1、1第第8章章聚合物的屈服與斷裂聚合物的屈服與斷裂The yielding and fracture of polymers2本章的教學(xué)內(nèi)容、要求和目的本章的教學(xué)內(nèi)容、要求和目的教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容： 聚合物的應(yīng)力聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 聚合物的屈服聚合物的屈服 聚合物的斷裂與強(qiáng)度聚合物的斷裂與強(qiáng)度重點要求：重點要求： 掌握聚合物的應(yīng)力掌握聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線；屈服和斷裂現(xiàn)象及其機(jī)理；影響應(yīng)變曲線；屈服和斷裂現(xiàn)象及其機(jī)理；影響聚合物強(qiáng)度與韌性的因素及增韌、增強(qiáng)方法。聚合物強(qiáng)度與韌性的因素及增韌、增強(qiáng)方法。目的：目的： 能從分子結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和屈服、斷裂特征上對材料的韌性能從分子結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)

2、結(jié)構(gòu)和屈服、斷裂特征上對材料的韌性和強(qiáng)度進(jìn)行初步判斷，學(xué)會聚合物的增韌、增強(qiáng)方法，以滿足其使和強(qiáng)度進(jìn)行初步判斷，學(xué)會聚合物的增韌、增強(qiáng)方法，以滿足其使用要求。用要求。3不同條件下聚合物的力學(xué)行為：不同條件下聚合物的力學(xué)行為：高彈性、粘彈性和流動性高彈性、粘彈性和流動性研究聚合物的極限性質(zhì)，即研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力的持續(xù)作用在較大外力的持續(xù)作用或或強(qiáng)大外力的短時作強(qiáng)大外力的短時作用用后，聚合物發(fā)生后，聚合物發(fā)生大大形變直至形變直至宏觀破壞宏觀破壞或或斷裂斷裂。4l電子拉力機(jī)電子拉力機(jī)l材料試驗機(jī)材料試驗機(jī)8.1.1 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線（應(yīng)變曲線（stress-strain curve

3、s） 8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服 000lllll0FA玻璃態(tài)聚合物在不同溫度下的應(yīng)力玻璃態(tài)聚合物在不同溫度下的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線5AAE YBYielding point 屈服點屈服點Breaking point 斷裂點斷裂點BYB應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化(大形變區(qū)）大形變區(qū)）Cold drawing 冷拉冷拉應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化典型非晶態(tài)聚合物在玻璃態(tài)的應(yīng)力典型非晶態(tài)聚合物在玻璃態(tài)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 y屈服應(yīng)力或屈服強(qiáng)度；屈服應(yīng)力或屈服強(qiáng)度； y 屈服應(yīng)變（屈服伸長率）屈服應(yīng)變（屈服伸長率） B斷裂強(qiáng)度；斷裂強(qiáng)度； B 斷裂伸長率斷裂伸長率 y6Y點以前普彈形變點以前普

4、彈形變：應(yīng)力與應(yīng)變成正：應(yīng)力與應(yīng)變成正比，斜率為揚(yáng)氏模量。形變小，比，斜率為揚(yáng)氏模量。形變小，鍵鍵長、鍵角的變化長、鍵角的變化Y點屈服（點屈服（ 塑性區(qū)域）塑性區(qū)域） ：在大應(yīng)力：在大應(yīng)力作用下鏈段開始運(yùn)動，作用下鏈段開始運(yùn)動，應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化：應(yīng)變增加，應(yīng)力略下降，：應(yīng)變增加，應(yīng)力略下降，模量下降，模量下降，鏈段運(yùn)動鏈段運(yùn)動，除去外力后，除去外力后，有永久變形。有永久變形。大形變區(qū)（冷拉）大形變區(qū)（冷拉）：應(yīng)力基本不變應(yīng)變增加很大，：應(yīng)力基本不變應(yīng)變增加很大， 升溫至升溫至Tg可回復(fù)可回復(fù)（強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變）應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化：應(yīng)力增加：應(yīng)力增加,分子鏈沿外力方向伸展分子鏈沿外力方向伸

5、展形成取向結(jié)構(gòu)形成取向結(jié)構(gòu)B點：斷裂點點：斷裂點7你能解你能解釋嗎？釋嗎？屈服屈服（鏈段開（鏈段開始運(yùn)動）始運(yùn)動）應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化（鏈段運(yùn)動）（鏈段運(yùn)動）應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化（分子鏈沿（分子鏈沿外力取向外力取向形形變不可回復(fù)變不可回復(fù)）斷裂斷裂冷拉冷拉（強(qiáng)（強(qiáng)迫高彈形變）迫高彈形變）從分子運(yùn)動機(jī)理解釋形變過程從分子運(yùn)動機(jī)理解釋形變過程 彈性形變彈性形變（鍵（鍵長鍵角變化，形長鍵角變化，形變小可回復(fù)）變小可回復(fù)）8 玻璃態(tài)高聚物在屈服點后大外力作用下發(fā)生的大形變，本質(zhì)與橡膠的高彈玻璃態(tài)高聚物在屈服點后大外力作用下發(fā)生的大形變，本質(zhì)與橡膠的高彈形變一樣都是鏈段運(yùn)動引起的，并不是分子鏈的滑移，只不過表現(xiàn)

6、形式有差別。形變一樣都是鏈段運(yùn)動引起的，并不是分子鏈的滑移，只不過表現(xiàn)形式有差別。由于聚合物處在玻璃態(tài)，形變在停止拉伸后無法自動恢復(fù)，但是如果讓溫度升由于聚合物處在玻璃態(tài)，形變在停止拉伸后無法自動恢復(fù)，但是如果讓溫度升到到Tg附近形變又可恢復(fù)。附近形變又可恢復(fù)。強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變9RTEexp0 降低了鏈段運(yùn)動的活化能，降低了鏈段運(yùn)動的活化能，減小。當(dāng)應(yīng)力增加使鏈段運(yùn)減小。當(dāng)應(yīng)力增加使鏈段運(yùn)動的松弛時間減小到與外力作用時間同一數(shù)量級時，鏈段動的松弛時間減小到與外力作用時間同一數(shù)量級時，鏈段開始運(yùn)動，產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形。開始運(yùn)動，產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈變形。鏈段松弛時間鏈段松弛時間與外應(yīng)力與外應(yīng)力的關(guān)

7、系：的關(guān)系： E是鏈段運(yùn)動活化能，是鏈段運(yùn)動活化能，是材料常數(shù)，是材料常數(shù)，0是未加應(yīng)力時鏈?zhǔn)俏醇討?yīng)力時鏈段松弛時間。段松弛時間。強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的原因：強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的原因：10強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的條件強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的條件: :（1）溫度：）溫度：TbTgRTEexp0溫度越低溫度越低鏈段運(yùn)動的松鏈段運(yùn)動的松弛時間弛時間越大越大必須使用更必須使用更大外力大外力強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變存在一個特征溫度存在一個特征溫度Tb，如果低于該溫度，玻璃態(tài)高聚物不，如果低于該溫度，玻璃態(tài)高聚物不能發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變，而只會發(fā)生脆性斷裂，該溫度能發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變，而只會發(fā)生脆性斷裂，該溫度稱為稱為脆化溫度。

8、脆化溫度。非晶態(tài)塑料的使用溫度范圍非晶態(tài)塑料的使用溫度范圍: TbTg（2 2） 應(yīng)力：應(yīng)力： B y（斷裂應(yīng)力大于屈服應(yīng)力）斷裂應(yīng)力大于屈服應(yīng)力）當(dāng)應(yīng)力增加到一定值（屈服應(yīng)力）時，被凍結(jié)的高分子鏈當(dāng)應(yīng)力增加到一定值（屈服應(yīng)力）時，被凍結(jié)的高分子鏈段運(yùn)動產(chǎn)生大的形變。段運(yùn)動產(chǎn)生大的形變。增加應(yīng)力與升高溫度對松弛時間的影響是相同的。增加應(yīng)力與升高溫度對松弛時間的影響是相同的。11斷裂能斷裂能d斷裂能：材料從開始拉伸至破壞所斷裂能：材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量，反映材料拉伸斷裂韌吸收的能量，反映材料拉伸斷裂韌性大小性大小12從應(yīng)力從應(yīng)力應(yīng)變曲線可以獲得的信息應(yīng)變曲線可以獲得的信息屈服強(qiáng)度（屈服

9、強(qiáng)度（y）屈服伸長率（屈服伸長率（ y） 楊氏模量（楊氏模量（OA段斜率）段斜率） 斷裂強(qiáng)度（斷裂強(qiáng)度（ B） 斷裂伸長率（斷裂伸長率（ B ） 聚合物的斷裂韌性（曲線下面積）聚合物的斷裂韌性（曲線下面積）聚合物的斷裂聚合物的斷裂脆性斷裂脆性斷裂 :屈服點前斷裂屈服點前斷裂韌性斷裂韌性斷裂 ：屈服點后斷裂：屈服點后斷裂13 8.1.2 影響應(yīng)力影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的因素應(yīng)變曲線的因素1. 溫度溫度 12345圖圖8 非晶聚合物不同溫度下的非晶聚合物不同溫度下的 曲線曲線T曲線曲線1： TTg ，硬玻璃態(tài)，硬玻璃態(tài)，鍵長鍵長鍵角的變化，形變小，高模量鍵角的變化，形變小，高模量脆性斷裂脆性斷裂曲線曲

10、線4：高彈態(tài)，：高彈態(tài)，無屈服點，形變大，鏈段運(yùn)動，高彈形變。無屈服點，形變大，鏈段運(yùn)動，高彈形變。曲線曲線5：粘流態(tài)，：粘流態(tài)，分子鏈運(yùn)動，模量很小，不可逆形變。分子鏈運(yùn)動，模量很小，不可逆形變。曲線曲線2.3： TbTTg，軟玻璃態(tài)：，軟玻璃態(tài)：出現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變，外力除去后，出現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變，外力除去后，形變不能回復(fù)，但是升溫到形變不能回復(fù)，但是升溫到Tg時，時，形變回復(fù)。形變回復(fù)。14a: TTg c: TTg (幾十度幾十度)d: T接近或大于接近或大于Tgb: TTgTemperature 0C5070C70C050CExample-PVC脆性斷裂（應(yīng)變脆性斷裂（應(yīng)變10） 韌性斷裂

11、（應(yīng)變大）韌性斷裂（應(yīng)變大）無屈服無屈服屈服后斷裂（屈服后斷裂（應(yīng)變應(yīng)變20） Results TT溫度升高，材料變得軟而韌，斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長率增加；溫度升高，材料變得軟而韌，斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長率增加；溫度下降，材料變硬變脆，斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長率減小溫度下降，材料變硬變脆，斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長率減小152. 拉伸速率拉伸速率拉伸速率拉伸速率拉伸速率拉伸速率PMMA增加拉伸速率與降低溫度一致：模量、屈服應(yīng)力、斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長增加拉伸速率與降低溫度一致：模量、屈服應(yīng)力、斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長率減小率減小由于聚合物的粘彈性本質(zhì)，溫度與應(yīng)變速率對其影響由于聚合物的粘彈性本質(zhì)，溫度

12、與應(yīng)變速率對其影響是相同的是相同的時時-溫等效原理溫等效原理163. 結(jié)晶結(jié)晶- -普彈形變普彈形變屈服，縮頸（應(yīng)變變大，應(yīng)屈服，縮頸（應(yīng)變變大，應(yīng)力下降）力下降）強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變- -細(xì)頸化細(xì)頸化: :試樣重新被均勻拉伸，試樣重新被均勻拉伸，應(yīng)變隨應(yīng)力增加應(yīng)變硬化應(yīng)變隨應(yīng)力增加應(yīng)變硬化與非晶態(tài)聚合與非晶態(tài)聚合物的拉伸機(jī)理物的拉伸機(jī)理相同嗎？相同嗎？與非晶態(tài)聚合物相比成頸現(xiàn)象更與非晶態(tài)聚合物相比成頸現(xiàn)象更為明顯（轉(zhuǎn)折更明顯）為明顯（轉(zhuǎn)折更明顯）17玻璃態(tài)聚合物與結(jié)晶聚合物的拉伸比較玻璃態(tài)聚合物與結(jié)晶聚合物的拉伸比較相似相似：都經(jīng)歷都經(jīng)歷彈性形變、屈服、發(fā)展大形變、應(yīng)變硬化、斷裂彈性形變

13、、屈服、發(fā)展大形變、應(yīng)變硬化、斷裂等階段。等階段。其中大形變在室溫時都不能自發(fā)回復(fù)，加熱后可回復(fù)，故本質(zhì)其中大形變在室溫時都不能自發(fā)回復(fù)，加熱后可回復(fù)，故本質(zhì)上兩種拉伸造成的大形變都是上兩種拉伸造成的大形變都是強(qiáng)迫高彈形變強(qiáng)迫高彈形變“冷拉冷拉”。區(qū)別區(qū)別：（1）產(chǎn)生冷拉的溫度范圍不同，產(chǎn)生冷拉的溫度范圍不同，非晶態(tài)非晶態(tài)TbTg結(jié)晶態(tài)結(jié)晶態(tài)TbTm（2）玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中凝聚態(tài)只發(fā)生）玻璃態(tài)聚合物在冷拉過程中凝聚態(tài)只發(fā)生分子鏈的分子鏈的取向不發(fā)生相變?nèi)∠虿话l(fā)生相變；晶態(tài)聚合物還包含；晶態(tài)聚合物還包含結(jié)晶的破壞、取向結(jié)晶的破壞、取向和再結(jié)晶等過程和再結(jié)晶等過程(相變）。相變）。18結(jié)晶度

14、結(jié)晶度結(jié)晶度增加，屈服應(yīng)力、結(jié)晶度增加，屈服應(yīng)力、模量、強(qiáng)度等提高，斷模量、強(qiáng)度等提高，斷裂伸長率降低裂伸長率降低球晶大小大球晶使模量提高，斷大球晶使模量提高，斷裂伸長率和韌性降低裂伸長率和韌性降低19 5）軟而弱：凝膠，模量低，有一定延伸，強(qiáng)度低）軟而弱：凝膠，模量低，有一定延伸，強(qiáng)度低1）硬而脆：）硬而脆：PS, PMMA等，屈服點前等，屈服點前脆性斷裂脆性斷裂，模量高，拉伸強(qiáng)度大，斷裂伸長率低模量高，拉伸強(qiáng)度大，斷裂伸長率低22）硬而強(qiáng)）硬而強(qiáng):硬質(zhì)硬質(zhì)PVC，韌性斷裂，應(yīng)，韌性斷裂，應(yīng)力軟化，斷裂強(qiáng)度小于屈服應(yīng)力，模力軟化，斷裂強(qiáng)度小于屈服應(yīng)力，模量高，韌性小，拉伸強(qiáng)度大，斷裂伸量高，

15、韌性小，拉伸強(qiáng)度大，斷裂伸長率長率5（非應(yīng)變硬化斷裂非應(yīng)變硬化斷裂）4）軟而韌）軟而韌:橡膠，模量低，屈服點低或無屈服點，橡膠，模量低，屈服點低或無屈服點，y=0, 伸伸長率大，柔性好長率大，柔性好3）強(qiáng)而韌）強(qiáng)而韌:尼龍尼龍66，PC，應(yīng)變硬化，斷裂強(qiáng)度大于屈服應(yīng)力，應(yīng)變硬化，斷裂強(qiáng)度大于屈服應(yīng)力，模量高，韌性大，強(qiáng)度高，斷裂伸長率可達(dá)模量高，韌性大，強(qiáng)度高，斷裂伸長率可達(dá)1000（應(yīng)變硬化（應(yīng)變硬化斷裂）斷裂）4. 聚合物的類型聚合物的類型20“軟軟”和和“硬硬”指模量的低或高，應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率，表征材料抵抗形變的指模量的低或高，應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率，表征材料抵抗形變的能力，斜率越大，模量

16、越高，剛性越大，材料越硬能力，斜率越大，模量越高，剛性越大，材料越硬“弱弱”和和“強(qiáng)強(qiáng)”是指強(qiáng)度的大小，斷裂時的應(yīng)力高低是指強(qiáng)度的大小，斷裂時的應(yīng)力高低“脆脆”指無屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長很小，指無屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長很小，“韌韌”指斷裂伸長和斷裂應(yīng)力都較指斷裂伸長和斷裂應(yīng)力都較高。高。彈性模量彈性模量硬（剛）硬（剛） 軟軟斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度強(qiáng)強(qiáng) 弱弱斷斷 裂裂 功功脆脆 韌韌21聚合物力學(xué)類型聚合物力學(xué)類型硬而脆硬而脆硬而強(qiáng)硬而強(qiáng)強(qiáng)而韌強(qiáng)而韌軟而韌軟而韌軟而弱軟而弱聚合物應(yīng)力聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)應(yīng)變變曲曲線線特特點點模模 量量（剛性）（剛性）高高高高高高低低低低屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力（強(qiáng)

17、度）（強(qiáng)度）高高高高高高低低低低斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度（強(qiáng)度）（強(qiáng)度）中中高高高高中中低低斷裂伸長斷裂伸長（延性）（延性）低低 2%中中 5% 高高高高中中應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線下面積（韌）下面積（韌）小小中中大大中中小小實實例例PS;PMMA固固化酚醛樹脂化酚醛樹脂斷裂前無塑斷裂前無塑性形變性形變硬硬PVC;PVC與與PS共共混物混物ABS;PC;PE;PA;POM;nylon-66有明顯的屈有明顯的屈服和塑性形服和塑性形變變.韌性好韌性好橡膠橡膠;增塑增塑PVC, PE, PTFE聚合物凝膠聚合物凝膠（無規(guī)（無規(guī)PP）22 練習(xí)：有三種材料的應(yīng)力練習(xí)：有三種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖所示應(yīng)變曲

18、線如下圖所示l哪種材料的彈性模量最高？哪種材料的彈性模量最高？l哪種材料的斷裂強(qiáng)度最高？哪種材料的斷裂強(qiáng)度最高？l哪種材料在斷裂前沒有明顯的塑性變形？哪種材料在斷裂前沒有明顯的塑性變形？l哪種材料的伸長率最大？哪種材料的伸長率最大？l哪種材料的斷裂能最大？哪種材料的斷裂能最大？判斷順丁橡膠、尼龍判斷順丁橡膠、尼龍6、聚苯乙烯分別對應(yīng)哪種材、聚苯乙烯分別對應(yīng)哪種材料的曲線？料的曲線？23高聚物屈服點前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點后高聚物屈服點前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點后 發(fā)生發(fā)生“塑性流動塑性流動”，即鏈段沿外力方向開始取向。，即鏈段沿外力方向開始取向。屈服點的應(yīng)變相當(dāng)大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)榍?/p>

19、點的應(yīng)變相當(dāng)大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)?0%-20%（金（金屬屬1）。）。屈服點后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)力下降，叫做應(yīng)變軟化。屈服點后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)力下降，叫做應(yīng)變軟化。屈服應(yīng)力對應(yīng)變速率和溫度都敏感。屈服應(yīng)力對應(yīng)變速率和溫度都敏感。屈服發(fā)生時，試樣表面產(chǎn)生屈服發(fā)生時，試樣表面產(chǎn)生“銀紋銀紋”或或“剪切帶剪切帶”, 繼繼而整個樣條局部出現(xiàn)而整個樣條局部出現(xiàn)“細(xì)頸細(xì)頸”。屈服主要特征屈服主要特征8.1.3 屈服與細(xì)頸屈服與細(xì)頸24Strain softening 應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化 彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱為繼續(xù)屈服，包括：彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱為繼續(xù)屈服，包括：

20、應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化：屈服后，應(yīng)變增加，應(yīng)力反而有稍許下跌的現(xiàn)象：呈現(xiàn)塑：屈服后，應(yīng)變增加，應(yīng)力反而有稍許下跌的現(xiàn)象：呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為性不穩(wěn)定性，最常見的為細(xì)頸細(xì)頸。塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，。塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。變軟。“取向硬化取向硬化”: 應(yīng)力急劇上升。應(yīng)力急劇上升。 斷裂斷裂25樣條尺寸：橫截面小的地方樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方 出現(xiàn)出現(xiàn)“細(xì)頸細(xì)頸”的位置的位置松弛時間變短松弛時間變短屈服點后的應(yīng)變軟化屈服點后的應(yīng)變軟化出現(xiàn)出現(xiàn)“細(xì)頸細(xì)頸”的原因的原因細(xì)頸細(xì)頸:屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。屈服時，試樣出現(xiàn)

21、的局部變細(xì)的現(xiàn)象。 無外力無外力有外力有外力 RTEe0RTaEe0細(xì)頸穩(wěn)定細(xì)頸穩(wěn)定取向硬化取向硬化 成頸與冷拉成頸與冷拉26冷拉冷拉Cold drawing圖圖7 Necking and cold drawing 脆性聚合物在斷裂前試樣并脆性聚合物在斷裂前試樣并沒有明顯變化，斷裂面一般與拉沒有明顯變化，斷裂面一般與拉伸方向垂直，而且很光潔伸方向垂直，而且很光潔韌性聚合物在屈服后產(chǎn)生細(xì)頸韌性聚合物在屈服后產(chǎn)生細(xì)頸（neck），之后細(xì)頸逐漸擴(kuò)展，應(yīng)），之后細(xì)頸逐漸擴(kuò)展，應(yīng)變增加而應(yīng)力不變，這種現(xiàn)象稱為變增加而應(yīng)力不變，這種現(xiàn)象稱為冷拉（冷拉（cold drawing），直至細(xì)頸擴(kuò)），直至細(xì)頸擴(kuò)展

22、到整個試樣，應(yīng)力才重新增加并展到整個試樣，應(yīng)力才重新增加并使試樣斷裂使試樣斷裂冷拉是強(qiáng)迫高彈形變，對于非晶聚合物，主要是冷拉是強(qiáng)迫高彈形變，對于非晶聚合物，主要是鏈段取向；對于結(jié)晶聚合物，主要是晶粒的變形鏈段取向；對于結(jié)晶聚合物，主要是晶粒的變形 冷拉成頸的工業(yè)意義：纖維的牽伸；塑料的沖壓成型。冷拉成頸的工業(yè)意義：纖維的牽伸；塑料的沖壓成型。27Necking 頸縮現(xiàn)象頸縮現(xiàn)象為什么會出現(xiàn)細(xì)頸？為什么會出現(xiàn)細(xì)頸？應(yīng)力最大處。應(yīng)力最大處。哪里的應(yīng)力最大？哪里的應(yīng)力最大？28（1）剪切屈服）剪切屈服-是韌性聚合物在單向是韌性聚合物在單向拉伸至屈服點時出現(xiàn)的與拉伸方向成約拉伸至屈服點時出現(xiàn)的與拉伸方

23、向成約45角傾斜的剪切滑移變形帶角傾斜的剪切滑移變形帶(剪切帶剪切帶)（2）剪切帶有明顯的雙折射現(xiàn)象，剪切帶有明顯的雙折射現(xiàn)象，厚厚度約度約1m，在剪切帶內(nèi)部，高分子鏈沿，在剪切帶內(nèi)部，高分子鏈沿外力方向高度取向，外力方向高度取向，每個剪切帶由若干每個剪切帶由若干個細(xì)小的不規(guī)則微纖構(gòu)成。個細(xì)小的不規(guī)則微纖構(gòu)成。剪切帶內(nèi)部剪切帶內(nèi)部沒有空隙，因此形變過程沒有明顯的體沒有空隙，因此形變過程沒有明顯的體積變化積變化。（3）剪切帶的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量）剪切帶的產(chǎn)生與發(fā)展吸收了大量能量，使材料韌性提高能量，使材料韌性提高8.1.4 剪切屈服剪切屈服29cos0AA cosFFnsinFFs受受 力力2

24、00coscos/cosAFn法向應(yīng)力法向應(yīng)力2sin21cossin00AFs剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力橫截面橫截面A0, 受到的應(yīng)力受到的應(yīng)力 0=F/A030 法向應(yīng)力與材料的抗拉伸能力有關(guān)，法向應(yīng)力與材料的抗拉伸能力有關(guān)，極限值取決于分極限值取決于分子主鏈的強(qiáng)度（鍵能）。材料在子主鏈的強(qiáng)度（鍵能）。材料在法向應(yīng)力法向應(yīng)力作用下發(fā)生破壞作用下發(fā)生破壞時往往伴隨主鏈的斷裂。時往往伴隨主鏈的斷裂。 切向應(yīng)力與材料的抗剪切能力相關(guān)，切向應(yīng)力與材料的抗剪切能力相關(guān)，極限值取決于分子間極限值取決于分子間內(nèi)聚力。材料在內(nèi)聚力。材料在切向應(yīng)力切向應(yīng)力作用下發(fā)生屈服時往往發(fā)生分子鏈作用下發(fā)生屈服時往往發(fā)生分子鏈的

25、相對滑移。的相對滑移。 垂直應(yīng)力下的分子鏈斷裂（垂直應(yīng)力下的分子鏈斷裂（a）和剪切應(yīng)力下的分子鏈滑移（和剪切應(yīng)力下的分子鏈滑移（b）31 =0 n= 0 s=0 =45 n= 0/2 s= 0/2 =90 n=0 s=0200coscos/cosAFn200coscos/cosAFn2 sin21cossin00AFs2sin21cossin00AFs 0 0 /2 0o45o90o an as抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度(抵抗拉力的作用抵抗拉力的作用)什么面最大？什么面最大？ =0 ， n= 0抗剪強(qiáng)度（抵抗剪力作用）什么面最大？抗剪強(qiáng)度（抵抗剪力作用）什么面最大？ =45 ， s= 0/232 當(dāng)應(yīng)力

26、當(dāng)應(yīng)力 0增加時，增加時，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同不同（分子鏈滑移比分子鏈斷裂容易）（分子鏈滑移比分子鏈斷裂容易） ， 45o斜面上切斜面上切應(yīng)力首先達(dá)到最大剪切強(qiáng)度應(yīng)力首先達(dá)到最大剪切強(qiáng)度-出現(xiàn)剪切帶。出現(xiàn)剪切帶。01sin22s012s012Y切應(yīng)力雙生互等定律：切應(yīng)力雙生互等定律：兩個互相垂直的斜截面上的剪應(yīng)力兩個互相垂直的斜截面上的剪應(yīng)力數(shù)值相等，方向相反，它們不能單獨存在總是同時出現(xiàn)。數(shù)值相等，方向相反，它們不能單獨存在總是同時出現(xiàn)。 33 在外力場作用下，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布與應(yīng)力變化十在外力場作用下，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布與應(yīng)力變化十分復(fù)雜，斷裂和屈

27、服都有可能發(fā)生，不同聚合物抵抗拉分復(fù)雜，斷裂和屈服都有可能發(fā)生，不同聚合物抵抗拉伸和剪切的破壞能力不同伸和剪切的破壞能力不同 韌性材料拉伸時，斜截面上的最大切應(yīng)力首先增加到韌性材料拉伸時，斜截面上的最大切應(yīng)力首先增加到材料的剪切強(qiáng)度，因此材料屈服，并出現(xiàn)與拉伸方向成材料的剪切強(qiáng)度，因此材料屈服，并出現(xiàn)與拉伸方向成4545角的角的剪切滑移變形帶剪切滑移變形帶。進(jìn)一步拉伸時，剪切帶中分。進(jìn)一步拉伸時，剪切帶中分子鏈高度取向使強(qiáng)度提高，暫時不發(fā)生變形，而其邊緣子鏈高度取向使強(qiáng)度提高，暫時不發(fā)生變形，而其邊緣則進(jìn)一步發(fā)生剪切變形。在則進(jìn)一步發(fā)生剪切變形。在135135的斜截面上也發(fā)生剪切的斜截面上也發(fā)

28、生剪切變形，因而試樣逐漸生成對稱的細(xì)頸，直至細(xì)頸擴(kuò)展至變形，因而試樣逐漸生成對稱的細(xì)頸，直至細(xì)頸擴(kuò)展至整個試樣。整個試樣。脆性試樣在最大切應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度之前，橫截面上的脆性試樣在最大切應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度之前，橫截面上的法向正應(yīng)力已達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度，因此試樣還來不及法向正應(yīng)力已達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度，因此試樣還來不及屈服就斷裂了，斷面與拉伸方向相垂直。屈服就斷裂了，斷面與拉伸方向相垂直。34銀紋現(xiàn)象：玻璃態(tài)聚合物在張應(yīng)力作用下，在某些薄弱部分銀紋現(xiàn)象：玻璃態(tài)聚合物在張應(yīng)力作用下，在某些薄弱部分出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變的取向，以至在材料表出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變的取向，以至在材料表面

29、或內(nèi)部面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為上出現(xiàn)長度為100100m m，寬度為，寬度為1010m m左左右，厚度為右，厚度為1 1m m的微細(xì)凹槽現(xiàn)象。的微細(xì)凹槽現(xiàn)象。特征：應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，密度為本體的特征：應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，密度為本體的5050，高度取向的高分，高度取向的高分子微纖。銀紋進(jìn)一步發(fā)展子微纖。銀紋進(jìn)一步發(fā)展裂縫裂縫脆性斷裂。脆性斷裂。分分類類環(huán)境銀紋環(huán)境銀紋溶劑銀紋溶劑銀紋應(yīng)力銀紋應(yīng)力銀紋 8.1.5 Crazing 銀紋屈服銀紋屈服35Microstructure of crazing微纖微纖 Microfibril微纖與外力方向平行，銀紋長度方微纖與外力方向平行，銀紋

30、長度方向與外力垂直。向與外力垂直。也稱為銀紋質(zhì)也稱為銀紋質(zhì)36銀銀紋紋的的擴(kuò)擴(kuò)展展中間分子鏈斷中間分子鏈斷裂裂擴(kuò)展擴(kuò)展形成裂紋形成裂紋37銀紋、裂紋、裂縫銀紋、裂紋、裂縫裂縫是宏觀開裂，內(nèi)部質(zhì)量裂縫是宏觀開裂，內(nèi)部質(zhì)量為零；而銀紋不是空的，內(nèi)為零；而銀紋不是空的，內(nèi)部有物質(zhì)填充，仍具有一定部有物質(zhì)填充，仍具有一定強(qiáng)度，強(qiáng)度，該物質(zhì)稱銀紋質(zhì)，是該物質(zhì)稱銀紋質(zhì)，是由高度取向的聚合物纖維束由高度取向的聚合物纖維束構(gòu)成。構(gòu)成。銀紋具有可逆性，銀紋具有可逆性，加加熱退火會使銀紋消失熱退火會使銀紋消失 。F銀紋體的密度為本體密度的銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光

31、指數(shù)，因此在光的折射作用下呈現(xiàn)聚合物本體折光指數(shù)，因此在光的折射作用下呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（銀光閃閃的紋路（應(yīng)力發(fā)白應(yīng)力發(fā)白）。）。38 銀紋和剪切帶是高分子材料發(fā)生屈服的兩種主要形式。銀紋和剪切帶是高分子材料發(fā)生屈服的兩種主要形式。 銀紋是垂直應(yīng)力作用下發(fā)生的屈服銀紋是垂直應(yīng)力作用下發(fā)生的屈服，方向與應(yīng)力方向垂直；，方向與應(yīng)力方向垂直； 剪切帶是剪切應(yīng)力作用下發(fā)生的屈服，剪切帶是剪切應(yīng)力作用下發(fā)生的屈服，方向與應(yīng)力成方向與應(yīng)力成45和和135角。角。 無論發(fā)生銀紋或剪切帶，都需要消耗大量能量，從而使材料無論發(fā)生銀紋或剪切帶，都需要消耗大量能量，從而使材料韌性提高。韌性提高。發(fā)生銀紋時材料內(nèi)部會

32、形成微空穴（空穴化現(xiàn)象），體積略有漲大；形發(fā)生銀紋時材料內(nèi)部會形成微空穴（空穴化現(xiàn)象），體積略有漲大；形成剪切屈服時，材料體積不變。成剪切屈服時，材料體積不變。39銀紋和剪切帶銀紋和剪切帶主要主要區(qū)別區(qū)別剪切屈服剪切屈服銀紋屈服銀紋屈服形形 變變形變大幾十形變大幾十幾百幾百%形變小形變小 10%曲線特征曲線特征有明顯的屈服點有明顯的屈服點無明顯的屈服點無明顯的屈服點體體 積積體體 積積 不不 變變體體 積積 增增 加加力力剪剪 切切 力力張張 應(yīng)應(yīng) 力力結(jié)結(jié) 果果冷冷 拉拉裂裂 縫縫一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈

33、服現(xiàn)象均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象40小結(jié)小結(jié)l應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線l分子運(yùn)動機(jī)理與影響因素分子運(yùn)動機(jī)理與影響因素l玻璃態(tài)與晶態(tài)應(yīng)力玻璃態(tài)與晶態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的不同應(yīng)變曲線的不同; l強(qiáng)迫高彈形變（概念、原因與條件）強(qiáng)迫高彈形變（概念、原因與條件）l屈服屈服l屈服特征屈服特征l剪切屈服與銀紋屈服剪切屈服與銀紋屈服411、拉伸實驗中，應(yīng)力應(yīng)變曲線初始部分的斜率和曲線、拉伸實驗中，應(yīng)力應(yīng)變曲線初始部分的斜率和曲線下的面積分別反映材料的（下的面積分別反映材料的（ ）。）。A、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率 B、楊氏模量、斷裂能、楊氏模量、斷裂能 C、屈服強(qiáng)度、屈服應(yīng)力、屈

34、服強(qiáng)度、屈服應(yīng)力 D、沖擊強(qiáng)度、沖擊能、沖擊強(qiáng)度、沖擊能2、在聚甲基丙烯酸甲酯的拉伸試驗中，溫度升高則、在聚甲基丙烯酸甲酯的拉伸試驗中，溫度升高則（ ）。）。、B升高、升高、B降低，降低， B、B降低、降低、B升高，升高，C、B升高、升高、B升高，升高， 、B降低、降低、B降低，降低，3、在高分子材料的拉伸試驗中，提高拉伸速率時，則在高分子材料的拉伸試驗中，提高拉伸速率時，則（ ）。）。 、B升高、升高、B降低，降低， B、B降低、降低、B升高，升高， C、B升高、升高、B升高，升高， 、B降低、降低、B降低降低4. 在在 （ ）溫度范圍內(nèi)，玻璃態(tài)聚合物才具有典型的應(yīng)力）溫度范圍內(nèi)，玻璃態(tài)聚合

35、物才具有典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。應(yīng)變曲線。 A、TbTTg B、TgTTf C、TgTTm 練習(xí)題練習(xí)題421 1、分別畫出等規(guī)分別畫出等規(guī)PP、乙丙橡膠（乙烯、乙丙橡膠（乙烯丙烯共聚物）丙烯共聚物）及無規(guī)及無規(guī)PP在在25時的應(yīng)力時的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并加以說明應(yīng)變曲線，并加以說明 思思 考考 題題2、試比較非晶態(tài)高聚物的強(qiáng)迫高彈行和結(jié)晶高聚物的冷、試比較非晶態(tài)高聚物的強(qiáng)迫高彈行和結(jié)晶高聚物的冷拉和成頸，并指出強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的條件拉和成頸，并指出強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的條件3、研究玻璃態(tài)聚合物大形變，常采用什么實驗方法？說明、研究玻璃態(tài)聚合物大形變，常采用什么實驗方法？說明聚合物兩種斷裂的特點，并畫出

36、兩種斷裂的應(yīng)力應(yīng)變曲聚合物兩種斷裂的特點，并畫出兩種斷裂的應(yīng)力應(yīng)變曲線線 三種聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線三種聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線43回顧回顧l應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線l分子運(yùn)動機(jī)理與影響因素分子運(yùn)動機(jī)理與影響因素l玻璃態(tài)與晶態(tài)應(yīng)力玻璃態(tài)與晶態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的不同應(yīng)變曲線的不同; l強(qiáng)迫高彈形變（概念、原因與條件）強(qiáng)迫高彈形變（概念、原因與條件）l屈服屈服屈服特征屈服特征剪切屈服與銀紋屈服剪切屈服與銀紋屈服44已知聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力松弛模量已知聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力松弛模量E(t)-T曲線如圖所曲線如圖所示，畫出圖中由示，畫出圖中由指示狀態(tài)下應(yīng)力指示狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變行為（其它測試應(yīng)變行為（其它測

37、試條件同）。條件同）。(1)(2)(3)(4)TbTgTf 1234 曲線曲線458.2 聚合物的斷裂與強(qiáng)度聚合物的斷裂與強(qiáng)度如何區(qū)分?jǐn)嗔研问?？如何區(qū)分?jǐn)嗔研问剑筷P(guān)鍵看屈服關(guān)鍵看屈服屈服屈服前前斷斷脆脆性斷裂性斷裂屈服屈服后后斷斷韌韌性斷裂性斷裂468.2.1 脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂脆性斷裂斷裂面形狀斷裂面形狀和和斷裂能斷裂能是區(qū)別脆性和韌性斷裂最主要的指標(biāo)。是區(qū)別脆性和韌性斷裂最主要的指標(biāo)。 試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，還與溫度試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，還與溫度T 和拉伸速度和拉伸速度 有關(guān)有關(guān)。47脆性斷裂和韌性斷裂表面脆性斷裂和韌性斷裂表面

38、 左圖脆性試樣斷裂表面的照片；右圖韌性試樣斷裂表面的照片左圖脆性試樣斷裂表面的照片；右圖韌性試樣斷裂表面的照片左圖脆性試樣斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣斷裂表面的電鏡照片左圖脆性試樣斷裂表面的電鏡照片；右圖韌性試樣斷裂表面的電鏡照片48Comparing of brittle and ductile fractures脆性斷裂脆性斷裂韌性斷裂韌性斷裂 - 線線屈服屈服 b斷裂能斷裂能斷裂表面斷裂表面斷裂原因斷裂原因49脆韌轉(zhuǎn)變溫度脆韌轉(zhuǎn)變溫度 TbTbBrittle ductile transition 脆韌轉(zhuǎn)變脆化溫度，脆化點脆化溫度，脆化點在一定速率下（不同溫度）測定的在一定速率下（不同

39、溫度）測定的斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力，作斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力和和屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力隨溫度的變化曲線，兩隨溫度的變化曲線，兩曲線的交點就是脆韌轉(zhuǎn)變點。曲線的交點就是脆韌轉(zhuǎn)變點。Tb是塑料耐寒的指標(biāo)，對應(yīng)于鏈節(jié)等較小運(yùn)動單元的運(yùn)動是塑料耐寒的指標(biāo)，對應(yīng)于鏈節(jié)等較小運(yùn)動單元的運(yùn)動50脆脆性斷裂和性斷裂和韌韌性斷裂的判斷性斷裂的判斷TTb, 先達(dá)到 y，韌韌性斷裂對材料對材料一般使用溫度一般使用溫度為哪一段？為哪一段？T TbTb越低材料韌性越越低材料韌性越51Example PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯Tg=100CTb=9.5C室溫下脆還是韌？52Example PC聚碳酸酯

40、聚碳酸酯Tg=150CTb=-100C室溫下易不易碎？剛性聚合物剛性聚合物Tb低，低，Tb-Tg區(qū)間越大，材料用途越廣。區(qū)間越大，材料用途越廣。53影響影響 Tb的因素的因素（1）在恒定的應(yīng)變速率下：低溫在恒定的應(yīng)變速率下：低溫脆性形式向高溫韌性形式轉(zhuǎn)變脆性形式向高溫韌性形式轉(zhuǎn)變54增加應(yīng)變速率增加應(yīng)變速率，脆化溫度如何變化？，脆化溫度如何變化？斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力和和屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力誰對應(yīng)變速率更敏感？誰對應(yīng)變速率更敏感？（2）應(yīng)變速率應(yīng)變速率上升，表現(xiàn)為脆性；上升，表現(xiàn)為脆性；應(yīng)變速率下降，表現(xiàn)為韌性應(yīng)變速率下降，表現(xiàn)為韌性（3）存在缺口存在缺口，形成應(yīng)力集中，形成應(yīng)力集中，趨向于脆性，脆化溫

41、度升高。趨向于脆性，脆化溫度升高。55強(qiáng)度是指物質(zhì)強(qiáng)度是指物質(zhì)抵抗破壞的能抵抗破壞的能力力8.2.2 聚合物的強(qiáng)度（聚合物的強(qiáng)度（Tensile strength）56屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度bdPtb-試樣厚度，試樣厚度，d-試樣寬度試樣寬度 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 在規(guī)定實驗條件下，試樣被在規(guī)定實驗條件下，試樣被拉斷時承受的最大載荷拉斷時承受的最大載荷P與試樣橫截面積的比值。與試樣橫截面積的比值。 單位單位-N/m2或或Pa拉伸模量拉伸模量57Pdbl0/2l0/2抗彎強(qiáng)度測定試驗示意圖抗彎強(qiáng)度測定試驗示意圖 抗彎抗彎強(qiáng)度強(qiáng)度 也稱撓曲強(qiáng)度或彎曲強(qiáng)度。也稱撓曲強(qiáng)度或彎曲強(qiáng)度。 在規(guī)定試驗

42、條件下，對標(biāo)準(zhǔn)試樣施加靜彎曲力矩直到試樣被折斷為止，試驗過在規(guī)定試驗條件下，對標(biāo)準(zhǔn)試樣施加靜彎曲力矩直到試樣被折斷為止，試驗過程中最大載荷程中最大載荷P，則抗彎強(qiáng)度則抗彎強(qiáng)度 f為：為： f =1.5Pl0/bd2 58材料斷裂方式分析材料斷裂方式分析強(qiáng)度理論值強(qiáng)度理論值主要主要方式方式分子之間相互作用力大小對強(qiáng)度影響最大分子之間相互作用力大小對強(qiáng)度影響最大591、高分子結(jié)構(gòu)的影響、高分子結(jié)構(gòu)的影響 增加分子鏈極性或氫鍵可使強(qiáng)度提高，增加分子鏈極性或氫鍵可使強(qiáng)度提高，但極性基團(tuán)過密但極性基團(tuán)過密或取代基過大則阻礙鏈段運(yùn)動，不能實現(xiàn)強(qiáng)迫高彈性，表或取代基過大則阻礙鏈段運(yùn)動，不能實現(xiàn)強(qiáng)迫高彈性，表

43、現(xiàn)為脆性斷裂?，F(xiàn)為脆性斷裂。（1）鏈剛性增加（主鏈或側(cè)鏈含芳雜環(huán)，側(cè)基極性或氫）鏈剛性增加（主鏈或側(cè)鏈含芳雜環(huán)，側(cè)基極性或氫鍵作用），強(qiáng)度提高。鍵作用），強(qiáng)度提高。 （2） 分子鏈支化度提高，分子間作用力減小，拉伸強(qiáng)度分子鏈支化度提高，分子間作用力減小，拉伸強(qiáng)度降低。降低。MMC時，拉伸強(qiáng)度對分子量不再敏感時，拉伸強(qiáng)度對分子量不再敏感（3）分子量）分子量影響拉伸強(qiáng)度的因素影響拉伸強(qiáng)度的因素（4） 交聯(lián)：交聯(lián)：適度交聯(lián)，強(qiáng)度提高，過分交聯(lián)，強(qiáng)度下降適度交聯(lián)，強(qiáng)度提高，過分交聯(lián)，強(qiáng)度下降60（5） 結(jié)晶的影響結(jié)晶的影響1 1）由于結(jié)晶使分子鏈排列緊密有序，孔隙率低，分子間作由于結(jié)晶使分子鏈排列緊密

44、有序，孔隙率低，分子間作用增強(qiáng)用增強(qiáng), ,結(jié)晶度結(jié)晶度，材料的拉伸強(qiáng)度、硬度、彈性模量均提高，材料的拉伸強(qiáng)度、硬度、彈性模量均提高，但斷裂伸長率和韌性但斷裂伸長率和韌性 。 3 3）晶體形態(tài)：同一聚合物，伸直鏈晶體的拉伸強(qiáng)度最大，串）晶體形態(tài)：同一聚合物，伸直鏈晶體的拉伸強(qiáng)度最大，串晶次之，球晶最小。晶次之，球晶最小。 2 2） 小球晶能使材料的強(qiáng)度和韌性提高，而大球晶將小球晶能使材料的強(qiáng)度和韌性提高，而大球晶將使斷裂伸長和韌性下降。使斷裂伸長和韌性下降。（6） 取向取向 取向后在平行于取向方向的強(qiáng)度、模量和伸長率提高，而取向后在平行于取向方向的強(qiáng)度、模量和伸長率提高，而在垂直于取向方向的強(qiáng)度

45、和伸長率降低。在垂直于取向方向的強(qiáng)度和伸長率降低。61（7 7）缺陷）缺陷 如果材料存在缺陷，如果材料存在缺陷，受力時材料內(nèi)部應(yīng)力分布將發(fā)生變受力時材料內(nèi)部應(yīng)力分布將發(fā)生變化，使缺陷附近局部范圍內(nèi)的應(yīng)力急劇增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過應(yīng)化，使缺陷附近局部范圍內(nèi)的應(yīng)力急劇增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過應(yīng)力平均值，這種現(xiàn)象稱為力平均值，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中應(yīng)力集中。 應(yīng)力集中物應(yīng)力集中物包括裂縫、空隙、缺口、銀紋和雜質(zhì)等，是包括裂縫、空隙、缺口、銀紋和雜質(zhì)等，是造成高聚物實際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度巨大差別的主要原因之一。造成高聚物實際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度巨大差別的主要原因之一。強(qiáng)度強(qiáng)度（8）增塑劑）增塑劑 增塑劑對高聚物有稀釋作用，減小高分

46、子鏈之間的作增塑劑對高聚物有稀釋作用，減小高分子鏈之間的作用力，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。用力，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。Tg模量模量，拉伸強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度62總結(jié)：分子結(jié)構(gòu)因素總結(jié)：分子結(jié)構(gòu)因素極性基團(tuán)或氫鍵極性基團(tuán)或氫鍵主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)主鏈上含芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)適度的交聯(lián)適度的交聯(lián)結(jié)晶度大結(jié)晶度大取向（取向（/）拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 t加入增塑劑加入增塑劑缺陷存在缺陷存在63外界因素外界因素溫度高溫度高應(yīng)變速率小應(yīng)變速率小拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 t 由于共聚物是粘彈性材料，其破壞過程是松弛過程，由于共聚物是粘彈性材料，其破壞過程是松弛過程，提高拉伸速度與降低溫度的效果是一致的。提高拉伸速度與降低溫度的效果是一致的。 64 材料斷裂

47、時三種方式（材料斷裂時三種方式（兼而有之，聚合物理論兼而有之，聚合物理論斷裂強(qiáng)度在幾千斷裂強(qiáng)度在幾千MPa，而實際只有幾十，而實際只有幾十Mpa。即即聚合物實際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度相差很大聚合物實際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度相差很大e.g.PA, 60 MPaPPO, 70 MPatheoryeriment)100011001(exp8.2.3 斷裂理論斷裂理論 Griffith crack theory65為什么材料的實際為什么材料的實際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度？強(qiáng)度？存在缺陷存在缺陷為什么在缺陷處斷裂？為什么在缺陷處斷裂？缺陷處應(yīng)力集缺陷處應(yīng)力集中中缺陷處應(yīng)力多大？缺陷處應(yīng)力多大？Griffit

48、h theory66考察橢圓周圍什么地方受力最大？應(yīng)力集中處（多大？）應(yīng)力集中處（多大？）Ellipsoidab公式表達(dá)公式表達(dá))21 (0bat對圓形，對圓形，a=b03t對橢圓，對橢圓，a增加，增加，b減小減小t最終結(jié)果斷裂最終結(jié)果斷裂打破沙鍋打破沙鍋問問到底到底問問=紋紋無限大平板中無限大平板中橢圓形裂縫的橢圓形裂縫的應(yīng)力集中應(yīng)力集中67格里菲思脆性斷裂理論格里菲思脆性斷裂理論討論什么時候裂紋開始擴(kuò)展討論什么時候裂紋開始擴(kuò)展aEGccE-彈性儲存能彈性儲存能Gc-拉伸過程中材料所吸收的能量拉伸過程中材料所吸收的能量a-裂縫長度的一半裂縫長度的一半裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力裂縫擴(kuò)展的臨界應(yīng)力從能量

49、平衡的觀點分析斷裂過程：從能量平衡的觀點分析斷裂過程：斷裂產(chǎn)生新的表面，所需表面能由材料內(nèi)部的彈性儲能減小來補(bǔ)償。斷裂產(chǎn)生新的表面，所需表面能由材料內(nèi)部的彈性儲能減小來補(bǔ)償。裂縫附近集中了大量彈性儲能，裂縫處先斷裂。裂縫附近集中了大量彈性儲能，裂縫處先斷裂。68應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子KIaK1裂紋擴(kuò)展動力裂紋擴(kuò)展動力KIC 表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料抵抗脆性破壞表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料抵抗脆性破壞能力的指標(biāo)，也稱做斷裂韌性。能力的指標(biāo)，也稱做斷裂韌性。 ccIcEGaK臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子 KIc裂紋擴(kuò)展阻力裂紋擴(kuò)展阻力臨界應(yīng)力強(qiáng)度臨界應(yīng)力強(qiáng)度KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子

50、應(yīng)力強(qiáng)度因子KI裂紋裂紋穩(wěn)定穩(wěn)定臨界應(yīng)力強(qiáng)度臨界應(yīng)力強(qiáng)度KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子KI裂紋裂紋擴(kuò)展擴(kuò)展69Exercise現(xiàn)有一塊有機(jī)玻璃現(xiàn)有一塊有機(jī)玻璃(PMMA)板，內(nèi)有長度為板，內(nèi)有長度為10mm的中心裂的中心裂紋，該板受到一個均勻的拉伸應(yīng)力紋，該板受到一個均勻的拉伸應(yīng)力 =450 106N/m2的作用的作用力。已知該材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子力。已知該材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIc=84.7 106N/m2.m1/2, 問板材結(jié)構(gòu)是否安全？問板材結(jié)構(gòu)是否安全？aK1a =10mm/2=5*10-3m2/ 126361/10*4 .5610*5*10*450mmNK臨界應(yīng)力強(qiáng)度KIc應(yīng)力強(qiáng)

51、度因子KI裂紋穩(wěn)定穩(wěn)定708.2.4 聚合物的增強(qiáng)聚合物的增強(qiáng) Reinforcement活性粒子（活性粒子（ Powder）纖維纖維 Fiber液晶液晶 Liquid Crystal C ，SiO2 Glass fiber, Carbon fiberPolyesterFiller填料填料增強(qiáng)途徑增強(qiáng)途徑通過復(fù)合作用提高材料力學(xué)強(qiáng)度通過復(fù)合作用提高材料力學(xué)強(qiáng)度增強(qiáng)作用增強(qiáng)作用隨增強(qiáng)劑含量的增加，聚合物的彈性模量和拉伸強(qiáng)度增加，隨增強(qiáng)劑含量的增加，聚合物的彈性模量和拉伸強(qiáng)度增加，而斷裂伸長率下降，由韌性向脆性轉(zhuǎn)變。而斷裂伸長率下降，由韌性向脆性轉(zhuǎn)變。71（1）活性粒子增強(qiáng)）活性粒子增強(qiáng)Carbo

52、n black reinforcement橡膠橡膠+碳黑碳黑增強(qiáng)機(jī)理：活性粒子的表面效應(yīng)吸附大分子，形成鏈間物理交聯(lián)，活性粒子增強(qiáng)機(jī)理：活性粒子的表面效應(yīng)吸附大分子，形成鏈間物理交聯(lián)，活性粒子起物理交聯(lián)點的作用。起物理交聯(lián)點的作用。惰性填料：加入廉價的填料降低成本。稀釋作用，使材料強(qiáng)惰性填料：加入廉價的填料降低成本。稀釋作用，使材料強(qiáng)度降低。度降低。例：例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉滑石粉72（2）纖維增強(qiáng)）纖維增強(qiáng)Glass steel boatglassy fiber+polyester纖維狀填料纖維狀填料：棉，麻，絲等天然纖維，玻璃纖維，碳纖：棉，麻，絲等天然纖維，玻璃纖維，碳纖維

53、，石墨纖維，硼纖維，超細(xì)金屬纖維與晶須纖維等維，石墨纖維，硼纖維，超細(xì)金屬纖維與晶須纖維等基體：基體：熱塑性樹脂、熱固性樹脂、橡膠類熱塑性樹脂、熱固性樹脂、橡膠類增強(qiáng)機(jī)理：纖維作為骨架幫助基體承擔(dān)載荷增強(qiáng)機(jī)理：纖維作為骨架幫助基體承擔(dān)載荷增強(qiáng)效果與纖維的長度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關(guān)增強(qiáng)效果與纖維的長度、纖維與聚合物之間的界面粘接力有關(guān)73（3）液晶原位增強(qiáng)）液晶原位增強(qiáng)增強(qiáng)機(jī)理：熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混物中形成微增強(qiáng)機(jī)理：熱致液晶中的液晶棒狀分子在共混物中形成微纖結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)。微纖結(jié)構(gòu)是加工過程中由液晶棒狀分子在纖結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)。微纖結(jié)構(gòu)是加工過程中由液晶棒狀分子在共混物基體中就地形

54、成的，故稱做共混物基體中就地形成的，故稱做“液晶原位液晶原位”復(fù)合增強(qiáng)。復(fù)合增強(qiáng)。熱致液晶熱致液晶+熱塑性聚合物熱塑性聚合物共聚酯，共聚酯， 聚芳酯聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum74（4）聚合物基納米復(fù)合材料）聚合物基納米復(fù)合材料納米材料：在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍納米材料：在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的各種材料。）或由它們作為基本單元構(gòu)成的各種材料。 聚合物納米復(fù)合材料：由各種納米單元與有機(jī)高分子材料聚合物納米復(fù)合材料：由各種納米單元與有機(jī)高分子材料以各種方式復(fù)合形成的一種新型復(fù)合材料。以各種方式復(fù)合形成的一種新

55、型復(fù)合材料。納米效應(yīng)：納米效應(yīng)：表面效應(yīng)，小尺寸效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，宏觀表面效應(yīng)，小尺寸效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，宏觀量子隧道效應(yīng)等量子隧道效應(yīng)等758.2.5 聚合物的耐沖擊性聚合物的耐沖擊性1. 沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度 Impact strength是衡量材料韌性的一種指標(biāo)是衡量材料韌性的一種指標(biāo)dbWi沖斷試樣所消耗的功沖斷試樣所消耗的功沖斷試樣的厚度和寬度沖斷試樣的厚度和寬度測量方法：擺錘式?jīng)_擊實驗、落重式?jīng)_擊實驗和高速拉伸實驗。測量方法：擺錘式?jīng)_擊實驗、落重式?jīng)_擊實驗和高速拉伸實驗。測量結(jié)果與試樣形狀和試驗方法有關(guān)。測量結(jié)果與試樣形狀和試驗方法有關(guān)。單位：單位：kJ/m,kJ/m2762. 影響

56、沖擊強(qiáng)度的因素影響沖擊強(qiáng)度的因素曲線下的面積代表所吸收能曲線下的面積代表所吸收能量量強(qiáng)度強(qiáng)度延展性延展性分子間作用力分子間作用力分子鏈柔順性（活動能力）分子鏈柔順性（活動能力）77極性基團(tuán)或氫鍵極性基團(tuán)或氫鍵支化支化，適度交聯(lián)適度交聯(lián)結(jié)晶度與結(jié)晶度與球晶尺寸球晶尺寸雙軸取向雙軸取向加入增塑劑加入增塑劑溫度升高溫度升高應(yīng)變速率降低應(yīng)變速率降低沖擊強(qiáng)度（韌性沖擊強(qiáng)度（韌性）缺陷使缺陷使拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度783. 增韌途徑與機(jī)理增韌途徑與機(jī)理(1) 橡膠或彈性體橡膠或彈性體增韌塑料增韌塑料方法：機(jī)械共混，接枝共聚，方法：機(jī)械共混，接枝共聚，嵌段共聚嵌段共聚多重銀紋化機(jī)理多重銀紋化機(jī)

57、理：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物誘發(fā)基體產(chǎn)生：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物誘發(fā)基體產(chǎn)生銀紋而吸收能量。（一般脆性聚合物增韌為此機(jī)理，如：銀紋而吸收能量。（一般脆性聚合物增韌為此機(jī)理，如：PS/SBS，PMMA/ACR）銀紋銀紋剪切帶機(jī)理剪切帶機(jī)理：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物：橡膠粒子作為應(yīng)力集中物,在外力作在外力作用下誘發(fā)大量銀紋和剪切帶用下誘發(fā)大量銀紋和剪切帶,吸收能量吸收能量.橡膠粒子和剪切帶橡膠粒子和剪切帶控制和終止銀紋。控制和終止銀紋。79（2）剛性粒子（非彈性體）增韌）剛性粒子（非彈性體）增韌有機(jī)剛性粒子增韌有機(jī)剛性粒子增韌：由于基體與分散相之間的模量和泊松：由于基體與分散相之間的模量和泊松比差別致

58、使基體對剛性粒子產(chǎn)生赤道面上的強(qiáng)壓力而發(fā)生比差別致使基體對剛性粒子產(chǎn)生赤道面上的強(qiáng)壓力而發(fā)生脆脆韌轉(zhuǎn)變，剛性粒子發(fā)生韌轉(zhuǎn)變，剛性粒子發(fā)生“冷流冷流”而吸收能量。而吸收能量。e.g PC/ABS無機(jī)剛性粒子增韌無機(jī)剛性粒子增韌: 剛性粒子促使基體在斷裂過程中產(chǎn)生剛性粒子促使基體在斷裂過程中產(chǎn)生塑性變形吸收能量塑性變形吸收能量. e.g PVC+CaCO3剛性粒子增韌的條件是剛性粒子增韌的條件是:基體必須具有一定韌性基體必須具有一定韌性.80 8.2.6 疲勞疲勞疲勞疲勞：材料或構(gòu)件在低于屈服應(yīng)力或斷裂應(yīng)力的周期性應(yīng)力作用下斷裂或失：材料或構(gòu)件在低于屈服應(yīng)力或斷裂應(yīng)力的周期性應(yīng)力作用下斷裂或失效的

59、現(xiàn)象。效的現(xiàn)象。典型的疲勞曲線典型的疲勞曲線SN曲線：曲線：S是是max，N是材料破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲是材料破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命）勞壽命）81小結(jié)小結(jié)l斷裂與強(qiáng)度斷裂與強(qiáng)度l斷裂方式、影響拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度的因斷裂方式、影響拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度的因素素l增強(qiáng)與增韌增強(qiáng)與增韌l增強(qiáng)與增韌的方法與機(jī)理增強(qiáng)與增韌的方法與機(jī)理作業(yè)：作業(yè)：1、2、3、9821、韌性聚合物單軸拉伸至屈服點可看到剪切帶現(xiàn)象，說法錯、韌性聚合物單軸拉伸至屈服點可看到剪切帶現(xiàn)象，說法錯誤的是（誤的是（ ）。）。A、與拉伸方向平行、與拉伸方向平行 B、有明顯的雙折射現(xiàn)象、有明顯的雙折射現(xiàn)象 C、分子鏈高度取向、分子鏈

60、高度取向 D、每個剪切帶由若干個細(xì)小的不規(guī)、每個剪切帶由若干個細(xì)小的不規(guī)則微纖構(gòu)成則微纖構(gòu)成2、關(guān)于銀紋，下列說法錯誤的是（、關(guān)于銀紋，下列說法錯誤的是（ ）。）。A、銀紋是高度取向的高分子微纖構(gòu)成。、銀紋是高度取向的高分子微纖構(gòu)成。 B、銀紋處密度為、銀紋處密度為0，與本體密度不同。，與本體密度不同。C、銀紋具有應(yīng)力發(fā)、銀紋具有應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象。白現(xiàn)象。 D、銀紋具有強(qiáng)度，與裂紋不同。、銀紋具有強(qiáng)度，與裂紋不同。3、楊氏模量、沖擊強(qiáng)度、應(yīng)變、切變速率的量綱分別是、楊氏模量、沖擊強(qiáng)度、應(yīng)變、切變速率的量綱分別是（ ）。）。 A、N/m2, J/m2, 無量綱無量綱, S-1， B、N, J/m,