聚合物的屈服与断裂

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1、第八章聚合物的屈服和断裂在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料将发生大形变直至宏观破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能力称为强度。材料断裂的方式与其形变性质有着密切的关系。脆性断裂是缺陷的快速扩展到结果，韧性断裂是屈服后的断裂。高分子材料的屈服实际是材料在外力作用下产生的塑性形变。为了有效的利用材料或对材料进行改性，需要具体了解材料的各项力学性能指标：杨氏模量、屈服模量、屈服伸长、断裂强度、断裂伸长、断裂能等，还要必须深入研究屈服和断裂过程的物理本质。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

2、裂为止。常用的哑铃型标准试样如图8-1所示，试样中部为测试部分，标距长度为，初始截面积为A0。8.1聚合物的塑性和屈服8.1.1聚合物的应力-应变行为图8-1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变为：8.1聚合物的塑性和屈服从实验测得到应力、应变数据可以绘制出应力-应变曲线，由该曲线可以得到一系列评价材料力学性能的物理量。8.1.1.1非晶态高聚物图8-2非晶态聚合物典型的拉伸应力-应变曲线示意图曲线特征：（1）OA段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力－应变呈直线关系变化，直线斜率相当于材料弹性模量。（2）越过A点，应力－应变曲线偏离直线，说明材

3、料开始发生塑性形变，极大值Y点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）和屈服应变。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈”现象，材料应力略有下降，发生“屈服软化”。（3）随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈”区越来越大。直到拉伸应变很大时，材料应力又略有上升（成颈硬化），到达B点发生断裂。与B点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）和断裂伸长率，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。（4）曲线下的面积等于相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为J•m-3，称断裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。A弹性极限应变,A弹性极限应力

4、B断裂伸长率,B断裂强度,Y屈服应力Ypoint:Yieldingpoint屈服点Apoint:Pointofelasticlimit弹性极限点Bpoint:Breakingpoint断裂点εy由于聚合物的粘弹性本质，其应力-应变行为明显地受外界条件的影响。1、温度的影响环境温度对高分子材料拉伸行为的影响十分显著。温度升高，分子链段热运动加剧，松弛过程加快，表现出材料模量和强度下降，伸长率变大，应力－应变曲线形状发生很大变化。图8-4聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变曲线随环境温度的变化（常压下）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

5、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，可称之为强迫高弹性。研究高聚物拉伸破坏行为时，特别要注意在较低温度下的拉伸、屈服、断裂的情形。对于非晶聚合物，当环境温度处于＜＜时，虽然材料处于玻璃态，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分之几百的大变形（参见图8-4中T=70℃，40℃的情形），这种变形称强迫高弹形变。非晶聚合物的强迫高弹形变（2）现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这种强迫高弹形变在

6、外力撤消后，通过适当升温（＞）仍可恢复或部分恢复。（1）这种现象既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘流态下的粘性流动。这是一种独特的力学行为。（3）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种“活化”作用。从链段的松弛运动来讲，提高应力降低了链段在作用力方向上的运动活化能，减少了链段运动的松弛时间，使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。讨论在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

7、韧性断裂。存在一个特征温度Tb，只要温度低于Tb，玻璃态高聚物就不能发生强迫高弹形变，而必定发生脆性断裂，这个温度称为脆化温度Tb。图8-5断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势虚线——高拉伸速率实线——低拉伸速率材料的拉伸断裂强度和屈服强度随环境温度而发生变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。在温度升高过程中，材料发生脆-韧转变。两曲线交点对应的温度称脆-韧转变温度。当环境温度小于时，材料的＜，受外力作用时，材料未屈服前先