金日光主编：高分子物理ppt课件.ppt

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1、第七章高聚物的断裂和力学强度Chapt.7TheFailureandStrengthofSolidPolymers计划学时：8-10学时主要参考书：金日光主编：高分子物理Brostow:FailureofPlasticsG.H.Michler:Kunststoff-Mikromechanik第二部分Part2二、高分子材料的断裂和强度（一） 宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂从材料的承载方式来分，高分子材料的宏观破坏可分为快速断裂、蠕变断裂（静态疲劳）、疲劳断裂（动态疲劳）、磨损断裂及环境应力开裂等多种形式。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

2、裂两大类。发生脆性断裂时，断裂表面较光滑或略有粗糙，断裂面垂直于主拉伸方向，试样断裂后，残余形变很小。韧性断裂时，断裂面与主拉伸方向多成45度角，断裂表面粗糙，有明显的屈服（塑性变形、流动等）痕迹，形变不能立即恢复。脆性断裂和韧性断裂表面图7-11PS试样脆性断裂表面的电镜照片图7-12增韧改性PVC韧性断裂表面的电镜照片图7-13拉伸试样内斜截面上的应力分布条形试样中的应力分析设试样横截面积为A0，作用于其上的拉力为F，可以求得在试样内部任一斜截面上的法向应力和切向应力:（7-5）（7-6）注意在不同角度的斜截面上，法向应力和切向应力值不同。由公式（7-5，7-6）

3、得知，在斜角θ=0º的截面上（横截面），法向应力的值最大；在θ=45º的截面上，切向应力值最大。图7-14法向应力与切向应力随角度的变化本质上，法向应力与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉伸能力极限值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材料在作用下发生破坏时，往往伴随主链的断裂。切向应力与材料的抗剪切能力相关，极限值主要取决于分子间内聚力。材料在作用下发生屈服时，往往发生分子链的相对滑移（图7-15）。图7-15垂直应力下的分子链断裂（a）和剪切应力下的分子链滑移（b）在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力变化十分复杂，断裂和屈服都有可能发生，处于相互竞争状态。已知不同

4、的高分子材料本征地具有不同的抗拉伸和抗剪切能力。定义材料的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。若材料的＜，则在外应力作用下，往往材料的抗拉伸能力首先支持不住，而抗剪切能力尚能坚持，此时材料破坏主要表现为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。若材料的＜，应力作用下材料的抗剪切能力首先破坏，抗拉伸能力尚能坚持，则往往首先发生屈服，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裂，断面粗糙，通常与拉伸方向的夹角θ=45º。两种情形表7-1几种典型高分子材料在室温下、的值(T=23℃)聚合物/MPa/MPa

5、PSSANPMMAPVCPCPESPEEK40567467878012048734939405662可以根据材料的本征强度对材料的脆、韧性规定一个判据：凡＜的，发生破坏时首先为脆性断裂的材料为脆性材料；凡＜的，容易发生韧性屈服的材料为韧性材料。（二）断裂过程，断裂的分子理论高分子材料断裂过程：裂纹引发（成核）裂纹扩展在外应力作用下材料发生形变后，微观分子链范围内会引起各种响应。这些响应包括：无规线团分子链沿应力方向展开或取向；半伸展分子链完全伸直，并承受弹性应力；分子间次价键断裂，造成局部分子链段滑移或流动等。由于材料内部存在微晶，或化学交联，或物理缠结等制约结构，有

6、些分子链运动受阻，从而使个别分子链段处于高应力状态。这些处于高度伸直状态的分子链在应力涨落和热运动涨落综合作用下，会首先发生断裂。图7-16Zhurkov提出的力化学反应模型1，某分子链处于高应力状态2，链断裂，形成链端自由基3，自由基反应，形成主链自由基4，带自由基的主链断裂，继续反应5，多次重复，形成一个亚微观裂纹○—链端自由基；╳—主链自由基；●—稳定的端基主链断裂的结果使应力重新分布，有两种可能：一种可能使应力分布趋于均匀，断裂过程结束；另一种可能使应力分布更加不均匀，分子链断裂过程加速，发展成微裂纹（微空穴）。继续承受应力，微空穴合并，发展成大裂缝或缺陷。待

7、到裂缝扩展到整个试样就发生宏观破裂。由此可见在断裂的全过程中（包括裂纹引发和裂纹扩展），分子链的断裂都起关键作用。断裂的分子理论认为，材料宏观断裂过程可看成微观上原子键断裂的热活化过程，这个过程与时间有关。断裂的分子理论设材料从完好状态到断裂所需的时间为材料的承载寿命，承载寿命越长，材料越不易断裂。在拉伸应力作用下，材料寿命与所加应力有如下关系：式中为材料常数，为断裂过程摩尔活化能，称摩尔活化体积，与聚合物分子链结构和分子间作用力有关。由式可见，外力降低了活化势垒，使材料承载寿命降低，加速了材料的破坏。温度升高，材料寿命也降低，强度下降。将上式取对数