8聚合物的屈服和断裂.

8YieldingandbreakingofPolymers（MechanicalPropertiesofPolymers）聚合物的屈服和断裂(高分子的力学性能)PolymerPhysics高分子物理MechanicalPropertiesTensile拉伸拉伸强度，拉伸(杨氏)模量，断裂伸长率，屈服强度，100％定伸应力…Impact冲击悬臂梁，简支梁，落锤，缺口，无缺口…Compress压缩压缩强度，体积模量…Banding弯曲弯曲强度，弯曲模量Shear剪切剪切强度，剪切模量…28.1Stress-StrainBehaviorofPolymers高分子的应力-应变行为30AF000lllllTensilestressTensilestrainTruestress拉伸应力拉伸应变真应力A0FFl0ll'FAA8.1.1Termdefinition基本术语定义4拉伸试验机Y:yieldpointy:yieldstrengthy:elongationatyield屈服点屈服强度屈服伸长率B:breakpointb:breakstrengthb:elongationatbreak断裂点断裂强度断裂伸长率Tensilestrength拉伸强度Young'smodulus杨氏模量Fractureenergy断裂能:OYB面积Typicalstress-straincurvebyby0YBbyt,tanEY’屈服点Y前断裂—脆性断裂后断裂—韧性断裂8.1.1Termdefinition基本术语定义5序号12345类型硬而脆硬而强强而韧软而韧软而弱曲线模量高高高低低拉伸强度中高高中低断裂伸长率小中大很大中断裂能小中大大小实例PS、PMMA酚醛树脂硬PVC、ASPC、ABS、HDPE硫化橡胶、软PVC未硫化橡胶、齐聚物软~硬：模量强~弱：拉伸强度韧~脆：断裂能Typicalstress-straincurve8.1.1Termdefinition基本术语定义6y0YBIIIIIIMolecularmotionduringtension拉伸过程中高分子的运动8.1.1Termdefinition基本术语定义普弹形变键长键角运动可回复强迫高弹形变链段沿外力方向取向加热至Tg以上可恢复粘流形变整链相互滑移或断链不可回复ElasticdeformationForcedrubber-likedeformationIIIViscousflow7Howtofindyieldpointintruestress-straincurve?屈服点定义y010dd'121'1'01dd从横坐标点=1向真应力-应变曲线作切线，其切点为屈服点，对应的真应力是屈服真应力8.1.2ConsidèredrawingConsidère作图法真应力'FA0'1/1FFAA0001AlAAl无体积变化且均匀变形适用条件？？？？''1dd8从横坐标点不能向曲线上作切线拉伸时，高分子随负荷增大而均匀伸长，不能成颈(橡胶)从横坐标点可向曲线上作一条切线，切点即为屈服点拉伸时，高分子随负荷增大而均匀伸长，到切点时成颈，随后细颈逐渐变细，负荷下降直至断裂从横坐标点可向曲线上作二条切线在A处成颈，进一步拉伸时工程应力沿曲线下降至B点。之后，工程应力稳定在B点，细颈稳定扩展，直至试样全部变成细颈，最后，进一步拉伸则继续发展直至断裂AB00011''dd1dd1ddThreetypesoftruestress-straincurve三种真应力-应变曲线8.1.2ConsidèredrawingConsidère作图法09化学组成化学结构分子量及其分布支化、交联结晶及取向物理结构晶区大小与形状形态试验条件—温度、速率、流体静压力等8.1.3Factorsinfluencingstress-straincurvesofpolymers高分子应力~应变曲线的影响因素108.2YieldingandcolddrawingofPolymer聚合物的屈服与冷拉11by0I8.2.1Generalstress-strainbehaviorforpolymers高分子应力-应变行为的一般特点Elasticdeformation线弹性阶段屈服后，试样测试区出现一处、或几处“颈缩”冷拉中，细颈不断扩展至整个试样(测试区)；应力几乎保持不变Forcedrubber-likedeformation颈缩形成及其扩展(成颈necking；冷拉cooldrawing)断裂屈服阶段，伴随一应力降过程(软化softening)IIIViscousflow应力增大(硬化hardening)继续拉伸，全体缩颈的试样发生应变硬化，直至断裂12高分子为什么会屈服？屈服后为什么会产生细颈？细颈为什么会扩展？8.2.2Principleofyielding屈服原理在屈服点，韧性高分子试样上常出现与拉伸方向约成45角倾斜的剪切滑移变形带(Shearband)，且逐渐生成对称的细颈AnalysisofthestressduringtensiletestFFF0AA0αcosAAsinFF001sincossin22FFAA2020coscosAFAF法向(拉)应力切向(剪)应力cosFFAF0204060800.00.51.0/00º横面上，法向(拉)应力最大45º截面上，切向(剪)应力最大=0=0=0=45=0/2=0/2=90=0=014Shearbandforrock8.2.2Principleofyielding屈服原理8.2.2Principleofyielding屈服原理法向(拉)应力与抗拉极限相关，取决于主链强度(键能)材料在法向应力作用下的破坏，往往伴随主链的断裂切向应力与抗剪切极限相关，取决于分子间内聚力材料在切向应力作用下的屈服，往往发生分子链的相对滑移垂直应力下的分子链断裂剪切应力下的分子链滑移不同的高分子具有不同的抗拉、抗剪能力材料的最大抗拉伸能力，为临界抗拉伸强度c最大抗剪切能力，为临界抗剪切强度c脆、韧判据脆性：cc(抗拉抗剪极限)，首先达到抗拉极限韧性：cc(抗拉抗剪极限)，首先达到抗剪极限高分子(23C)抗拉极限c/MPa抗剪极限c/MPaPS4048SAN5673PMMA7449PVC6739PC8740PES8056PEEK1206216脆性试样(抗拉极限抗剪极限)(45、135斜截面上)最大剪切应力(半拉伸应力)达到剪切强度前，横截面(垂直于拉伸方向)上法向(拉)应力(拉伸应力)已达材料的拉伸强度，试样来不及屈服就断裂韧性材料(抗剪极限抗拉极限)(45、135)斜截面上的最大剪切应力(半拉伸应力)先达到剪切强度，使材料屈服，出现剪切带进一步拉伸，剪切带中分子链取向，强度提高，变形暂时停止。其边缘则进一步发生剪切变形试样逐渐生成对称的细颈(直至细颈破坏，或扩展至整个试样)8.2.2Principleofyielding屈服原理17Neck细颈脆性高分子：断裂前试样不发生明显变化，断面与拉伸方向垂直，且很光洁韧性高分子：屈服后产生细颈(neck)，之后细颈逐渐扩展，应变增加而应力不变(称冷拉，colddrawing)，直至细颈扩展到整个试样，应力才重新增加直至断裂冷拉是强迫高弹形变对于非晶聚合物，主要是链段取向对于结晶聚合物，主要是片晶的变形Neckingandcolddrawing8.2.3Colddrawing冷拉是否发生强迫高弹形变(冷拉)，关键有两点：屈服后，应呈现软化效应应变增大后，应呈现硬化效应环境温度、拉伸速率、分子量，均明显影响冷拉温度过低或拉伸速率过高，分子松弛不充分，造成应力集中，材料过早破坏高或低，分子链可能发生滑移而流动，发展大变形分子量较低，不能够充分拉伸、取向，屈服后不久就发生破坏软、硬兼具，才能实现冷拉18glassyamorphouspolymers玻璃态非晶高分子具有屈服点的断裂，为韧性断裂屈服前除去外力，形变立即回复；形变由键长键角变化引起，较小屈服后除去外力，形变不再回复；但将温度升至Tg附近，链段运动解冻，形变可恢复该形变属高弹形变。因在较大外力强迫下产生，称强迫高弹形变温度愈低，产生强迫高弹形变所需应力就愈大温度足够低时，无论多大的外力都无法产生强迫高弹形变，只发生脆性断裂。此时温度称脆化温度Tb，是高分子使用的最低温度8.2.3Colddrawing冷拉TTg脆性断裂TTg出现屈服，形变稍大TTg韧性，形变大，发生冷拉(有些高分子出现)TTg高弹态、形变大，无屈服点19E:活化能:外力:活化体积:松弛时间条件屈服应力σY断裂应力σb温度范围TbTTg拉伸速率适当0expERTσ越大，τ越小τ与外力作用时间相当时，就可能产生强迫高弹变形glassyamorphouspolymers玻璃态非晶高分子8.2.3Colddrawing冷拉强迫高弹形变态在大应力作用下，有些玻璃态高分子能产生百分之几百的大形变(高弹形变)产生原因：外力使链段运动松弛时间降低208.2.2Principleofyielding屈服原理glassyamorphouspolymers玻璃态非晶高分子样条尺寸：横截面小的地方应变软化：塑性不稳定性容易发展，应力集中。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RTEe0RTaEe0松弛时间（relaxationtime）是指物体受力变形，外力解除后材料恢复正常状态所需的时间。曲线可分为三个阶段均匀拉伸至Y屈服、成颈、颈扩展(应力几乎恒定)成颈结束后均匀拉伸，应力硬化至断裂缩颈区分子链取向，模量提高，使缩颈进一步扩大Y从远低于Tg，直到Tm附近，结晶高分子均可发生冷拉伸，也属强迫高弹变形Semicrystallinepolymers结晶高分子8.2.3Colddrawing冷拉22受拉伸形变时，晶片发生位错、转向、定向排列、拉伸示意图冷拉伸，使原有的结晶结构(球晶、片晶)破坏，形成更小的结晶单元，分子链从晶体中被拉出、伸直，沿拉伸方向排列Semicrystallinepolymers结晶高分子8.2.3Colddrawing冷拉23单向拉伸至屈服点时，韧性高分子中出现的、与拉伸方向成约45角倾斜的剪切带Shearband剪切带8.2.4ShearbandandCraze剪切带和银纹剪切带厚约1m剪切带内部，分子链沿外力方向高度取向剪切带内部，无空隙，形变过程无明显的体积变化剪切带的产生与发展可吸收大量能量剪切带发生取向硬化，阻止了剪切带内部形变的进一步发展剪切带24裂缝银纹应力作用下，高分子材料中薄弱环节因应力集中而产生的局部塑性形变和取向，在垂直于应力方向上出现微细的空化条纹状形变区银纹折光指数本体折光指数，银纹-本体界面对光线产生全反射，故名Craze银纹尺寸约100101m，外形与裂缝(Crack)相似裂缝内部是空的银纹内部有许多高度取向的微纤，微纤间为空隙。银纹体中高分子体积分数约为40~60%微纤平行于外力方向，银纹长度垂直于外力银纹进一步发展，微纤断裂，就成为裂缝银纹的产生与发展可吸收大量能量退火会使银纹消失8.2.4ShearbandandCraze剪切带和银纹2526微纤平行与外力方向，银纹长度方向与外力垂直。FF微纤8.2.4Shearb