Chapter8YieldingandFractureofPolymer

第八章聚合物的屈服與斷裂YieldingandFractureofPolymer

第八章聚合物的屈服與斷裂8.1Thestress-straincurves應(yīng)力-應(yīng)變曲線——研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力的持續(xù)作用或強大外力的短時作后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂。Typicalstress-straincurveforamorphouspolymerattemperaturebelowTgEngineeringstresstoengineeringstrain8.1.1Thestress-straincurves應(yīng)力-應(yīng)變曲線

A

彈性極限應(yīng)變

A彈性極限應(yīng)力

B

斷裂伸長率

B斷裂強度

Y

屈服應(yīng)力Ypoint:Yieldingpoint屈服點Apoint:Pointofelasticlimit彈性極限點Bpoint:Breakingpoint斷裂點斷裂能FractureenergyStress-strain曲線下面積稱作斷裂能：材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。Young’sModulus楊氏模量形變過程彈性形變-屈服-應(yīng)變軟化-冷拉-應(yīng)變硬化-斷裂從分子運動機理解釋上述過程從應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以獲得的被拉伸聚合物的信息

聚合物的屈服強度（Y點強度）

聚合物的楊氏模量（OA段斜率）聚合物的斷裂強度（B點強度）聚合物的斷裂伸長率（B點伸長率）聚合物的斷裂韌性（曲線下面積）8.1.2

Stress-straincurvesundervariousconditions

各種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)Differenttemperaturea:T<<Tg

c:T<Tg(幾十度)d:T接近Tgb:T<TgTemperature

0°C50~70°C70°C0~50°CExample-PVC脆斷韌斷無屈服屈服后斷Results

TT(b)DifferentstrainrateStrainrate時溫等效原理：拉伸速度快=時間短 溫度低速度速度Example:PMMAa:脆性材料c:韌性材料d:橡膠b:半脆性材料酚醛或環(huán)氧樹脂PP,PE,PCPS,PMMANaturerubber,PI(c)CompositionofPolymers物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成(d)Crystallization結(jié)晶應(yīng)變軟化更明顯冷拉時晶片的傾斜、滑移、轉(zhuǎn)動，形成微晶或微纖束(e)TheSizeofSpherulites球晶大小(f)TheDegreeofCrystallization結(jié)晶度Differenttypesofstress-straincurveComparing8.2Theplasticityandyieldingofpolymer

聚合物的塑性和屈服高聚物屈服點前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點后高聚物將在恒應(yīng)力下“塑性流動”，即鏈段沿外力方向開始取向。高聚物在屈服點的應(yīng)變相當大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)?0%-20%（與金屬相比）。屈服點以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)變軟化，有些還非常迅速。屈服應(yīng)力對應(yīng)變速率和溫度都敏感。屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產(chǎn)生“銀紋”或“剪切帶”,繼而整個樣條局部出現(xiàn)“細頸”。屈服主要特征Strainsoftening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：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，原因至今尚不清楚。呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細頸。塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。發(fā)生“取向硬化”，應(yīng)力急劇上升。試樣斷裂。樣條尺寸：橫截面小的地方應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方

出現(xiàn)“細頸”的位置自由體積增加松弛時間變短出現(xiàn)“細頸”的原因無外力有外力

Orientation細頸穩(wěn)定取向硬化

Considère作圖法唯象角度

判據(jù)8.2.1Necking細頸與剪切帶(1)細頸:屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細的現(xiàn)象。Necking頸縮現(xiàn)象為什么會出現(xiàn)細頸？——應(yīng)力最大處。哪里的應(yīng)力最大？Engineeringstressandtruestress工程應(yīng)力和真應(yīng)力EngineeringstressTruestressForceInitialcross-sectionareaForceCross-sectionareaRelationshipbetweenengineeringstressandtruestressunderincompressiblecondition抵抗外力的方式抗張強度：抵抗拉力的作用抗剪強度：抵抗剪力的作用兩種當應(yīng)力

0增加時，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同抗張強度什么面最大？

=0，

n=0抗剪強度什么面最大？

=45，

s=0/2Shearband剪切帶在細頸出現(xiàn)之前試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成45角的剪切滑移變形帶（3）Crazing銀紋銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，它是聚合物在張應(yīng)力作用下，于材料某些薄弱地方出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以至于在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)長度為100μm、寬度為10μm左右、厚度約為1μm的微細凹槽的現(xiàn)象分類環(huán)境銀紋溶劑銀紋應(yīng)力銀紋Microstructureofcrazing微纖Microfibril微纖平行與外力方向，銀紋長度方向與外力垂直。也稱為銀紋質(zhì)銀紋方向和分子鏈方向銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，因此在銀紋和本體之間的界面上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱應(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會使銀紋消失。F銀紋的擴展中間分子鏈斷裂擴展形成裂紋銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象主要區(qū)別剪切屈服銀紋屈服形變形變大幾十~幾百%形變小<10%曲線特征有明顯的屈服點無明顯的屈服點體積體積不變體積增加力剪切力張應(yīng)力結(jié)果冷拉裂縫一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服細頸、剪切帶和銀紋比較主要區(qū)別細頸、剪切帶銀紋形變量形變量大10~100%形變量小<10%曲線特征有明顯的屈服點無明顯的屈服點體積體積幾乎不變體積增加主要相同點能量吸收能量吸收能量一般來講，既有銀紋屈服也有剪切屈服8.3聚合物的斷裂與強度強度是指物質(zhì)抵抗破壞的能力張應(yīng)力拉伸強度彎曲力矩抗彎強度壓應(yīng)力壓縮強度拉伸模量彎曲模量硬度如何區(qū)分斷裂形式？——關(guān)鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂8.3.1脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂屈服前斷裂無塑性流動表面光滑張應(yīng)力分量韌性斷裂屈服后斷裂有塑性流動表面粗糙切應(yīng)力分量相比于脆性斷裂，韌性斷裂的斷裂面較為 斷裂伸長率較

試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度T和拉伸速度

有關(guān)。光滑大小粗糙材料的斷裂方式分析聚合物材料的破壞可能是高分子主鏈的化學(xué)鍵斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞?；瘜W(xué)鍵拉斷15000MPa分子間滑脫5000MPa分子間扯離氫鍵500MPa范德華力100MPa理論值在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強度在幾千MPa，而實際只有幾十Mpa。WHY？e.g.PA,60MPaPPO,70MPa理論值與實驗結(jié)果相差原因樣條存在缺陷應(yīng)力集中polymerbasedconcretecontainingsphericalinorganicparticlesfatiguefracturesurfaceSEMfracturesurfaceofpolymerandwoodmatrixComparingofbrittleandductilefractures（分析判斷）

脆性斷裂

韌性斷裂屈服-線

b斷裂能斷裂表面斷裂原因無有無有線性非線性線性非線性小大小大小大小大平滑粗糙平滑粗糙發(fā)向應(yīng)力剪切應(yīng)力發(fā)向應(yīng)力剪切應(yīng)力脆韌轉(zhuǎn)變溫度TbTbisalsocalledbrittletemperature.Brittleductiletransition脆韌轉(zhuǎn)變——脆化溫度，脆化點在一定速率下（不同溫度）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)力隨溫度的變化曲線斷裂應(yīng)力和屈服應(yīng)力誰對應(yīng)變速率更敏感？脆性斷裂和韌性斷裂判斷T<Tb,先達到

b，脆性斷裂T>Tb,先達到

y，韌性斷裂Application對材料一般使用溫度為哪一段？——T>TbTb越低材料韌性越好差Tb~TgTf~TdThreestatesTg~TfExample–PC聚碳酸酯Tg=150°CTb=-20°C室溫下易不易碎？Example–PMMA聚甲基丙烯酸