聚合物的应力-应变曲线解析

第八章聚合物的屈服和断裂桂林工学院材料与化学工程系高分子教研室彭锦雯主讲内容提要教学内容：聚合物的塑性与屈服，聚合物的应力-应变曲线，细颈，银纹，屈服判据；聚合物的断裂与强度，断裂理论，影响聚合物强度的因素与增强，聚合物的增韧。基本要求：识别非晶态聚合物、晶态聚合物和取向聚合物的应力-应变曲线，掌握细颈和银纹的现象与理论解释，掌握屈服判据，区分脆性断裂与韧性断裂，明确聚合物的强度概念，了解断裂理论，掌握影响聚合物强度的因素及增强的手段，认识聚合物增韧的途径与机理及影响因素。重点难点：应力-应变曲线，细颈和银纹现象的理解，屈服判据，聚合物的增强与增韧。本章内容8.1聚合物的塑性和屈服8.1.1应力应变曲线8.1.2聚合物的屈服8.2高聚物的断裂和强度8.2.1脆性断裂与韧性断裂8.2.2聚合物的强度8.2.3断裂理论8.2.4影响聚合物强度和韧性的因素------增强与增韧8.2.5疲劳表征材料力学性能的基本物理量受力方式简单拉伸简单剪切均匀压缩参数受力特点外力F是与截面垂直，大小相等，方向相反，作用在同一直线上的两个力。外力F是与界面平行，大小相等，方向相反的两个力。材料受到的是围压力。,,,,,FF0lθFF应变张应变：真应变：切应变：是偏斜角压缩应变：应力张应力：真应力：切应力：压力P00llllliildl0tgr0VV0AFAF0AFs弹性模量杨氏模量：泊淞比：切变模量：体积模量：柔量拉伸柔量：切变柔量：可压缩度：00llAFE纵向单位宽度的增加横向单向单位宽度的llmmtgAFrGs0＝VPVPB0ED1GJ1B1不同材料的泊松比材料名称泊松比材料名称泊松比锌0.21玻璃0.25钢0.25~0.35石料0.16~0.34铜0.31~0.34聚苯乙系0.33铝0.32~0.36聚乙烯0.38铅0.45有机玻璃0.33汞0.50橡胶类0.49~0.50几种常用的力学强度拉伸强度σt=P/bd（最大负荷/截面积)MPa1MPa=9.8kg/cm2≈10kg/cm2弯曲强度σf=1.5(Pl/bd)MPa冲击强度σi=W/bdKgcm/cm2注意!不同方法测量结果会有不同常见塑料的拉伸和弯曲强度塑料名称拉伸强度（MPa）伸长率%拉伸模量（GPa）弯曲强度（MPa）弯曲模量（GPa）聚乙烯22～3960～1500.84～0.9525～401.1～1.4聚苯乙烯35.2～63.312～252.8～3.561.2～98.4ABS塑料16.9～63.310～1400.7～2.925.3～94.93.0有机玻璃49.2～77.32～103.291.4～119聚丙烯33.7～42.2200～7001.2～1.442.2～56.21.2～1.6聚氯乙烯35.2～63.320～402.5～4.270.3～112尼龙6683603.2～3.3100～1102.9～3.0尼龙674～781502.61002.4～2.6尼龙101052～55100～2501.6891.3聚甲醛62～6860～752.891～922.6聚碳酸酯6760～1002.2～2.498～1062.0～3.0聚砜72～8520～1002.5～2.9108～1272.8聚酰亚胺94.568＞1003.2聚苯醚86.5～89.530～802.6～2.898～1372.0～2.1氯化聚醚42.360～1601.170～770.9线性聚酯802002.9117聚四氟乙烯14～25250～3500.411～14聚合物力学性质的特点是已知材料中变性范围最宽的力学性质。即力学性质的多样性。例如液体有软弹性、硬弹性、刚性、脆性、韧性等。可以从纯粘性经粘弹性到纯弹性，为应用提供了广阔的选择余地。例子：1.PS制品很脆，一敲就碎（脆性）2.尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性）3.轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几倍，力解除后基本恢复原状（弹性）4.胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性）力学性对温度和时间有强烈的信赖性。造成以上特点的原因：归结为聚合物的长链分子结构。高弹性——高聚物特有显示高弹性的温度范围(Tg~Tf)分子量温度范围(Tg~Tf)增宽(Tg~Tf)的范围决定了橡胶的使用温度范围粘弹性——力学行为对温度和时间有强烈的依赖关系为高聚物独特的力学行为σ（应力）ε（应变）在研究高聚物力学行为T（温度）时必须同时考虑t（时间）比强度特高比强度——单位重量材料能承受的最大负荷几种金属材料和塑料(增强)的比强度材料名称比重拉伸强度（MPa）比强度高级合金钢8.01280160A3钢7.8540050铝合金2.8420160铸铁7.424032聚乙烯0.953031.6尼龙661.128374.1玻璃增强尼龙661.3～1.598～218143聚酯玻璃钢1.8290160环氧玻璃钢1.73500280玻璃增强聚碳酸酯1.4120～13092.9芳香聚酰胺纤维1.452800~1900聚酯纤维1.381100~800超高分子量聚乙烯纤维0.973500~3400聚苯并噁唑(纤维)1.565800~37008.1聚合物的塑性和屈服8.1.1应力应变曲线玻璃态高聚物的塑性与屈服：小形变的情况大形变的情况研究玻璃态高聚物大形变常用应力-应变实验，判断高聚物材料的强弱，硬软，韧脆。1.典型的应力-应变曲线------以屈服点A为界分成两部分：A点以前是弹性区域，可恢复原样。A点以后呈塑性行为，不可恢复原样，发生永久变形，材料屈服。其中：A点为屈服点，对应的应力和应变为屈服应力和屈服应变AB段叫应变软化BC段颈缩阶段CD段取向硬化D点发生断裂，对应的应力为抗拉强度yyB应力应变曲线AAE断裂点Bpoint:BreakingpointA弹性极限应变A弹性极限应力B断裂伸长率B断裂强度Y屈服应力屈服点Ypoint:Yieldingpoint弹性极限点Apoint:Pointofelasticlimit应力：σ=F/A0应变：ε=∆l/l0材料的杨氏模量E为应力-应变曲线起始部分的斜率E=tgа=∆σ/∆ε应力应变曲线形变过程分析弹性形变→屈服→应变软化→冷拉→应变硬化→断裂2、外界条件对应力-应变曲线的影响（1）不同温度随温度的增加应力-应变曲线的类型从硬而脆的变为软而韧的。TTa:TTg脆断b:TTg屈服后断c:TTg几十度韧断d:Tg以上无屈服（2）不同拉伸速率速度速度.4.3.2.1拉伸速率时温等效原理：拉伸速度快=时间短温度低（3）物质结构组成a:脆性材料c:韧性材料d:橡胶b:半脆性材料酚醛或环氧树脂PP,PE,PCPS,PMMANaturerubber,PI(4)结晶应变软化更明显冷拉时晶片的倾斜、滑移、转动，形成微晶或微纤束(5)球晶大小(6)结晶度3.晶态聚合物的应力一应变曲线整个曲线可分为三个阶段：到y点后，试样截面开始变得不均匀，出现“细颈”。晶态聚合物“冷拉”的原因：•Tm以下，冷拉：拉伸成颈（球晶中片晶的变形）•非晶态：Tg以下冷拉，只发生分子链的取向•晶态：Tm以下，发生结晶的破坏，取向，再结晶过程，与温度、应变速率、结晶度、结晶形态有关。玻璃态聚合物的拉伸与结晶聚合物的拉伸相似之处：即两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自发回复，而加热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是高弹形变。该现象通常称为“冷拉”。两种拉伸过程又有区别：即产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉温度区间是Tb到Tg，而结晶聚合物则为Tg至Tm；另一差别在于玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶态聚合物简单得多，它只发生分子链的取向，并不发生相变，而后者尚包含有结晶的破坏，取向和再结晶等过程。4、聚合物具有的应力-应变曲线类型：（1）硬而脆（聚苯乙烯，PMMA等）（2）硬而韧（尼龙等）（3）硬而强（PVC与PS的共混物）（4）软而韧（橡胶）（5）软而弱(无规PP)聚合物力学类型软而弱软而韧硬而脆硬而强硬而韧聚合物应力—应变曲线应力应变曲线特点模量（刚性）低低高高高屈服应力（强度）低低高高高极限强度（强度）低中高高断裂伸长（延性）中等按屈服应力低中高应力应变曲线下面积（韧性）小中小中大五种不同类型材料的比较例子聚合物力学类型软而弱软而韧硬而脆硬而强硬而韧聚合物应力—应变曲线实例聚合物凝胶橡胶.增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固化酚醛树脂断裂前无塑性形变断裂前有银纹硬PVCABS.PC.PE.PA有明显的屈服和塑性形变.韧性好8.1.2聚合物的屈服1.高聚物屈服点的特征大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现象是拉伸中出现的细颈现象。它是独特的力学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出屈服过程，这是由于温度和时间对高聚物的性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性，有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物脆性易断。关于细颈现象样条尺寸：横截面小的地方应变软化：应力集中的地方出现“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OrientationRTEe0RTaEe0细颈稳定取向硬化Considère作图法唯象角度判据细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。(1)屈服应变大：高聚物的屈服应变比金属大得多，金属0.01左右，高聚物0.2左右（例如PMMA的切变屈服为0.25，压缩屈服为0.13）(2)屈服过程有应变软化现象：许多高聚物在过屈服点后均有一个应力不太大的下降，叫应变软化，这时应变增大，应力反而下降。(3)屈服应力依赖应变速率：应变速率增大，屈服应力增大。应变速率对PMMA真应力应变曲线的影响应变速率增大12341——0.2吋分真应变4——1.28吋/分3——1.13吋/分2——0.8吋/分真应力(4)屈服应力依赖于温度：温度升高，屈服应力下降。在温度达到时，屈服应力等于0gT温度对醋酸纤维素应力～应变曲线的影响应力应变80℃65℃50℃25℃0℃－25℃(5)屈服应力受流体静压力的影响：压力增大，屈服应力增大。1.7千巴1巴0.69千巴3.2千巴切应力切应变(6)高聚物屈服应力不等于压缩屈服应力，一般后者大一些。所以高聚物取向薄膜不同方向上的屈服应力差别很大。(7)高聚物在屈服时体积略有缩小。高聚物屈服特征的小结（1）屈服应变大（2）应变软化现象（3）屈服应力的应变速率依赖性（4）屈服应力的温度依赖性（5）流体静压力对屈服应力有影响（6）高聚物屈服应力不等于压缩屈服应力（7）高聚物在屈服时体积稍有缩小关于工程应力和真应力应力:σ=F/A0真应力：σ真=F/AA=A0l0/l=A0/(1+ε)因为：AA0所以：σ真σConsidere作图法（真应力-应变曲线）(P180)在横坐标ε=-1处向真应力-应变曲线作切线就是表观屈服点，有：dσ真/dε=σ真/(1+ε)=σ真/λ这种以真应力作图求表观屈服点的方法就是Considere作图法。Y点1truetruedd0dde在真应力-应变曲线上确定与工程应力-应变屈服点Y所对应的B点。2.真应力-应变曲线及屈服判据三种类型DE012301230123由无法作切线，不能成颈由可作两条切线，有两个点满足屈服条件，D点时屈服点，E点开始冷拉由可作一条切线，曲线上有一个点满足，此点为屈服点，在此点高聚物成颈0000dd屈服判据应力一般包括3个正应力3个切应力的6个分量组成：f=(σxx,σyy,σzz,σxy,σyz,σzx)而不同的应力状态又对应不同的应力分量组合，在组合应力条件材料的屈服条件称为屈服判据。屈服判据的理论：最大切应力理论（Tresca判据）最大变形能理论（VonMises判据）双参数屈服判据理论（Coulomb,Mohr判据）3.屈服机理(1)银纹屈