级高分子物理7 聚合物的屈服和断裂

聚合物的屈服和断裂第七章2023/3/311编辑课件7.1聚合物的拉伸行为2023/3/312编辑课件①

应变不到10％发生断裂，脆性断裂。②出现屈服点，称为屈服应力。总应变不超过20％。③屈服点后出现很大的拉伸，后阶段曲线明显上升，称为应变硬化，直到最后断裂。C点为断裂应力。④高弹态，不出现屈服点。曲线③大形变的分子机理主要是高分子的链段运动。图7-1不同温度下的应力－应变曲线7.1.1玻璃态聚合物的拉伸Tg以上

Tg以下几十度

T<<Tg

2023/3/313编辑课件松弛时间与应力之间有如下关系：7.1.2玻璃态聚合物的强迫高弹形变松弛时间常数应力活化能

应力增加，松弛时间缩短。应力增加到y时，松弛时间与拉伸速度相适应的数值，聚合物产生大形变。

Tb<T<Tg,

外力作用下实现强迫高弹形变。

拉伸速度过快，脆性断裂；拉伸过慢，发生部分黏性流动；适当的拉伸速度，强迫高弹形变。

强迫高弹形变主要由聚合物结构决定。2023/3/314编辑课件图7-2结晶聚合物拉伸过程应力-应变曲线及试样外形变形示意图7.1.3结晶聚合物的拉伸一段，应力随应变线性增加，伸长率百分之几到十几，到Y点，出现“细颈”。二阶段，细颈部分不断扩展，非细颈部分逐渐缩短，直到整个试样完全变细为止。应力基本不变，应变增加。三段，成颈后的试样重新被均匀拉伸，应力随应变的增加而增大直到断裂点。2023/3/315编辑课件7.1.3结晶聚合物的拉伸玻璃态聚合物与结晶态聚合物的异同点相同点：都经历弹性形变、屈服（成颈）、发展大形变以及应变硬化等阶段，室温时不能自发回复，加热后能回复原状，本质上两种拉伸都是高弹形变。不同点：玻璃态聚合物：Tb~Tg，分子链的取向。结晶聚合物：Tg~Tm，结晶的破坏、取向和再结晶。2023/3/316编辑课件7.1.4硬弹性材料的拉伸图7-3硬弹性聚丙烯的典型硬弹性行为易结晶的聚合物熔体，在较高的拉伸应力场中结晶时，可以得到很高弹性的纤维或薄膜材料，而其弹性模量比一般橡胶高得多，称为硬弹性材料。2023/3/317编辑课件7.1.4硬弹性材料的拉伸图7-4Clark的能弹性模型能弹性（晶片弯曲）模型2023/3/318编辑课件7.1.4硬弹性材料的拉伸

某些非晶聚合物出现硬弹性行为。硬弹性表面能机理：硬弹性主要由形成微纤的表面能改变贡献的。2023/3/319编辑课件7.1.5应变诱发塑料-橡胶转变图7-7SBS嵌段共聚物(S:B)的拉伸试样示意图7-8SBS嵌段共聚物(S:B)的拉伸行为2023/3/3110编辑课件7.1.5应变诱发塑料-橡胶转变2023/3/3111编辑课件7.2聚合物的屈服行为2023/3/3112编辑课件2023/3/3113编辑课件7.2.1聚合物单轴拉伸的应力分析图7-12单轴拉伸应力分析图7-13应力与截面倾角的关系2023/3/3114编辑课件7.2.1聚合物单轴拉伸的应力分析7-14拉伸应力引起交叉剪切应力示意2023/3/3115编辑课件7.2.2真应力-应变曲线及Considère作图法假定试样变形时体积不变，即A0l0=Al伸长比2023/3/3116编辑课件7.2.2真应力-应变曲线及Considère作图法2023/3/3117编辑课件7.2.2真应力-应变曲线及Considère作图法2023/3/3118编辑课件7.3聚合物的断裂理论和理论强度2023/3/3119编辑课件断裂的分子理论：认为材料的断裂也是一个松驰过程，宏观断裂是微观化学键断裂的热活化过程。当原子热运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。7.3.1断裂的分子理论承载寿命拉伸应力2023/3/3120编辑课件微裂纹也称为银纹：聚合物在张应力作用下，出现于材料的缺陷或薄弱处，与主应力方向垂直的长条形微细凹槽。长100μm、宽10μm、厚1μm7.3.3微裂纹2023/3/3121编辑课件7.3.3微裂纹2023/3/3122编辑课件7.3.3微裂纹2023/3/3123编辑课件7.3.4聚合物的理论强度图7-21聚合物断裂微观过程的三种模型示意图2023/3/3124编辑课件7.3.4聚合物的理论强度第一种，聚合物的断裂必须破坏所有的键。共价键的键能350kJ·mol-1理想的拉伸强度：共价键破坏距离d每平方米分子数

2023/3/3125编辑课件7.3.4聚合物的理论强度第二种情况，分子间滑脱的断裂必须破坏氢键或范德华力。氢键聚合物，总摩尔内聚能4000kJ·mol-1。没有氢键，总摩尔内聚能1000kJ·mol-1。2023/3/3126编辑课件7.3.4聚合物的理论强度第三种情况，断裂时部分氢键或范德华力的破坏。估算出氢键和范德华键的拉伸强度分别为400MPa和120MPa，与实际测得的高度取向纤维的强度是同数量级。2023/3/3127编辑课件7.4影响聚合物实际强度的因素2023/3/3128编辑课件一般情况下，增加高分子的极性或形成氢键可以使其强度提高。主链含有芳杂环的聚合物，其强度和模量都比脂肪族的高。因此，新颖的工程塑料大都是主链含芳杂环的。7.4.1聚合物本身结构的影响2023/3/3129编辑课件分子链的支化：支化程度增加，聚合物拉伸强度降低。适度的交联：随着交联度的增加，往往不易发生大的形变，同时材料强度增高。交联密度过大：强度下降。分子量：分子量增加，拉伸强度和冲击强度提高。继续增加，拉伸不变，冲击增加。7.4.1聚合物本身结构的影响2023/3/3130编辑课件结晶度增加，拉伸强度、抗弯强度和弹性模量均有提高。球晶结构对强度的影响更大，它的大小对聚合物的力学性能以及物理、光学性能起着重要作用。取向可以使材料的强度提高几倍甚至几十倍。7.4.2结晶和取向2023/3/3131编辑课件7.4.3应力集中的影响b2/a锐口的应力集中系数比钝口的大得多。2023/3/3132编辑课件7.4.3应力集中的影响2023/3/3133编辑课件7.4.4增塑剂的影响增塑剂减小了分子间的作用力，强度降低。增塑剂使链段运动能力增强，材料冲击强度提高。2023/3/3134编辑课件1.粉状填料粉状填料如木粉、炭黑、轻质二氧化硅、碳酸镁、氧化锌等，它们与某些橡胶或塑料复合，可以显著改善其性能。聚合物与填料之间的浸润性对补强的效果影响很大。橡胶补强机理：7.4.5填料的影响

粉状填料对弹性体补强效果好。2023/3/3135编辑课件2.纤维状填料纤维填料中使用最早的是各种天然纤维，如棉、麻、丝及其织物等。后来，发展了玻璃纤维。纤维填料在橡胶轮胎和橡胶制品中，主要作为骨架，以帮助承担负荷。通常采用纤维的网状织物，俗称为帘子布。在热固性塑料中常以玻璃布为填料，得到得谓玻璃纤维层压塑料，强度可与钢铁媲美。7.4.5填料的影响2023/3/3136编辑课件基体塑性流动阻碍,阻止纤维拉开趋势基体抑制裂纹,基体依靠切变作用使裂纹不沿垂直方向发展而发生偏离2023/3/3137编辑课件7.4.5填料的影响2023/3/3138编辑课件2023/3/3139编辑课件共聚可以综合两种以上均聚物的性能。例：高抗冲聚苯乙烯，ABS共混物常常具有比原来组分更为优异的性能，最早的改性聚苯乙烯就是天然橡胶和聚苯乙烯机械共混而得到的。7.4.6共聚和共混的影响微裂纹吸收大量的冲击能。2023/3/3140编辑课件7.4.7外力作用速度和温度的影响2023/3/3141编辑课件课堂作业1、画出聚合物的典型应力-应变曲线，并在曲线上标出下列每一项：抗张强度、伸长率、屈服点、模量。2、某工程塑料的密度为2.2103kg/m3,抗张强度为125MPa,而某钢材的密度为7.8103kg/m3,抗张强度为400MPa，求用同样长度的材料悬挂同样质量的物体时，塑料和刚才的最少用量（质量）之比为多少？截面积之比为多少？3、说明高