聚合物的应力应变曲线省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第八章第八章 聚合物屈聚合物屈服和断裂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 主讲第1页内容提要内容提要v教学内容：聚合物塑性与屈服，聚合物应力：聚合物塑性与屈服，聚合物应力-应变曲应变曲线，细颈，银纹，屈服判据；聚合物断裂与强度，断线，细颈，银纹，屈服判据；聚合物断裂与强度，断裂理论，影响聚合物强度原因与增强，聚合物增韧。裂理论，影响聚合物强度原因与增强，聚合物增韧。v基本要求：识别非晶态聚合物、晶态聚合物和取向聚：识别非晶态聚合物、晶态聚合物和取向聚合物应力合物应力-应变曲线，掌握细颈和银纹现象与理论解释，应变曲线，掌握细颈和银纹现象与理论解释，掌握屈服判据，区分脆性断裂与韧性断裂，明确聚合掌握屈服判据，区分脆性断裂与韧性断裂，明确聚合物强度概念，了解断裂理论，掌握影响聚合物强度原物强度概念，了解断裂理论，掌握影响聚合物强度原因及增强伎俩，认识聚合物增韧路径与机理及影响原因及增强伎俩，认识聚合物增韧路径与机理及影响原因。因。v重点难点：应力：应力-应变曲线，细颈和银纹现象了解，应变曲线，细颈和银纹现象了解，屈服判据，聚合物增强与增韧。屈服判据，聚合物增强与增韧。第2页本章内容本章内容v8.1 聚合物塑性和屈服聚合物塑性和屈服 8.1.1应力应变曲线应力应变曲线 8.1.2 聚合物屈服聚合物屈服v8.2 高聚物断裂和强度高聚物断裂和强度 8.2.1 脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂 8.2.2 聚合物强度聚合物强度 8.2.3 断裂理论断裂理论 8.2.4 影响聚合物强度和韧性原因影响聚合物强度和韧性原因-增强与增韧增强与增韧 8.2.5 疲劳疲劳第3页表征材料力学性能基本物理量受受力力方方式式 简单拉伸 简单剪切 均匀压缩 参数受受力力特特点点v外力外力F是与截是与截面垂直，大面垂直，大小相等，方小相等，方向相反，作向相反，作用在同一直用在同一直线上两个力。线上两个力。v外力外力F是与界是与界面平行，大面平行，大小相等，方小相等，方向相反两个向相反两个力。力。v材料受到材料受到是围压力。是围压力。FFFF第4页应变应变张应变：真应变：切应变：是偏斜角压缩应变：应力应力张应力：真应力：切应力：压力P第5页弹弹性性模模量量杨氏模量：泊淞比：切变模量：体积模量：柔柔量量拉伸柔量：切变柔量：可压缩度：第6页不一样材料泊松比材料名称泊松比材料名称泊松比锌0.210.21玻璃0.250.25钢0.250.30.250.35 5石料0.160.30.160.34 4铜0.310.30.310.34 4聚苯乙系0.330.33铝0.320.30.320.36 6聚乙烯0.380.38铅0.450.45有机玻璃0.330.33汞0.500.50橡胶类0.490.50.490.50 0第7页几个惯用力学强度v拉伸强度 t=P/bd（最大负荷/截面积)MPa 1 MPa=9.8 kg/cm2 10 kg/cm2 v弯曲强度 f=1.5(Pl/bd)MPav冲击强度 i=W/bd Kgcm/cm2 注意!不一样方法测量结果会有不一样不一样方法测量结果会有不一样第8页常见塑料拉伸和弯曲强度塑料名称塑料名称拉伸强度拉伸强度（MPMPa a）伸长率伸长率%拉伸模量拉伸模量（GPGPa a）弯曲强度弯曲强度（MPMPa a）弯曲模量弯曲模量（GPGPa a）聚乙烯2239601500.840.9525401.11.4聚苯乙烯35.263.312252.83.561.298.4ABS塑料16.963.3101400.72.925.394.93.0有机玻璃49.277.32103.291.4119聚丙烯33.742.22007001.21.442.256.21.21.6聚氯乙烯35.263.320402.54.270.3112尼龙6683603.23.31001102.93.0尼龙674781502.61002.42.6尼龙101052551002501.6891.3聚甲醛626860752.891922.6聚碳酸酯67601002.22.4981062.03.0聚砜7285201002.52.91081272.8聚酰亚胺94.5681003.2聚苯醚86.589.530802.62.8981372.02.1氯化聚醚42.3601601.170770.9线性聚酯802002.9117聚四氟乙烯14252503500.41114第9页聚合物力学性质特点聚合物力学性质特点vv是已知材料中变性范围最宽力学性质是已知材料中变性范围最宽力学性质是已知材料中变性范围最宽力学性质是已知材料中变性范围最宽力学性质。即力学性质多。即力学性质多样性。比如液体有软弹性、硬弹性、刚性、脆性、韧样性。比如液体有软弹性、硬弹性、刚性、脆性、韧性等。能够从纯粘性经粘弹性到纯弹性，为应用提供性等。能够从纯粘性经粘弹性到纯弹性，为应用提供了辽阔选择余地。了辽阔选择余地。v例子：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，却完全保持新形状（粘性）vv力学性对温度和时间有强烈信赖性力学性对温度和时间有强烈信赖性力学性对温度和时间有强烈信赖性力学性对温度和时间有强烈信赖性。造成以上特点原。造成以上特点原因：归结为聚合物长链分子结构。因：归结为聚合物长链分子结构。第10页v高弹性高聚物特有高聚物特有 显示高弹性温度范围(TgTf)分子量温度范围(TgTf)增宽(TgTf)范围决定了橡胶使用温度范围第11页v粘弹性力学行为对温度和时间 有强烈依赖关系为高聚物独特力学行为 （应力）（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）第12页v比强度特高比强度单位重量材料能承受最大负荷第13页几个金属材料和塑料(增强)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661.31.598218143聚酯玻璃钢1.8290160环氧玻璃钢1.73500280玻璃增强聚碳酸酯1.412013092.9芳香聚酰胺纤维1.4528001900聚酯纤维1.381100800超高分子量聚乙烯纤维0.9735003400聚苯并噁唑(纤维)1.5658003700第14页8.1 聚合物塑性和屈服聚合物塑性和屈服vv8.1.18.1.1应力应变曲线应力应变曲线应力应变曲线应力应变曲线玻玻玻玻璃璃璃璃态态态态高高高高聚聚聚聚物物物物塑塑塑塑性性性性与与与与屈服屈服屈服屈服：小形变情况小形变情况小形变情况小形变情况 大形变情况大形变情况大形变情况大形变情况 研究玻璃态高聚物大形变研究玻璃态高聚物大形变研究玻璃态高聚物大形变研究玻璃态高聚物大形变惯用应力惯用应力惯用应力惯用应力-应变试验，判断高应变试验，判断高应变试验，判断高应变试验，判断高聚物材料强弱，硬软，韧脆。聚物材料强弱，硬软，韧脆。聚物材料强弱，硬软，韧脆。聚物材料强弱，硬软，韧脆。第15页1.1.经典应力经典应力-应变曲线应变曲线 -以屈服点以屈服点A A为界分成为界分成两部分两部分：vv A A A A点以前是点以前是点以前是点以前是弹性区域弹性区域弹性区域弹性区域，可恢复原样。，可恢复原样。，可恢复原样。，可恢复原样。vv A A A A点点点点以以以以后后后后呈呈呈呈塑塑塑塑性性性性行行行行为为为为，不不不不可可可可恢恢恢恢复复复复原原原原样，发生永久变形，材料屈服。样，发生永久变形，材料屈服。样，发生永久变形，材料屈服。样，发生永久变形，材料屈服。其中：其中：其中：其中：A A A A点为点为点为点为屈服点屈服点屈服点屈服点，对应应力和应变，对应应力和应变，对应应力和应变，对应应力和应变为为为为屈服应力屈服应力屈服应力屈服应力 和和和和屈服应变屈服应变屈服应变屈服应变 AB AB AB AB 段叫段叫段叫段叫应变软化应变软化应变软化应变软化 BC BC BC BC 段段段段颈缩颈缩颈缩颈缩阶段阶段阶段阶段 CD CD CD CD 段段段段取向硬化取向硬化取向硬化取向硬化 D D D D点发生点发生点发生点发生断裂断裂断裂断裂，对应应力为，对应应力为，对应应力为，对应应力为抗拉抗拉抗拉抗拉强度强度强度强度 第16页应力应变曲线应力应变曲线断裂点断裂点B point:Breaking point A 弹性极限应变弹性极限应变 A弹性极限应力弹性极限应力 B 断裂伸长率断裂伸长率 B断裂强度断裂强度 Y 屈服应力屈服应力屈服点屈服点Y point:Yielding point弹性极限点弹性极限点A point:Point of elastic limit第17页v 应应力：力：=F/A0v 应变应变：=l/l0v 材料材料杨杨氏模量氏模量E为应为应力力-应变应变曲曲线线起始部分斜起始部分斜率率 E=tg=/第18页应力应变曲线形变过程分析应力应变曲线形变过程分析vv弹性形变弹性形变弹性形变弹性形变屈服屈服屈服屈服应变软化应变软化应变软化应变软化冷拉冷拉冷拉冷拉应变硬化应变硬化应变硬化应变硬化断裂断裂断裂断裂第19页2、外界条件对应力、外界条件对应力-应变曲线影响应变曲线影响vv（1 1）不一样温度）不一样温度）不一样温度）不一样温度随温度增加应力随温度增加应力随温度增加应力随温度增加应力-应变曲线类型从硬应变曲线类型从硬应变曲线类型从硬应变曲线类型从硬而脆变为软而韧。而脆变为软而韧。而脆变为软而韧。而脆变为软而韧。TTa:TTg 脆断b:TTg 屈服后断c:TTg 几十度 韧断d:Tg以上 无屈服 第20页vv（2 2）不一样拉伸速）不一样拉伸速）不一样拉伸速）不一样拉伸速率率率率速度速度拉伸速率拉伸速率时温等效原理：时温等效原理：时温等效原理：时温等效原理：拉伸速度快拉伸速度快拉伸速度快拉伸速度快=时间短时间短时间短时间短 温度低温度低温度低温度低第21页v（3）物质结构组成）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,PMMANature rubber,PI第22页v(4)结晶结晶v应变软化更显著应变软化更显著v冷拉时晶片倾斜、冷拉时晶片倾斜、滑移、转动，形成滑移、转动，形成微晶或微纤束微晶或微纤束第23页v(5)球晶大小球晶大小第24页v(6)结晶度结晶度第25页3.3.晶态聚合物应力一应变曲线晶态聚合物应力一应变曲线整个曲整个曲线线可分可分为为三个三个阶阶段：段：到到y点后，点后，试样试样截面开始截面开始变变得不得不均匀，出均匀，出现现“细颈细颈”。晶态聚合物“冷拉”原因：Tm以下，冷拉：拉伸成颈（球晶中片晶变形）非晶态：Tg以下冷拉，只发生分子链取向晶态：Tm以下，发生结晶破坏，取向，再结晶过程，与温度、应变速率、结晶度、结晶形态相关。第26页v玻璃态聚合物拉伸与结晶聚合物拉伸相同之处：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大形变都是高热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成大形变都是高弹形变。该现象通常称为弹形变。该现象通常称为“冷拉”。v两种拉伸过程又有区分：即产生冷拉温度范围不一样，玻璃态聚合物冷拉温度区间是即产生冷拉温度范围不一样，玻璃态聚合物冷拉温度区间是Tb到到Tg，而结晶聚合物则为，而结晶聚合物则为Tg至至Tm；另一差异在于玻璃态；另一差异在于玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构改变比晶态聚合物简单得多，聚合物在冷拉过程中聚集态结构改变比晶态聚合物简单得多，它只发生分子链取向，并不发生相变，而后者尚包含有结晶它只发生分子链取向，并不发生相变，而后者尚包含有结晶破坏，取向和再结晶等过程。破坏，取向和再结晶等过程。第27页4、聚合物含有应力、聚合物含有应力-应变曲线类型：应变曲线类型：（1 1 1 1）硬而脆）硬而脆）硬而脆）硬而脆（聚苯乙烯，（聚苯乙烯，（聚苯乙烯，（聚苯乙烯，PMMAPMMAPMMAPMMA等）等）等）等）（2 2 2 2）硬而韧）硬而韧）硬而韧）硬而韧（尼龙等）（尼龙等）（尼龙等）（尼龙等）（3 3 3 3）硬而强）硬而强）硬而强）硬而强（PVCPVCPVCPVC与与与与PSPSPSPS共共共共混物）混物）混物）混物）（4 4 4 4）软而韧）软而韧）软而韧）软而韧（橡胶）（橡胶）（橡胶）（橡胶）（5 5 5 5）软而弱）软而弱）软而弱）软而弱 (无规无规无规无规PP)PP)PP)PP)第28页聚合物力学类型聚合物力学类型软而弱软而弱软而韧软而韧硬而脆硬而脆硬而强硬而强硬而韧硬而韧聚合物应力聚合物应力应变曲线应变曲线应应力力应应变变曲曲线线特特点点模模 量量（刚性）（刚性）低低低低高高高高高高屈服应力屈服应力（强度）（强度）低低低低高高高高高高极限强度极限强度（强度）（强度）低低中中高高高高断裂伸长断裂伸长（延性）（延性）中等中等按屈服应力按屈服应力低低中中高高应力应变曲应力应变曲线下面积线下面积（韧性）（韧性）小小中中小小中中大大v五种不一样类型材料比较五种不一样类型材料比较第29页v例子例子聚合物聚合物力学类力学类型型软而弱软而弱软而韧软而韧硬而脆硬而脆硬而强硬而强硬而韧硬而韧聚合物聚合物应力应力应变应变曲线曲线实实例例聚合物凝胶聚合物凝胶橡胶橡胶.增塑增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固化酚醛树固化酚醛树脂断裂前无脂断裂前无塑性形变断塑性形变断裂前有银纹裂前有银纹硬硬PVCvABS.PC.PE.vPA有有显著屈显著屈服和塑服和塑性形变性形变.韧性韧性好好第30页8.1.2 聚合物屈服1.高聚物屈服点特征大多数高聚物有屈服现象，最显著屈服现象是拉伸中出现细颈现象。它是独特力学行为。并不是全部高聚物材料都表现出屈服过程，这是因为温度和时间对高聚物性能影响往往掩盖了屈服行为普遍性，有高聚物出现细颈和冷拉，而有高聚物脆性易断。第31页关于关于细颈现象细颈现象样条尺寸：横截面小地方样条尺寸：横截面小地方应变软化：应力集中地方应变软化：应力集中地方出现出现“细细颈颈”位置位置自由体积增加自由体积增加松弛时间变短松弛时间变短出现出现“细颈细颈”原因原因无外力无外力有外力有外力Orientation细颈稳定细颈稳定取向硬化取向硬化Considre作图法作图法唯象角度唯象角度判据判据细颈细颈:屈服时，试样出现局部变细现象。屈服时，试样出现局部变细现象。第32页(1)屈服应变大屈服应变大：高聚物屈服应变比：高聚物屈服应变比金属大得多，金属金属大得多，金属0.01左右，高聚物左右，高聚物0.2左右（比如左右（比如PMMA切变屈服为切变屈服为0.25，压缩屈服为，压缩屈服为0.13）(2)屈服过程有应变软化现象屈服过程有应变软化现象：许多高：许多高聚物在过屈服点后都有一个应力不太聚物在过屈服点后都有一个应力不太大下降，叫应变软化，这时应变增大下降，叫应变软化，这时应变增大，应力反而下降。大，应力反而下降。第33页(3)屈服应力依赖应变速率屈服应力依赖应变速率：应变速率增大，：应变速率增大，屈服应力增大。屈服应力增大。应变速率对应变速率对PMMA真应力应变曲线影响真应力应变曲线影响应应变变速速率率增增大大123410.2吋分吋分真应变真应变 41.28吋吋/分分31.13吋吋/分分20.8吋吋/分分真应力真应力第34页(4)屈服应力依赖于温度屈服应力依赖于温度：温度升高，屈服应力：温度升高，屈服应力下降。在温度到达下降。在温度到达时，屈服应力等于时，屈服应力等于0 0温度对醋酸纤维素应力应变曲线影响温度对醋酸纤维素应力应变曲线影响应力应力应变应变80655025025第35页(5)屈服应力受流体静压力影响屈服应力受流体静压力影响：压力增大，：压力增大，屈服应力增大。屈服应力增大。1.7千巴千巴1巴巴0.69千巴千巴3.2千巴千巴切应力切应力切应变切应变第36页(6)高聚物屈服应力不等于压缩屈服应高聚物屈服应力不等于压缩屈服应力力，普通后者大一些。所以高聚物取，普通后者大一些。所以高聚物取向薄膜不一样方向上屈服应力差异很向薄膜不一样方向上屈服应力差异很大。大。(7)高聚物在屈服时体积略有缩小。高聚物在屈服时体积略有缩小。第37页vv高聚物屈服特征小结高聚物屈服特征小结（1 1）屈服应变大屈服应变大屈服应变大屈服应变大（2 2）应变软化现象应变软化现象应变软化现象应变软化现象（3 3）屈服应力应变速率依赖性屈服应力应变速率依赖性屈服应力应变速率依赖性屈服应力应变速率依赖性（4 4）屈服应力温度依赖性屈服应力温度依赖性屈服应力温度依赖性屈服应力温度依赖性（5 5）流体静压力对屈服应力有影响流体静压力对屈服应力有影响流体静压力对屈服应力有影响流体静压力对屈服应力有影响（6 6）高聚物屈服应力不等于压缩屈服应高聚物屈服应力不等于压缩屈服应高聚物屈服应力不等于压缩屈服应高聚物屈服应力不等于压缩屈服应力（7 7）高聚物在屈服时体积稍有缩小高聚物在屈服时体积稍有缩小高聚物在屈服时体积稍有缩小高聚物在屈服时体积稍有缩小第38页关于关于工程应力和真应力v应应力力:=F/A0v真真应应力：力：真真=F/A A=A0l0/l=A0/(1+)因因为为：A 第39页Considere作图法（真应力作图法（真应力-应变曲线）应变曲线）(P180)v在横坐在横坐标标=-1处处向真向真应应力力-应变应变曲曲线线作切作切线线就是表就是表观观屈服点，屈服点，有：有：d 真真/d =真真/(1+)=真真/这这种以真种以真应应力作力作图图求表求表观观屈服点方法就是屈服点方法就是Considere作图法作图法。Y点在真应力在真应力-应变曲线上确定与应变曲线上确定与工程应力工程应力-应变屈服点应变屈服点Y所对应所对应B点点。第40页 2.2.真应力-应变曲线及屈服判据三种类型DE0 1 2 30 1 2 30 1 2 3由由 无无法法作作切切线线，不不能能成成颈颈由由 可可作作两两条条切切线线，有有两两个个点点满满足足屈屈服服条条件件，D点点时时屈屈服服点点，E点点开始冷拉开始冷拉由由 可可作作一一条条切切线线，曲曲线线上上有有一一个个点点满满足足 ，此此点点为为屈屈服服点点，在在此此点点高高聚聚物物成成颈颈第41页vv屈服判据屈服判据屈服判据屈服判据 应力普通包含应力普通包含应力普通包含应力普通包含3 3 3 3个正应力个正应力个正应力个正应力3 3 3 3个切应力个切应力个切应力个切应力6 6 6 6个分量组成：个分量组成：个分量组成：个分量组成：f=(f=(xx,yy,zz,xy,yz,zx)而不一样应力状态又对应不一样应力分量组合，在组合应力而不一样应力状态又对应不一样应力分量组合，在组合应力而不一样应力状态又对应不一样应力分量组合，在组合应力而不一样应力状态又对应不一样应力分量组合，在组合应力条件材料屈服条件称为屈服判据。条件材料屈服条件称为屈服判据。条件材料屈服条件称为屈服判据。条件材料屈服条件称为屈服判据。vv屈服判据理论屈服判据理论屈服判据理论屈服判据理论：最大切应力理论（最大切应力理论（最大切应力理论（最大切应力理论（TrescaTrescaTrescaTresca判据）判据）判据）判据）最大变形能理论（最大变形能理论（Von MisesVon Mises判据判据判据判据）双参数屈服判据理论（双参数屈服判据理论（Coulomb,MohrCoulomb,Mohr判据判据判据判据）第42页3.屈服机理屈服机理(1)(1)银纹屈服银纹屈服银纹屈服银纹屈服-银纹现象与应银纹现象与应银纹现象与应银纹现象与应力发白力发白力发白力发白I.I.银纹银纹银纹银纹现象现象现象现象：很多高聚物，尤其是玻璃态很多高聚物，尤其是玻璃态很多高聚物，尤其是玻璃态很多高聚物，尤其是玻璃态透明高聚物（透明高聚物（透明高聚物（透明高聚物（PSPS、MMAMMA、PCPC）在）在）在）在储存过程及使用过程中，往往会在储存过程及使用过程中，往往会在储存过程及使用过程中，往往会在储存过程及使用过程中，往往会在表面出现像陶瓷那样，肉眼可见微表面出现像陶瓷那样，肉眼可见微表面出现像陶瓷那样，肉眼可见微表面出现像陶瓷那样，肉眼可见微细裂纹，这些裂纹，因为能够强烈细裂纹，这些裂纹，因为能够强烈细裂纹，这些裂纹，因为能够强烈细裂纹，这些裂纹，因为能够强烈地反射可见光看上去是闪亮，所以地反射可见光看上去是闪亮，所以地反射可见光看上去是闪亮，所以地反射可见光看上去是闪亮，所以又称为银纹又称为银纹又称为银纹又称为银纹cragecrageFF第43页产生银纹原因：a.是高聚物受到张应力作用时，在材料一些微弱步骤上应力是高聚物受到张应力作用时，在材料一些微弱步骤上应力集中，而产生局部塑性形变，而在材料表面或内部出现集中，而产生局部塑性形变，而在材料表面或内部出现垂直于应力方向微细凹槽或垂直于应力方向微细凹槽或“裂纹裂纹”现象现象b.环境原因也会促进银纹产生，化学物质扩散到高聚物中，环境原因也会促进银纹产生，化学物质扩散到高聚物中，使微观表面溶胀或增塑，增加分子链段活动性，玻璃化使微观表面溶胀或增塑，增加分子链段活动性，玻璃化温度下降促进银纹产生，另外，试样表面缺点和擦伤处温度下降促进银纹产生，另外，试样表面缺点和擦伤处也易产生银纹，或起始于试样内部空穴或夹杂物边界处，也易产生银纹，或起始于试样内部空穴或夹杂物边界处，这些缺点造成应力集中，有利于银纹产生这些缺点造成应力集中，有利于银纹产生第44页vv银纹定义银纹定义：银纹现象为聚合物所特有，：银纹现象为聚合物所特有，是聚合物在张应力作是聚合物在张应力作用下，于材料一些微弱部分出现应力集中而产生局部塑性形变用下，于材料一些微弱部分出现应力集中而产生局部塑性形变取向，以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为取向，以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100m，宽度为，宽度为10m左右，厚度为左右，厚度为1m微细凹槽。微细凹槽。v银纹特征：应力发白现象，密度为本体银纹特征：应力发白现象，密度为本体50，高度取向高分子，高度取向高分子微纤。微纤。银纹深入发展银纹深入发展裂缝裂缝脆性断裂。脆性断裂。第45页vv银纹现象银纹现象银纹现象银纹现象：含有约：含有约：含有约：含有约50%50%50%50%体积空穴体积空穴体积空穴体积空穴vv裂纹裂纹裂纹裂纹：是空，里面无高聚物：是空，里面无高聚物：是空，里面无高聚物：是空，里面无高聚物vv银纹特点银纹特点银纹特点银纹特点：（：（：（：（1 1 1 1）银纹仍有强度）银纹仍有强度）银纹仍有强度）银纹仍有强度 （2 2 2 2）银纹平面垂直于产生银纹张应力。）银纹平面垂直于产生银纹张应力。）银纹平面垂直于产生银纹张应力。）银纹平面垂直于产生银纹张应力。第46页II.II.应力发白应力发白应力发白应力发白现象现象现象现象：橡胶改性：橡胶改性：橡胶改性：橡胶改性PSPS：HIPSHIPS或或或或ABSABS在受到破坏在受到破坏在受到破坏在受到破坏时，其应力面变成乳白色，这就是所谓应力时，其应力面变成乳白色，这就是所谓应力时，其应力面变成乳白色，这就是所谓应力时，其应力面变成乳白色，这就是所谓应力发白现象。发白现象。发白现象。发白现象。应力发白和银纹化之间差异应力发白和银纹化之间差异应力发白和银纹化之间差异应力发白和银纹化之间差异在于银纹带大小在于银纹带大小在于银纹带大小在于银纹带大小和多少，应力发白是由大量尺寸非常小银纹和多少，应力发白是由大量尺寸非常小银纹和多少，应力发白是由大量尺寸非常小银纹和多少，应力发白是由大量尺寸非常小银纹聚集而成。聚集而成。聚集而成。聚集而成。第47页(2)剪切屈服（剪切带）剪切屈服（剪切带）现象现象现象现象：韧性高聚物在拉伸至屈服点：韧性高聚物在拉伸至屈服点：韧性高聚物在拉伸至屈服点：韧性高聚物在拉伸至屈服点时，常可见试样上出现与拉伸方向时，常可见试样上出现与拉伸方向时，常可见试样上出现与拉伸方向时，常可见试样上出现与拉伸方向成成成成4545 角剪切滑移变形带。角剪切滑移变形带。角剪切滑移变形带。角剪切滑移变形带。对韧性材料来说，拉伸时对韧性材料来说，拉伸时对韧性材料来说，拉伸时对韧性材料来说，拉伸时45 45 斜截面上最大切应力首先到达材料斜截面上最大切应力首先到达材料斜截面上最大切应力首先到达材料斜截面上最大切应力首先到达材料剪切强度，所以首先出现与拉伸方剪切强度，所以首先出现与拉伸方剪切强度，所以首先出现与拉伸方剪切强度，所以首先出现与拉伸方向成向成向成向成4545 剪切滑移变形带剪切滑移变形带剪切滑移变形带剪切滑移变形带-细颈细颈细颈细颈。因为变形带中分子链取向度高，因为变形带中分子链取向度高，因为变形带中分子链取向度高，因为变形带中分子链取向度高，故变形逐步向整个试样扩展。故变形逐步向整个试样扩展。故变形逐步向整个试样扩展。故变形逐步向整个试样扩展。剪切带结构形态剪切带结构形态第48页通常通常通常通常，韧性材料最大切应力首先到达抗剪强度，所以材，韧性材料最大切应力首先到达抗剪强度，所以材，韧性材料最大切应力首先到达抗剪强度，所以材，韧性材料最大切应力首先到达抗剪强度，所以材料先屈服。料先屈服。料先屈服。料先屈服。脆性材料最大切应力到达抗剪强度之前，真脆性材料最大切应力到达抗剪强度之前，真脆性材料最大切应力到达抗剪强度之前，真脆性材料最大切应力到达抗剪强度之前，真应力已超出材料强度，所以材料来不及屈服就已断裂。应力已超出材料强度，所以材料来不及屈服就已断裂。应力已超出材料强度，所以材料来不及屈服就已断裂。应力已超出材料强度，所以材料来不及屈服就已断裂。所以所以所以所以韧性材料韧性材料韧性材料韧性材料-断面粗糙断面粗糙断面粗糙断面粗糙-显著变形显著变形显著变形显著变形脆性材料脆性材料脆性材料脆性材料-断面光滑断面光滑断面光滑断面光滑-断面与拉伸方向垂直断面与拉伸方向垂直断面与拉伸方向垂直断面与拉伸方向垂直定义定义：韧性聚合物单轴拉伸至屈服点时，可看到与拉伸方：韧性聚合物单轴拉伸至屈服点时，可看到与拉伸方向成向成45剪切滑移变形带，有显著双折射现象，分子链高度剪切滑移变形带，有显著双折射现象，分子链高度取向，剪切带厚度约取向，剪切带厚度约1m左右，每个剪切带又由若干个细左右，每个剪切带又由若干个细小不规则微纤组成。小不规则微纤组成。第49页电镜（电镜（SEM）下剪切带图片）下剪切带图片第50页岩石山体剪切带岩石山体剪切带第51页共性共性共性共性：银纹和剪切带都有分子链取向，：银纹和剪切带都有分子链取向，吸收能量，展现屈服现象吸收能量，展现屈服现象注意：普通情况下，材料现有银纹屈服又有剪切屈服注意：普通情况下，材料现有银纹屈服又有剪切屈服注意：普通情况下，材料现有银纹屈服又有剪切屈服注意：普通情况下，材料现有银纹屈服又有剪切屈服主要区分主要区分剪切屈服剪切屈服银纹屈服银纹屈服形变形变形变大几十形变大几十几百几百%形变小形变小 10%曲线特征曲线特征有显著屈服点有显著屈服点无显著屈服点无显著屈服点体积体积体积不变体积不变体积增加体积增加力力剪切力剪切力张应力张应力结果结果冷拉冷拉裂缝裂缝第52页细颈、剪切带和银纹比较主要区分主要区分细颈、剪切带细颈、剪切带银纹银纹形变量形变量形变量大形变量大10100%形变量小形变量小 10%曲线特征曲线特征有显著屈服点有显著屈服点无显著屈服点无显著屈服点体积体积体积几乎不变体积几乎不变体积增加体积增加主要相同点主要相同点能量能量吸收能量吸收能量吸收能量吸收能量第53页vv怎样区分断裂形式怎样区分断裂形式怎样区分断裂形式怎样区分断裂形式？-关键看屈服：关键看屈服：屈服前断裂为脆性断裂屈服前断裂为脆性断裂屈服后断裂为韧性断裂屈服后断裂为韧性断裂8.2 高聚物断裂和强度高聚物断裂和强度强度是指物质抵强度是指物质抵抗破坏能力抗破坏能力张应力张应力张应力张应力拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸强度弯曲力矩弯曲力矩弯曲力矩弯曲力矩抗弯强度抗弯强度抗弯强度抗弯强度压应力压应力压应力压应力压缩强度压缩强度压缩强度压缩强度拉伸模量拉伸模量拉伸模量拉伸模量弯曲模量弯曲模量弯曲模量弯曲模量硬硬硬硬 度度度度第54页8.2.1 脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂vv试样发生脆性或者韧性断裂影响原因试样发生脆性或者韧性断裂影响原因：（1）与材料组成相关（内因）与材料组成相关（内因）（2）与拉伸温度与拉伸速度相关（外因）与拉伸温度与拉伸速度相关（外因）脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂屈服前屈服前屈服前屈服前断裂断裂断裂断裂无塑性无塑性无塑性无塑性流动流动流动流动表面光滑表面光滑表面光滑表面光滑张应力张应力张应力张应力分量分量分量分量韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂屈服后屈服后屈服后屈服后断裂断裂断裂断裂有塑性有塑性有塑性有塑性流动流动流动流动表面粗糙表面粗糙表面粗糙表面粗糙切应力切应力切应力切应力分量分量分量分量第55页高分子材料内在韧性，要在一定温度和受力状态下高分子材料内在韧性，要在一定温度和受力状态下高分子材料内在韧性，要在一定温度和受力状态下高分子材料内在韧性，要在一定温度和受力状态下方能表现出来，离开这一环境就表现出脆性。方能表现出来，离开这一环境就表现出脆性。方能表现出来，离开这一环境就表现出脆性。方能表现出来，离开这一环境就表现出脆性。1.1.判断材料断裂方式判断材料断裂方式vva.a.应力应力应力应力-应变曲线：发生屈服之前断裂，为脆性断裂；应变曲线：发生屈服之前断裂，为脆性断裂；应变曲线：发生屈服之前断裂，为脆性断裂；应变曲线：发生屈服之前断裂，为脆性断裂；vvb.b.断裂能量：冲击强度为断裂能量：冲击强度为断裂能量：冲击强度为断裂能量：冲击强度为2 2KJ/mKJ/m2 2为临界指标。为临界指标。为临界指标。为临界指标。vvc.c.试样断裂表面形态。试样断裂表面形态。试样断裂表面形态。试样断裂表面形态。第56页脆性断裂与韧性断裂表面脆性断裂与韧性断裂表面v脆性断裂脆性断裂韧性断裂韧性断裂第57页2.2.脆韧转变温度脆韧转变温度T Tb b(脆化温度、脆化点脆化温度、脆化点)v在一定速率下在一定速率下（不一样温度）（不一样温度）测定断裂应力和测定断裂应力和屈服应力，作断屈服应力，作断裂应力和屈服应裂应力和屈服应力随温度改变曲力随温度改变曲线线-其交点对其交点对应温度为脆化温应温度为脆化温度度Tb第58页3.3.脆性断裂和塑性屈服是两个各自独立过程脆性断裂和塑性屈服是两个各自独立过程脆性断裂和塑性屈服是两个各自独立过程脆性断裂和塑性屈服是两个各自独立过程vv在一定温度和应变速率下，当外加应力到达它们之中较低那在一定温度和应变速率下，当外加应力到达它们之中较低那在一定温度和应变速率下，当外加应力到达它们之中较低那在一定温度和应变速率下，当外加应力到达它们之中较低那个时，就发生断裂或者屈服个时，就发生断裂或者屈服个时，就发生断裂或者屈服个时，就发生断裂或者屈服vv显然：显然：显然：显然：和和和和曲线交点应该就是脆韧转变点曲线交点应该就是脆韧转变点曲线交点应该就是脆韧转变点曲线交点应该就是脆韧转变点，在高于这点对应温度时，材料总是韧性。在高于这点对应温度时，材料总是韧性。在高于这点对应温度时，材料总是韧性。在高于这点对应温度时，材料总是韧性。第59页问题：断裂应力和屈服应力谁对温度更敏感？问题：断裂应力和屈服应力谁对温度更敏感？v屈服应力比断裂应力对温度更敏感！屈服应力比断裂应力对温度更敏感！第60页问题：断裂应力和屈服应力谁对应变速率更敏感？问题：断裂应力和屈服应力谁对应变速率更敏感？v屈服应力比断裂应力对应变速率更敏感！屈服应力比断裂应力对应变速率更敏感！第61页影响高聚物脆韧转变条件影响高聚物脆韧转变条件v断裂应力断裂应力断裂应力断裂应力受应变速率和温度影响不大受应变速率和温度影响不大受应变速率和温度影响不大受应变速率和温度影响不大v应应应应变变变变速速速速率率率率和和和和温温温温度度度度对对对对屈屈屈屈服服服服应应应应力力力力影影影影响响响响很很很很大大大大：随随随随温温温温度度度度增增增增加加加加而降低，随应变速率增加而增加而降低，随应变速率增加而增加而降低，随应变速率增加而增加而降低，随应变速率增加而增加v聚合物聚合物聚合物聚合物脆韧转变点脆韧转变点脆韧转变点脆韧转变点随应变速率增加而移向高温随应变速率增加而移向高温随应变速率增加而移向高温随应变速率增加而移向高温v聚合物材料聚合物材料聚合物材料聚合物材料缺口缺口缺口缺口尤其影响材料脆韧转变尤其影响材料脆韧转变尤其影响材料脆韧转变尤其影响材料脆韧转变 -尖锐缺口能够使聚合物断裂从韧性变为脆性尖锐缺口能够使聚合物断裂从韧性变为脆性尖锐缺口能够使聚合物断裂从韧性变为脆性尖锐缺口能够使聚合物断裂从韧性变为脆性 第62页脆性断裂与韧性断裂判断脆性断裂与韧性断裂判断TTb,先到达 y，韧韧性断裂第63页塑料普通使用温度范围？塑料普通使用温度范围？-Tb-TgvTb越低聚合物材料韧性越越低聚合物材料韧性越?好好差差T Tb第64页4.材料断裂方式材料断裂方式v聚合物材料破坏是聚合物材料破坏是高分子主链化学键断裂高分子主链化学键断裂、高分子高分子分子间滑脱分子间滑脱及及分子链间相互作用力破坏分子链间相互作用力破坏。化学键拉断化学键拉断15000MPa分子间滑脱分子间滑脱5000MPa分子间扯离分子间扯离氢键氢键 500MPa范德华力范德华力 100MPa理论值理论值第65页v通常高分子在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合通常高分子在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度在数千物理论断裂强度在数千MPa，而实际断裂强度只有，而实际断裂强度只有数十数十MPa.v例：例：PA，60 MPa；PPO，70 MPav理理论值论值与与试验结试验结果相差如此之大原因：果相差如此之大原因：高分子链长度有限高分子链长度有限 样条存在缺点样条存在缺点 应力集中应力集中第66页含有球形无机粒子聚合物粘结剂电镜图片含有球形无机粒子聚合物粘结剂电镜图片第67页疲劳断裂表面电镜图片疲劳断裂表面电镜图片第68页聚合物木层板断裂表面电镜图片聚合物木层板断裂表面电镜图片第69页例例1：PC聚碳酸酯聚碳酸酯vTg=150vTb=-20v室温下室温下PC是否易碎？是否易碎？第70页例例2：PMMA聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯vTg=100vTb=90v室温下室温下PMMA脆性脆性还是韧性？还是韧性？第71页极限强度极限强度 衡衡衡衡量量量量材材材材料料料料抵抵抵抵抗抗抗抗外外外外力力力力破破破破坏坏坏坏能能能能力力力力量量量量度度度度，表表表表征征征征了了了了材材材材料料料料受受受受力力力力极极极极限。限。限。限。8.2.2 聚合物强度聚合物强度拉伸强度：拉伸强度：（1 1）拉伸强度拉伸强度与与与与压缩强压缩强度度第72页断裂伸长率：断裂伸长率：断裂伸长率：断裂伸长率：扬氏模量：扬氏模量：扬氏模量：扬氏模量：第73页（2 2 2 2）弯曲强度弯曲强度弯曲强度：弯曲强度：弯曲强度：弯曲强度：弯曲模量：弯曲模量：弯曲模量：弯曲模量：第74页（3 3 3 3）冲击强度冲击强度冲击强度冲击强度 冲击强度：冲击强度：冲击强度：冲击强度：式中式中式中式中WWWW是冲断试样所是冲断试样所是冲断试样所是冲断试样所消耗功。消耗功。消耗功。消耗功。第75页8.2.3 断裂理论断裂理论v自学自学第76页8.2.4 影响聚合物强度和韧性原因影响聚合物强度和韧性原因 -增强与增韧增强与增韧vv聚合物增强聚合物增强-拉伸强度和拉伸模量增加拉伸强度和拉伸模量增加vv聚合物增韧聚合物增韧-冲击强度增加冲击强度增加-冲击强度是衡量材料韧性指标冲击强度是衡量材料韧性指标冲断试样所消耗功冲断试样所消耗功冲断试样厚度和宽度冲断