第3章高分子材料的断裂-PPT文档资料
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材料的断裂和韧性PPT课件
其中，KI为与外加应力、裂纹长度C、裂纹种类和受力
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
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
第三章 高分子材料的降解
一、高分子材料降解方式
1、降解形式
(2)解聚 解聚反应是先在大分子末端断裂，生产活性较低的自由基，然后按
连锁机理迅速脱除单体。如聚甲基丙烯酸甲酯的解聚反应。
分解特点是分解初期，质量减少非常快，而相对分子质量减少并没有那 么快。人们可以通过对高分子末端的封端，来阻止由于解聚而引起的质
量减少和相对分子质量的降低。
第三章 高分子材料的降解
绿色高分子的定义
相对于常规高分子材料来说，在材料合成、制造、加工和使用过程中不 会对环境产生危害（如污染或破坏环境），也称环境友好高分子材料。
广义的讲，具有耐用、性价比高、易于清洁生产、可回收利用和可环境 消纳等性能的高分子材料, 都属于绿色高分子材料研究开发和推广的范畴。 环境可降解高分子是绿色高分子材料中重要的一部分。
2、降解作用方式
Hale Waihona Puke 4) 生物降解生物降解是材料被细菌、霉菌等作用消化吸收的过程，大致有 三种作用方式: (1)生物的物理作用—由于生物细胞的增长而使物质发生机械性的毁坏; (2)生物的化学作用—微生物对聚合物的作用而产生新的物质; (3)酶的直接作用—微生物侵蚀部分导致塑料分裂或氧化崩裂。
二、降解高分子的分类与原理
可降解高分子材料 可降解高分子高分子材料概念材料是相对通用高分子而言的，广义上认
为，材料在使用废弃后，在一定条件下会自动分解而消失掉。严格地说，降 解材料是在特定的环境条件下，其化学结构发生显著变化并造成某些性能下 降的能被生物体侵蚀或代谢而降解的材料。
二、降解高分子的分类与原理
高分子材料的自然降解包括生物降解和非生物降解两大类。非生物降解 又包括光降解、热降解、氧化降解、水解等。从环保的角度考虑，生物降解 材料及生物降解与非生物降解相结合的材料更受欢迎。国内外已相继开发出 了不少产品。
高分子材料(力学性能) ppt课件
三、粘弹性
§5.1 力学性能
三、粘弹性
§5.1 力学性能
2、动态粘弹性 （滞后）
• 滞后：一定温度下，受交变的应力，形变随时
间的变化跟不上力随时间的变化
应力周期性变化：σ＝σ 0 Sin ω t 应变：ε ＝ε 0 Sin（ω t ＋δ ）
落后一相位角
结果：产生滞后圈－－能耗
（机械能（弹性能）－－热能） －－－－力学损耗
如何§解5.决1 ？力学性能
1、特征
➢涂料涂装时流挂问题如何 解决？
1) 粘度大；分子量越大，粘度越大；分布越宽，粘度越大；
2) 流动机理：分子重心相对位移，是由链段的相继跃迁实 现的
3) 伴有高弹形变－－－具有粘弹性
现象：出口膨大、爬杆效应、融体破裂
一、高聚物的流动性 ？？？
§5.1 力学性能
4）是一假塑性流体：
运动单元高度取向（m 不为零）
1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）
C 断裂:
脆性断裂：没有屈服，断裂面光滑；
§5.1 力学性能
四 屈服、强度与断裂
韧性断裂：出现屈服后的断裂，断裂面粗糙。
T < Tb 时： σB <σY －－－脆性断裂
1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）
2) 结晶高聚物的应力~应变曲线
1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物） §5.1 力学性能
四 屈服、强度与断裂
注意: • 使用时υ趋于很小－－－长期强度，其远远小于所测值 ，
例：PVC: σB(1000h）＝1/2σB （测） • Tb、Tg测定时，是在一定时间尺度下，
（ υ比较小，时间长） 实际受力时（特别是在冲击力时）往往υ很高， 例：PVC 的Tb= - 50度，T使> - 30 ~ -15度
高聚物的断裂和力学强度ppt文档
相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为J•m-3，称断 裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。
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
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
材料科学基础教案 第三章 高分子材料的结构PPT课件
二、非晶态聚合物的结构 1.无序结构模型
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
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
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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
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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
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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
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图3-6 单键内旋示意图
9
第二节 高分子链的结构及构象
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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
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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
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第四节 高分子材料的性能与结构
第3章高分子材料的断裂-PPT课件
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Байду номын сангаас→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
高分子材料性能学
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。
13
高分子材料性能学
（1）温度和应变速率
b
b
y
Tb2 Tb1
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
B 拉伸强度 A M n
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
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Байду номын сангаас→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
高分子材料性能学
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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。
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高分子材料性能学
（1）温度和应变速率
b
b
y
Tb2 Tb1
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
B 拉伸强度 A M n
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
Chapt3高分子材料的断裂力学基础
第三章 高分子材料的断裂力学基础
主要内容
• 线弹性断裂及表征 • 非线性断裂及表征 • 断裂表面的形貌表征
断裂力学认为材料的破坏行为是由微观-细 观-宏观多层次下，多种破坏机制相耦合而发生 和发展的。 灾难性断裂行为是由微细观损伤发展为裂纹 并扩展至完全破坏的过程。 其基本研究内容是裂纹的引发和裂纹扩展的 条件和规律性。
1、J积分及应用
J积分是塑性断裂理论的核心，可解析裂纹端 部处于较大范围屈服状态时材料的断裂特征。 利用J积分表征增韧高分子材料的破坏行为比 较普遍。
J积分的概念及物理意义
如果把弹塑性变看作为理想化的非线弹性，其应变能 密度w可表述为：
w = ∫ 0 σ ij dε ij
w仅为应变ε的函数，与在应变空间中如何达到ε的路 径无关，且不发生卸载。
假定试样尺寸如下: 宽度为D 厚度为B 裂纹长度为a 产生的塑性区长度为l
屈服类型可分为: L<<a,l<<D, L<<B：塑性区可忽略，线弹性断裂
L<D-a：裂纹端部产生小范围屈服。对于硬质塑料来说， 多数属于该情况，线弹性断裂理论仍适用，但有时需要对 塑性区进行修整
L<D-a：裂纹端部产生较大范围屈服，属于非线性断裂理 论范畴。
⎢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。
主要内容
• 线弹性断裂及表征 • 非线性断裂及表征 • 断裂表面的形貌表征
断裂力学认为材料的破坏行为是由微观-细 观-宏观多层次下，多种破坏机制相耦合而发生 和发展的。 灾难性断裂行为是由微细观损伤发展为裂纹 并扩展至完全破坏的过程。 其基本研究内容是裂纹的引发和裂纹扩展的 条件和规律性。
1、J积分及应用
J积分是塑性断裂理论的核心，可解析裂纹端 部处于较大范围屈服状态时材料的断裂特征。 利用J积分表征增韧高分子材料的破坏行为比 较普遍。
J积分的概念及物理意义
如果把弹塑性变看作为理想化的非线弹性，其应变能 密度w可表述为：
w = ∫ 0 σ ij dε ij
w仅为应变ε的函数，与在应变空间中如何达到ε的路 径无关，且不发生卸载。
假定试样尺寸如下: 宽度为D 厚度为B 裂纹长度为a 产生的塑性区长度为l
屈服类型可分为: L<<a,l<<D, L<<B：塑性区可忽略，线弹性断裂
L<D-a：裂纹端部产生小范围屈服。对于硬质塑料来说， 多数属于该情况，线弹性断裂理论仍适用，但有时需要对 塑性区进行修整
L<D-a：裂纹端部产生较大范围屈服，属于非线性断裂理 论范畴。
⎢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。
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
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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。
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
9
高分子材料性能学
3
高分子材料性能学
3.1 断裂概述
直接加载下的断裂
1.高分子材料 的断裂
疲劳材料性能学
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。
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
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高分子材料性能学
（2 ）半结晶态高聚物的拉伸破坏
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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。
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高分子材料性能学
（1）温度和应变速率
b
b
y
Tb2 Tb1
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
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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
B 拉伸强度 A M n
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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
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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。
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
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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
（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。
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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？
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脆性断裂 韧性断裂
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高分子材料性能学
断面形态
脆性断裂
韧性断裂
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高分子材料性能学
脆性断裂：法向应力分量 韧性断裂：切应力分量
t
n
F cos F 2 2 F / A cos cos n n 0 A / cos A
0 0
F sin F 1 F / A sin cos 0 sin 2 t t A / cos A 2 0 0
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高分子材料性能学
脆性断裂和韧性断裂的比较 脆性断裂 应力-应变曲线 线性 韧性断裂 非线性
屈服
应变量 断裂能 断面形貌 断裂原因
无
小 小 光滑 法向应力
有
大 大 粗糙 剪切应力
断裂方式
主链断裂
分子间滑移
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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 变点Tb，高于这一点以 上的温度，材料总是韧 性的。
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
2 a t 0( 1 ) b
椭圆长短轴之比a/b越 大，应力越集中。
b
a
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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 情况下，裂纹尖端处的最大拉应力σm可表示为
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 。
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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
聚合物 PS SAN PMMA PVC PC PES PEEK
容易发生韧性屈服的材料为韧性材料
nc
/ MPa 40 56 74 67 87 80 120
tc / MPa
48 73 49 39 40 56 62
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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。
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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 图3-8 有机玻璃断面粗糙区形貌举例
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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
2 cos 2 t 0 0
圆孔使应力集 中了3倍
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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