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1、第四节 高聚物的屈服、断裂和强度v一 玻璃态和结晶高聚物的拉伸v -应变实验通常在张力F的作用下进行。试样，如下图，沿纵轴方向以均匀的速率被拉伸，直到断裂为止。试验时，测量加于试样上的载荷和相应标线间长度的改变l=l-l0，如果试样的初始截而积为A0，标距的原长为l0，应力分别有下式 表示：拉伸试样示意图1v从试验测得的应力、应变数据可以绘制出应力-应变曲线，如下图所示：应力-应变曲线示意图2(一）玻璃态高聚物的应力-应变曲线v1 特征及分析v典型的玻璃态高聚物试样当温度在Tg以下几十度的范围内以一定速率被单轴拉伸时，其应力-应变曲线如下图所示：3v曲线上A点之前，-关系服从虎克定律，所以A点
2、为弹性极限点，vY点称为屈服点，经过此点后，应力不再增加，材料仍能继续发生一定的伸长。v曲线最后一段表明增加应变需要增大应力，直至试样断裂。B点为断裂点v所谓断裂能，是指应力-应变曲线下的面积玻璃态高聚物典型的应力-应变曲线4v2 影响因素v（1）外因温度、拉伸速率v 温度v温度不同，同一高聚物的应力-应变曲线形状也不同，如下图所示：5v曲线（1）：TTg，应力随应变成正比地增加，最后，应变不到10就发生断裂。v曲线（2）：温度略微升高以后，出现了一个转折点Y，即屈服点。应力在Y点处达极大值。过了Y点，应力降低，应变增大，直至试样断裂，但总应变20 (如曲线(2)所示)。玻璃态高聚物在不同温度
3、下的应 力-应变曲线6v曲线（3）：温度升至Tg以下几十度的范围内时，屈服点之后，试样在不增加外力或者外力增加不大的情况下，能发生很大的应变，然后应力又增加，直至断裂v曲线（4）：温度升至TTg，试样进入高弹态，在不大的应力下便可发展高弹形变(呈现一段较长的平台)，曲线不再出现屈服点，试样断裂前，应力又出现急剧上升。玻璃态高聚物在不同温度下的应 力-应变曲线7vT，材料变的软而韧，断裂强度，断裂伸长率；vT，材料逐步变的硬而脆，断裂强度，断裂伸长率8v 拉伸速率v同一高聚物，在一定温度，不同拉伸速率下的应力-应变曲线如下图所示：不同应变速率下的拉伸应力-应变曲线（到屈服点为止）所用应变速率（m
4、m/min）注明在曲线上9v随着拉伸速率的提高，高聚物的屈服应力Y和拉伸强度都相应提高。所以，拉伸速率和T对应力-应变性质的影响是等效的。其中，屈服应力对应变速率具有更大的依赖性。10v总的来说，拉伸速率对强迫高弹形变的影响为：vA.太快：强迫高弹形变来不及发生或得不到充分发展vB.太慢：可能发生一部分粘性流动，形变无法恢复vC.适中：产生强迫高弹形变11v（2）内因结构v产生强迫高弹性的必要条件是：高聚物具有可运动的链段。但是，强迫高弹性又不同于一般的高弹性。后者要求高分子链柔顺性好，而前者则要求高分子链不能太柔顺。12（二）晶态高聚物的应力-应变曲线v典型的末取向晶态高聚物在单轴拉伸时的应
5、力-应变曲线如下图所示，它比玻璃态高聚物的拉伸曲线具有更为明显的转折，整个曲线可分为三段：13v拉伸初期，很快而 很小，随线性，符合虎克定律，它代表普弹形变v A.达Y点后进入拉伸的第二阶段，Y点后，试样的截面积突然变得不均匀，出现一个或几个“细颈”。v B.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。 结晶高聚物拉伸过程应力-应变曲线及试样外形变化示意图14vC.应力几乎不变而应变不断增加，但总的应变值随高聚物不同而不同。v A.成颈后的试样重新被均匀拉伸v B.须进一步增大应力，才能使微晶间或者分子间发生位移，最后导致分子链的断裂以致
6、材料破坏。结晶高聚物拉伸过程应力-应变曲线及试样外形变化示意图15（三）取向高聚物的应力-应变曲线v对于已取向的晶态高聚物的应力-应变曲线，其特点为：v 沿取向方向技伸时，伸长率极小，不出现细颈，如前面结晶高聚物拉伸过程应力-应变曲线中的第段直线。v 沿垂直于取向方向拉伸时，其过程与末取向试样相似， 最后得到与原取向垂直的新的取向试样，伸长率可达500-800。16v 已取向的非晶高聚物的应力-应变曲线与取向晶态高聚物相似，也表现出各向异性。其特点为：v 沿取向方向拉伸时，若原来取向程度已较高，则曲线可能不再出现屈服伸长而断裂。一般说来，沿取向方向的拉伸强度较大。v 沿垂直取向方向拉伸时，若在
7、拉伸过程中分子链可再取向，则断裂伸长率及拉伸强度均较大；若在拉升时强迫高弹形变不能发生，则称脆性断裂（即在Y点之前断裂），且强度较低。17应力应力应力应力- -应变曲线的类型应变曲线的类型应变曲线的类型应变曲线的类型Types of stress-strain curve Types of stress-strain curve 软硬：模量软硬：模量 强弱：屈服强度强弱：屈服强度 韧脆：断裂能韧脆：断裂能18二 高聚物的屈服v（一）高聚物屈服点的特征v 高聚物的屈服应变比金属大得多。v 许多高聚物在过了屈服点以后，均有一个应力不大的下降，叫做应变软化。这时，应变增加，应力反而下降19v 高聚物
8、的屈服应力有很大的应变速率依赖性，随应变速率的增大而增大v 高聚物的屈服应力随T而，在到达它们的Tg时，屈服应力降低为零v 与金属材料相比，高聚物的屈服应力对流体静压力非常敏感。该压力，屈服应力随之增大。 20v（二）高聚物的屈服机理v两种可能的屈服形式：vA.银纹屈服vB.剪切屈服v都表现为不均匀的局部应变21v1 银纹屈服（轴向屈服）v1）银纹概述v定义：银纹是在拉伸应力作用下高聚物中某些薄弱部位由于应力集中而产生的空化条纹状形变区。22v2）银纹的微结构v银纹的微结构的示意图如下：23v由示意图可以看到，银纹平面垂直于张应力，银纹体中有许多小的空穴，空穴和空穴之间是高分子链构成的微纤，又
9、称银纹质。24v3）银纹的分类vA.应力银纹vB.环境银纹v 应力银纹：玻璃态高聚物在张应力作用下，特别是双轴、三轴拉伸时，由于其表面缺陷、刻痕和内部的小空隙等导致应力集中而引发的银纹。该种银纹是有规则排列的。v 环境银纹：环境因素如化学物质等也能促进银纹的产生，称作环境银纹。该种银纹时无规则排列的。25v2 剪切屈服v1）概述v定义：剪切屈服是一种没有明显体积变化的形状扭变。v前面讨论的银纹形变却伴随着空化过程，具有明显的体积变化。26v2）分类vA.扩散剪切屈服vB.剪切带v扩散剪切屈服是指在整个受力区域内发生的大范围剪切形变。v剪切带是指只发生在局部带状区域内的剪切形变。实验表明，剪切带
10、发生在与拉伸或压缩方向成45的截面上。2728v3 银纹屈服与剪切屈服两者的区别29三 高聚物的断裂与强度v（一）高聚物的断裂v1 断裂的概念v材料所受的应力达到某个临界值时，材料分裂成两部分或几部分，称为断裂。v2 断裂的形式vA.脆性断裂vB.韧性断裂30v从应力-应变曲线及端口形式对两者加以区别：313233 PS试样脆性断裂表面的电镜试样脆性断裂表面的电镜照片照片 增韧改性增韧改性PVC韧性断裂表面的韧性断裂表面的SEM照照片片 脆性断裂和韧性断裂断口形貌脆性断裂和韧性断裂断口形貌 34v（二）高聚物的强度v1 强度的概念35v2 高聚物的理论强度v从分子结构的角度来看，高聚物之所以具
11、有抵抗外力破坏的能力，主要靠分子内的化学键合力和分子间的范德华力和氢键。36聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱或聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱或聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱或聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。分子链间相互作用力的破坏。分子链间相互作用力的破坏。分子链间相互作用力的破坏。化学键拉断化学键拉断化学键拉断化学键拉断15000MPa15000MPa分子间滑脱分子间滑脱分子间滑脱分子间滑脱5000MPa5000MPa破坏分子间作用破坏分子间作用破坏分子间作用破坏分子间作用力力力力氢键氢键氢键氢键 500MPa500MPa范德华力范德华力范德华力范德华力 100MPa100MPa理论值理论值高聚物断裂的微观过程归结为三种，如下图所示：高聚物断裂的微观过程归结为三种，如下图所示：材料的断裂方式37v（三）影响高聚物拉伸强度的因素v影响高聚物实际强度的因素很多，总的来说可以分为两类：v与材料本身有关的，包括高分子的化学结构、分子量及其分布、支化和交联、结晶与取向、增塑剂、共混、填料、应力集中物等；v与外界条件有关的，包括温度、作用力的速度等。38
