第十一章聚合物的力学性能.ppt
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1、第十一章 聚合物的力学性能,主要学习内容,高分子材料的 拉伸应力-应变特性,应力应变曲线及其类型,影响拉伸行为的外部因素,强迫高弹形变与“冷拉伸”,高分子材料的 断裂和强度,宏观断裂方式,脆性断裂和韧性断裂,断裂过程,断裂的分子理论,高分子材料的强度,高分子材料的增强改性,高分子材料的 抗冲击强度和增韧改性,抗冲击强度实验,影响抗冲击强度的因素,高分子材料的增韧改性,11.1应力应变曲线,(a),(b),测试拉伸性质的样品, 11.1.1 非晶态高聚物的应力-应变曲线,非晶态高聚物的应力-应变曲线,A 弹性极限应变 A弹性极限应力 B 断裂伸长率 B断裂强度 Y 屈服应力,Y point: Y
2、ielding point 屈服点,A point: Point of elastic limit 弹性极限点,应力-应变曲线,你能解释吗?,弹性形变,屈服,应变软化,冷拉,应变硬化,断裂,从分子运动机理解释形变过程,0 1 2 3 4 5,12 10 8 6 4 2 0, 1000 psi, inch,1psi = 6890Pa,注意细颈现象,非晶态聚合物典型应力-应变曲线,Stress,Strain,重要参数:,(1)杨氏模量,(6)断裂韧性,量纲=Pam/m=N/m2 m/m= J/m3,以应力应变曲线测定的韧性,影响应力应变曲线的因素,(a) 不同温度,a: TTg,c: TTg (几
3、十度),d: T接近Tg,b: TTg,Temperature,0C,50-70C,70C,0-50C,Example-PVC,脆性断裂,韧性断裂,无屈服,屈服后断裂,Results,屈服应力与测试温度的关系曲线,(b)应变速率,(2),(3),(4),应力,应变,(1),应变速率 1234,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,冷拉时晶片倾斜、滑移、转动,形成微晶
4、或微纤束。,结晶聚合物应力应变曲线,与非晶态聚合物的拉伸机理相同吗?,(e) The Size of Spherulites 球晶大小,(f) The Degree of Crystallization 结晶度,整个曲线可分为三个阶段: 到y点后,试样截面开始变得不均匀,出现 “细颈”。,11.1.2 晶态聚合物的应力一应变曲线,晶态聚合物“冷拉”的原因: 晶态:Tm以下,发生结晶的破坏,取向,再结晶过程,与温度、应变速率、结晶度、结晶形态有关。 非晶态:Tg以下冷拉,只发生分子链的取向,结晶聚合物应力应变曲线,非晶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
5、展大形变以及应变硬化等阶段,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,非晶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)非晶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。, 11.1.3 应力一应变曲线类型,“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,有时
6、可将断裂功作为“韧性”的标志。,聚合物应力应变类型,11.2 聚合物的屈服,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)。 屈服点以后,大多数高聚物呈现应变软化,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”。,屈服主要特征,Strain softening 应变软化,弹性变形后继续施加载荷,则产生塑性形变,称为继续屈服,包括: 应变软化:屈服后,应变增加,应力反而有稍许下跌
7、 的现象,原因至今尚不清楚。 呈现塑性不稳定性,最常见的为细颈。 塑性形变产生热量,试样温度升高,变软。 发生“取向硬化”,应力急剧上升。 试样断裂。,11.2.1 细颈,本质:剪切力作用下发生塑性流动,正应力,斜截面面积,法向力 FnFsin 切向力 FsFcos,法应力:,切应力:,当90时,法向应力最大; 45或135,切向应力最大,当法向应力大于拉伸强度,材料发生,当切向应力大于剪切强度,材料发生,断裂,屈服,几何因素决定细颈产生的位置:,试样尺寸在各处的微小差异,导致应力的差异,在某一点将首先达到屈服点,使形变更为容易。,工程应力和真应力 Engineering stress and
8、 true stress,Engineering stress,True stress,Force,Initial cross-section area,Force,Cross-section area,Relationship between engineering stress and true stress under incompressible condition,Considre 作图法:,在真应力-应变曲线上确定与工程应力-应变屈服点Y所对应的B点。,Y点, 11.2.2 Shear band 剪切带,定义:韧性聚合物单轴拉伸至屈服点时,可看到与拉伸方向成45的剪切滑移变形带,有
9、明显的双折射现象,分子链高度取向,剪切带厚度约1m左右,每个剪切带又由若干个细小的不规则微纤构成。,剪切屈服现象、机理及判据,横截面A0, 受到的应力 0=F/A0,拉伸中材料某个面受力分析,剪切屈服:即在细颈发生前,试样表面出现与拉伸方向成45度角的剪切带。WHY?,斜截面A,受 力,法向应力,剪切应力,抵抗外力的方式,拉伸强度:抵抗拉力的作用,剪切强度:抵抗剪切力的作用,两种,当应力0增加时,法向应力和剪切应力增大的幅度不同,拉伸强度什么面最大? =0, n=0,剪切强度什么面最大? =45, s=0/2,切应力双生互等定律,当=45时,s=0/2,当=-90=-45时,s=-0/2,发生
10、屈服,屈服判据,双轴拉伸,屈服判据,当=45时,发生屈服,定义:银纹现象为聚合物所特有,是聚合物在张应力作用下,在材料的某些薄弱部分出现应力集中而产生局部的塑性形变的取向,以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100m,宽度为10m左右,厚度为1m的微细凹槽现象。 特征:应力发白现象,密度为本体的50,高度取向的高分子微纤。银纹进一步发展裂缝脆性断裂。,分类,环境银纹,溶剂银纹,应力银纹, 11.2.3 Crazing 银纹,银纹方向和分子链方向,F,拉伸试样在拉断前产生银纹化现象 a图为聚苯乙烯,b图为有机玻璃 注意银纹方向与应力方向垂直,ABS试样在弯应力下产生银纹的电镜照片,LD
11、PE试样在弯应力作用和在n-丙醇中浸泡时产生环境应力开裂的照片,环境应力开裂测试仪,PS试样中的一条大银纹, 银纹长45微米,最宽处宽约2微米,结晶高聚物中球晶间的破坏 a 聚氨酯试样中沿球晶边缘出现空洞 (薄膜试样,TEM照片) b 聚丙烯试样中球晶间出现纤维 (试样断裂表面,SEM照片),LDPE试样因环境作用产生的银纹特征,银纹尖端区域形成孤立的空洞,LDPE试样因应力作用产生的银纹特征,银纹尖端区域有塑化的银纹质,两种银纹的差异,银纹和剪切带均有分子链取向,吸收能量,呈现屈服现象,细颈、剪切带和银纹比较,一般来讲,既有银纹屈服也有剪切屈服,强度是指物质抵抗破坏的能力,拉伸应力,拉伸强度
12、,弯曲力矩,抗弯强度,压缩应力,压缩强度,拉伸模量,弯曲模量,硬 度,如何区分断裂形式?,关键看屈服,屈服前断脆性断裂,屈服后断韧性断裂, 11.3 聚合物的断裂与强度,11.3.1 脆性断裂与韧性断裂,脆性断裂,屈服前断裂,无塑性流动,表面光滑,张应力分量,韧性断裂,屈服后断裂,有塑性流动,表面粗糙,切应力分量,相比于脆性断裂,韧性断裂的断裂面较为 断裂伸长率较,光滑,大,小,粗糙,脆性断裂和韧性断裂表面,PS试样脆性断裂表面的电镜照片,增韧改性PVC韧性断裂表面的电镜照片,11.3.2 材料的断裂方式分析,聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力
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