高分子物理-聚合物的应力应变行为

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1、第八章聚合物的屈服与断裂CollegeofMaterialsScienceandEngineeringLiaochengUniversity第三组制作聚合物的力学性能是其受力后的响应，如形变大小、形变的可逆性及抗破损性能等在不同条件下聚合物表现出的力学行为：强度：材料所能承受的最大载荷，表征了材料的受力极限，在实际应用中具有重要的意义。包括抗张强度、冲击强度、弯曲强度、压缩强度、硬度。1.小外力作用下聚合物表现为：高弹性、粘弹性和流动性2.很大外力作用下表现为：极限力学行为（屈服、断裂）厚度d宽度bP图1Instron5569电子万能材料试验机（electronicm

2、aterialtestingsystem）实验条件：一定温度下；试样在大外力F的作用下以一定拉伸速率拉伸。温度：非晶态聚合物Tb---Tg;晶态聚合物：Tg---Tm。8.1.1聚合物的应力-应变行为应变：当材料受到外力作用，几何形状和尺寸发生变化，这种变化叫应变。应力：材料单位面积上的附加内力叫应力。表征材料力学性能的基本物理量硬度：是衡量材料表面承受外界压力能力的一种指标。硬度的大小与材料的拉伸强度和弹性模量有关。强度：是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在一定条件下材料所能承受的最大应力。8.1.1.1非晶态高聚物的应力-应变曲线我们先对这条曲线定义几个术语：1)

3、A点称为“弹性极限点”，A弹性极限应变，A弹性极限应力2)Y点称为“屈服点”，“屈服应力y”和“屈服伸长εy”3)B点称为“断裂点“，“断裂强度b”和“断裂伸长率b”。4)整个应力-应变曲线下的面积就是试样的断裂能。从应力-应变曲线可以看出：以一定速率单轴拉伸非晶态聚合物，其典型曲线可分成五个阶段：①弹性形变区，从直线的斜率可以求出杨氏模量，从分子机理来看，这一阶段的普弹性是由于高分子的键长、键角和小的运动单元的变化引起的,移去外力后这部分形变会立即完全恢复。②屈服（yield，又称应变软化点）点，超过了此点，冻结的链段开始运动。材料发生屈服，试样的截面出现

4、“细颈”。此后随应变增大，应力不再增加反而有所下降——应变软化。细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。③强迫高弹形变区（冷拉阶段），随拉伸不断进行，细颈沿试样不断扩展直到整个试样都变成细颈，材料出现较大变形。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。此时停止拉伸，去除外力形变不能恢复，但试样加热到Tg附近的温度时，形变可以缓慢恢复。④应变硬化区，在应力的持续作用下，大量的链段开始运动，并沿外力方向取向，使材料产生大变形，链段的运动和取向最后导致了分子链取向排列，使强度提高。因此只有进一步增大应力才使应变进一步发展，所以应力又一次上升—

5、—“应变硬化”。⑤断裂—试样均匀形变，最后应力超过了材料的断裂强度，试样发生断裂。Conclusion：典型非结晶聚合物拉伸时形变经历普弹形变、应变软化（屈服）、塑性形变(plasticdeformation)（强迫高弹形变）、应变硬化四个阶段。应力-应变曲线描述了材料在大外力作用下的形变规律。聚合物的屈服强度（Y点强度）聚合物的屈服伸长率（Y点伸长率）聚合物的杨氏模量（OA段斜率）聚合物的断裂强度（B点强度）聚合物的断裂伸长率（B点伸长率）聚合物的断裂韧性（曲线下面积）从曲线上可得评价聚合物力学性能的参数:不同外界条件下的应力-应变曲线(a)不同温度a:T<

6、:T

7、为的因素总之，温度升高，材料逐步变软变韧，断裂强度下降，断裂伸长率增加；温度下降，材料逐步变硬变脆，断裂强度增加，断裂伸长率减小(2)应变速率Strainrate：速度速度即增加应变速率与降低温度的效应是等效的。(3)环境压力研究发现，对许多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆-韧转变行为还与环境压力有关。右图可见，PS在低环境压力（常压）下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低。随着环境压力升高，材料强度增高，伸长率变大，出现典型屈服现象，材料发生脆-韧转变。聚苯乙烯的应力-应变曲线随环境压力的变化（T=31℃）(4)屈服应力受流体静压力的影响：压