05极限性能13.

第五章极限力学性能处于或接近断裂点的力学性质5.1应力应变曲线(a)(b)测试拉伸性质的样品五个重要性质：(1)杨氏模量(2)屈服强度(3)抗张强度(4)断裂伸长率(5)韧性ElongationatbreakUltimatestrengthStressStrainYieldstressElongationatyield聚合物典型应力-应变曲线Winding1961量纲=Pam/m=N/m2m/m=J/m3以应力应变曲线测定的韧性(b)(c)(d)应力应变(a)应力-应变曲线的四种类型应力应变(a)(a)脆性聚合物应力随应变线性增长，超过一定应力后断裂极低温度下或刚性网络如酚醛、环氧(b)应力应变(b)玻璃态无定形聚合物PS、PMMA、PVC可观察到屈服(应变软化)：应力在极大值后下降在30%的应变处断裂屈服机理(1)剪切屈服：局部发生~1的应变应变区域与拉伸方向呈45角带状分布剪切带屈服机理(2)银纹化：在本体中因链伸展形成空化区域银纹不空，含有伸长率50~60%的链银纹中链的体积分数为40~60%银纹仍有模量，约为本体的3~25%银纹是可逆的，能通过退火消除银纹平面银纹厚度(d)橡胶态聚合物(d)应力应变小应力下发生可逆大形变(c)半晶态聚合物(c)应力应变I：弹性形变II：屈服III：冷拉IV：应变硬化半晶聚合物应力-应变曲线的四个阶段012345,MPa8470564228140普通显微镜偏光显微镜屈服的宏观现象冷拉细颈细颈截面不变长度延伸屈服/冷拉机理：晶片滑移将球晶中的晶片破碎为晶块，重新组装为纤维晶晶块滑移的方向与拉伸方向呈45细颈扩展完成后均匀伸长应变硬化I：弹性形变II：屈服III：冷拉IV：应变硬化012345,MPa8470564228140(b)(c)(d)应力应变(a)温度高升应力-应变曲线与温度的关系存在一个脆化温度Tb温度低于Tb时不发生屈服，曲线(a)，脆性高于Tb低于Tg时屈服，曲线(b)，韧性从(a)到(b)的过渡称脆韧转变所谓韧性：ductile延展性应变(b)应力(a)温度高于Tg？无定形聚合物脆-韧转变Brittle-ductiletransition0102030(MPa)227K293K303K313K323K333KPMMA脆-韧转变点的温度称脆化温度不同温度和应变速率下聚氯乙烯的应力-应变曲线时温等效：随应变速率变化也发生脆-韧转变(MPa)7m/s10.050.020.0030.00040.000.010.02128401+70C0.010.02+40C+25C30C13s10室温W.Retting.Rheol.Acta,8:259,1969.聚合物PDMSNRPEPOMPCPA66Tb150200203215173243Tg153203205233422322一些聚合物的玻璃化温度与脆化温度柔性链间距小刚性链间距大脆化温度是塑料使用的最低温度受缠结的限制，形变程度有限Tg以下形变不可逆，保持取向状态加热到Tg以上发生解取向，形变可部分恢复国内通称强迫高弹形变无定形聚合物的应变是部分可逆的半结晶聚合物(a)能否发生冷拉取决于玻璃化温度无定形区玻璃态无定形区橡胶态半结晶聚合物(b)能否高倍冷拉取决于转变ÁkadémiaiKiadó,BudapestMechanicalloss(tan)1HzLDPEHDPE0.500.50Dielectricloss(tan),100kHzTemperatureC-100010064202010-4LDPEHDPE结晶聚合物的玻璃化转变降格为转变转变：平面锯齿构象链段发生扭动转变造成晶片中的薄弱环节，使晶片易破碎并滑移5.2屈服与冷拉的微观机理局部应变和晶片滑移的作用力——剪切力何来剪切力？为何总是45？应力场可用一个二阶张量描述332313322212312111ij322212312111332313ZXY下标相同为张力下标不同为剪力下标1为力的方向下标2为作用面法向321000000可以选择一组坐标系使全部剪力都为零：123最大的应力记作1最小的应力记作3斜截面上的受力分析F1F32sin2cossincos/sin111111AFAFsF1n=F1cosF1s=F1sin0/4/2A=A1/cos1引起的最大剪应力为1/2A1/A=cosF1F1nF1sA1AF3F3s2sin2cossinsin/cos333333AFAFsF3n=F3sinF3s=F3cosA=A3/sin3引起的最大剪应力为3/21与3共同引起的最大剪应力为(1-3)/2A3/A=sinF3nA3A0/4/2最大剪应力为231故剪张比为1312最大张应力为1剪张比越大，剪切力成分越高，越易屈服定义剪张比：最大剪应力与最大张应力之比½½1聚碳酸酯氯醋共聚物LDPEPET聚芳砜HDPEPP尼龙聚甲醛PS酚醛树脂PMMA室温屈服材料1312多向拉伸压缩简单剪切单向拉伸链段从一个位置运动到另一个位置需要活化能U，在温度T：向前和向后跳跃的频率均为冷拉模型URTUexp0外力作用下，链段吸收了机械能)U运动方向RTU)(exp0RTU)(exp0逆应力方向运动的频率为沿应力方向运动的频率为为应力，故称活化体积RTURTUexpexp'021净流量RTUexp0很大时RTUexp'0沿应力方向的应变速率与净流量成正比：应力越大，流速越？温度越高，流速越？RTUexp00lnRTUT解出流动应力与温度之比：以/T对ln作图应得直线.30C4050607080906–543210log(strainrate,sec1)/T,kPa/K3020100温度越高，流动应力越？形变速率越大，流动应力越？PMMARoetling,19655.3断裂与韧性断裂的本质——裂缝扩展的过程裂缝扩展需要能量能量可以来自外力做功，也可来自应变能的释放如无外力做功，则能量只来自应变能的释放厚度B=1E/21212单位体积储存的应变能可处理为单位面积的应变能模型体系：无限大板厚度B=1样品上的面积可按长度处理样品上的体积可按面积处理产生单位新表面积所需能量GI应变能释放速率GIc能量不足：裂缝不扩展能量过剩：裂缝扩展cIIGGcIIGG临界应变能释放速率GIc是材料的一个性质，标志材料的韧性为单位新表面积提供的能量2a线性弹性理论——产生新表面只需要表面能长度2a裂缝的面积=4a表面能=4a扩展单位长度需要的能量GIc=4需要多少？即临界应变能释放速率2Ea422aEaaEU2ππ/2122222aEaEaa222π2π扩展单位长度裂缝所释放的应变能为直径＝2a的圆面积上应变能释放多少？即应变能释放速率2aEaG2Iπ需要释放扩展单位长度裂缝GIc=44π2Ea临界点：2/1fπ4aE解出断裂应力f：Griffith公式PaE951033.3003.0/)10/100(NaEAAFf1128)2/10π/(1033.31500410)π/(4395例5-1：一样品宽1cm厚1mm，不含裂缝，受100N拉力时产生0.3%的应变。另一相同样品含有垂直于长度方向的长1mm的裂缝，求使其断裂的拉力。已知=1500J/m2。解：由第一个样品的条件求出模量E=(F/A)/：2/14aEfPMMA及PS中裂缝长度与断裂强度的关系2/1π4aEf强度(MPa)强度(MPa)604020604020PMMAPS12510裂缝长度(mm)17由曲线计算：PS1700J/m²PMMA210J/m²测定值：1.5J/m2脆性材料(玻璃、陶瓷甚至金属)可按线性弹性材料处理聚合物严重偏离聚合物中一定存在未知的耗能方式Ic2πGEa2/1IcfπaEG解出断裂应力：通用Griffith公式不论是什么新内容，均可用GIc代表4π2Ea左侧应当有新的内容2/1Ic2/1)()π(EGa/IcfπaEG强度因子KI裂缝增长的驱动力断裂韧性KIc裂缝增长的阻力(a)1/2=(EGIc)1/2断裂判据：KIKIc对比：GIGIc两个材料韧性之间的关系：EKG/2IcIc2/1IcIc)(EGK断裂韧性：第二种材料韧性[(N/m2)·(J/m2)]1/2=[N/m2·Nm/m2]1/2=Pa·m1/2GIc的量纲：J/m22/1IcIc)(EGKKIc的量纲：一般用MPa·m1/2临界应变能释放速率GIc的测定F/2F/2BWWmF/2F/2LL=87.5mmW=35.0mmWm=12.0mmB=2.67mma双扭曲试样(DT)双悬臂梁试样(DCB)TBa0.55T1.2TT=54mmB=5.3mmFF断裂力学试样IzodCharpy冲击强度冲击强度的量纲：J/m2J/m摆锤冲击强度：Izod式和Charpy式h1h2h0d冲击能读数的校正5.4银纹与增韧Ic2πGEa除表面能以外，还有什么？裂缝前锋的观察——从银纹到裂缝W.Döll.InA.C.Roulin-Moloney,editor,FractographyandFailureMechanismsofPolymersandComposites,pages405,416.Elsevier,1989.PMMASEM照片Berry,19642002040mtmR1.00.500.51.0PMMA：R=25t=1.2t裂缝前锋银纹尖端银纹平面裂缝平面主银纹附近伴生次生银纹主银纹次生银纹Ec=10.5MPac=0.35%银纹的发生282114700.010.11101001000E(MPa)t(hr)PSZiegler&Brown1955应变，引发时间临界应变：c临界应力：c=E·cEctmax聚合物室温下的临界应变与临界应力聚合物c(%)c(MPa)tmax(h)E(MPa)y(MPa)Tg(C)PS0.3511.024303469.090PMMA1.3024.10.1293189.7100PPO1.539.324262069.0210PC1.842.124234462.1145Optimistsconcentrateonplasticdeformationincrazesasasourceoftoughnessorstressreliefinpolymers,whilepessimistsfocusoncrazingasthebeginningofbrittlefracture银纹的两面性增韧：引发大量小银纹abtt应力集中t=(1+2a/b)t=[1+2(a/)1/2]为曲率半径主银纹前端应力的释放引发次生银纹银纹中伸展的链是个网络结构裂缝前锋M大M小分子量越高，缠结越严重，可释放应力越多，次生银纹越多故分子量越高，韧性越高银纹是消耗能量的一个有效形式！产生大量小银纹控制它不成为大银纹增韧！(1)使用温度必须高于橡胶的玻璃化温度(2)橡胶与塑料的溶度参数接近但有一定差距，橡胶必须构成另一相，不能与塑料互溶，但要与塑料有一定粘合性(3)橡胶粒子应处于最佳粒度