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1、第七章,聚合物的屈服和断裂,1-1 力学性能分类,如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它们有一定的力学性能：强度和韧性。如果折叠几次就破裂，那么这种材料的电绝缘性虽好，也不能用作电线。,力学行为：指施加一个外力在材料上，它产生怎样的形变（响应）。,举例：PS制品很脆，一敲就碎（脆性） 尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性） 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） 胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性）,形变性能：非极限情况下的力学行为 断裂性能：极限情况下的力学行为 静态力学性能：在恒应力或恒应变情况下的力学行为 动态力学性能：物体在交变应力下的粘弹性行为,1-2
2、 表征材料力学性能的基本物理量,强度：材料所能承受的应力（指材料承受外力而不被破坏(不可恢复的变形也属被破坏)的能力 ）。韧性：材料断裂时所吸收的能量,1、弹性模量,一般地讲，对弹性体施加一个外界作用（称为“应力”）后，弹性体会发生形状的改变（称为“应变”），“弹性模量”的一般定义是：应力除以应变。 定义1：在比例极限内，材料所受应力（如拉伸，压缩，弯曲，扭曲，剪切等）与材料产生的相应应变之比。 定义2：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合虎克定律），其比例系数称为弹性模量。,单位；达因每平方厘米，和压强单位一样。 意义：材料抗弹性变形的一个量，材料刚度的一个指标。可视为衡量材
3、料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。包括“杨氏模量”、“剪切模量”、“体积模量”等。,1、弹性模量,2、韧性,材料在断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力。 与脆性相反，材料在断裂前有较大形变、断裂时断面常呈现外延形变，此形变不能立即恢复，其应力-形变关系成非线性、消耗的断裂能很大。 通常以冲击强度的大小来衡量。 韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。,3、脆性,材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。 聚合物脆性与聚合
4、物结构及使用条件(温度、外力作用速率等)有关，柔性链聚合物脆性小，韧性好；刚性链高分子则相反。 常用冲击强度或断裂伸长表征聚合物的脆性。 或者说是“材料在断裂前未觉察到的塑性变形的性质” 。,应力应变曲线,(a),(b),测试拉伸性质的样品,应力-应变实验是一种使用最广泛的、非常重要而又实用的力学实验。 实验方法：在拉力F的作用下，式样沿纵轴方向以均匀的速率被拉伸，直到断裂为止。 常用的哑铃型标准试样如图所示，试样中部为测试部分，标距长度为 ，初始截面积为A0。,聚合物的塑性和屈服,聚合物的应力-应变行为,哑铃型标准试样,设以一定的力 F 拉伸试样，使两标距间的长度增至 ，定义试样中的应力和应
5、变为：,0 1 2 3 4 5,121086420, 1000 psi,1psi= 6890Pa,注意细颈现象,0 1 2 3 4 5, MP,84 70 56 42 28 14 0,五个重要性质： (1) 杨氏模量 (2) 屈服强度 (3) 抗张强度 (4) 断裂伸长率 (5) 韧性,Elongation at break,Ultimate strength,Stress,Strain,Yield stress,Elongation at yield,聚合物典型应力-应变曲线 Winding 1961,量纲=Pam/m=N/m2 m/m= J/m3,以应力应变曲线测定的韧性,应力-应变过程的
6、不同阶段,五个阶段： I：弹性形变 II：屈服 III：应变软化 IV：冷拉 V：应变硬化,I II III IV V,拉伸强度与分子量的关系,分子量M,8Me,拉伸强度,(b),(c),(d),应力,应变,(a),不同温度下的应力应变曲线,屈服与冷拉,应力,应变,高应力下的两类响应,Ductile and Brittle,脆性响应,屈服,冷拉,韧性响应,标志为出现屈服,随温度变化，样品经历了一个脆-韧转变,两个特征,样品：出现细颈,曲线：应力不升反降,Brittle-ductile transition,普通显微镜 偏光显微镜,细颈,温度,0 10 20 30,(MPa),227K,293K
7、,303K,313K,323K,333K,决定脆或韧的因素,PMMA,Different temperature,a: TTg,c: TTg (几十度),d: T接近Tg,b: TTg,Temperature,0C,5070C,70C,050C,Example-PVC,脆断,韧断,无屈服,屈服后断,Results,0.05%/min,0.5%/min,5%/min,50%/min,PVC (23C),Strain,stress,不同应变速率下聚氯乙烯的应力-应变曲线,(2)应变速率,时温等效,Different strain rate,Strain rate,速度,速度,Example: PM
8、MA,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, PC,PS, PMMA,Nature rubber, PI,物质结构组成,较高温度下屈服应力低于断裂应力：先屈服后断裂 当温度降低时，屈服应力升高比断裂应力快， 屈服应力与断裂应力重合的温度称为脆化温度Tb,脆化温度,Tb,T高,T中,T较低,Tb为脆性断裂与韧性断裂的分界线，为塑料使用的最低温度,温度,温度,应力,应力,(a)脆化温度定义,(b)应变速率的影响,Tb,断裂强度,屈服强度,断裂强度,屈服强度,Tb,聚合物 PDMS NR PE POM PC PA66 Tb（K） 150 200
9、203 215 173 243Tg（K） 153 203 205 233 422 322,一些聚合物的玻璃化温度与脆化温度,柔性链间距小 刚性链间距大,在试验和应用中务必牢牢记住：必须标明温度和施力速率（或形变速率）只有在宽广的温度范围和形变速率范围内测得的数据才可以帮助我们判断高聚物材料的强度、硬软、韧脆，再根据环境的要求，才能选出合适的材料来进行设计和应用。,材料破坏有二种方式，可从拉伸应力应变曲线的形状和破坏时断面的形状来区分： 根据断裂前是否发生屈服来判断材料是延性还是脆性 脆性破坏:试样在出现屈服点之前断裂断裂表面光滑韧性破坏:试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象断裂表面粗糙,拉伸
10、应力曲线反映的材料的力学性质 力 学 参 量 力 学 性 质 弹性模量 刚性断裂伸长 延性屈服应力 强度 （或断裂强度、抗拉强度） 应力应变曲线下部的面积 由曲线下的面积还可求出断裂功 韧性 弹性线下部的面积 回弹性,“软”和“硬”用于区分模量的低或高； “弱”和“强”是指强度的大小； “脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很小，“韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况，有时可将断裂功作为“韧性”的标志。,（3）硬而韧型 此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，应力应变曲线下的面积很大，说明材料韧性好，是优良的工程材料。,（1）硬而脆型 此类材料弹性模量高（OA段斜率大）而断
11、裂伸长率很小。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。,（2）硬而强型 此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长率小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为5%）。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。,说明,（5）软而弱型 此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。,（4）软而韧型 此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大（20%1000%），断裂强度可能较高，应力应变曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力应变特征。,硬而韧的材料，在
12、拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。,注意,材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件（如拉伸速率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也会发生大于100%的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。,实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典型性，或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显的屈服和“颈缩”，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。,因此规定标准的实
13、验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。,一、玻璃态聚合物的应力-应变曲线, 弹性形变区，从直线的斜率可以求出杨氏模量。 屈服（yield，又称应变软化）点，超过了此点，冻结的链段开始运动。 大形变区，又称为强迫高弹形变，本质上与高弹形变一样，是链段的运动，但它是在外力作用下发生的。 应变硬化区，分子链取向排列，使强度提高。 断裂。,1、在很低的温度下(TTg)，应力与应变呈正比的关系，但应变在小于10就发生断裂。；2、当温度略为升高以后，应力-应变曲线出现转折点B，该点称为屈服点，此时应力达到极大值，称为屈服应力。试样应变继续增大，过了B点应力反而下降。继续拉伸，试样便发生断裂，断裂应变也小于2
14、0；,3、若温度继续升高到Tg以下几十度范围时，试样在越过屈服点之后发生很大的应变(可达百分之几百)，但其应力则不增加或增加不大，在断裂前曲线又呈较明显的上升，直到断裂。试样在断裂处对应的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率。,4、当温度升高到Tg以上，试样进入高弹态，在较小的应力下即发生形变量很大的高弹形变，应力应变曲线不再出现屈服点，却出现一较长的平台，直到试样断裂前夕，曲线才出现明显的上升。,若在试样断裂前停止拉伸，除去外力，则试样已发生的大形变无法完全恢复；只有让试样的温度升到Tg附近，形变方可回复，因此，这种大形变在本质上是一种高弹形变，而不是粘流形变，其分子机理主要是高分子的链段运动，它只是在大外力的作用下的一种链段运动。为区别于普通的高弹形变，可称之为强迫高弹形变。,在Tg以下，由于聚合物处于玻璃态，即使外力除去，已发生的大形变也不能自发回复。在材料出现屈服之前发生的断裂称为脆性断裂，一般材料在发生脆性断裂之前只发生很小的形变。而在材料屈服之后的断裂，则称为韧性断裂。,
