7屈服和断裂.ppt

第七章 高聚物的屈服与断裂 7.1 聚合物的拉伸行为 7.2 聚合物的屈服行为 7.3 聚合物的断裂理论和理论强度 7.4 影响聚合物实际强度的因素 第七章 高聚物的屈服与断裂 聚合物作为材料使用时，总不可避免地会受到各种各样的外力（拉伸、压缩、剪切、冲击等）而产生变形甚至断裂。本章讨论玻璃态与结晶态聚合物在受力情况下的屈服和断裂。 与无机非金属相比，高聚物的韧性十分优良，最明显的表现是不少的高聚物材料在应力作用下能屈服，并在断裂前产生大形变。 高聚物材料的特点 金属的屈服与高聚物的塑性形变相类似，但机理不同； 高聚物的刚度和强度不如无机非金属和金属。 7.1 聚合物的拉伸行为 7.1.1 玻璃态聚合物的拉伸 典型的玻璃态聚合物单轴拉伸时应力-应变曲线如图7-1。 图形分析 ①以B为界，曲线分为两个部分。在B点以前，即σσy时，属弹性区，应力除去后，材料的应变会完全消失。弹性区起始部分的斜率定义为弹性模量，即： E=（dσ/dε） ②在B点以后，即σσy时，属塑性区，除去应力后，材料残留永久变形。BC段叫应变软化区，应力随应变的增大而下降； ③BC段应力基本保持不变； ④CB段应力随应变急剧上升，称为应变硬化区； ⑤C点为断裂点，对应的应力称为断裂强度，应变称为断裂应变（也称断裂伸长率）。 ⑥从图中可以看出，随温度上升，弹性模量降低，材料变软。 弹性模量与断裂强度 弹性模量表征材料的刚与柔，断裂强度表征材料的强与弱。 材料断裂分脆性断裂和韧性断裂。 材料脆性断裂的基本特点 断裂前试样均匀变形，应力-应变曲线基本呈直线，断裂应变小（5%），断裂能低；试样断裂后几乎无残余应变，断裂面垂直于应力方向（光滑）。一般认为，脆性断裂是由作用力的张力分量引起的。 材料韧性断裂的基本特点 断裂前试样发生大变形，形变在试样的长度方向上往往不均匀（产生缩颈），应力-应变曲线呈非线性关系，大形变阶段应力应变曲线的斜率可以变为零甚至负值，断裂能高；试样断裂后有明显的残余应变，断裂与应力方向不垂直。（断裂面不规则）一般认为，韧性断裂是由切应力分量引起的。 聚合物的品种繁多，性能各异，应力-应变曲线常有以下几种： 刚而脆 刚而强 刚而韧 软而韧 软而弱 力学性能的影响因素 由于高聚物具有突出的粘弹性，它们的应力-应变行为受温度、应变速率和流体静压力等因素的影响很大。 有机玻璃随温度变化的力学特征 有机玻璃随温度升高，其模量、屈服强度和断裂强度下降，断裂伸长率增加。在室温度附近，有机玻璃表现为刚而脆；到60℃变为刚而韧；到100℃，已接近于软而韧 。 有机玻璃在不同温度下有机玻璃应力-应变曲线 7.1.2 玻璃态聚合物的强迫高弹形变 普弹形变不同于高弹形变。普弹形变当外力消失后，形变迅速回复，而高弹形变不易回复。 将玻璃态高聚物冷拉产生的形变（高弹形变），在常温下这种形变是难以回复的。再将高弹形变的样品加热到玻璃化温度，形变基本上可以完全回复，这说明玻璃态高聚物冷拉中产生的形变也属于高弹形变。称为强迫高弹性。 产生强迫高弹性的原因 处于玻璃态的高聚物，未受到应力作用或所受的应力较小时，链段运动的松弛时间τ链段大于观察时间t（取接于拉伸速率）。随作用力的增加，松弛时间缩短。当应力增加到足够高，以至τ链段减小到与t同一数量级或更短时，高聚物就发生从玻璃态向高弹态的转变，产生高弹形变。这个强迫高聚物玻璃化转变为高弹态所需的最低应力就是屈服应力。随着应力的增加，连短运动的松弛时间将缩短。外力对松弛过程的影响相当于升高温度相似。温度降低，为了使链段松弛时间短到拉伸速度相适应，就需要有更大的应力，即必须用更大的外力，才能使聚合物发生强迫高弹形变。 7.1.3 结晶高聚物的拉伸 7.1.3 结晶高聚物的拉伸 它比玻璃态聚合物的拉伸曲线具有更明显的转折，整个曲线可分为三段。第一段应力随应变线性增加，试样被均匀地拉长（普弹形变），伸长率可达百分之几到百分之十几，到Y点，试样的界面突然变得不均匀，出现一个或几个“细颈”，由此开始进入第二阶段。在第二阶段，细颈与非细颈部分的截面积分别维持不变，而细颈部分不断扩展，非细颈部分逐渐缩短，直至整个试样完全变细为止（高弹形变）。第二阶段的应力-应变曲线表现为应力几乎不变，而应变不断增加。第二阶段总的应变随聚合物而不同，支链的聚乙烯、聚酯、聚酰胺酯类可