08第八章__高聚物的力学强度

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1、第八章高聚物的屈服、断裂和力学强度概述断裂——材料破碎成几块，产生新的表面。强度——材料抵抗破坏的能力。韧性——能够屈服，并在断裂前发生大形变。（换言之，材料中断裂之前吸收了大量能量。）屈服yeild——（1）材料在拉伸或压缩过程中，当应力超过弹性极限（比例极限）后，变形增加较快，材料失去了抵抗继续变形的能力。当应力达到一定值时，应力虽不增加（或在微小范围内波动），而变形却急速增长的现象，称为屈服。（2）在某应力状态下由弹性状态转变到塑性状态的现象。（3）材料发生塑性形变。（4）形变时某个位置出现“颈缩”。聚集态结构对力学性能的

2、影响远远超过化学结构的影响。材料内部结构不均匀（晶区和非晶区、填充物、交联密度、内部应力），还有大量的缺陷（微小的空洞、裂纹）。极大地影响强度，破坏首先发生在最薄弱位置。31高聚物材料的力学性能表现还对温度和形变速率（加载速率）有强烈依赖性（松弛特性的反映）。温度低，试验速率快，表现脆性；温度高、实验速率小，表现韧性。脆性——断裂前未屈服（断裂时形变很小）韧性——断裂前屈服（断裂时形变很大）材料是脆性还是韧性不是绝对的，随着实验条件变化而变化。有很多力学性能指标和试验方法。§8.1等速拉伸应力-应变曲线8.1.1典型的等速拉伸应

3、力-应变曲线研究材料强度和破坏的重要实验手段是测量材料的拉伸应力-应变特性。将材料制成标准试样，以规定的速度均匀拉伸，测量试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。常用的哑铃型标准试样如下图所示，试样中部为测试部分，标距长度为l0，初始截面积为A0。31哑铃型标准试样应力（工程应力或名义应力）应变（工程应变或名义应变）真应力——载荷除以真实截面积A真应变——式中，F为载荷；A0为试样的原始截面积；A是试样的真实截面积；L0为试样的原始标距长度；L为试样变形后的长度。31图典型的等速拉伸应力-应变曲线注意：在一定条件下（温度、加载速

4、率）才能实现可得到的信息：弹性极限（比例极限）A；扬氏模量E、弹性极限（弹性极限应力、弹性极限应变）、屈服点（屈服强度、屈服伸长率）、断裂点（断裂强度、断裂伸长率）、断裂功W以Y点为界分为二部分：Y点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形。这段的斜率即为扬氏模量。31Y点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢复原样，而留有永久塑性变形，我们称材料“屈服”了，Y点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多。8.1.2温度和应变速率对应力-应变行为的影响拉伸应力-应变曲线受温度、拉伸速率、材料特性三者的影响

5、。（一）玻璃态高聚物的拉伸应力-应变曲线①当温度很低时（T<

6、Tg以上，进入高弹态发展高弹形变，截面积均匀变细，不再出现屈服点。图玻璃态高聚物在不同温度下的应力-应变曲线Note：同一温度下采用不同的应变速率，也会表现上面的变化。（二）结晶高聚物的拉伸应力-应变曲线如果温度在Tg～Tm之间单向拉伸的应力-应变曲线分3个阶段：①均匀拉长，撤去外力，形变可回复；②屈服，某一处或几处颈缩（“细颈”31诞生了）。细颈和非细颈部分的截面积分别维持不变，细颈部分持续扩展，非细颈部分逐渐缩短，直到整个试样完全变成细颈为止。应变可达500%～1000%；③成颈后的试样重新均匀拉伸，应力随应变增加，直到断裂

7、。图结晶态聚合物冷拉时细颈产生和发展的示意图(三)强迫高弹形变和冷拉屈服后2个选择：（１）屈服位置（颈缩点）越来越弱，很快在屈服位置断裂。（２）屈服位置的形状保持不变，临近未屈服的位置继续发生屈服，直到发展到整个试样。为什么会有第二种情况？这说明在屈服位置发生了“应变硬化”31，屈服位置比未屈服位置变强了。应变硬化的内部机理：分子取向、如果能够结晶还会再结晶。1.强迫高弹形变：定义：在Tb

8、链段运动，缩短了链段运动的松弛时间，相当于降低了Tg。链段运动本质上是松弛过程。增加外力可缩短链段运动的松弛时间，松弛时间和外力的关系如下：式中，ΔE是链段运动活化能；a是材料常数。是未加应力时链段运动松弛时间。Tg以下可认为松弛时间无限大，在观察时间尺度内不能