屈服与强的资料

屈服与强的资料第1页/共59页8.1Thetensilestress-straincurves

应力-应变曲线2、断裂伸长率材料拉伸断裂前的最大形变率3、应力-应变曲线（-）-曲线下的面积反映材料韧性第2页/共59页8.1Thetensilestress-straincurves

应力-应变曲线InstronTensileTestor电子拉力试验机Materialtestingmachine材料试验机玻璃态聚合物在不同温度下的应力-应变曲线第3页/共59页8.1Thetensilestress-straincurves

应力-应变曲线二、弯曲强度材料静弯曲断裂前所承受的最大负荷第4页/共59页8.1Thetensilestress-straincurves

应力-应变曲线三、冲击强度材料抵抗冲击负荷破坏的能力。材料韧性的表征定义：i为受冲击时单位面积所吸收的能量W为冲断试样所消耗的功第5页/共59页8.1Thetensilestress-straincurves

应力-应变曲线四、硬度材料表面抵抗机械压力的能力布氏硬度：直径为D的标准刚球压入材料表面的形变程度。P为压力，h为压痕深度第6页/共59页AYBYieldingpoint屈服点Pointofelasticlimit弹性极限点Breakingpoint断裂点Strainsoftening应变软化Colddrawing冷拉Strainhardening应变硬化典型非晶态聚合物的拉伸应力-应变曲线C大形变第7页/共59页你能解释吗？弹性形变屈服应变软化冷拉应变硬化断裂从分子运动机理解释形变过程se第8页/共59页从应力—应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息聚合物的屈服强度聚合物的杨氏模量（E)聚合物的断裂强度聚合物的断裂伸长率聚合物的断裂韧性聚合物的断裂行为脆性断裂brittlefracture韧性断裂ductilefracturese第9页/共59页

各种情况下的应力-应变曲线(a)不同温度a:T<<Tg

c:T<Tg(几十度)d:T接近Tgb:T<TgTemperature

0°C50~70°C70°C0~50°CPVC（87）脆性断裂韧性断裂无屈服屈服后断裂Results

TT第10页/共59页(b)不同的拉伸速率Strainrate拉伸速率拉伸速率Example:PMMA第11页/共59页a:脆性材料c:韧性材料d:橡胶b:半脆性材料酚醛或环氧树脂PP,PE,PCPS,PMMANaturerubber,PIB(c)不同的化学结构第12页/共59页(d)Crystallization结晶1、应力-应变曲线

OY区：普弹性

Y点：成颈

YZ区：细颈

X点：断裂2、晶态与非晶态高聚物比较相近：普弹屈服（或成颈）形变增大断裂第13页/共59页玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较相似处：两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自发回复，而加热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是高弹形变。该现象通常称为“冷拉”。区别：（1）产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉温度区间是Tb到Tg，而结晶聚合物则为Tg至Tm；

（2）玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶态聚合物简单得多，它只发生分子链的取向，并不发生相变，而后者尚包含有结晶的破坏，取向和再结晶等过程。第14页/共59页TheSizeofSpherulites球晶大小第15页/共59页TheDegreeofCrystallization结晶度第16页/共59页Differenttypesofstress-straincurve“软”和“硬”用于区分模量的低或高，“弱”和“强”是指强度的大小，“脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很小，“韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况。se软而弱硬而脆硬而强软而韧硬而韧第17页/共59页8.2Theyieldingofpolymer

聚合物的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相当大，剪切屈服应变为10%-20%（与金属相比）。屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还非常迅速。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”。屈服主要特征第18页/共59页Strainsoftening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：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。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。发生“取向硬化”，应力急剧上升。试样断裂。第19页/共59页样条尺寸：横截面小的地方应变软化：应力集中的地方

出现“细颈”的位置自由体积增加松弛时间变短出现“细颈”的原因无外力有外力

Necking细颈与剪切带细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。第20页/共59页Necking颈缩现象为什么会出现细颈？——应力最大处。哪里的应力最大？第21页/共59页剪切屈服现象、机理及判据横截面A0,受到的应力0=F/A0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45度角的剪切带。WHY？第22页/共59页斜截面A受力法向应力剪切应力第23页/共59页Discussion=0n=0s=0=45n=0/2s=0/2=90n=0s=0ss0s0/2a0o45o90oaanaas第24页/共59页抵抗外力的方式抗张强度：抵抗拉力的作用抗剪强度：抵抗剪力的作用两种当应力0增加时，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？

=0，n=0抗剪强度什么面最大？

=45，s=0/2ss0s0/2a0o45o90oaanaas第25页/共59页切应力双生互等定律当=45时s=0/2当=-90=-45时s=-0/2

发生屈服屈服判据:第26页/共59页Shearband

剪切带在细颈出现之前试样上出现与拉伸方向成45角的剪切滑移变形带聚合物屈服的表现形式第27页/共59页(2)Crazing银纹银纹现象为聚合物所特有，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，以至于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的微细凹槽的现象分类环境银纹溶剂银纹应力银纹第28页/共59页Microstructureofcrazing微纤Microfibril微纤平行与外力方向，银纹长度方向与外力垂直。也称为银纹质第29页/共59页银纹与裂纹银纹不是空的，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第30页/共59页银纹的扩展中间分子链断裂扩展形成裂纹第31页/共59页银纹和剪切带主要区别剪切屈服银纹屈服形变形变大几十~几百%形变小<10%曲线特征有明显的屈服点无明显的屈服点体积体积不变体积增加力剪切力张应力结果冷拉裂缝一般情况下，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，呈现屈服现象第32页/共59页8.3聚合物的断裂与强度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硬度如何区分断裂形式？——关键看屈服屈服前断脆性断裂屈服后断韧性断裂第33页/共59页8.3.1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和拉伸速率有关。第34页/共59页材料的断裂方式分析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强度理论值第35页/共59页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。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聚合物实际强度与理论强度第36页/共59页polymerbasedconcretecontainingsphericalinorganicparticles第37页/共59页fatiguefracturesurface第38页/共59页SEMfracturesurfaceofpolymerandwoodmatrix第39页/共59页Griffithcracktheory断裂理论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？Griffiththeory第40页/共59页8.3.2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-最大载荷第41页/共59页影响拉伸强度的因素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第42页/共59页考虑分子结构因素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好高低拉伸强度t加入增塑剂缺陷存在第43页/共59页考虑外界因素温度高应变速率大高低拉伸强度t讨论高分子的一级结构、二级结构、三级结构及高次结构对聚合物强度的影响。第44页/共59页8.3.3增强Reinforcement活性粒子（Powder）纤维Fiber液晶LiquidCrystalC，SiO2Glassfiber,CarbonfiberPolyesterFiller填料增强途径第45页/共59页（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。惰性填料如何？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉第46页/共59页（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第47页/共59页RacingbicycleCarbonfiber第48页/共59页（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无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,Rodrum第49页/共59页8.4聚合物的韧性与增韧8.4.1冲击强度Impactstrength——是衡量材料韧性的一种指标冲断试样所消耗的功冲断试样的厚度和宽度增韧剂：elasticizer,plasticizer,softener第50页/共59页Pendulummachine

摆锤冲击机Charpy简支梁Izod悬臂梁第51页/共59页8.4.2影响冲击强度的因素韧性好坏顺序d>c>b>a——曲线下的面积代表所吸收能量因素强度延展性快速拉伸第52页/共59页Discussion强度延展性——分子间作用力——分子链柔顺性极性基团