裂强度小于屈服应力，模力软化，断裂强度小于屈服应力，模量高，韧性小，拉伸强度大，断裂伸量高，

15、韧性小，拉伸强度大，断裂伸长率长率5（非应变硬化断裂非应变硬化断裂）4）软而韧）软而韧:橡胶，模量低，屈服点低或无屈服点，橡胶，模量低，屈服点低或无屈服点，y=0, 伸伸长率大，柔性好长率大，柔性好3）强而韧）强而韧:尼龙尼龙66，PC，应变硬化，断裂强度大于屈服应力，应变硬化，断裂强度大于屈服应力，模量高，韧性大，强度高，断裂伸长率可达模量高，韧性大，强度高，断裂伸长率可达1000（应变硬化（应变硬化断裂）断裂）4. 聚合物的类型聚合物的类型20“软软”和和“硬硬”指模量的低或高，应力应变曲线的斜率，表征材料抵抗形变的指模量的低或高，应力应变曲线的斜率，表征材料抵抗形变的能力，斜率越大，模量

16、越高，刚性越大，材料越硬能力，斜率越大，模量越高，刚性越大，材料越硬“弱弱”和和“强强”是指强度的大小，断裂时的应力高低是指强度的大小，断裂时的应力高低“脆脆”指无屈服现象而且断裂伸长很小，指无屈服现象而且断裂伸长很小，“韧韧”指断裂伸长和断裂应力都较指断裂伸长和断裂应力都较高。高。弹性模量弹性模量硬（刚）硬（刚） 软软断裂强度断裂强度强强 弱弱断断 裂裂 功功脆脆 韧韧21聚合物力学类型聚合物力学类型硬而脆硬而脆硬而强硬而强强而韧强而韧软而韧软而韧软而弱软而弱聚合物应力聚合物应力应变曲线应变曲线应应力力应应变变曲曲线线特特点点模模 量量（刚性）（刚性）高高高高高高低低低低屈服应力屈服应力（强

17、度）（强度）高高高高高高低低低低断裂强度断裂强度（强度）（强度）中中高高高高中中低低断裂伸长断裂伸长（延性）（延性）低低 2%中中 5% 高高高高中中应力应变曲线应力应变曲线下面积（韧）下面积（韧）小小中中大大中中小小实实例例PS;PMMA固固化酚醛树脂化酚醛树脂断裂前无塑断裂前无塑性形变性形变硬硬PVC;PVC与与PS共共混物混物ABS;PC;PE;PA;POM;nylon-66有明显的屈有明显的屈服和塑性形服和塑性形变变.韧性好韧性好橡胶橡胶;增塑增塑PVC, PE, PTFE聚合物凝胶聚合物凝胶（无规（无规PP）22 练习：有三种材料的应力练习：有三种材料的应力-应变曲线如下图所示应变曲

18、线如下图所示l哪种材料的弹性模量最高？哪种材料的弹性模量最高？l哪种材料的断裂强度最高？哪种材料的断裂强度最高？l哪种材料在断裂前没有明显的塑性变形？哪种材料在断裂前没有明显的塑性变形？l哪种材料的伸长率最大？哪种材料的伸长率最大？l哪种材料的断裂能最大？哪种材料的断裂能最大？判断顺丁橡胶、尼龙判断顺丁橡胶、尼龙6、聚苯乙烯分别对应哪种材、聚苯乙烯分别对应哪种材料的曲线？料的曲线？23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 发生发生“塑性流动塑性流动”，即链段沿外力方向开始取向。，即链段沿外力方向开始取向。屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为屈服

19、点的应变相当大，剪切屈服应变为10%-20%（金（金属属1）。）。屈服点后，大多数高聚物呈现应力下降，叫做应变软化。屈服点后，大多数高聚物呈现应力下降，叫做应变软化。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，试样表面产生屈服发生时，试样表面产生“银纹银纹”或或“剪切带剪切带”, 继继而整个样条局部出现而整个样条局部出现“细颈细颈”。屈服主要特征屈服主要特征8.1.3 屈服与细颈屈服与细颈24Strain 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，称为继续屈服，包括：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：

20、应变软化应变软化：屈服后，应变增加，应力反而有稍许下跌的现象：呈现塑：屈服后，应变增加，应力反而有稍许下跌的现象：呈现塑性不稳定性，最常见的为性不稳定性，最常见的为细颈细颈。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。“取向硬化取向硬化”: 应力急剧上升。应力急剧上升。 断裂断裂25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”的位置的位置松弛时间变短松弛时间变短屈服点后的应变软化屈服点后的应变软化出现出现“细颈细颈”的原因的原因细颈细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。屈服时，试样出现

21、的局部变细的现象。 无外力无外力有外力有外力 RTEe0RTaEe0细颈稳定细颈稳定取向硬化取向硬化 成颈与冷拉成颈与冷拉26冷拉冷拉Cold drawing图图7 Necking and cold drawing 脆性聚合物在断裂前试样并脆性聚合物在断裂前试样并没有明显变化，断裂面一般与拉没有明显变化，断裂面一般与拉伸方向垂直，而且很光洁伸方向垂直，而且很光洁韧性聚合物在屈服后产生细颈韧性聚合物在屈服后产生细颈（neck），之后细颈逐渐扩展，应），之后细颈逐渐扩展，应变增加而应力不变，这种现象称为变增加而应力不变，这种现象称为冷拉（冷拉（cold drawing），直至细颈扩），直至细颈扩展

22、到整个试样，应力才重新增加并展到整个试样，应力才重新增加并使试样断裂使试样断裂冷拉是强迫高弹形变，对于非晶聚合物，主要是冷拉是强迫高弹形变，对于非晶聚合物，主要是链段取向；对于结晶聚合物，主要是晶粒的变形链段取向；对于结晶聚合物，主要是晶粒的变形 冷拉成颈的工业意义：纤维的牵伸；塑料的冲压成型。冷拉成颈的工业意义：纤维的牵伸；塑料的冲压成型。27Necking 颈缩现象颈缩现象为什么会出现细颈？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？28（1）剪切屈服）剪切屈服-是韧性聚合物在单向是韧性聚合物在单向拉伸至屈服点时出现的与拉伸方向成约拉伸至屈服点时出现的与拉伸方

23、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(剪切带剪切带)（2）剪切带有明显的双折射现象，剪切带有明显的双折射现象，厚厚度约度约1m，在剪切带内部，高分子链沿，在剪切带内部，高分子链沿外力方向高度取向，外力方向高度取向，每个剪切带由若干每个剪切带由若干个细小的不规则微纤构成。个细小的不规则微纤构成。剪切带内部剪切带内部没有空隙，因此形变过程没有明显的体没有空隙，因此形变过程没有明显的体积变化积变化。（3）剪切带的产生与发展吸收了大量）剪切带的产生与发展吸收了大量能量，使材料韧性提高能量，使材料韧性提高8.1.4 剪切屈服剪切屈服29cos0AA cosFFnsinFFs受受 力力2

24、00coscos/cosAFn法向应力法向应力2sin21cossin00AFs剪切应力剪切应力横截面横截面A0, 受到的应力受到的应力 0=F/A030 法向应力与材料的抗拉伸能力有关，法向应力与材料的抗拉伸能力有关，极限值取决于分极限值取决于分子主链的强度（键能）。材料在子主链的强度（键能）。材料在法向应力法向应力作用下发生破坏作用下发生破坏时往往伴随主链的断裂。时往往伴随主链的断裂。 切向应力与材料的抗剪切能力相关，切向应力与材料的抗剪切能力相关，极限值取决于分子间极限值取决于分子间内聚力。材料在内聚力。材料在切向应力切向应力作用下发生屈服时往往发生分子链作用下发生屈服时往往发生分子链的

25、相对滑移。的相对滑移。 垂直应力下的分子链断裂（垂直应力下的分子链断裂（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）31 =0 n= 0 s=0 =45 n= 0/2 s= 0/2 =90 n=0 s=0200coscos/cosAFn200coscos/cosAFn2 sin21cossin00AFs2sin21cossin00AFs 0 0 /2 0o45o90o an as抗张强度抗张强度(抵抗拉力的作用抵抗拉力的作用)什么面最大？什么面最大？ =0 ， n= 0抗剪强度（抵抗剪力作用）什么面最大？抗剪强度（抵抗剪力作用）什么面最大？ =45 ， s= 0/232 当应力

26、当应力 0增加时，增加时，法向应力和切向应力增大的幅度法向应力和切向应力增大的幅度不同不同（分子链滑移比分子链断裂容易）（分子链滑移比分子链断裂容易） ， 45o斜面上切斜面上切应力首先达到最大剪切强度应力首先达到最大剪切强度-出现剪切带。出现剪切带。01sin22s012s012Y切应力双生互等定律：切应力双生互等定律：两个互相垂直的斜截面上的剪应力两个互相垂直的斜截面上的剪应力数值相等，方向相反，它们不能单独存在总是同时出现。数值相等，方向相反，它们不能单独存在总是同时出现。 33 在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力变化十在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力变化十分复杂，断裂和屈

27、服都有可能发生，不同聚合物抵抗拉分复杂，断裂和屈服都有可能发生，不同聚合物抵抗拉伸和剪切的破坏能力不同伸和剪切的破坏能力不同 韧性材料拉伸时，斜截面上的最大切应力首先增加到韧性材料拉伸时，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，并出现与拉伸方向成材料的剪切强度，因此材料屈服，并出现与拉伸方向成4545角的角的剪切滑移变形带剪切滑移变形带。进一步拉伸时，剪切带中分。进一步拉伸时，剪切带中分子链高度取向使强度提高，暂时不发生变形，而其边缘子链高度取向使强度提高，暂时不发生变形，而其边缘则进一步发生剪切变形。在则进一步发生剪切变形。在135135的斜截面上也发生剪切的斜截面上也发

28、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。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，断面与拉伸方向相垂直。屈服就断裂了，断面与拉伸方向相垂直。34银纹现象：玻璃态聚合物在张应力作用下，在某些薄弱部分银纹现象：玻璃态聚合物在张应力作用下，在某些薄弱部分出现应力集中而产生局部的塑性形变的取向，以至在材料表出现应力集中而产生局部的塑性形变的取向，以至在材料表面

29、或内部面或内部垂直于应力方向垂直于应力方向上出现长度为上出现长度为100100m m，宽度为，宽度为1010m m左左右，厚度为右，厚度为1 1m m的微细凹槽现象。的微细凹槽现象。特征：应力发白现象，密度为本体的特征：应力发白现象，密度为本体的5050，高度取向的高分，高度取向的高分子微纤。银纹进一步发展子微纤。银纹进一步发展裂缝裂缝脆性断裂。脆性断裂。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 8.1.5 Crazing 银纹屈服银纹屈服35Microstructure of crazing微纤微纤 Microfibril微纤与外力方向平行，银纹长度方微纤与外力方向平行，银纹

30、长度方向与外力垂直。向与外力垂直。也称为银纹质也称为银纹质36银银纹纹的的扩扩展展中间分子链断中间分子链断裂裂扩展扩展形成裂纹形成裂纹37银纹、裂纹、裂缝银纹、裂纹、裂缝裂缝是宏观开裂，内部质量裂缝是宏观开裂，内部质量为零；而银纹不是空的，内为零；而银纹不是空的，内部有物质填充，仍具有一定部有物质填充，仍具有一定强度，强度，该物质称银纹质，是该物质称银纹质，是由高度取向的聚合物纤维束由高度取向的聚合物纤维束构成。构成。银纹具有可逆性，银纹具有可逆性，加加热退火会使银纹消失热退火会使银纹消失 。F银纹体的密度为本体密度的银纹体的密度为本体密度的50%，折光指数也低于，折光指数也低于聚合物本体折光

31、指数，因此在光的折射作用下呈现聚合物本体折光指数，因此在光的折射作用下呈现银光闪闪的纹路（银光闪闪的纹路（应力发白应力发白）。）。38 银纹和剪切带是高分子材料发生屈服的两种主要形式。银纹和剪切带是高分子材料发生屈服的两种主要形式。 银纹是垂直应力作用下发生的屈服银纹是垂直应力作用下发生的屈服，方向与应力方向垂直；，方向与应力方向垂直； 剪切带是剪切应力作用下发生的屈服，剪切带是剪切应力作用下发生的屈服，方向与应力成方向与应力成45和和135角。角。 无论发生银纹或剪切带，都需要消耗大量能量，从而使材料无论发生银纹或剪切带，都需要消耗大量能量，从而使材料韧性提高。韧性提高。发生银纹时材料内部会

32、形成微空穴（空穴化现象），体积略有涨大；形发生银纹时材料内部会形成微空穴（空穴化现象），体积略有涨大；形成剪切屈服时，材料体积不变。成剪切屈服时，材料体积不变。39银纹和剪切带银纹和剪切带主要主要区别区别剪切屈服剪切屈服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均有分子链取向，吸收能量，呈现屈

33、服现象均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象40小结小结l应力应力-应变曲线应变曲线l分子运动机理与影响因素分子运动机理与影响因素l玻璃态与晶态应力玻璃态与晶态应力-应变曲线的不同应变曲线的不同; l强迫高弹形变（概念、原因与条件）强迫高弹形变（概念、原因与条件）l屈服屈服l屈服特征屈服特征l剪切屈服与银纹屈服剪切屈服与银纹屈服411、拉伸实验中，应力应变曲线初始部分的斜率和曲线、拉伸实验中，应力应变曲线初始部分的斜率和曲线下的面积分别反映材料的（下的面积分别反映材料的（ ）。）。A、拉伸强度、断裂伸长率、拉伸强度、断裂伸长率 B、杨氏模量、断裂能、杨氏模量、断裂能 C、屈服强度、屈服应力、屈

34、服强度、屈服应力 D、冲击强度、冲击能、冲击强度、冲击能2、在聚甲基丙烯酸甲酯的拉伸试验中，温度升高则、在聚甲基丙烯酸甲酯的拉伸试验中，温度升高则（ ）。）。、B升高、升高、B降低，降低， B、B降低、降低、B升高，升高，C、B升高、升高、B升高，升高， 、B降低、降低、B降低，降低，3、在高分子材料的拉伸试验中，提高拉伸速率时，则在高分子材料的拉伸试验中，提高拉伸速率时，则（ ）。）。 、B升高、升高、B降低，降低， B、B降低、降低、B升高，升高， C、B升高、升高、B升高，升高， 、B降低、降低、B降低降低4. 在在 （ ）温度范围内，玻璃态聚合物才具有典型的应力）温度范围内，玻璃态聚合

35、物才具有典型的应力-应变曲线。应变曲线。 A、TbTTg B、TgTTf C、TgTTm 练习题练习题421 1、分别画出等规分别画出等规PP、乙丙橡胶（乙烯、乙丙橡胶（乙烯丙烯共聚物）丙烯共聚物）及无规及无规PP在在25时的应力时的应力应变曲线，并加以说明应变曲线，并加以说明 思思 考考 题题2、试比较非晶态高聚物的强迫高弹行和结晶高聚物的冷、试比较非晶态高聚物的强迫高弹行和结晶高聚物的冷拉和成颈，并指出强迫高弹形变产生的条件拉和成颈，并指出强迫高弹形变产生的条件3、研究玻璃态聚合物大形变，常采用什么实验方法？说明、研究玻璃态聚合物大形变，常采用什么实验方法？说明聚合物两种断裂的特点，并画出

36、两种断裂的应力应变曲聚合物两种断裂的特点，并画出两种断裂的应力应变曲线线 三种聚合物的应力应变曲线三种聚合物的应力应变曲线43回顾回顾l应力应力-应变曲线应变曲线l分子运动机理与影响因素分子运动机理与影响因素l玻璃态与晶态应力玻璃态与晶态应力-应变曲线的不同应变曲线的不同; l强迫高弹形变（概念、原因与条件）强迫高弹形变（概念、原因与条件）l屈服屈服屈服特征屈服特征剪切屈服与银纹屈服剪切屈服与银纹屈服44已知聚甲基丙烯酸甲酯的应力松弛模量已知聚甲基丙烯酸甲酯的应力松弛模量E(t)-T曲线如图所曲线如图所示，画出图中由示，画出图中由指示状态下应力指示状态下应力-应变行为（其它测试应变行为（其它测

37、试条件同）。条件同）。(1)(2)(3)(4)TbTgTf 1234 曲线曲线458.2 聚合物的断裂与强度聚合物的断裂与强度如何区分断裂形式？如何区分断裂形式？关键看屈服关键看屈服屈服屈服前前断断脆脆性断裂性断裂屈服屈服后后断断韧韧性断裂性断裂468.2.1 脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂脆性断裂脆性断裂断裂面形状断裂面形状和和断裂能断裂能是区别脆性和韧性断裂最主要的指标。是区别脆性和韧性断裂最主要的指标。 试样发生脆性或者韧性断裂与材料组成有关，还与温度试样发生脆性或者韧性断裂与材料组成有关，还与温度T 和拉伸速度和拉伸速度 有关有关。47脆性断裂和韧性断裂表面脆性断裂和韧性断裂表面

38、 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48Comparing of brittle and ductile fractures脆性断裂脆性断裂韧性断裂韧性断裂 - 线线屈服屈服 b断裂能断裂能断裂表面断裂表面断裂原因断裂原因49脆韧转变温度脆韧转变温度 TbTbBrittle ductile transition 脆韧转变脆化温度，脆化点脆化温度，脆化点在一定速率下（不同温度）测定的在一定速率下（不同

39、温度）测定的断裂应力和屈服应力，作断裂应力和屈服应力，作断裂应力断裂应力和和屈服应力屈服应力随温度的变化曲线，两随温度的变化曲线，两曲线的交点就是脆韧转变点。曲线的交点就是脆韧转变点。Tb是塑料耐寒的指标，对应于链节等较小运动单元的运动是塑料耐寒的指标，对应于链节等较小运动单元的运动50脆脆性断裂和性断裂和韧韧性断裂的判断性断裂的判断TTb, 先达到 y，韧韧性断裂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越低材料韧性越越低材料韧性越51Example PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100CTb=9.5C室温下脆还是韧？52Example PC聚碳酸酯

40、聚碳酸酯Tg=150CTb=-100C室温下易不易碎？刚性聚合物刚性聚合物Tb低，低，Tb-Tg区间越大，材料用途越广。区间越大，材料用途越广。53影响影响 Tb的因素的因素（1）在恒定的应变速率下：低温在恒定的应变速率下：低温脆性形式向高温韧性形式转变脆性形式向高温韧性形式转变54增加应变速率增加应变速率，脆化温度如何变化？，脆化温度如何变化？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？（2）应变速率应变速率上升，表现为脆性；上升，表现为脆性；应变速率下降，表现为韧性应变速率下降，表现为韧性（3）存在缺口存在缺口，形成应力集中，形成应力集中，趋向于脆性，脆化温

41、度升高。趋向于脆性，脆化温度升高。55强度是指物质强度是指物质抵抗破坏的能抵抗破坏的能力力8.2.2 聚合物的强度（聚合物的强度（Tensile strength）56屈服强度屈服强度断裂强度断裂强度bdPtb-试样厚度，试样厚度，d-试样宽度试样宽度 拉伸强度拉伸强度 在规定实验条件下，试样被在规定实验条件下，试样被拉断时承受的最大载荷拉断时承受的最大载荷P与试样横截面积的比值。与试样横截面积的比值。 单位单位-N/m2或或Pa拉伸模量拉伸模量57Pdbl0/2l0/2抗弯强度测定试验示意图抗弯强度测定试验示意图 抗弯抗弯强度强度 也称挠曲强度或弯曲强度。也称挠曲强度或弯曲强度。 在规定试验

42、条件下，对标准试样施加静弯曲力矩直到试样被折断为止，试验过在规定试验条件下，对标准试样施加静弯曲力矩直到试样被折断为止，试验过程中最大载荷程中最大载荷P，则抗弯强度则抗弯强度 f为：为： f =1.5Pl0/bd2 58材料断裂方式分析材料断裂方式分析强度理论值强度理论值主要主要方式方式分子之间相互作用力大小对强度影响最大分子之间相互作用力大小对强度影响最大591、高分子结构的影响、高分子结构的影响 增加分子链极性或氢键可使强度提高，增加分子链极性或氢键可使强度提高，但极性基团过密但极性基团过密或取代基过大则阻碍链段运动，不能实现强迫高弹性，表或取代基过大则阻碍链段运动，不能实现强迫高弹性，表

43、现为脆性断裂。现为脆性断裂。（1）链刚性增加（主链或侧链含芳杂环，侧基极性或氢）链刚性增加（主链或侧链含芳杂环，侧基极性或氢键作用），强度提高。键作用），强度提高。 （2） 分子链支化度提高，分子间作用力减小，拉伸强度分子链支化度提高，分子间作用力减小，拉伸强度降低。降低。MMC时，拉伸强度对分子量不再敏感时，拉伸强度对分子量不再敏感（3）分子量）分子量影响拉伸强度的因素影响拉伸强度的因素（4） 交联：交联：适度交联，强度提高，过分交联，强度下降适度交联，强度提高，过分交联，强度下降60（5） 结晶的影响结晶的影响1 1）由于结晶使分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作由于结晶使分子链排列紧密

44、有序，孔隙率低，分子间作用增强用增强, ,结晶度结晶度，材料的拉伸强度、硬度、弹性模量均提高，材料的拉伸强度、硬度、弹性模量均提高，但断裂伸长率和韧性但断裂伸长率和韧性 。 3 3）晶体形态：同一聚合物，伸直链晶体的拉伸强度最大，串）晶体形态：同一聚合物，伸直链晶体的拉伸强度最大，串晶次之，球晶最小。晶次之，球晶最小。 2 2） 小球晶能使材料的强度和韧性提高，而大球晶将小球晶能使材料的强度和韧性提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降。使断裂伸长和韧性下降。（6） 取向取向 取向后在平行于取向方向的强度、模量和伸长率提高，而取向后在平行于取向方向的强度、模量和伸长率提高，而在垂直于取向方向的强度

45、和伸长率降低。在垂直于取向方向的强度和伸长率降低。61（7 7）缺陷）缺陷 如果材料存在缺陷，如果材料存在缺陷，受力时材料内部应力分布将发生变受力时材料内部应力分布将发生变化，使缺陷附近局部范围内的应力急剧增加，远远超过应化，使缺陷附近局部范围内的应力急剧增加，远远超过应力平均值，这种现象称为力平均值，这种现象称为应力集中应力集中。 应力集中物应力集中物包括裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质等，是包括裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质等，是造成高聚物实际强度与理论强度巨大差别的主要原因之一。造成高聚物实际强度与理论强度巨大差别的主要原因之一。强度强度（8）增塑剂）增塑剂 增塑剂对高聚物有稀释作用，减小高分

46、子链之间的作增塑剂对高聚物有稀释作用，减小高分子链之间的作用力，导致强度降低。用力，导致强度降低。Tg模量模量，拉伸强度，拉伸强度62总结：分子结构因素总结：分子结构因素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63外界因素外界因素温度高温度高应变速率小应变速率小拉伸强度拉伸强度 t 由于共聚物是粘弹性材料，其破坏过程是松弛过程，由于共聚物是粘弹性材料，其破坏过程是松弛过程，提高拉伸速度与降低温度的效果是一致的。提高拉伸速度与降低温度的效果是一致的。 64 材料断裂

47、时三种方式（材料断裂时三种方式（兼而有之，聚合物理论兼而有之，聚合物理论断裂强度在几千断裂强度在几千MPa，而实际只有几十，而实际只有几十Mpa。即即聚合物实际强度与理论强度相差很大聚合物实际强度与理论强度相差很大e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryeriment)100011001(exp8.2.3 断裂理论断裂理论 Griffith crack theory65为什么材料的实际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？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？缺陷处应力集缺陷处应力集中中缺陷处应力多大？缺陷处应力多大？Griffit

48、h theory66考察椭圆周围什么地方受力最大？应力集中处（多大？）应力集中处（多大？）Ellipsoidab公式表达公式表达)21 (0bat对圆形，对圆形，a=b03t对椭圆，对椭圆，a增加，增加，b减小减小t最终结果断裂最终结果断裂打破沙锅打破沙锅问问到底到底问问=纹纹无限大平板中无限大平板中椭圆形裂缝的椭圆形裂缝的应力集中应力集中67格里菲思脆性断裂理论格里菲思脆性断裂理论讨论什么时候裂纹开始扩展讨论什么时候裂纹开始扩展aEGccE-弹性储存能弹性储存能Gc-拉伸过程中材料所吸收的能量拉伸过程中材料所吸收的能量a-裂缝长度的一半裂缝长度的一半裂缝扩展的临界应力裂缝扩展的临界应力从能量

49、平衡的观点分析断裂过程：从能量平衡的观点分析断裂过程：断裂产生新的表面，所需表面能由材料内部的弹性储能减小来补偿。断裂产生新的表面，所需表面能由材料内部的弹性储能减小来补偿。裂缝附近集中了大量弹性储能，裂缝处先断裂。裂缝附近集中了大量弹性储能，裂缝处先断裂。68应力强度因子应力强度因子KIaK1裂纹扩展动力裂纹扩展动力KIC 表征材料阻止裂纹扩展的能力，是材料抵抗脆性破坏表征材料阻止裂纹扩展的能力，是材料抵抗脆性破坏能力的指标，也称做断裂韧性。能力的指标，也称做断裂韧性。 ccIcEGaK临界应力强度因子临界应力强度因子 KIc裂纹扩展阻力裂纹扩展阻力临界应力强度临界应力强度KIc应力强度因子

50、应力强度因子KI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KI裂纹裂纹扩展扩展69Exercise现有一块有机玻璃现有一块有机玻璃(PMMA)板，内有长度为板，内有长度为10mm的中心裂的中心裂纹，该板受到一个均匀的拉伸应力纹，该板受到一个均匀的拉伸应力 =450 106N/m2的作用的作用力。已知该材料的临界应力强度因子力。已知该材料的临界应力强度因子KIc=84.7 106N/m2.m1/2, 问板材结构是否安全？问板材结构是否安全？aK1a =10mm/2=5*10-3m2/ 126361/10*4 .5610*5*10*450mmNK临界应力强度KIc应力强

51、度因子KI裂纹稳定稳定708.2.4 聚合物的增强聚合物的增强 Reinforcement活性粒子（活性粒子（ Powder）纤维纤维 Fiber液晶液晶 Liquid Crystal C ，SiO2 Glass fiber, Carbon fiberPolyesterFiller填料填料增强途径增强途径通过复合作用提高材料力学强度通过复合作用提高材料力学强度增强作用增强作用随增强剂含量的增加，聚合物的弹性模量和拉伸强度增加，随增强剂含量的增加，聚合物的弹性模量和拉伸强度增加，而断裂伸长率下降，由韧性向脆性转变。而断裂伸长率下降，由韧性向脆性转变。71（1）活性粒子增强）活性粒子增强Carbo

52、n black reinforcement橡胶橡胶+碳黑碳黑增强机理：活性粒子的表面效应吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子增强机理：活性粒子的表面效应吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子起物理交联点的作用。起物理交联点的作用。惰性填料：加入廉价的填料降低成本。稀释作用，使材料强惰性填料：加入廉价的填料降低成本。稀释作用，使材料强度降低。度降低。例：例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉滑石粉72（2）纤维增强）纤维增强Glass steel boatglassy fiber+polyester纤维状填料纤维状填料：棉，麻，丝等天然纤维，玻璃纤维，碳纤：棉，麻，丝等天然纤维，玻璃纤维，碳纤维

53、，石墨纤维，硼纤维，超细金属纤维与晶须纤维等维，石墨纤维，硼纤维，超细金属纤维与晶须纤维等基体：基体：热塑性树脂、热固性树脂、橡胶类热塑性树脂、热固性树脂、橡胶类增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷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73（3）液晶原位增强）液晶原位增强增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微纤结构而增强。微纤结构是加工过程中由液晶棒状分子在纤结构而增强。微纤结构是加工过程中由液晶棒状分子在共混物基体中就地形

54、成的，故称做共混物基体中就地形成的，故称做“液晶原位液晶原位”复合增强。复合增强。热致液晶热致液晶+热塑性聚合物热塑性聚合物共聚酯，共聚酯， 聚芳酯聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum74（4）聚合物基纳米复合材料）聚合物基纳米复合材料纳米材料：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围纳米材料：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1100nm）或由它们作为基本单元构成的各种材料。）或由它们作为基本单元构成的各种材料。 聚合物纳米复合材料：由各种纳米单元与有机高分子材料聚合物纳米复合材料：由各种纳米单元与有机高分子材料以各种方式复合形成的一种新型复合材料。以各种方式复合形成的一种新

55、型复合材料。纳米效应：纳米效应：表面效应，小尺寸效应，量子尺寸效应，宏观表面效应，小尺寸效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应等量子隧道效应等758.2.5 聚合物的耐冲击性聚合物的耐冲击性1. 冲击强度冲击强度 Impact strength是衡量材料韧性的一种指标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测量方法：摆锤式冲击实验、落重式冲击实验和高速拉伸实验。测量方法：摆锤式冲击实验、落重式冲击实验和高速拉伸实验。测量结果与试样形状和试验方法有关。测量结果与试样形状和试验方法有关。单位：单位：kJ/m,kJ/m2762. 影响

56、冲击强度的因素影响冲击强度的因素曲线下的面积代表所吸收能曲线下的面积代表所吸收能量量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（活动能力）分子链柔顺性（活动能力）77极性基团或氢键极性基团或氢键支化支化，适度交联适度交联结晶度与结晶度与球晶尺寸球晶尺寸双轴取向双轴取向加入增塑剂加入增塑剂温度升高温度升高应变速率降低应变速率降低冲击强度（韧性冲击强度（韧性）缺陷使缺陷使拉伸强度和冲击强度拉伸强度和冲击强度783. 增韧途径与机理增韧途径与机理(1) 橡胶或弹性体橡胶或弹性体增韧塑料增韧塑料方法：机械共混，接枝共聚，方法：机械共混，接枝共聚，嵌段共聚嵌段共聚多重银纹化机理多重银纹化机

57、理：橡胶粒子作为应力集中物诱发基体产生：橡胶粒子作为应力集中物诱发基体产生银纹而吸收能量。（一般脆性聚合物增韧为此机理，如：银纹而吸收能量。（一般脆性聚合物增韧为此机理，如：PS/SBS，PMMA/ACR）银纹银纹剪切带机理剪切带机理：橡胶粒子作为应力集中物：橡胶粒子作为应力集中物,在外力作在外力作用下诱发大量银纹和剪切带用下诱发大量银纹和剪切带,吸收能量吸收能量.橡胶粒子和剪切带橡胶粒子和剪切带控制和终止银纹。控制和终止银纹。79（2）刚性粒子（非弹性体）增韧）刚性粒子（非弹性体）增韧有机刚性粒子增韧有机刚性粒子增韧：由于基体与分散相之间的模量和泊松：由于基体与分散相之间的模量和泊松比差别致

58、使基体对刚性粒子产生赤道面上的强压力而发生比差别致使基体对刚性粒子产生赤道面上的强压力而发生脆脆韧转变，刚性粒子发生韧转变，刚性粒子发生“冷流冷流”而吸收能量。而吸收能量。e.g PC/ABS无机刚性粒子增韧无机刚性粒子增韧: 刚性粒子促使基体在断裂过程中产生刚性粒子促使基体在断裂过程中产生塑性变形吸收能量塑性变形吸收能量. e.g PVC+CaCO3刚性粒子增韧的条件是刚性粒子增韧的条件是:基体必须具有一定韧性基体必须具有一定韧性.80 8.2.6 疲劳疲劳疲劳疲劳：材料或构件在低于屈服应力或断裂应力的周期性应力作用下断裂或失：材料或构件在低于屈服应力或断裂应力的周期性应力作用下断裂或失效的

59、现象。效的现象。典型的疲劳曲线典型的疲劳曲线SN曲线：曲线：S是是max，N是材料破坏时的应力循环次数（疲是材料破坏时的应力循环次数（疲劳寿命）劳寿命）81小结小结l断裂与强度断裂与强度l断裂方式、影响拉伸强度与冲击强度的因断裂方式、影响拉伸强度与冲击强度的因素素l增强与增韧增强与增韧l增强与增韧的方法与机理增强与增韧的方法与机理作业：作业：1、2、3、9821、韧性聚合物单轴拉伸至屈服点可看到剪切带现象，说法错、韧性聚合物单轴拉伸至屈服点可看到剪切带现象，说法错误的是（误的是（ ）。）。A、与拉伸方向平行、与拉伸方向平行 B、有明显的双折射现象、有明显的双折射现象 C、分子链高度取向、分子链

60、高度取向 D、每个剪切带由若干个细小的不规、每个剪切带由若干个细小的不规则微纤构成则微纤构成2、关于银纹，下列说法错误的是（、关于银纹，下列说法错误的是（ ）。）。A、银纹是高度取向的高分子微纤构成。、银纹是高度取向的高分子微纤构成。 B、银纹处密度为、银纹处密度为0，与本体密度不同。，与本体密度不同。C、银纹具有应力发、银纹具有应力发白现象。白现象。 D、银纹具有强度，与裂纹不同。、银纹具有强度，与裂纹不同。3、杨氏模量、冲击强度、应变、切变速率的量纲分别是、杨氏模量、冲击强度、应变、切变速率的量纲分别是（ ）。）。 A、N/m2, J/m2, 无量纲无量纲, S-1， B、N, J/m,