名师推荐第3章高分子材料的断裂
高分子材料断口研究
聚合物材料的断裂机理及其影响因素的研究（高材11201：王小飞；指导老师：高林教授）在结构材料的研发设计设计过程中“材料的失效”是我们的考虑重点。
在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料将会发生大变形直至宏观断裂。
那么，高分子材料的断裂机理是什么，哪些因素会影响材料的断裂？本文就这些问题进行研究，并关注最新的材料断裂机理研究进展。
关键词：高分子材料、断裂机理、脆/韧性断裂、断裂影响因素聚合物材料的塑性变形由深层的分子结构所致。
聚合物基本上由长的碳链组成，从1000到100000个原子，在原子间有极强的连接。
链之间的连接较弱。
但是，链间的强度取决于分子的复杂性，它受到交叉联接以及代替碳原子或与之联接的特殊分子的影响。
大量的实验表明，材料在断裂的过程中，空穴的扩展与塑性应变的相互影响会使断裂过程变得复杂。
脆/韧性断裂通常，高分子材料的断裂分为脆性断裂和韧性断裂。
脆性在本质上总是与材料的弹性响应相关联。
断裂前式样的形变是均匀的，致使试样断裂的缝隙迅速贯穿垂直于应力方向的平面。
断裂试样不显示有明显的推迟形变，断裂面光滑，相应的应力—应变关系是线形的或者微微有些非线性，断裂应变值低于5%，且所需能量也不大。
而韧性断裂通常有较大的形变，这个形变在沿试样长度方向可以是不均匀的，如果发生断裂，试样断裂粗糙，常常显示有外延的形变，其应力—应变关系是非线性的，消耗的断裂能很大。
一般脆性断裂是由所加应力的张应力分量引起的，韧性断裂是由切应力分量引起的。
聚合物材料断裂机理在简单的聚合物晶粒中不能像金属晶粒中发生的那样因滑移而引起塑性变形。
代之以此的是会使未折叠的或未纠缠的长链的取向产生变化，继续变形会使晶粒重新取向。
断裂发生的机理有两种：i沿着链（—C—C—）的强力的连接而断裂；ii使分子团相互分离。
后者涉及到打断分子间的比较弱的二次联接，也是更容易发生的。
由于形成长的分子团出现的变形会导致形成细的线，称为微丝，这是断裂的最后部分，在微丝断裂前，他们是高度地弹性伸长，并且在断裂瞬间又显著地弹回来，但其末端形成卷曲。
材料的断裂和韧性PPT课件
状态有关。其下标表示I型扩展类型，单位为Pa·m1/2。r
为半径向量， 为角坐标。
第30页/共59页
对于裂纹尖端处的一点，即r C，0，于是：
xx yy
KI
2 r
xy 0
（2.12）
在x轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最 大，裂纹最易沿x轴方向扩展。
KI Y c KIc （2.14）
当 KI KIc 时，有裂纹，但不会扩展 破损安全
［］
许用应力: ［］＝ f / n 或 ys / n f 为断裂强度，ys 为屈服强度，n为安全系数。
缺点
没有抓住断裂的本质，不能防止低应力下的脆性断裂。
第35页/共59页
提出新的设计思想和选材原则，采用一个新的表征材料特征 的临界值：平面应变断裂韧性KIc，它也是一个材料常数，表示 材料抵抗断裂的能力，KIc越高，则断裂应力σc或临界裂纹尺寸 C越大。 根据应力场强度因子K和断裂韧度KIc的相对大小，可以建立裂 纹失稳扩展脆断的断裂K判据，即
一、断裂的类型
材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶 段。随着材料温度、应力状态、加载速度的不同，材 料的断裂表现出多种类型。 按照不同的分类方法，将 断裂分为以下几种： ➢ 根据断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度
脆性断裂；韧性断裂； ➢ 按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径
穿晶断裂；沿晶断裂； ➢ 根据断裂机理分类
2 r
cos
2
1
sin
2
sin
3
2
xy
KI cos sin cos 3 2 r 2 2 2
ij
KI
2r
材料科学基础教案 第三章 高分子材料的结构PPT课件
图3-10 高分子材料的几种非晶态结构模型 a)无规线团模型 b)折迭链缨状胶粒模型
11924D
13
第三节 高分子的聚集态结构
2.局部有序结构模型
图3-11 聚合物的Hosemann模型
11924D
14
第三节 高分子的聚集态结构
三、聚合物的结晶度与玻璃化温度 1.结晶度 2.分子结构对结晶能力的影响
在别人的演说中思考，在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches，Growing Up In Your Own Story 讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
27
7
第二节 高分子链的结构及构象
三、高分子链的几何形状
图3-5 高分子链的结构形态 a)线型 b)支化 c)梳形 d)星形 e)交联 f)体型
11924D
8
第二节 高分子链的结构及构象
四、高分子链的构象及柔顺性 1.高分子链的构象 2.高分子链的柔顺性
11924D
图3-6 单键内旋示意图
9
第二节 高分子链的结构及构象
11924D
25
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
26
Thank You
11924D
17
第四节 高分子材料的性能与结构
表3-1 基本的高分子材料
11924D
18
第四节 高分子材料的性能与结构
材料性能学教案-3 材料断裂
3 材料的断裂Introduction一、韧性断裂-杯锥状断口-断口特征的三要素：纤维区，放射区，剪切唇二、理论、实际断裂强度三、断裂过程及机理1.解理断裂-河流结晶状-穿晶脆断-典型2.微孔聚集断裂---韧窝（纤维状）3.沿晶脆断（冰糖）结晶状-多数为脆断3.1 断裂概述断裂力学：一门力学分支学科国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故，大部分低应力脆断事故都是发生在应用了高强度钢材的结构或大型的焊接件中，例如飞机机身、机器中的重载构件以及高压容器等结构。
现代断裂理论大约是在1948—1957年间形成。
许多安全事故由材料断裂引起20世纪40年代美国全焊接自由轮折断，50年代北极星导弹在实验发射时爆炸，一系列压力容器、油罐的爆炸大型桥梁破坏……断裂破坏造成了巨大的生命财产损失。
只有掌握材料的断裂机理，才能采取有效的预防措施。
3.1.1 断裂类型1.按塑性变形分：韧性断裂-脆性断裂（工程）2.按宏观断面分：正断—切断3.按裂纹扩展分：沿晶断裂—穿晶断裂4.按断裂机制分：解理断裂—微孔聚合断裂---纯剪切断裂5.按滑移机理分：单滑移---多滑移（引发）韧（延）性断裂:（a）单晶体塑性材科P.172-主要是滑移（常-低温）（b）纯铝或纯金多晶断裂类型（书P.95）3.1.2 断裂强度1. σp: 比例极限，FP/A0 保持应力与应变成正比关系的最大应力。
2. σe: 弹性极限， Fe/A0 材料发生可逆的弹性变形应力的上限值；应力超过此值，发生塑性变形。
在弹性范围，已经偏离线性。
3. σs：屈服极限—屈服强度， Fs/A0 单向静拉伸应力-应变曲线-屈服平台的应力。
屈服强度—工程上最重要的力学性能指标。
不均匀的塑性变形--分界--均匀的塑性变形4. σb：抗拉强度—断裂抗力，Fb/A0 Fb(最大)，试样拉断前承受的最大载荷5. σk：断裂强度， Fk/Ak，Fk<Fb (最大)，国标拉伸曲线碳化钨钢结构硬质合金横向断裂强度的测定 GB/T 10418-2002国标简介：碳化钨钢结硬质合金横向断裂强度的测定GB/T 10418-2002本标准规定碳化钨钢结硬质合金材料横向断裂强度试验的试样形状、尺寸规格、试验设备和试验条件。
第三章 材料的断裂
宏观断口 : 用肉眼或放大镜观察到的断口形貌
3、断口分析
二、断口分析
断口上分三个典型的 区域：纤维区、放射 区、剪切唇——断口 三要素。
三区域的大小、形态随试样 和实验条件而变化。
放射区较大，则材料的塑性 低（该区是裂纹快速扩展部 分，伴随的塑性变形也小）。 塑性好的材料，必然表现为 纤维区和剪切唇占很大比例， 甚至中间的辐射区可以消失。 脆性材料纤维区很小，剪切 唇几乎没有。
⑶ 剪切断裂、微孔聚合断裂与解理断裂
剪切断裂、微孔聚合断裂与解理断裂按不 同的微观断裂方式，是材料断裂的重要微观 机理． Ⅰ 剪切断裂： 剪切断裂是材料在切应力作 用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂． 某些纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切 断裂，其断口呈锋利的楔形，是充分发挥塑 性的韧性断裂，如低碳钢拉伸断口上的剪切 唇。但实际工程材料中很少见。
微观断口: 借助于扫描电镜或其它分析手段来研究 的断口形貌
断口分析是重要的分析手段。
韧断前有明显的颈缩， 断裂前有大量的塑性 变形。上下断口分别 呈杯状和锥状，合称 为杯锥状断口。 断口上分三个典型的 区域：纤维区、放射 区、剪切唇——断口 三要素。
纤维区F：位于断口中 央，呈粗糙的纤维状。 与拉力轴垂直，裂纹首 先在该区域形成； 颜色灰暗，表面有较大 的起伏，如山脊状，表 明裂纹在该区扩展时伴 有较大的塑性变形，裂 纹扩展也较慢；
•放射区R：紧挨着纤维区。 •表面较光亮平坦，有较细的 放射状条纹，放射线发散方向 为裂纹扩展方向，裂纹在该区 扩展较快，塑性变形量小，表 现为脆性断裂部分； •剪切唇S：接近试样边缘。 •应力状态为平面应力状态， 最后沿着与拉力轴向成4050°，裂纹失稳扩展，塑性变 形量较大，韧断区。表面粗糙 发深灰色。
高分子材料的断裂ppt课件
聚合物
PS SAN PMMA PVC PC PES PEEK
nc
/ MPa
40 56 74 67 87 80 120
tc / MPa
48 73 49 39 40 56 62
11
脆性断裂和韧性断裂的比较
应力-应变曲线 屈服
应变量 断裂能 断面形貌 断裂原因 断裂方式
脆性断裂 线性 无 小 小 光滑
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
t
0 (1
2a ) b
椭圆长短轴之比a/b越 大，应力越集中。
b a
27
当a>>b时，它的外形就像一道狭窄的裂纹，在这种
Tb移向低温。增塑的高聚物是韧性材料。
15
PC
PMMA
Tg=150°C Tb=-20°C
Tg=100°C Tb=90°C
室温下脆还是韧？
16
4 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伸破坏
18
5 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
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。
25
3.2 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
t 0 2 0 cos 2
一、5.断裂
2. 微孔聚集性断裂
微孔形核
长大 聚合直至断裂
形成宏观上呈纤维状，微观上为韧窝的断口。
LOGO
3. 韧窝形核及扩展模型
(a) 滑移分离模型
(b) 在第二相粒子处形核模型
LOGO
韧性断口的SEM照片，可见大量韧窝
韧窝形貌图
微孔的尺寸主要取决于夹杂物或第二相质点的大小和它们间的距离， 也给金属本身的塑性好坏有关。
具有很大的危险性。
LOGO
1. 易发生脆性断裂的几种材料
陶瓷
玻璃
灰 铸 铁
淬火钢 LOGO
2. 脆性断裂的断口
一般与正应力垂直，比较齐平光亮，呈放射状或 结晶状。
LOGO
＊3. 脆性断裂的宏观特征
(1)断裂处很少或没有宏观塑性变形，碎块断口可以拼合复原。 (2)断口平坦，无剪切唇，断口与应力方向垂直。 (3)断裂起源于变截面，表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。 (4)断面颜色有的较光亮，有的较灰暗。光亮断口是细瓷状，对着 光线转动，可见到闪光的小刻面；灰暗断口有时呈粗糙状,有时 呈现出粗大晶粒外形。 (5)板材构件断口呈人字纹放射线,放射源为裂纹源,其放射方向为 裂纹扩展方向 。 (6)脆性断裂的扩展速率极高,断裂过程在瞬间完成,有时伴有大响 声。
无定型聚合物：裂纹的扩展过程就是银纹的产生、发展 的过程。
LOGO
5.3.1 晶态高分子材料的断裂 单晶体的断裂取决于应力与分子链的相对取向。
晶体受垂直于分子链方向的应力作用
晶体会发生滑移、孪生和马氏 体相变，裂纹沿与分子链平行 的方向扩展，形成解理断裂。
晶体受平行于分子链方向的应力作用
裂纹穿过分子链，切断共价键。
某些纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切断裂。
焦剑高分子物理习题答案
焦剑高分子物理习题答案焦剑高分子物理习题答案高分子物理是材料科学中的一个重要分支，研究的是高分子材料的结构、性质和行为。
焦剑高分子物理习题是一本经典的教材，其中包含了大量的习题，可以帮助学生巩固和深入理解高分子物理的知识。
本文将为大家提供焦剑高分子物理习题的答案，希望能对学习者有所帮助。
第一章：高分子物理基础知识1. 什么是高分子物理？高分子物理是研究高分子材料的结构、性质和行为的科学，涉及到高分子材料的分子结构、热力学性质、力学性质、电学性质等方面。
2. 高分子材料的分子结构有哪些特点？高分子材料的分子结构具有长链、高分子量、重复单元等特点。
高分子材料由许多重复单元组成，形成长链状结构。
3. 高分子材料的热力学性质有哪些？高分子材料的热力学性质包括玻璃化转变温度、熔融温度、热膨胀系数等。
这些性质与高分子材料的分子结构和分子间相互作用有关。
4. 高分子材料的力学性质有哪些？高分子材料的力学性质包括弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。
这些性质与高分子材料的分子结构、分子间相互作用以及聚合度有关。
5. 高分子材料的电学性质有哪些？高分子材料的电学性质包括电导率、介电常数、电阻率等。
这些性质与高分子材料的分子结构、分子间相互作用以及电荷传输有关。
第二章：高分子材料的结构与性质1. 高分子材料的结晶性质与非晶性质有何区别？高分子材料的结晶性质是指高分子链在一定条件下形成有序排列的结晶区域，具有较高的熔融温度和机械性能；非晶性质是指高分子链无序排列的状态，具有较低的熔融温度和机械性能。
2. 高分子材料的玻璃化转变温度与熔融温度有何关系？高分子材料的玻璃化转变温度是指高分子链在低温下由玻璃态转变为橡胶态的温度，与高分子材料的分子结构和分子间相互作用有关；熔融温度是指高分子材料由固态转变为液态的温度，与高分子材料的分子结构和分子间相互作用以及分子量有关。
3. 高分子材料的热膨胀系数与温度有何关系？高分子材料的热膨胀系数是指高分子材料在温度变化下长度或体积的变化率，与温度呈正相关关系。
第3章高分子材料的断裂
T
y
. t1
. t2
.
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
高分子材料性能学
（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
拉伸强度 A B Mn
（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，
第3章 高分子材料的断裂
高分子材料性能学
本章内容
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。 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
高分子材料性能学
重点： 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
高分子材料性能学
平面应力与平面应变状态区别
Z轴方向上的应力σz或应变εz是否为零
区分标准
平面应力
平面应变
应力
σz=0
z v(xy)
应变
z Ev (x y)
εz=0
49
高分子材料性能学
平面应变状态应变分量为：
x(1 E v 2 ) K rIco 2(1 s 2 v si 2 n si3 2 n ) y(1 E v 2 ) K rIco 2(1 s 2 v si 2 n si3 2 n )
25
高分子材料性能学
3.2 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
高分子材料的断裂和强度专家讲座
高分子材料断裂过程：
裂纹引起（成核）
裂纹扩展
脆性断裂过程基本可分为三个阶段：
v断裂源一方面在材料最单薄处形成，一般是主裂纹通过 单个银纹扩展； v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，而是通过多种银纹扩展，因而转入雾状区； v当裂纹扩展到临界长度时，断裂忽然发生。
第7页
第9页
（1）高分子旳化学构造
❖ 一般来说，分子链间旳作用力小、取代基体积小、极性弱旳大分子
链其柔顺性较好，此类高聚物在较小外力下便产生高弹形变，因此较 软，屈服强度低、弹性模量小、拉伸强度低、伸长率达；而增大高分 子旳极性或产生氢键可使强度提高，此外主链具有芳杂环构造旳高聚 物，其强度和模量都比脂肪族主链高。为了提高弹性模量和强度，可 以在分子链中引入极性基团或环状构造。
v 注意：极性基团过密或取代基过大，僵硬性太大，会导致加工成型旳
困难，还会带来脆性，反而限制了聚合物旳使用范畴。
第10页
（2）分子量及其分布
分子量是对高分子材料力学性能（涉及强度、弹性、韧性）起决定性 作用旳构造参数。 在一定范畴内，伸长或冲击强度随高聚物分子量旳增大而增大。当分 子量增大到某一范畴以上，外力达到足以使大分子主链共价键断裂而 仍足以使大分子滑动时，聚合物旳破坏便发生于共价键上，拉伸强度 便不再随分子量旳增大而增大了，而冲击强度则继续增大。 分子量分布对机械强度也有影响，若分布很宽，低分子量旳分子含量 达10%~15%，强度会明显下降，其因素是低分子量旳分子起着内增 塑作用，促使分子链之间易于发生滑动。
二、高分子材料旳强度
❖ 强度是材料抵御外力破坏旳能力，高聚物之因此具有抵御 外力破坏旳能力，重要靠分子内旳化学键合力和分子间旳 范德华力和氢键。
高分子材料的断裂行为与聚合反应
高分子材料的断裂行为与聚合反应高分子材料是由许多小分子单元通过聚合反应形成的长链结构材料。
其独特的性质和广泛的应用领域使得对于高分子材料的断裂行为和聚合反应的研究非常重要。
高分子材料的断裂行为是指在外力作用下，材料发生断裂的过程和行为。
断裂行为的研究对于材料的设计、制备和应用具有重要意义。
高分子材料的断裂行为受到多种因素的影响，包括材料的结构、物理性质以及外部应力等。
下面将重点介绍高分子材料的断裂行为及其影响因素。
首先，高分子材料的断裂行为与材料的结构密切相关。
高分子材料通常具有较高的分子量和较长的分子链，这导致材料的链段之间存在大量的相互作用力。
这种相互作用力在外力作用下发生变化，从而影响材料的强度和断裂行为。
例如，高分子材料中的共价键和非共价键的断裂行为不同，前者通常需要较大的外力才能发生断裂，而后者则具有较低的断裂强度。
其次，高分子材料的物理性质也对断裂行为起到重要影响。
物理性质包括玻璃化转变温度、熔融温度、弹性模量等。
这些性质会影响材料的软化、熔化和断裂行为。
例如，高分子材料的玻璃化转变温度决定了材料在外力作用下的变形方式，而熔融温度则决定了材料在高温下的行为，这些都会对断裂行为产生影响。
此外，外部应力也是影响高分子材料断裂行为的重要因素之一。
外部应力可以通过拉伸、压缩、剪切等形式作用于材料，从而引起材料的断裂。
不同形式的外部应力会导致材料的断裂方式和强度不同。
例如，拉伸应力会导致高分子材料的拉伸断裂，而剪切应力则会导致材料的切断断裂。
此外，应力的大小和施加速率也会影响材料的断裂行为。
高分子材料的聚合反应是指小分子单元通过共价键的形成而形成高分子链的过程。
聚合反应的条件和控制对于材料的性质和品质具有重要意义。
聚合反应的过程涉及到的参数包括温度、压力、反应物浓度和反应时间等。
对这些参数的控制可以调节材料的分子量、分子结构和分子链的排列方式，从而影响材料的力学性能和断裂行为。
总而言之，高分子材料的断裂行为和聚合反应是相辅相成的。
高聚物的断裂和力学强度ppt文档
曲线的类型 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 。
（1）硬而脆型 （2）硬而强型 （3）硬而韧型 （4）软而韧型 （5）软而弱型
高分子材料应力-应变曲线的类型
因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。
（二） 影响拉伸行为的外部因素
1、温度的影响
环境温度对高分子材料 拉伸行为的影响十分显著。 温度升高，分子链段热运 动加剧，松弛过程加快， 表现出材料模量和强度下 降，伸长率变大，应力－ 应变曲线形状发生很大变 化。
聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变 曲线随环境温度的变化（常压下）
实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典 型性，或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显 的屈服和“颈缩”，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈 服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。
材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件 （如拉伸速率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很 慢速率下拉伸也会发生大于100%的断裂伸长率，显现出硬而 韧型特点。
与脆-韧转变温度相
似，根据图中两曲线交
点，可以定义脆-韧转
变（拉伸）速率
拉伸速率高于 t
t。
时，
材料呈脆性断裂特征；
低于 t 时，呈韧性断
裂特征。
断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势 实线——低环境温度 虚线——高环境温度
3、环境压力的影响
研究发现，对许多非晶聚合
物，如PS、PMMA等，其脆-
材料的拉伸断裂强度 b 和屈服强度 y 随环境温度而发生
Chapt3高分子材料的断裂力学基础
GI =
σ πa
2
E
对于Griffith强度破坏，材料断裂时的临界能量释放率定义为
GIc = 2γ
其物理意义与KIc一样，都是描述材料抵抗裂纹扩展 能力的本征参数，故也称之为断裂韧性。 显然，材料线弹性断裂判据的能量表达式为
GI ≥ GIc
GIc = 2γ
上述关系式只对理想脆性断裂过程成立，其中 反映 的是次价键的破裂能。而高分子材料脆断产生的新表面往往 涉及主价键的破裂，就是说 GIc > 2γ ，此时 GI = G0 。 参数GI与KI都是描述材料线弹性断裂的物理量，两者关系为：
K Ic = σ c πac y I
11 10
s 2y2/10-2 (MPa)2
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800
-1
KIc=1.05 MPa * m
1/2
100012001/a(m )PS试样KIc求算σ2y2~1/a
KI与KIc的区别：
两者物理意义不同 KI是裂纹前端应力强度的度量，和裂纹大小、形状以 及外加载荷有关。 KIc却是材料阻止宏观裂纹扩展的度量，与和裂纹大 小、形状无关，也与外加载荷无关。是材料的本征参数， 只和材料的成分、热处理及加工工艺有关。
⎢σ xx ⎥ ⎢ ⎥ KI τ xy ⎥ = ⎢ (2πr )1/ 2 ⎢σ ⎥ ⎣ yy ⎦
θ 3θ ⎤ ⎡ ⎢1 − sin 2 sin 2 ⎥ ⎢ ⎥ θ θ 3θ ⎥ cos ⎢sin sin ⎥ 2⎢ 2 2 ⎢ θ 3θ ⎥ ⎢1 + sin sin ⎥ ⎢ 2 2⎥ ⎣ ⎦
对于裂纹端部任一点P，其坐标r、θ是已知道 的，则该点应力的大小完全有KI决定，其值大裂纹端 部各点应力就大，因此称之为应力强度因子，下标 表示张开型裂纹，量纲为MPa*m1/2。 r 0 ,全部应力趋于无穷大，即裂纹尖端应力 场具有奇异性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
t
0 (1
2a ) b
椭圆长短轴之比a/b越
大，应力越集中。
b a
27
高分子材料性能学
当a>>b时，它的外形就像一道狭窄的裂纹，在这种
图3-8 有机玻璃断面粗糙区形貌举例
23
高分子材料性能学
（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
高分子材料性能学
高聚物的韧性断裂是银纹产生、发展的过程 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。
高分子材料性能学
3
3.1 断裂概述
高分子材料性能学
直接加载下的断裂
1.高分子材料 的断裂
疲劳断裂 蠕变断裂
环境应力开裂
摩损磨耗
4
高分子材料性能学
2.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 形状和破坏时的断面形态来区分的。
拉伸强度 A B Mn
（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。
15
高分子材料性能学
PC
PMMA
Tg=150°C Tb=-20°C
Tg=100°C Tb=90°C
室温下脆还是韧？
第3章 高分子材料的断裂
高分子材料性能学
本章内容
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。 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
重点：
•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
F A0
sin cos
1 2
0
sin
2
7
高分子材料性能学
θ = 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
高分子材料性能学
•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
25
高分子材料性能学
3.2 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
t 0 2 0 cos 2
圆孔使应力集 中了3倍
26
高分子材料性能学
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
变点Tb，高于这一点以
上的温度，材料总是韧 性的。
13
（1）温度和应变速率
b
高分子材料性能学
b
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
y
TT b1 b2
T
y
. t1
. t2
.
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
高分子材料性能学
（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
9
高分子材料性能学
最大抗拉伸能力为临界抗拉伸强度 nc 最大抗剪切能力为临界抗剪切强度 tc
nc tc 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。
nc tc 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。
11
高分子材料性能学
脆性断裂和韧性断裂的比较
应力-应变曲线 屈服
应变量 断裂能 断面形貌 断裂原因 断裂方式
脆性断裂 线性 无 小 小 光滑
法向应力 主链断裂
韧性断裂 非线性 有 大 大 粗糙
剪切应力 分子间滑移
12
高分子材料性能学
3 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
10
高分子材料性能学
nc tc 发生破坏时首先为脆性断裂的材料为脆性材料 nc tc 容易发生韧性屈服的材料为韧性材料
聚合物
PS SAN PMMA PVC PC PES PEEK
nc / MPa
40 56 74 67 87 80 120
tc / MPa
48 73 49 39 40 56 62
16
高分子材料性能学
4 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伸破坏
高分子材料性能学
18
高分子材料性能学
5 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。
19
高分子材料性能学
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
1—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
20
高分子材料性能学
镜面区：
宏观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 应变速率越快，温度越低，材料的分子量越低， 则镜面区越小。
脆性断裂
韧性断裂
5
断面形态
高分子材料性能学
脆性断裂
韧性断裂
6
高分子材料性能学
脆性断裂：法向应力分量 n
韧性断裂：切应力分量 t
n
Fn
/ A
F cos A0 / cos
F A0
cos2
0
cos2
t
Ft
/ A
F sin A0 / cos
21
高分子材料性能学
雾状区：
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。 雾状区的开始意味着次裂纹源出现扩展。
22
高分子材料性能学
粗糙区：
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
（a）肋条
（b）河流状
（c）礼花状