第8章聚合物的屈服与断裂.ppt
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1、第8章 聚合物的屈服与断裂,The yielding and fracture of polymers,8.1 The tensile stress-strain curves 应力-应变曲线,Instron Tensile Testor 电子拉力机 Material testing machine 材料试验机,玻璃态聚合物在不同温度下的应力-应变曲线,更换夹具后,均可进行拉伸,压缩,弯曲,剪切,撕裂,剥离等力学测试。,A,Y,B,Yielding point 屈服点,Point of elastic limit 弹性极限点,Breaking point 断裂点,Strain softenin
2、g 应变软化,Cold drawing 冷拉,Strain hardening 应变硬化,8.1.1典型非晶态聚合物的拉伸应力-应变曲线,从应力应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息,聚合物的屈服强度(Y点强度) 聚合物的杨氏模量(OA段斜率) 聚合物的 断裂强度(B点强度) 聚合物的断裂伸长率(B点伸长率) 聚合物的断裂韧性(曲线下面积),不同外界条件下的应力-应变曲线,(a) 不同温度,a: TTg,c: TTg (几十度),d: T接近Tg,b: TTg,Temperature,0C,5070C,70C,050C,Example-PVC,脆性断裂,韧性断裂,无屈服,屈服后断裂,Result
3、s,(b) 不同的拉伸速率,Strain rate,Example: PMMA,a: 脆性材料,c: 韧性材料,d: 橡胶,b: 半脆性材料,酚醛或环氧树脂,PP, PE, PC,PS, PMMA,Nature rubber, PIB,(c) 不同的化学结构,(d) Crystallization 结晶,应变软化更明显 冷拉时晶片的倾斜、滑移、转动,形成微晶或微纤束,The Size of Spherulites 球晶大小,The Degree of Crystallization 结晶度,玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较,相似之处:两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变以及应变硬化等
4、阶段,其中大形变在室温时都不能自发回复,而加热后则产生回复,故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是高弹形变。该现象通常称为“冷拉”。,区别:(1)产生冷拉的温度范围不同,玻璃态聚合物的冷拉温度区间是Tb到Tg,而结晶聚合物则为Tg 至Tm; (2)玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶态聚合物简单得多,它只发生分子链的取向,并不发生相变,而后者尚包含有结晶的破坏,取向和再结晶等过程。,(e)取向高聚物,应力-应变曲线的类型,“软”和“硬”用于区分模量的低或高,“弱”和“强”是指强度的大小,“脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很小,“韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况。,软而弱,硬而脆,硬
5、而强,软而韧,硬而韧,以B点为界分为二部分: B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。斜率即为杨氏模量。 B点以后(塑性区域):除去外力后,材料不再恢复原样,而留有永久变形,我们称材料“屈服”了,B点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多,8.2 The yielding of polymer 聚合物的屈服,聚合物屈服的主要特征,高聚物屈服点前形变是完全可以回复的,屈服点后高聚物将在恒应力下“塑性流动”,即链段沿外力方向开始取向。 高聚物在屈服点的应变相当大,剪切屈服应变为10%-20%(与金属相比)。金属0.01左右,高聚物0.2左右。 屈服点以后,大多数高聚
6、物呈现应变软化,有些还非常迅速。 屈服应力对应变速率和温度都敏感。 屈服发生时,拉伸样条表面产生“银纹”或“剪切带”,继而整个样条局部出现“细颈”。,(1)细颈 Necking,样条尺寸:横截面小的地方,应变软化:应力集中的地方,出现“细颈”的位置,细颈: 屈服时,试样出现的局部变细的现象。,D,E,0 1 2 3,0 1 2 3,0 1 2 3,由 无法作切线,不能成颈,由 可作两条切线,有两个点满足屈服条件,D点时屈服点,E点开始冷拉,由 可作一条切线,曲线上有一个点满足 ,此点为屈服点,在此点高聚物成颈,真应力-应变曲线及屈服判据三种类型,Considre 作图法,为什么会出现细颈?,应
7、力最大处。,哪里的应力最大?,(2)剪切变形带(Shear band)和剪切屈服,剪切屈服:即在细颈发生前,试样表面出现与拉伸方向成45度角的剪切滑移变形带。,Fan,Fas,横截面A0, 受到的应力 0=F/A0,斜截面A = A0 / cosa,=Fcosa,=Fsina,法应力,切应力,Discussion,s0 /2,45o,90o,aan,aas,抗张强度什么面最大? =0, n=0,抗剪强度什么面最大? =45, s=0/2,当应力0增加时,法向应力和切向应力增大的幅度不同 在45o时, 切向应力最大,对韧性材料来说,拉伸时45 斜截面上的最大切应力首先达到材料的剪切强度,所以首先
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