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1、 拉伸断裂实验中，材料拉伸应力拉伸断裂实验中，材料拉伸应力-应变曲线下的面积（下应变曲线下的面积（下图）相当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧性图）相当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧性的大小。很显然，断裂强度的大小。很显然，断裂强度 高和断裂伸长率高和断裂伸长率 大的材大的材料韧性也好。料韧性也好。 但这个能量与抗冲击但这个能量与抗冲击强度不同。不同在于，强度不同。不同在于，两种实验的应变速率不两种实验的应变速率不同，拉伸实验速率慢而同，拉伸实验速率慢而冲击速率极快；拉伸曲冲击速率极快；拉伸曲线求得的能量为断裂时线求得的能量为断裂时材料单位体积所吸收的材料单位体积所吸收的能量，
2、而冲击实验只关能量，而冲击实验只关心断裂区表面吸收的能心断裂区表面吸收的能量。量。图图8-2 材料拉伸实验的应力材料拉伸实验的应力-应变曲线应变曲线 三三个个阶阶段段中中物物料料吸吸收收能能量量的的能能力力不不同同，有有些些材材料料如如硬硬质质聚聚氯氯乙乙烯烯，裂裂纹纹引引发发能能高高而而扩扩展展能能很很低低，这这种种材材料料无无缺缺口口时时抗抗冲冲强强度度较较高高，一一旦旦存存在在缺缺口口则则极极容容易易断断裂裂。裂裂纹纹扩扩展展是是材材料料破破坏坏的的关关键键阶阶段段，因因此此材材料料增增韧韧改改性性的的关关键键是是提提高高材材料料抗抗裂裂纹纹扩扩展展的的能力。能力。 冲击破坏过程虽然很快
3、，但根据破坏原理也可分为三个阶冲击破坏过程虽然很快，但根据破坏原理也可分为三个阶段：一是裂纹引发阶段，二是裂纹扩展阶段，三是断裂阶段。段：一是裂纹引发阶段，二是裂纹扩展阶段，三是断裂阶段。图图8 8-30 冲击冲击实验中材料受力及屈挠关系曲线实验中材料受力及屈挠关系曲线曲线下面积：白亮区域裂纹引发能 阴影区域裂纹扩展能 （二）影响抗冲击强度的因素（二）影响抗冲击强度的因素1、 缺口的影响缺口的影响 冲冲击击实实验验时时，有有时时在在试试样样上上预预置置缺缺口口，有有时时不不加加缺缺口口。有有缺缺口口试试样样的的抗抗冲冲强强度度远远小小于于无无缺缺口口试试样样，原原因因在在于于有有缺缺口口试试样
4、样已已存存在在表表观观裂裂纹纹，冲冲击击破破坏坏吸吸收收的的能能量量主主要要用用于裂纹扩展。于裂纹扩展。 另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力使局部材料变形增大，变形速率加快，材料发生韧使局部材料变形增大，变形速率加快，材料发生韧-脆脆转变，加速破坏。缺口曲率半径越小，应力集中效应转变，加速破坏。缺口曲率半径越小，应力集中效应越显著，因此预置缺口必须按标准严格操作。越显著，因此预置缺口必须按标准严格操作。2、 温度的影响温度的影响 温度升高，材料抗冲击强度随之增大。对无定形聚合温度升高，材料抗冲击强度随之增大。对无定形聚合物，当温度升高到玻璃
5、化温度附近或更高时，抗冲击强物，当温度升高到玻璃化温度附近或更高时，抗冲击强度急剧增大。度急剧增大。 对结晶性聚合物，其玻璃化对结晶性聚合物，其玻璃化温度以上的抗冲击强度也比玻温度以上的抗冲击强度也比玻璃化温度以下的高，这是因为璃化温度以下的高，这是因为在玻璃化温度附近时，链段运在玻璃化温度附近时，链段运动释放，动释放，分子运动加剧，使应分子运动加剧，使应力集中效应减缓力集中效应减缓，部分能量会，部分能量会由于材料的力学损耗作用以热由于材料的力学损耗作用以热的形式逸散。右图给出几种聚的形式逸散。右图给出几种聚丙烯试样的抗冲强度随温度的丙烯试样的抗冲强度随温度的变化，可以看出，在玻璃化温变化，可
6、以看出，在玻璃化温度附近抗冲强度有较大的增长。度附近抗冲强度有较大的增长。 图图8-33 几种聚丙烯试样抗冲强度随几种聚丙烯试样抗冲强度随温度的变化温度的变化3、 结晶、取向的影响结晶、取向的影响 对对聚聚乙乙烯烯、聚聚丙丙烯烯等等高高结结晶晶度度材材料料，当当结结晶晶度度为为40-60%时时，由由于于材材料料拉拉伸伸时时有有屈屈服服发发生生且且断断裂裂伸伸长长率率高高，韧韧性性很很好好。结结晶晶度度再再增增高高，材材料料变变硬硬变变脆脆，抗抗冲冲击击韧韧性性反反而而下下降降。这这是是由由于于结结晶晶使使分分子子间间相相互互作作用用增增强强，链链段段运运动动能能力力减减弱弱，受受到到外外来来冲
7、冲击击时时，材材料料形形变变能能力力减减少少，因因而而抗抗冲冲击击韧韧性性变差。变差。 从结晶形态看，具有均匀小球晶的材料抗冲击韧性好，而从结晶形态看，具有均匀小球晶的材料抗冲击韧性好，而大球晶韧性差。球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷大球晶韧性差。球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材料受冲击力时易在薄弱环节破裂。增多，材料受冲击力时易在薄弱环节破裂。 对取向材料，当冲击力与取向方向平行，冲击强度因取向对取向材料，当冲击力与取向方向平行，冲击强度因取向而提高，若冲击力与取向方向垂直，冲击强度下降。由于实而提高，若冲击力与取向方向垂直，冲击强度下降。由于实际材料总是在最薄弱处首先破
8、坏，因此取向对材料的抗冲击际材料总是在最薄弱处首先破坏，因此取向对材料的抗冲击性能一般是不利的性能一般是不利的 4、共混，共聚，填充的影响、共混，共聚，填充的影响 实实验验发发现现，采采用用与与橡橡胶胶类类材材料料嵌嵌段段共共聚聚、接接枝枝共共聚聚或或物物理理共混的方法可以大幅度改善脆性塑料的抗冲击性能。共混的方法可以大幅度改善脆性塑料的抗冲击性能。图图8-34 CPE(氯化聚乙烯氯化聚乙烯)在在PVC/CPE共混物中的分散状态与共混时间的共混物中的分散状态与共混时间的关系关系 采用丁二烯与苯乙烯采用丁二烯与苯乙烯共聚得到高抗冲聚苯乙共聚得到高抗冲聚苯乙烯；采用氯化聚乙烯与烯；采用氯化聚乙烯与
9、聚氯乙烯共混得到硬聚聚氯乙烯共混得到硬聚氯乙烯韧性体，都将使氯乙烯韧性体，都将使基体的抗冲强度提高几基体的抗冲强度提高几倍至几十倍。倍至几十倍。 橡胶增韧塑料已发展橡胶增韧塑料已发展为十分成熟的塑料增韧为十分成熟的塑料增韧技术，由此开发出一大技术，由此开发出一大批新型材料，产生巨大批新型材料，产生巨大经济效益。经济效益。图图8-35 CPE用量对用量对PVC/CPE共混物力学共混物力学性能的影响性能的影响共聚、共混改性效果共聚、共混改性效果 在在热热固固性性树树脂脂及及脆脆性性高高分分子子材材料料中中添添加加纤纤维维状状填填料料，也也可可以以提提高高基基体体的的抗抗冲冲击击强强度度。纤纤维维一
10、一方方面面可可以以承承担担试试片片缺缺口口附附近近的的大大部部分分负负荷荷，使使应应力力分分散散到到更更大大面面积积上上，另另一一方方面面还还可可以吸收部分冲击能，防止裂纹扩展成裂缝（参看表以吸收部分冲击能，防止裂纹扩展成裂缝（参看表8-5）。）。填充、复合改性效果填充、复合改性效果 与与此此相相反反，若若在在聚聚苯苯乙乙烯烯这这样样的的脆脆性性材材料料中中添添加加碳碳酸酸钙钙之之类类的的粉粉状状填填料料，则则往往往往使使材材料料抗抗冲冲击击性性能能进进一一步步下下降降。因因为为填填料料相相当当于于基基体体中中的的缺缺陷陷，填填料料粒粒子子还还有有应应力力集集中中作作用，这些都将加速材料的破坏
11、。用，这些都将加速材料的破坏。 近近年年来来人人们们在在某某些些塑塑料料基基体体中中添添加加少少量量经经过过表表面面处处理理的的微细无机粒子，发现个别体系中，无机填料也有增韧作用。微细无机粒子，发现个别体系中，无机填料也有增韧作用。（三）高分子材料的增韧改性（三）高分子材料的增韧改性1、 橡胶增韧塑料的经典机理橡胶增韧塑料的经典机理 橡胶增韧塑料的效果是十分明显的。无论脆性塑料或韧性橡胶增韧塑料的效果是十分明显的。无论脆性塑料或韧性塑料，添加几份到十几份橡胶弹性体，基体吸收能量的本领塑料，添加几份到十几份橡胶弹性体，基体吸收能量的本领会大幅度提高。尤其对脆性塑料，添加橡胶后基体会出现典会大幅度
12、提高。尤其对脆性塑料，添加橡胶后基体会出现典型的脆型的脆-韧转变。韧转变。 关于橡胶增韧塑料的机理，曾有人认为是由于橡胶粒子本关于橡胶增韧塑料的机理，曾有人认为是由于橡胶粒子本身吸收能量，橡胶横跨于裂纹两端，阻止裂纹扩展；也有人身吸收能量，橡胶横跨于裂纹两端，阻止裂纹扩展；也有人认为形变时橡胶粒子收缩，诱使塑料基体玻璃化温度下降。认为形变时橡胶粒子收缩，诱使塑料基体玻璃化温度下降。 研究表明，形变过程中橡胶粒子吸收的能量很少，约占研究表明，形变过程中橡胶粒子吸收的能量很少，约占总吸收能量的总吸收能量的10%，大部分能量是被基体连续相吸收的。，大部分能量是被基体连续相吸收的。另外由橡胶收缩引起的
13、玻璃化温度下降仅另外由橡胶收缩引起的玻璃化温度下降仅10左右，不足左右，不足以引起脆性塑料在室温下屈服。以引起脆性塑料在室温下屈服。 他他们们认认为为：橡橡胶胶粒粒子子能能提提高高脆脆性性塑塑料料的的韧韧性性，是是因因为为橡橡胶胶粒粒子子分分散散在在基基体体中中，形形变变时时成成为为应应力力集集中中体体，能能促促使使周周围基体发生脆围基体发生脆-韧转变和屈服。韧转变和屈服。 Schmitt和和Bucknall等人根据橡胶与脆性塑料共混物在低等人根据橡胶与脆性塑料共混物在低于塑料基体断裂强度的应力作用下，会出现剪切屈服和应力于塑料基体断裂强度的应力作用下，会出现剪切屈服和应力发白现象；又根据剪切
14、屈服是韧性聚合物（如聚碳酸酯）的发白现象；又根据剪切屈服是韧性聚合物（如聚碳酸酯）的韧性来源的观点，逐步完善橡胶增韧塑料的经典机理。韧性来源的观点，逐步完善橡胶增韧塑料的经典机理。 屈服的主要形式有：引发大量银纹（应力发白）和形成屈服的主要形式有：引发大量银纹（应力发白）和形成剪切屈服带，吸收大量变形能，使材料韧性提高。剪切屈剪切屈服带，吸收大量变形能，使材料韧性提高。剪切屈服带还能终止银纹，阻碍其发展成破坏性裂缝。服带还能终止银纹，阻碍其发展成破坏性裂缝。橡胶粒子引发银纹示意图橡胶粒子引发银纹示意图图图8-38 ABS中两相结构示意图中两相结构示意图其中白粒子为橡胶相其中白粒子为橡胶相图图8
15、-39 应力作用下橡胶粒子变形，应力作用下橡胶粒子变形，造成应力集中，引发银纹造成应力集中，引发银纹剪切屈服带剪切屈服带图图8-43 拉伸作用下聚碳酸酯试样中产生拉伸作用下聚碳酸酯试样中产生剪切屈服带的照片，剪切屈服带的照片，注意剪切屈服带与应力方向成注意剪切屈服带与应力方向成45度角，度角，出现剪切屈服带的区域开始出现出现剪切屈服带的区域开始出现“颈缩颈缩”能量吸收示意图能量吸收示意图图图8-44 HIPS和体系在应力作用下塑料基体、和体系在应力作用下塑料基体、橡胶粒子及引发的银纹吸收能量示意图，橡胶粒子及引发的银纹吸收能量示意图，其中：其中： aM 为塑料基体吸收的能量；为塑料基体吸收的能
16、量；aK 为橡胶粒子为橡胶粒子吸收的能量；吸收的能量；aC 为银纹吸收的能量；为银纹吸收的能量；aB为最后断裂为最后断裂吸收的能量。注意银纹吸收了大量能量吸收的能量。注意银纹吸收了大量能量左图为应力应变曲线图；右图为受力过程示意图左图为应力应变曲线图；右图为受力过程示意图2、银纹化现象和剪切屈服带银纹化现象和剪切屈服带许许多多聚聚合合物物，尤尤其其是是玻玻璃璃态态透透明明聚聚合合物物如如聚聚苯苯乙乙烯烯、有有机机玻玻璃璃、聚聚碳碳酸酸酯酯等等，在在存存储储及及使使用用过过程程中中，由由于于应应力力和和环环境境因因素素的的影影响响，表表面面往往往往会会出出现现一一些些微微裂裂纹纹。有有这这些些裂
17、裂纹纹的的平平面面能能强强烈烈反反射射可可见见光光，形形成成银银色色的的闪闪光光，故故称为银纹，相应的开裂现象称为银纹化现象。称为银纹，相应的开裂现象称为银纹化现象。银纹化现象银纹化现象图图8-45 拉伸试样在拉断前产生银拉伸试样在拉断前产生银纹化现象，纹化现象，a图为聚苯乙烯，图为聚苯乙烯，b图为有机玻璃图为有机玻璃注意银纹方向与应力方向垂直注意银纹方向与应力方向垂直 产生银纹的原因有两个：一是力学因素（拉应力、弯应力），产生银纹的原因有两个：一是力学因素（拉应力、弯应力），二是环境因素（与某些化学物质相接触）。二是环境因素（与某些化学物质相接触）。图图8-46 ABS试样在弯应力下产生银纹
18、的试样在弯应力下产生银纹的电镜照片电镜照片图图8-47 LDPE试样在弯应力作用试样在弯应力作用和在和在n-丙醇中浸泡时产生环境应力丙醇中浸泡时产生环境应力开裂的照片开裂的照片 银纹和裂缝不同。银纹和裂缝不同。裂缝是宏观开裂，内裂缝是宏观开裂，内部质量为零；而银纹部质量为零；而银纹内部有物质填充着，内部有物质填充着，质量不等于零，该物质量不等于零，该物质称银纹质，是由高质称银纹质，是由高度取向的聚合物纤维度取向的聚合物纤维束构成。银纹具有可束构成。银纹具有可逆性，在压应力下或逆性，在压应力下或在在 以上温度退火处以上温度退火处理，银纹会回缩或消理，银纹会回缩或消失，材料重新回复光失，材料重新回
19、复光学均一状态。学均一状态。图图8-48 PS试样的银纹内部的不同内容试样的银纹内部的不同内容 a, 细网目式的纤维编织物；细网目式的纤维编织物； b, 纤维编织物，中部与边缘有亮区；纤维编织物，中部与边缘有亮区； c, 粗糙的纤维编织物；粗糙的纤维编织物； d, 边缘有排列的空洞边缘有排列的空洞图图8-49 PS试样中的一条大银纹，试样中的一条大银纹，银纹长银纹长45微米，最宽处宽约微米，最宽处宽约2微米微米图图8-50 结晶高聚物中球晶间的破坏，结晶高聚物中球晶间的破坏，a, 聚氨酯试样中沿球晶边缘出现空洞聚氨酯试样中沿球晶边缘出现空洞（薄膜试样，（薄膜试样，TEM照片）照片）b, 聚丙烯
20、试样中球晶间出现纤维聚丙烯试样中球晶间出现纤维（试样断裂表面，（试样断裂表面，SEM照片）照片）图图8-51 LDPE试样因环境作用产生的试样因环境作用产生的银纹特征，银纹特征，银纹尖端区域形成孤立的空洞银纹尖端区域形成孤立的空洞 图图8-52 LDPE试样因应力作用产试样因应力作用产生的银纹特征，生的银纹特征，银纹尖端区域有塑化的银纹质银纹尖端区域有塑化的银纹质 两种银纹的差异两种银纹的差异剪切屈服带剪切屈服带剪切屈服带是材料内部具有高度剪切应变的薄层，是在应剪切屈服带是材料内部具有高度剪切应变的薄层，是在应力作用下材料局部产生应变软化形成的。剪切带通常发生在力作用下材料局部产生应变软化形成
21、的。剪切带通常发生在缺陷、裂缝或由应力集中引起的应力不均匀区内，在最大剪缺陷、裂缝或由应力集中引起的应力不均匀区内，在最大剪应力平面上由于应变软化引起分子链滑动形成。应力平面上由于应变软化引起分子链滑动形成。图图8-53 聚对苯二甲酸乙二酯聚对苯二甲酸乙二酯中的剪切屈服带中的剪切屈服带 在拉伸实验和压缩实验中都曾经观察到剪切带（图在拉伸实验和压缩实验中都曾经观察到剪切带（图8-53），），而以压缩实验为多。理论上剪切带的方向应与应力方向成而以压缩实验为多。理论上剪切带的方向应与应力方向成45角，由于材料的复杂性，实际夹角往往小于角，由于材料的复杂性，实际夹角往往小于45。 银纹和剪切带是高分子
22、材料发生屈服的两种主要形式。银纹和剪切带是高分子材料发生屈服的两种主要形式。 银银纹纹是是垂垂直直应应力力作作用用下下发发生生的的屈屈服服，银银纹纹方方向向多多与与应应力力方方向垂直；向垂直； 剪剪切切带带是是剪剪切切应应力力作作用用下下发发生生的的屈屈服服，方方向向与与应应力力成成45和和135角。角。图图8-12 垂直应力下的垂直应力下的分子链断裂（分子链断裂（a）和剪切应力下的分子链和剪切应力下的分子链滑移（滑移（b） 无论发生银纹或剪切带，都需要消耗大量能量，从而使材料无论发生银纹或剪切带，都需要消耗大量能量，从而使材料韧性提高。发生银纹时材料内部会形成微空穴（空穴化现象），韧性提高。
23、发生银纹时材料内部会形成微空穴（空穴化现象），体积略有涨大；形成剪切屈服时，材料体积不变。体积略有涨大；形成剪切屈服时，材料体积不变。裂纹尖端分子链绷紧、化学键断裂裂纹尖端分子链绷紧、化学键断裂聚合物基体发生局部塑性形变（屈服）的基本形式聚合物基体发生局部塑性形变（屈服）的基本形式小范围塑化流动区小范围塑化流动区单个银纹单个银纹大范围塑化流动区大范围塑化流动区多个银纹多个银纹剪切屈服带剪切屈服带大范围塑化流动区大范围塑化流动区大量银纹大量银纹大范围剪切屈服带大范围剪切屈服带试试样样宏宏观观变变化化塑料基体中添加部分橡胶后，塑料基体中添加部分橡胶后，橡胶作为应力集中体能诱发橡胶作为应力集中体能诱
24、发塑料基体产生银纹或剪切带，使基体屈服，吸收大量能量，塑料基体产生银纹或剪切带，使基体屈服，吸收大量能量，达到增韧效果。达到增韧效果。材料体系不同，发生屈服的形式不同，韧性的表现不同。材料体系不同，发生屈服的形式不同，韧性的表现不同。有时在同一体系中两种屈服形式会同时发生，有时形成竞争。有时在同一体系中两种屈服形式会同时发生，有时形成竞争。 橡胶增韧塑料虽然可以使塑料基体的抗冲击韧性大幅提高，橡胶增韧塑料虽然可以使塑料基体的抗冲击韧性大幅提高，但同时也伴随产生一些问题，主要问题有增韧同时使材料强但同时也伴随产生一些问题，主要问题有增韧同时使材料强度下降，刚性变弱，热变形温度跌落及加工流动性变劣
25、等。度下降，刚性变弱，热变形温度跌落及加工流动性变劣等。这些问题因源于弹性增韧剂的本征性质而难以避免，使塑料这些问题因源于弹性增韧剂的本征性质而难以避免，使塑料的增韧、增强改性成为一对不可兼得的矛盾。的增韧、增强改性成为一对不可兼得的矛盾。 随随着着研研究究的的深深化化，从从材材料料的的两两种种不不同同脆脆-韧韧转转变变方方式式（升升高高温温度度和和升升高高环环境境压压力力）启启示示我我们们，增增韧韧改改性性高高分分子子材材料料并并非非一一定定以以牺牺牲牲强强度度为为代代价价，设设计计恰恰当当的的方方法法有有可可能能同同时时实实现现既既增增韧韧、又增强。又增强。塑料的非弹性体增韧改性就是基于此
26、发展起来的。塑料的非弹性体增韧改性就是基于此发展起来的。 弹性体增韧剂就是我们常说的橡胶SBS这些材料,这些材料的硬度相对来说比较低,添加到塑料中确实可以起到一个比较好的韧性改善但是有一个缺点就是会使塑料本身的刚性下降.非弹性体包括一些刚性有机粒子和一些刚性无机粒子，虽然刚性粒子容易形成缺陷， 但是如果粒子与基体树脂结合紧密， 在承受拉应力下， 粒子可产生应力集中效应，引发周围的基体树脂产生微裂纹，吸收一定变形功，且粒子能阻止裂纹扩展，或钝化及终止裂纹不至于发展成破坏性裂缝，但是要想用刚性粒子增韧，树脂基体本身要有一定的韧性，且与刚性粒子间应有良好的界面粘接力。学习要求学习要求掌握内容：掌握内
27、容：1、非晶态、结晶高聚物在不同温度下的拉伸应力应变特、非晶态、结晶高聚物在不同温度下的拉伸应力应变特性（性（曲线）及强迫高弹形变与冷拉的概念曲线）及强迫高弹形变与冷拉的概念2、高聚物的拉伸、高聚物的拉伸强度强度及宏观断裂方式及宏观断裂方式3、影响影响高聚物拉伸高聚物拉伸强度的因素强度的因素 4、高聚物的抗冲击强度和脆韧转变。、高聚物的抗冲击强度和脆韧转变。理解内容：理解内容： 1、高聚物的断裂理论及裂纹应力集中效应、高聚物的断裂理论及裂纹应力集中效应2、增强的方法与机理、增强的方法与机理3、增韧改性和增韧机理、增韧改性和增韧机理4、测量材料韧性的实验方法、测量材料韧性的实验方法26 以上有不当之处，请大家给与批评指正，以上有不当之处，请大家给与批评指正，谢谢大家！谢谢大家！
