图解拉伸试验

Chapter8YieldingandFractureofPolymer

第八章聚合物的屈服与断裂YieldingandFractureofPolymer

第八章聚合物的屈服与断裂8.1Thestress-straincurves应力-应变曲线——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后，聚合物发生大形变直至宏观破坏或断裂。Typicalstress-straincurveforamorphouspolymerattemperaturebelowTgEngineeringstresstoengineeringstrain8.1.1Thestress-straincurves应力-应变曲线

A

弹性极限应变

A弹性极限应力

B

断裂伸长率

B断裂强度

Y

屈服应力Ypoint:Yieldingpoint屈服点Apoint:Pointofelasticlimit弹性极限点Bpoint:Breakingpoint断裂点断裂能FractureenergyStress-strain曲线下面积称作断裂能：材料从开始拉伸至破坏所吸收的能量。Young’sModulus杨氏模量形变过程弹性形变-屈服-应变软化-冷拉-应变硬化-断裂从分子运动机理解释上述过程从应力—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（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）8.1.2

Stress-straincurvesundervariousconditions

各种情况下的应力-应变曲线(a)Differenttemperaturea:T<<Tg

c:T<Tg(几十度)d:T接近Tgb:T<TgTemperature

0°C50~70°C70°C0~50°CExample-PVC脆断韧断无屈服屈服后断Results

TT(b)DifferentstrainrateStrainrate时温等效原理：拉伸速度快=时间短 温度低速度速度Example:PMMAa: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,PI(c)CompositionofPolymers物质结构组成(d)Crystallization结晶应变软化更明显冷拉时晶片的倾斜、滑移、转动，形成微晶或微纤束(e)TheSizeofSpherulites球晶大小(f)TheDegreeofCrystallization结晶度Differenttypesofstress-straincurveComparing8.2Theplasticityandyieldingofpolymer

聚合物的塑性和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。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

Orientation细颈稳定取向硬化

Considère作图法唯象角度

判据8.2.1Necking细颈与剪切带(1)细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。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？Engineeringstressandtruestress工程应力和真应力EngineeringstressTruestressForceInitialcross-sectionareaForceCross-sectionareaRelationshipbetweenengineeringstressandtruestressunderincompressiblecondition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=0/2Shearband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（3）Crazing银纹银纹现象为聚合物所特有，它是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。也称为银纹质银纹方向和分子链方向银纹不是空的，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银纹的扩展中间分子链断裂扩展形成裂纹银纹和剪切带均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象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细颈、剪切带和银纹比较主要区别细颈、剪切带银纹形变量形变量大10~100%形变量小<10%曲线特征有明显的屈服点无明显的屈服点体积体积几乎不变体积增加主要相同点能量吸收能量吸收能量一般来讲，既有银纹屈服也有剪切屈服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相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为 断裂伸长率较

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。光滑大小粗糙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理论值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polymerbasedconcretecontainingsphericalinorganicparticlesfatiguefracturesurfaceSEMfracturesurfaceofpolymerandwoodmatrixComparingofbrittleandductilefractures（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发向应力剪切应力发向应力剪切应力脆韧转变温度TbTbisalsocalledbrittletemperature.Brittleductiletransition脆韧转变——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断裂应力和屈服应力谁对应变速率更敏感？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Application对材料一般使用温度为哪一段？——T>TbTb越低材料韧性越好差Tb~TgTf~TdThreestatesTg~TfExample–PC聚碳酸酯Tg=150°CTb=-20°C室温下易不易碎？Example–PMMA聚甲基丙烯酸