第八章聚合物的断裂和强度.

聚合物流变学基础主讲人：孙立波计划学时：32联系方式：新理工楼[e-mail]主要参考书目：顾国芳，浦鸿汀。《聚合物流变学基础》吴其晔，巫静安。《高分子材料流变学》烟台大学化学化工学院烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.1聚合物的断裂模式聚合物的断裂现象十分复杂，聚合物材料的断裂模式是多种多样的。根据断裂的吸收能量的大小或者断裂点的不同，可分为脆性断裂和韧性断裂。脆性断裂:发生在材料屈服之前，材料只有普弹形变，应力应变呈线性关系或者接近线性关系，形变量小，断伸率小于5%，在拉伸应力的作用下，微裂纹会迅速发展，最终导致脆性断裂。韧性断裂:发生在材料屈服之后，材料先发生屈服，随后发生大的形变，应力应变呈非线性关系，形变量大，断伸率大于10%，然后由于屈服剪切带的发展最终导致韧性断裂。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.1聚合物的断裂模式根据受载条件的不同，可以分为以下几类：直接加载下的断裂:材料在拉伸、压缩、剪切等载荷作用下形变直至发生快速断裂。材料断裂时的应力叫做断裂强度。材料在冲击载荷作用下的断裂也属于这一类，其特殊性仅在于加载速率非常之高。疲劳断裂:材料在一个应力水平低于其断裂强度的交变应力作用下，经多次循环作用而断裂，材料的疲劳过程是材料中微观局部损伤的扩展过程。使材料发生疲劳断裂所需经受的应力循环次数称为材料的疲劳寿命，一般用Nf表示。材料所受的应力水平越低，疲劳寿命越长。当应力水平低于某个临界值时，材料不出现疲劳断裂。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.1聚合物的断裂模式根据受载条件的不同，可以分为以下几类：蠕变断裂:材料在一个低于其断裂强度的恒定应力的长期作用下发生断裂，也叫做静态疲劳。聚合物从蠕变开始直至断裂所需的时间t与所受应力σ的关系一般符合公式t＝Ae-Bσ。环境应力开裂:材料在腐蚀性环境和应力的共同作用下发生开裂。在这种破坏模式中，环境因素的作用是第一位的。应力虽然是必要的因素，但居于第二位。表征材料抗环境应力开裂的指标是该材料的标准条状试样在单轴拉伸和接触某种介质的条件下直至断裂所需的时间。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.1聚合物的断裂模式根据受载条件的不同，可以分为以下几类：磨损磨耗:一种材料在与另一种材料的摩擦过程中，其表面材料以小颗粒形式断裂下来。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度线型无定型聚合物的断裂过程(TTg)非晶态高聚物的应力-应变曲线按材料断裂点的不同，可以分为脆性断裂和韧性断裂。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度脆性断裂高聚物典型的断裂行为定义：如果断裂发生在a点以下，材料不发生屈服，这种断裂称为脆性断裂。断裂的前只发生很小的变形，断裂后变形消失。特征：应变较小，低于弹性极限a点，应力应变有线性关系，在该范围材料变形是线性弹性，符合虎克定律＝E。直线的斜率为弹性模量。形变的发生只涉及键的拉伸、弯曲和键角变化，是可完全回复的变形。这部分变形也称为普弹变形。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度脆性断裂高聚物典型的断裂行为断裂机理：脆性断裂过程有两个阶段，首先由一最危险处形成裂纹源并缓慢发展而形成镜面区，这是第一阶段。当裂纹扩展到一定长度(临界值)时，断裂立即发生，这是第二阶段，即快速发展阶段。这个阶段产生的断面是粗糙区，从宏观上看断口呈一个面，实际上有许多凸凹不平的局部断裂特征。脆性断裂时断裂面的特征是其截面积基本不变，即末留下永久变形。在断裂面的光滑区有肋状条纹和双曲线形状的次级断裂线；在粗糙区是快速断裂形成的山脊状特征。双曲线形状的次级断裂的尖端指向裂纹源。发生脆性断裂的条件是材料的脆性断裂强度低于其屈服强度。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度脆性断裂烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度脆性断裂高聚物典型的断裂行为在脆性断裂的应力应变区直线的斜率即为弹性模量，可以定义材料的两个性能：刚性：表示材料抵抗变形的能力，它的大小用弹性模量来衡量，也即应力应变图中直线的斜率，斜率越大，模量越高，刚性越大，俗称越硬。强度：断裂时的应力高低表示材料的强度。强度表示固体材料对其本身破坏的阻力，也即阻止它的断裂或者阻止它的不可逆形变时的最大应力。在脆性断裂时则为阻止破裂的最大应力。脆性断裂强度用B表示。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度韧性断裂非晶态高聚物的应力-应变曲线如果应力在达到弹性极限时并不断裂而是继续上升，到达某个应力y时，应力开始下降，我们说材料发生了屈服。发生屈服时的应力称为屈服应力，用y表示。从微观上讲，在应力超过y后，应力已足以克服链段运动所需克服的势垒，链段开始运动，甚至发生分子链之间相互滑移，即流动。超过屈服应力后应力一般略有下降。原因可能有两个方面，一方面屈服后链段开始运动，与线弹性变形涉及的键拉伸等变形相比所需应力较小；另一方面是在屈服后试样的截面积变小，达到同一应力所需的作用力就相应较小，而应力应变曲线中的工程应力仍以原始面积计算应力。这种应力下降的现象称为应力软化，是材料屈服的特征。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度韧性断裂超过屈服后发生断裂的现象一般称为韧性断裂。韧性断裂可能会有几种不同的情况：在屈服强度达到后应变发展不大时就发生断裂，断裂时的应力低于屈服应力y。这种材料虽有韧性，但韧性很小、其强度应以屈服应力表示。这种韧性断裂称为“非应变硬化断裂”。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度韧性断裂超过屈服后发生断裂的现象一般称为韧性断裂。韧性断裂可能会有几种不同的情况：在屈服后应力基本不变而应变不断增大，在试样的某些部位截面则突然缩小，形成一个细颈。形成细颈后继续拉伸时，或者是细颈部分不断地变得更细，或者是细颈直径不变，出现细颈的肩部被拉伸成细颈部，但细颈越来越长，这时应力近似恒定。这种现象称为冷拉伸，或冷流动：在冷拉伸后应力会出现上升的现象，称为应力硬化，最后发生断裂。这种断裂也称为“应变硬化断裂”。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度韧性断裂超过屈服后发生断裂的现象一般称为韧性断裂。韧性断裂可能会有几种不同的情况：机理：从微观上来说，在屈服点后高分子链段开始运动。对处于玻璃态的聚合物来说，链段是被冻结的。由于受外力的作用链段被迫运动产生较大的变形，因此这种性质被称为强迫高弹性。这种变形主要由链段运动产生，对线性聚合物来说，虽无交联，但出于分子链的缠结，这种变形本质上大部分是弹性的，即可回复的。其中有部分变形可能涉及分子的滑移即流动。但是，当外力除去后，因为处于玻璃态，这种弹性变形被“冻结”起来，只有加热至Tg以上时才有可能回复。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度韧性断裂韧性表示在外力作用下材料变形破坏时外力所作的功，可以用下图曲线下的面积大小表示。面积大的为韧性大的材料，反之为韧性小的材料。延伸率(断裂时的应变)越大，断裂能愈高。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度韧性断裂如果线性聚合物的温度高于Tg，它又处于高弹态，因此这时应力应变曲线中没有屈服点．或者说它的y＝0。其应力应变关系为非线性的，如下图d所示。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度韧性断裂烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度聚合物断裂过程的分类综上所述，线型无定型聚合物的断裂过程大致可分为以下六种类型，它们拉伸时的应力应变曲线如下图所示：硬而脆的材料硬而强的材料强而韧的材料软而韧的材料软而弱的材料弱而脆的材料烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度聚合物断裂过程的分类•硬而脆的材料它在屈服点前发生脆性断裂、应力应变曲线的斜率较大，即具有较高的弹性模量；同时断裂时的应力较高，即具有较高的断裂抗拉强度。无定型聚苯烯的断裂属于这种类型。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度聚合物断裂过程的分类•硬而强的材料它在断裂前发生屈服，为韧性断裂，但只有应力软化，断裂强度低于屈服应力，断裂延伸较小，即断裂能小，韧性小。同时其屈服应力较高，弹性模量较高。硬聚氯乙烯的断裂属于这种类型。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度聚合物断裂过程的分类•强而韧的材料发生屈服，延伸率大，并发生应变硬化，断裂强度高于屈服应力；同时模量高，断裂强度也高，是高性能的材料。工程塑料如聚碳酸酯的断裂属于这种类型。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度聚合物断裂过程的分类•软而韧的材料在较低的应力发生屈服，模量较低，但断裂延伸较大，断裂应力也较低。这种材料也称为柔性材料，其柔性好。软聚氯乙烯、低密度聚乙烯的断裂属于这种类型。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度聚合物断裂过程的分类•软而弱的材料模量低，但有一定延伸，断裂强度低。末硫化的橡胶的断裂属于这种类型。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度聚合物断裂过程的分类•弱而脆的材料发生脆性断裂，而且模量很低。固体状态的低聚物，如热塑性酚醛树脂、环氧树脂的断裂属于这种类型，它们必须经交联形成网状结构才能作为材料使用。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度聚合物断裂过程的分类评判材料的力学性能的标准可归纳为下表烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度聚合物断裂过程的分类评判材料的力学性能的标准可归纳为下表烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度晶态聚合物的断裂行为未取向的结晶聚合物拉伸断裂时的应力应变曲线通常如图中c的形状，即发生细颈现象并有应变硬化现象。解释：当应力达到屈服应力时．外力已足够克服晶格能，结晶破坏，开始出现细颈，同时链段开始运动，产生强迫高弹形变，分子链段沿拉伸方向取向，并重新形成结晶。如果这时聚合物重新结晶的速度足够大，那么分子链会沿外力方向重新排列成结晶，成为取向态的聚合物结晶，如果结晶速率太低，就成为取向的无定形聚合物。等细颈发展完全，即分子链完全取向后，应力开始上升，即进一步变形要克服分子间的力甚至键力，即发生应变硬化。最后当外力高于分子间力和键力时发生断裂。因此在结晶聚合物断裂过程中有相变发生，即首先结晶破坏，然后在取向过程重新形成结晶或形成取向的无定形聚合物。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度晶态聚合物的断裂行为拉伸时出现细颈的应力称为重结晶应力或强迫高弹性应力，是结晶聚合物的重要机械性能之一。结晶聚合物已经取向拉伸，则有各向异性。结晶聚合物经拉伸取向后，在拉伸方向的强度大大高于未拉伸方向的强度。原因是拉伸方向的形变是由于键的拉直引起的，未拉伸方向的形变是因为分子链之间的距离拉长引起的。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度晶态聚合物的断裂行为单向拉伸的结晶聚合物的断裂行为与拉伸的方向有关。拉伸方向与原来单向拉伸取向方向相同时如取向程度已相当高，则拉伸时不再发生屈服，延伸率也较小；如取向程度较低，则可能有较大的延伸。拉伸方向与原来取向的方向垂直，则如果脆性断裂强度低于重结晶应力，即在重结晶前断裂，则发生脆性断裂，强度较低；如重结晶应力较低，则断裂过程类似于未取向的结晶聚