第七章 高聚物的屈服与断裂nov 18 2008

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1、三、几类高聚物的拉伸行为（一）玻璃态高聚物图7-5玻璃态高聚物在不同温度下的应力-应变曲线①T＜＜Tg时，应变不到10%断裂，如曲线a所示②T稍高但仍在Tg以下，出现屈服点，应力在屈服点达到最大值，称为屈服应力。断裂时应变不超过20%，如曲线b所示③Tg以下几十度，在外力增加很小的情况下，应变很大，约几百%；之后曲线又上升，直到断裂，断裂点C的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率④T＞Tg试样进入高弹态，在不大的应力下，便可以发生高弹形变；无屈服，呈现较长平台（不明显增加应力时，应变很大），直到断裂前，曲线才急剧上升，如曲线d所示图7-

2、6典型的拉伸应力-应变曲线曲线特征：（1）OA段，为符合虎克定律的弹性形变区，高模量，小形变，主要是键长、键角的变化，可完全恢复。应力－应变呈直线关系变化，直线斜率相当于材料弹性模量。曲线无屈服，所以为脆性断裂。如曲线a。（2）越过A点，应力－应变曲线偏离直线，说明材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。在材料屈服之后的断裂，为韧性断裂，如曲线b、c。材料在屈服后出现了较大的应变，如断裂前停止拉伸，大形变已无法完全恢复，升温到Tg附近，形变又可恢复了。本质是一种高弹形变，而不是

3、粘性流动。大形变的分子机理主要是分子链段运动。（3）如果分子链伸展后继续拉伸，由于分子链取向排列，使材料强度进一步提高，因而需要更大的力，所以应力又逐渐的上升，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。由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力－应变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类。高分子材料应力-应变曲线的类型（a）硬而脆型（b）硬而强型（c）硬而韧型（d）软而韧型（e）软而弱型曲线的类型（3）硬而韧型此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断

4、裂伸长率也很大，应力－应变曲线下的面积很大，说明材料韧性好，是优良的工程材料。（1）硬而脆型此类材料弹性模量高（OA段斜率大）而断裂伸长率很小。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温或室温之下，聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、酚醛树脂(PF)等表现出硬而脆的拉伸行为。（2）硬而强型此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长率小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为5%）。硬质聚氯乙烯(PVC)制品属于这种类型。说明（5）软而弱型此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状

5、材料具有这种特性。（4）软而韧型此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大（20%～1000%），断裂强度可能较高，应力－应变曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力－应变特征。硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰胺(PI)、聚碳酸酯(PC)及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。玻璃态高聚物在大外力的作用下发生的大形变，其本质与橡胶的高弹形变一样，但表现的形式却有差别，为了与普通高弹形变

6、区别开来，通常称其为强迫高弹形变。图7-7聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的应力-应变曲线随环境温度的变化（常压下）玻璃态高聚物的强迫高弹形变原因：外力作用下，位能曲线发生倾斜，使链段运动的位垒相对降低，从而缩短了链短沿外力方向运动的时间，使得在玻璃态被冻结的链短运动。（1）外力的影响由上式可见，越大，越小，，链段运动的松弛时间减小至与拉伸速度相适应的数值，高聚物就发生大形变。所以加大外力对松弛过程的影响与升高温度相似。式中：是链段运动活化能，是材料常数，是未加应力时链段运动松弛时间，a是与材料有关的常数研究表明，链段松弛时间与外应力之间有如下关

7、系：7-3（2）T对强迫高弹形变影响如果T降低，为了使链短松弛时间缩短到与拉伸速度相适应，就需要更大的外力，才发生强迫高弹形变。但必须满足断裂应力大于屈服应力。若温度太低，则，即在试样发生强迫高弹形变以前，试样已经断裂。因此，不是任何温度下都能发生强迫高弹形变，有一定的温度限制，即存在一个脆化温度。只要低于，玻璃态高聚物就不能发展强迫高弹形变，而必定发生脆性断裂，因此这个温度称为脆化温度。玻璃态高聚物只有在和Tg之间，才能发生强迫高弹形变，而强迫高弹形变又是塑料具有韧性的原因，因此是塑料使用的最低温度。以下，塑料无使用价值。＜（3）时间的影响

8、强迫高弹形变和断裂都是松弛过程对相同的外力来说，拉伸速度v太快，强迫高弹形变来不及发生，脆性断裂太慢，线性高聚物会发生部分粘性流动因此，只有在合适的拉伸速度，才能表