《高分子材料的断裂》PPT课件

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1、第3章高分子材料的断裂本章将在断裂力学的基础上简要的介绍高分子材料断裂的类型、断裂形态、断裂机理和影响因素。本章内容主要内容:1）高分子材料断裂概述2）高聚物的断裂理论3）断裂韧度2脆性断裂和韧性断裂高聚物韧-脆转变的影响因素Griffith断裂理论应力场强因子KI断裂韧度KIC断裂韧度的K判据重点：31.高分子材料的断裂直接加载下的断裂疲劳断裂蠕变断裂3.1断裂概述环境应力开裂摩损磨耗42.脆性断裂和韧性断裂从断裂的性质来分，高分子材料的宏观断裂可分为脆性断裂和韧性断裂两大类。脆性断裂或韧性断裂通常是以应力—应变曲线的形

2、状和破坏时的断面形态来区分的。脆性断裂韧性断裂5脆性断裂韧性断裂断面形态6脆性断裂：法向应力分量韧性断裂：切应力分量7θ=0º的截面上（横截面），法向应力最大θ=45º的截面上，切向应力最大8法向应力→抗拉伸能力→取决于分子主链的强度（键能）→破坏→主链的断裂。切向应力→抗剪切能力→取决于分子间内聚力→屈服→分子链的相对滑移9最大抗拉伸能力为临界抗拉伸强度最大抗剪切能力为临界抗剪切强度以主链断裂为特征的脆性断裂，断面垂直于拉伸方向（θ=0º），断面光滑。首先发生屈服，分子链段相对滑移，沿剪切方向取向，继之发生的断裂为韧性断

3、裂，断面粗糙，通常与拉伸方向的夹角θ=45º。10发生破坏时首先为脆性断裂的材料为脆性材料容易发生韧性屈服的材料为韧性材料聚合物/MPa/MPaPSSANPMMAPVCPCPESPEEK4056746787801204873493940566211脆性断裂和韧性断裂的比较脆性断裂韧性断裂应力-应变曲线线性非线性屈服无有应变量小大断裂能小大断面形貌光滑粗糙断裂原因法向应力剪切应力断裂方式主链断裂分子间滑移123高聚物韧-脆转变的影响因素σb-T和σy-T曲线的交点即为高分子材料韧脆转变点Tb，高于这一点以上的温度，材料总是韧

4、性的。13（1）温度和应变速率温度增加，韧脆转变点向低温移动，材料变韧应变速率增加，韧脆转变点移向高温，材料变脆14（2）分子量分子量变大将减小断裂应力，Tb移向高温，高聚物变脆（3）支化：影响较复杂（4）交联：增加屈服应力，Tb移向高温，材料变脆。（5）增塑：对屈服应力的降低比对断裂应力降低得多，Tb移向低温。增塑的高聚物是韧性材料。15Tg=150°CTb=-20°CPC室温下脆还是韧？Tg=100°CTb=90°CPMMA164非晶态和半结晶态高聚物拉伸破坏过程（1）非晶态高聚物的拉伸破坏17（2）半结晶态高聚物的拉

5、伸破坏185断裂过程和断面形貌断裂过程包括裂纹的引发、慢速扩展和快速扩展三个阶段脆性断裂过程基本可分为三个阶段：断裂源首先在材料最薄弱处形成，一般是主裂纹通过单个银纹扩展；随着裂纹扩展和应力水平提高，主裂纹不再是通过单个银纹扩展，而是通过多个银纹扩展，因而转入雾状区；当裂纹扩展到临界长度时，断裂突然发生。191—断裂源与镜面区；2—雾状区；3—粗糙区图3-7有机玻璃脆性断裂面形貌高分子材料在脆性断裂时都能在断面上形成镜面区、雾状区和粗糙区这三个特征区域20镜面区：应变速率越快，温度越低，材料的分子量越低，则镜面区越小。宏观

6、上呈现平坦光滑的半圆形镜面状，一般出现在构件边缘或棱角处，是材料在断裂初始阶段主裂纹通过单个银纹缓慢扩展形成的21宏观上平整但不反光，像毛玻璃。放大时能看到许多抛物线花样，抛物线的轴线指向裂纹源。距离裂纹源愈远，抛物线密集程度愈高。雾状区：雾状区的开始意味着次裂纹源出现扩展。22宏观上呈现一定的粗糙度。有时呈现与断裂源同心的弧状肋带粗糙区：（a）肋条（b）河流状（c）礼花状图3-8有机玻璃断面粗糙区形貌举例23（a）电镜照片（b）形成机理图3-9断面上抛物线花样的电镜照片和形成机理24高聚物的韧性断裂是银纹产生、发展的过程

7、裂纹传播过程就是裂纹尖端银纹区产生、移动的过程。裂纹尖端高密度银纹钝化了裂纹，松弛了应力集中。由于银纹产生很大的变形，形成银纹要消耗更多的能量，从而提高了材料的韧性。253.2高聚物的断裂理论在一薄板上刻出一圆孔，施以平均拉应力σ0，在孔边上与σ0方向成θ角的切向应力分量σt可表示为圆孔使应力集中了3倍26在薄板上刻一椭圆孔（长轴直径为2a，短轴直径为2b），该薄板为无限大的虎克弹性体。在垂直于长轴方向上视角均匀拉应力σ0，经计算可知，该椭圆孔长轴的两端点应力σt最大，为ab椭圆长短轴之比a/b越大，应力越集中。27当a>

8、>b时，它的外形就像一道狭窄的裂纹，在这种情况下，裂纹尖端处的最大拉应力σm可表示为a为裂纹长度一半；ρ为裂纹尖端的曲率半径应力集中随平均应力的增大和裂纹尖端处半径的减小而增大,尖端裂纹对降低材料的强度尤为明显281920年Griffith提出：1.Griffith断裂理论――讨论什么时候裂纹开始扩展①