09极限性能_新.

第九章极限力学性能处于或接近断裂点的力学性质9.1应力应变行为(a)(b)测试拉伸性质的样品012345121086420,1000psi,inch1psi=6890Pa注意细颈现象聚合物典型应力-应变曲线Winding1961ElongationatbreakUltimatestrengthStressStrainYieldstressElongationatyield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)断裂韧性量纲=Pam/m=N/m2m/m=J/m3以应力应变曲线测定的韧性应力-应变过程的不同阶段五个阶段：I：弹性形变II：屈服III：应变软化IV：冷拉V：应变硬化IIIIIIIVV聚合物应力－应变曲线的类型(b)(c)(d)应力应变(a)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9.2韧性与脆性响应外力作用屈服银纹韧性响应脆性响应冷拉断裂高应力下的两类响应DuctileandBrittle韧性响应：发生屈服，屈服点后应力下降，出现细颈，可观察到剪切带屈服点PS60C，compressivestrainof~4%.polycarbonate脆性响应：不发生应力下降，不出现细颈，出现银纹TEMofacrazeinPS(1)温度(2)应变速率0102030(MPa)227K293K303K313K323K333K决定脆或韧的因素当温度降低时，屈服应力升高比断裂应力升高快，到一临界温度，与断裂应力重合，这一温度称为脆化温度（脆-韧转变点）。当TTb时，应力下形变的后果是脆性断裂，TTb时发生屈服。温度温度应力应力(a)温度的影响(b)应变速率的影响脆化温度断裂强度屈服强度Tb聚合物PDMSNRPEPOMPCPA66Tb150200203215173243Tg153203205233422322一些聚合物的玻璃化温度与脆化温度本质：剪切力作用下发生塑性流动剪切力何来？屈服现象：应力停止随应变增大剪张比1312不同的受力形式有不同的剪张比发生韧性或脆性响应的第三重要因素：屈服判据应力可用一个二阶张量描述332313322212312111ij323331121311222321ZXY下标相同为张力下标不同为剪力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132sin2cossincos/sin111111AFAFsF1n=F1cosF1s=F1sin0/4/2A’=A1/cos1引起的最大剪应力为1/2cos=A1/A’F1F1nF1sA1A’F3F3s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)/2sin=A3/A’F3nA3A’0/4/2故最大剪应力为231故取剪张比为1312最大张应力为1剪张比越大越易屈服Izod缺口周围拉伸简单剪切压缩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室温屈服的材料9.3屈服与冷拉普通显微镜偏光显微镜屈服的本质是在剪切力作用下发生流动，这种流动过程称冷拉链段从一个平衡位置运动到另一个位置需要活化能U在温度T具有活化能U的链段的几率为exp(-U/kT)施加力时，链段吸收了机械能b(b为常数)沿外力运动所需活化能为exp[-(U-b)/kT]反外力运动所需活化能为exp[-(U+b)/kT]，故kTbkTUkTbUkTbUsinhexp2expexp净流量冷拉模型2)sinh(xxeex双曲正弦：双曲余弦：2)sinh(xxeex双曲正切：xxxxeeeextgh)(kTbkTbexp21sinhyyBAlog由此可得一定温度下kTbkTUsinhexp净流量yyBAlog冷拉过程应力与应变速率的关系Holt,PMMA19680C22C50C82C115C–5-4-3-2-101234log(strainrate,sec-1)Yieldstress,108dyn/cm230252015105温度形变速率Roetling,PMMA196530C405060708090-6–5-4-3-2-10log(strainrate,sec-1)/T,106dyn/cm2K3020100温度形变速率冷拉过程应力与应变速率的关系无定形聚合物的冷拉可逆性？强迫高弹形变球晶中的晶片晶片变形晶片解体纤维晶生成形变增大结晶聚合物冷拉模型I结晶聚合物冷拉模型II拉伸PE纤维的TEM(a)0%(b)400%(c)600%9.4银纹Craze:narrowzonesofhighlydeformedandviodedpolymerOptimistsconcentrateonplasticdeformationincrazesasasourceoftoughnessorstressreliefinpolymers,whilepessimistsfocusoncrazingasthebeginningofbrittlefracture银纹的结构Crazethickness,mDistancefromcenterofcraze,mForceForce–100-500501000.500.250~200~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的本质：张力作用下链段被迫伸展一定温度下存在临界应变:c400030002000100000.010.11101001000E.(psi)t(hr)Ziegler&Brown1955PSEc=1500psic=0.35%银纹的发生临界应力：c=E·c最大发生时间：tmaxtmax之后银纹不再发生临界应变以下不发生1psi=6890Pa聚合物c(%)c(psi)tmax(h)E(psi)y(psi)Tg(C)PS0.35160024440k10k90PMMA1.3035000.1425k13k100PPO1.5570024380k10k210PC1.8610024340k9k145聚合物室温下的临界应变与临界应力1psi=6890Pa银纹增长动力学Sauer,1953,PS：)(/0ckdtdlPS中银纹增长为恒速的0为银纹增长的最低应力Regel,1956,PMMASato,1966,PC)/ln(0ttalcac为依赖温度与应力的常数，t0为从施加外力开始银纹产生的时间PMMA中银纹减速增长tadtdlttattalccc//)ln(ln)/ln(00表明裂缝是加速增长的CFFA~F/AC1/2对比裂缝增长裂缝越长，局部应力越大(a)(b)(c)(d)（Argon）银纹生长机理模型银纹对断裂的影响裂缝从某个银纹中发展，该银纹称主银纹裂缝增长前锋发生大量银纹，称次级银纹分子量越高，引发的银纹越多同步测量样品的伸长与体积，以体积变化分数对伸长率作图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/V0.000.010.020.030.040.050.06PPASA塑性形变性质(剪切屈服与银纹化)的区分（1）溶剂的存在降低了材料的表面能，更容易产生新表面使裂缝（2）有机溶剂溶胀了表面，降低了Tg，使银纹可在低应力与低应变下生成。溶剂银纹化两种机理环境应力开裂1.61.41.21.00.80.60.40.2002468101214161820(cal/cm3)1/2PPOc,%Benier&Kambour1968临界应变与溶度参数的关系Sv0.60.50.40.30.20.102468101214161820(cal/cm3)1/2PPOBenier&Kambour1968平衡溶解度与溶度参数的关系Sv为溶剂平衡体积分数一日一题样品号MnMw重量(g)A1.21054.5105200B5.61058.9105200C10.010510.0105100聚合物混合物由三个样品组成，计算混合物的Mn与Mw9.5断裂与韧性Abilityofamaterialtoabsorbenergyanddeformplasticallybeforefracturing.断裂前发生塑性形变吸收能量的能力什么是韧性？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9.5.1Griffith理论模型体系：无限大板，单位厚度（厚度＝1）00应力为0形变为EE/21/212120000单位面积储存的应变能：0E拉伸功＝应力应变/2产生长度为2a的裂缝，即产生长度为2a的新表面。表面能由释放应变能来提供。002b2a表面能=4a假设释放应变能的面积为直径＝2a的圆2Eaa/21220220E所释放应变能为：体系得能量：4a产生裂缝体系能量变化Ea2220002b2a体系失能量：Ea2-a4220Ea42aa4a20220E裂缝扩展时的能量变化率为Ea420如果裂缝顺利扩展，材料断裂Ea420如果裂缝不扩展，材料保持完整/aEf临界点：Ea420从中解出临界应力Griffith公式/aEf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以Gc代替4来代表总的断裂功/aEGcfGriffith公式的改进/aEf/aEGcf(a)1/2=(EGc)1/2定义强度因子：K=(a)1/2断裂韧性：Kc=(EGc)1/2断裂韧性：Kc=(EGc)1/2E：/MPa/(m/m)=N/m2·m/m=N/m2Gc:J/m2=N·m/m2=N/mN/m2·N/m=N2/m3=N2/m4·m断裂韧性的量纲：故Kc的量纲为Pa·m1/2一般用MPa·m1/29.5.2冲击强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mJdWhh/)(21h0mJdWhh/)(20d9.6增强与增韧Directionofstress(a)(b)ABCABCDEFG粒子增强机理HS-CH2CH2CH2—Si-(-OCH3)3HS-R-(-OMe)3+HS-R-(-OMe)3HO-SiHS-RO-Si(OMe)2+MeOHPR+HS-R-O-SiSR-O-Si+PRH3-mercaptopropyltrimethoxysilane-巯丙基三甲氧基硅烷过氧引发剂EPDM+二氧化硅体系过氧残基表面自由基可向双键加成DilatometerWiretoloadcellCapillaryCylinder,2.2cmdiame