第8章屈服与断裂

第八章、聚合物的屈服和断裂处于或接近断裂点的力学性质8.1.应力－应变曲线(a)(b)测试拉伸性质的样品非晶态聚合物典型应力-应变曲线Winding1961StressStrain应力-应变过程的不同阶段五个阶段：IIIIIIIVVI：弹性形变II：屈服III：应变软化IV：冷拉V：应变硬化非晶态聚合物典型应力-应变曲线Winding1961StressStrain重要参数：(1)杨氏模量UltimatestrengthElongationatbreak(4)断裂强度(5)断裂伸长率(6)断裂韧性YieldstressElongationatyield(2)屈服强度(3)屈服应变量纲=Pam/m=N/m2m/m=J/m3以应力应变曲线测定的韧性d012345121086420,inch注意细颈现象聚合物应力－应变曲线的类型(2)(3)(4)应力应变(1)1、硬而脆，如PS、PMMA2、硬而强，如硬PVC；3、强而韧，如尼龙、PC；4、软而韧，如橡胶；5、软而弱，如凝胶(5)一些通用聚合物的力学性能评价材料模量屈服强度伸长率断裂韧性弹性体PE，PTFEPCTFE，PPN66,PC,POM,ABSPMMA，PS，PVC热固性塑料低低中高高超高无低中高高无低低中高高高超高高高中低低中中高高低低影响应力－应变曲线的因素：（1）温度(2)(3)(4)应力应变(1)T1＜T2＜T3＜T4影响应力－应变曲线的因素：（2）应变速率(2)(3)(4)应力应变(1)应变速率1＞2＞3＞48.2.细颈8.2.1.细颈的形成原因本质：剪切力作用下发生塑性流动A0FFFFFαFFnFsA正应力00AF斜截面面积sin0AA法向力Fn＝F·sinα切向力Fs＝F·cosα法应力：20sinAFnn切应力：cossin0AFSS2sin210∴当α＝90°时，法向应力最大；α＝45°或135°，切向应力最大当法向应力大于拉伸强度，材料发生当切向应力大于剪切强度，材料发生断裂屈服几何因素决定细颈产生的位置：试样尺寸在各处的微小差异，导致应力的差异，在某一点将首先达到屈服点，使形变更为容易。细颈稳定的原因：取向8.3屈服8.3.1细颈8.3.2剪切带8.3.3银纹拉伸过程中，沿45°或135°方向在材料内部或表面出现剪切滑移变形带。8.3.2剪切带PS60C，compressivestrainof~4%.polycarbonate8.3.3银纹TEMofacrazeinPS在一定条件下，材料由应力集中而产生局部的塑性形变和取向。银纹的结构ForceForce银纹可在张力下产生，也可在溶剂中产生银纹的长度方向垂直于外力方向~200~80银纹不空，其中为被拉伸的链银纹中的链有50~60%的伸长率银纹的结构银纹中链的体积分数为40~60%，银纹的密度是本体的50%，故折光指数不同，产生白色反光，故称银纹~200~80银纹的本质：张力作用下链段被迫伸展银纹的结构银纹仍有模量，约为本体的3~25%银纹是可逆的，能通过退火消除裂缝银纹银纹与裂纹的关系Craze:narrowzonesofhighlydeformedandvoidedpolymerOptimistsconcentrateonplasticdeformationincrazesasasourceoftoughnessorstressreliefinpolymers,whilepessimistsfocusoncrazingasthebeginningofbrittlefracture稳定银纹是聚合物屈服的机理，不稳定银纹会引发裂缝，导致断裂剪切带银纹发生形变10%－100%发生形变＜10%产生屈服点没有屈服点吸收能量吸收能量体积不变体积增大缠结点密度高时发生缠结点密度低时发生ASA：斜率为1，100%银纹化聚丙烯：曲线几乎为零，纯粹剪切屈服0.040.030.020.010.00V/V0.000.010.020.030.040.050.06PPASA8.4.聚合物的断裂与强度8.4.1.脆性断裂与韧性断裂外力作用屈服韧性响应脆性响应冷拉断裂高应力下的两类响应DuctileandBrittle脆性断裂韧性断裂无屈服点出现屈服σ－ε关系是线性的σ－ε关系是非线性的断裂截面光滑粗糙断裂伸长＜5%断裂伸长较大断裂能较小断裂能较大由张应力分量引起由切应力分量引起脆性断裂与韧性断裂依赖于温度和应变速率：提高温度或降低应变速率时，脆性→韧性温度或降低应变速率对断裂应力影响不大，对屈服应力的影响显著。温度应力断裂强度屈服强度Tb断裂强度当TTb时，应力下形变的后果是Tb：脆－韧转变温度提高应变速率，会使Tb升高Tb越低时，表示材料的韧性越好缺口的存在，会使Tb大幅升高TTb时先发生屈服。脆性断裂聚合物PDMSNRPEPOMPCPA66Tb150200203215173243Tg153203205233422322一些聚合物的玻璃化温度与脆化温度8.4.2.断裂强度：（1）拉伸强度P：断开前试样承受的最大载荷；b：试样宽度；d：试样厚度StressStrainbdPt(2)拉伸模量0//llbdPEt△P：形变较小时的载荷。l0：试样长度（3）抗弯强度PP2P2l0205.1bdPlf弯曲模量330bdPlEfδ：挠度，试样着力处的位移8.4.3.断裂理论断裂可简单定义为物体在外力作用下产生新表面的过程即裂缝扩展的过程模型体系：无限大板，单位厚度（厚度＝1）00应力为0形变为Griffith断裂理论假设在无限大板上，施以均匀张应力σ0，该板上有一椭圆形孔，长轴2a，短轴2b，00Griffith断裂理论2b2a)21(0bat其中长轴两端点的应力最大：002b2a)21(0batt当a＞＞b时，裂缝的尖端处的应力为：a)a(t00221a－裂缝长度的一半ρ－裂缝尖端的曲率半径Griffith断裂理论裂缝扩展的临界应力aESC2Griffith公式断裂强度与a1/2成反比实验证实均匀应力场中一旦一个裂缝开始扩展，就会一直扩展下去。强度(MN/m2)强度(MN/m2)604020604020PMMAPS12510PMMA及PS中裂缝长度与强度的关系Griffith公式仅考虑了新表面的生成即断裂所需能量仅为表面功？aESC2以Gc代替2来代表总的断裂功/ccaEG修正如下：/ccaEG(a)1/2=(EGc)1/2断裂动力断裂阻力定义：CCCEGaK1临界应力强度因子K1C，表征材料的断裂韧性/aEf应力强度因子aK1∴K1＞K1C时，裂缝扩展，发生断裂；K1＜K1C时，裂缝稳定8.4.4.影响强度的因素高分子材料断裂的微观形式（1）化学键的断裂（2）分子间滑脱（3）破坏分子间力影响因素：（1）分子结构：分子间作用力越大，强度越高①极性基团或形成氢健②主链上芳杂环③支化程度④适度交联阻碍分子链滑移，使强度增大过度交联→限制结晶（结晶聚合物）↘网链不能均匀承载（非晶聚合物）影响因素：（1）分子结构：分子间作用力越大，强度越高⑤分子量⑥结晶度nMBAB球晶尺寸越大，强度越高⑦取向⑧结构缺陷⑨增塑剂影响因素：（2）温度：（3）应变速率：温度越高，倾向于韧性断裂，强度降低应变速度越高，倾向于脆性断裂，强度增大按填料的形态分：粉状：木粉、炭黑、二氧化硅纤维状8.4.5.增强通过复合来显著提高材料力学强度的作用Directionofstress(a)(b)ABCABCDEFG粒子增强机理纤维增强机理纤维：玻璃纤维、碳纤维、液晶纤维（原位增强）8.5.聚合物的增韧Toughness:Abilityofamaterialtoabsorbenergyanddeformplasticallybeforefracturing.韧性：断裂前发生塑性形变吸收能量的能力8.5.1.冲击强度材料韧性的度量，单位KJ/m或KJ/m2dbWiW：冲断试样所消耗的功b：试样的宽度d：试样的厚度冲击强度测试可分为两类，摆锤式和落重式摆锤冲击包括Izod式和Charpy式8mm10mm10mmIzodCharpyh1h2冲击强度=破坏单位厚度样品所需能量h0d8.5.2.影响冲击强度的因素ductilityvs.strength（1）分子结构a：增加极性或产生氢键一般使冲击强度增大但若极性基团过密或取代基团过大，冲击强度会降低b：支化程度支化程度提高，可能提高冲击强度c：适度交联冲击强度提高（1）分子结构d：结晶度e：适当的双轴取向冲击强度提高f：增塑剂结晶度增高，冲击强度与断裂伸长率都降低球晶尺寸增大，冲击强度降低适量地加入增塑剂，可提高冲击强度（2）温度温度升高，韧性断裂，冲击强度提高（3）外力作用速度应变速率升高，脆性断裂，冲击强度降低8.5.3.增韧途径与机理橡胶粒子增韧（1）银纹机理：橡胶粒子作为应力集中物与基体间引发了大量银纹，吸收大量能量。同时，大量银纹间相互干扰，阻碍了银纹发展。增韧机理I：银纹机理（2）银纹－剪切带机理：橡胶粒子作为应力集中物，在外力作用下引发了大量银纹和剪切带，吸收能量。同时，橡胶粒子和带控制与终止银纹发展。完