高分子物理第八章课件

第八章

聚合物的屈服和断裂

YieldingandFractureofPolymer1重点要求：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：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。教学内容：聚合物的应力—应变曲线聚合物的屈服聚合物的断裂与强度2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或断裂。强度:

抵抗上述破坏或断裂的能力形变小：可用模量来表示形变特性；极限范围内的大形变：要用应力～应变曲线来反映这一过程38.1.1聚合物的应力-应变曲线应力-应变试验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：必须标明温度和应变速率。哑铃型试样均匀速率拉伸，直至断裂屈服应变弹性线性Y（屈服点）B断裂点塑性Typicalstress-straincurveforamorphouspolymerattemperaturebelowTg图8-15Ypoint:Yieldingpoint屈服点Apoint:弹性极限点Bpoint:Breakingpoint断裂点Y

屈服应力Y

屈服应变B断裂伸长率B断裂强度Y点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形Y点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢复原样，留有永久变形，称材料“屈服”了8.1.1.1非晶态聚合物的应力-应变曲线颈缩阶段6形变过程弹性形变-屈服-应变软化-冷拉-应变硬化-断裂应变为0.2Y点以后：冻结的链段开始运动，高分子链的伸展提供了大的形变“细颈”颈缩阶段：“细颈”扩张，应力变化很小，应变大幅度增加7

聚合物的屈服强度（Y点强度）

聚合物的杨氏模量（OA段斜率）聚合物的断裂强度（B点强度）聚合物的断裂伸长率（B点伸长率）聚合物的断裂韧性（曲线下面积）从应力—应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息9(a)Differenttemperaturea:T<<Tgc:T<Tg(几十度)d:T接近Tgb:T<Tg0℃50~70℃70℃0~50℃脆断韧断无屈服屈服后断TT<10%<20%温度升高，屈服应力下降，断裂伸长率增加各种情况下的应力-应变曲线TemperatureExample-PVCResults10Strainrate速度速度拉伸速率增加，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(b)Differentstrainrate11应变软化更明显,冷拉时,包括晶区和非晶区两部分形变。8.1.1.2晶态聚合物的应力-应变曲线晶态聚合物典型的应力－应变曲线13各种情况下的应力-应变曲线(a)温度、应变速率对应力—应变曲线的影响图8-8；图8-9影响与非晶态聚合物相似温度升高，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、断裂强度增加，断裂伸长率减小14(b)球晶大小TheSizeofSpherulites球晶大，一般断裂伸长率和韧性降低158.1.1.3Differenttypesofstress-straincurve17聚合物力学类型软而弱软而韧硬而脆硬而强强而韧聚合物应力—应变曲线应力应变曲线特点模量（刚性）低低高高高屈服应力（强度）低低高高高断裂强度（强度）低中中高高断裂伸长（延性）中高低2%中5%高应力应变曲线下面积（韧）小中小中大实例聚合物凝胶橡胶;增塑PVCPS;PMMA;固化酚醛树脂断裂前无塑性形变硬PVCABS;PC;POMnylon-66有明显的屈服和塑性形变.韧性好188.1.2聚合物的塑性和屈服屈服主要特征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“塑性流动”，即链段沿外力方向开始取向。高聚物在屈服点的应变较大，剪切屈服应变为10%-20%。屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化。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“银纹”或“剪切带”,继而整个样条局部出现“细颈”。成颈或冷拉，是薄膜或纤维拉伸工艺的基础19细颈稳定取向硬化Considère作图法唯象角度

判据成颈或冷拉，是薄膜或纤维拉伸工艺的基础21工程应力和真应力

Engineeringstressandtruestress

EngineeringstressTruestressForceInitialcross-sectionareaForceCross-sectionarea形变时，V不变22Considère作图法:在真应力-应变曲线上确定与工程应力-应变屈服点Y所对应的B点Y点23YieldCriterion屈服判据(1)TrascacriterionMetal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。1>2>3Forsimpleelongation各向同性2=3=01=y1/21=1/2y=s25(2)VonMisescriterion(3)Coulomb(MC)criterion当材料的剪切应变能达到某一临界值时，就产生屈服现象。在某平面出现屈服行为的临界压力s与垂直于该平面的正压力N成正比。Polymer内摩擦系数26斜截面A受力法应力切应力29Discussion=0n=0s=0=45n=0/2s=0/2=90n=0s=0=45，切应力最大，s=0/230图8-17当=+90时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，方向相反，它们是不能单独存在的，总是同时出现31剪切带的特点剪切带倾角很少恰为45,一般大于45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,取向方向接近于外力和剪切力合力的方向328.1.2.3银纹Crazing定义：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，以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100µm、宽度为10µm左右、厚度约为1µm的微细凹槽或“裂纹”的现象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PP等也有发现33Microstructureofcrazing微纤Microfibril微纤与外力方向平行，银纹长度方向与外力垂直。也称为银纹质高度取向的高分子链组成34银纹方向和分子链方向聚合物横向收缩不足补偿塑性伸长，致使银纹体内产生大量空隙。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。F35应力发白现象：橡胶改性的PS：HIPS或ABS在受到破坏时，其应力面变成乳白色，这就是所谓应力发白现象。应力发白和银纹化之间的差别:应力发白是由大量尺寸非常小的银纹聚集而成。36银纹的扩展中间断裂扩展形成裂纹378.1.2.4银纹和剪切带的比较相同点:均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象主要区别形变体积力结果剪切屈服银纹屈服形变大几十~几百%形变小<10%体积不变体积增加剪切力张应力冷拉裂缝一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服38聚合物的断裂和强度第二节39炭黑填充天然橡胶断口全同立构聚丁烯40如何区分断裂形式？——关键看屈服屈服前断脆性断裂屈服后断韧性断裂418.2.1脆性断裂与韧性断裂脆性断裂屈服前断裂无塑性流动表面光滑张应力分量韧性断裂屈服后断裂有塑性流动表面粗糙切应力分量TT42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裂还与温度T

和拉伸速度有关。低温的脆性断裂在高温可以变成韧性应变速率:速度增加,韧性可以变成脆性断裂43Comparingofbrittleandductilefractures

（分析判断）

脆性断裂

韧性断裂屈服-线b断裂能断裂表面断裂原因无有无有线性非线性线性非线性小大小大小大小大平滑粗糙平滑粗糙法向应力剪切应力法向应力剪切应力44相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为断裂伸长率较

光滑大小粗糙例题：45脆韧转变温度TbTb

isalsocalledbrittletemperature.——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46断裂应力和屈服应力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，作断裂应力和屈服应力随应变速率的变化曲线47脆性断裂和韧性断裂判断T<Tb,先达到b，脆性断裂T>Tb,先达到y，韧性断裂48Application对材料一般使用温度为哪一段？——T>TbTb越低材料韧性越好差49Tb~TgTf~TdThreestatesTg~Tf50Example–PC聚碳酸酯Tg=150°CTb=-20°C室温下易不易碎？51Example–PMMA聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100°CTb=90°C室温下脆还是韧？52Strainrate拉伸速率增加，屈服应力增加TheinfluenceonTb增加应变速率，脆化温度如何变化？存在缺口，形成应力集中，趋向于脆性，脆化温度升高。53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。化学键拉断15000MPa分子间滑脱5000MPa分子间扯离氢键500MPa范德华力100MPa理论值8.2.2材料的断裂方式分析54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MPa，而实际只有几十Mpa。WHY？e.g.PA,60MPaPPO,70MPa理论值与实验结果相差原因样条存在缺陷应力集中55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？GriffiththeoryGriffithcracktheory断裂理论56强度是指物质抵抗破坏的能力张应力拉伸强度弯曲力矩抗弯强度压应力压缩强度拉伸模量弯曲模量压缩模量8.2.3聚合物的强度578.2.3.1聚合物的拉伸强度Tensilestrength屈服强度断裂强度b-试样厚度，d-试样宽度P-最大载荷统一使用拉伸强度tN/m258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,硬度可分为布氏、洛氏、邵氏硬度59化学键拉断分子间滑脱分子间扯离主要方式化学键断裂所需力最大分子间扯离所需力最小通过断裂形式分析：分子之间相互作用大小对强度影响最大8.2.3.2影响拉伸强度的因素60极性基团或氢键主链上含芳杂环结构适度的交联结晶度大取向高低拉伸强度t高低加入增塑剂高低高低高低高低缺陷存在高低分子结构1，分子结构612，结晶对聚合物力学性能的影响结晶度模量屈服强度断裂强度(1)结晶度62一般希望部分结晶制品内的球晶尺寸小而均匀。仅靠温度控制球晶尺寸时，一般大球晶制品的结晶度高于小球晶制品的结晶度；但是，如果采用成核剂，则小球晶制品的结晶度未必低，因此可能具有很好的力学性能。(2)球晶尺寸63温度高应变速率大高低高低拉伸强度t3，外界因素64增强途径8.2.3.3增强ReinforcementC，SiO2PolyesterGlass,Carbonfiber(1)活性粒子（Powder）(2)纤维Fiber(3)液晶LiquidCrystal粉状和纤维填料液晶原位增强复合聚合物基纳米复合材料65（1）活性粒子增强Carbonblackreinforcement橡胶+碳黑增强机理：活性粒子吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子起物理交联点的作用。惰性填料作用？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉66（2）纤维增强Glasssteelboatglassyfiber+polyester增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷例：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67（3）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分子在共混物基体中就地形成的，故称做“原位”复合增强。热致液晶+热塑性聚合物共聚酯，聚芳酯Xydar,Vector,Rodrum68(4)聚合物基纳米复合材料插层复合法(intercalationcompouding)聚合物/粘土纳米复合材料共混法聚合物/纳米粒子(CaCO3,SiO2etc)Sol-gel法原位聚合(insitupolymerization)69Stress-strain曲线下面积称作断裂能：材料从开始拉