高分子物理课件第七章 聚合物的屈服和断裂
高分子物理——聚合物的屈服与断裂
一、玻璃态高聚物的拉伸
（1）屈服点
应力达到一个极大值，屈服应力 （2）断裂方式(材料破坏有二种方式)
脆性断裂：屈服点之前发生的断裂
断裂表面光滑
不出现屈服
韧性断裂：在材料屈服之后的断裂(明显屈
服点和颈缩现象)
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断裂表面粗糙
（3）应变软化和应变硬化
应变软化：在拉伸过程中，应力随应变的增 大而下降
PVC在室温、图中表明的应变速率下测得的应力-应变曲线
随着拉伸速度提高，聚合物的模量增加，屈 服应力、断裂强度增加，断裂伸长率减少
• 柔性很大的链在冷却成玻璃态时，分子 之间堆砌得很紧密，在玻璃态时链段运 动很困难，要使链段运动需要很大的外 力，甚至超过材料的强度，刚性大，冷 却时堆砌松散，分子间相互作用力小， 链段活动余地较大，这种高聚物在玻璃 态时具有强迫高弹而不脆，脆点低， Tb,Tg间隔大，另外如果刚性太大，链段 不能运动，也不出现高弹形变。
0 exp(
RT )
对于某一种高聚物存在一个特征温度（Tb），只 要温度低于Tb，玻璃态高聚物就不能发展强迫高 弹形变。玻璃态高聚物只有处在Tb到Tg的温度范 围内，才能在外力作用下实现强迫高弹形变。
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外力 E a 拉伸速率 0 exp( ) 结构 RT 柔性高分子链：在玻璃态时呈现脆性。Tb≈Tg 刚性高分子链：较刚性：易出现受（强）迫 高弹性，脆点较低，Tb与Tg间隔较大。 高刚性：链段运动更加困难，Tb与Tg也很接 近。 分子量 分子量较小时，在玻璃态堆砌较紧密，呈现 脆性，Tb~Tg较接近。 当分子量增加到一定程度以后，Tb与Tg差距拉 大，直到达到临界值 北京理工大学
（B）受（强）迫高弹形变:材料在屈服后出现了
高分子物理课件四川大学杨刚第七章聚合物的力学性能
冲击强度：测 量聚合物在冲 击作用下的强
度
压缩强度：测 量聚合物在压 缩作用下的强
度
剪切强度：测 量聚合物在剪 切作用下的强
度
疲劳强度：测 量聚合物在反 复加载和卸载 作用下的强度
聚合物强度的提高方法
增加聚合物的分子量
提高聚合物的结晶度
加入增强材料，如玻璃纤维、 碳纤维等
改变聚合物的分子结构，如引 入支链、交联等
影响因素：温度、湿度、光照、 化学物质等
老化机理：氧化、降解、交联 等
表征方法：力学性能测试、热 分析、光谱分析等
老化性能的评价：抗拉强度、 抗冲击强度、耐磨性等
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汇报人：
聚合物应力应变曲线的特征
应力-应变曲线分为线性弹性区、屈服区、强化区和颈缩区 线性弹性区：应力与应变成正比，弹性模量E表示 屈服区：应力不再增加，应变继续增加，屈服应力σy表示 强化区：应力与应变不再成正比，应力达到最大值σmax 颈缩区：应力下降，应变继续增加，直至断裂
聚合物应力应变行为的影响因素
影响聚合物弹性模量的因素
聚合物分子量：分子量越大，弹性模量 越高
聚合物分子结构：线性聚合物弹性模量 较高，支链聚合物弹性模量较低
聚合物结晶度：结晶度越高，弹性模量 越高
温度：温度越高，弹性模量越低
湿度：湿度越高，弹性模量越低
应力状态：应力状态不同，弹性模量也 不同
聚合物弹性模量的测量方法
拉伸试验：通过拉伸试样，测量其应力应变曲线，计算弹性模量
剪切试验：通过剪切试样，测量其应力应变曲线，计算弹性模量
压缩试验：通过压缩试样，测量其应力应变曲线，计算弹性模量
动态力学分析：通过测量试样的振动频率 性模量
高分子物理(第三版)第七章--高分子的屈服和断裂(玻璃态与结晶态)
The developmentof materials overtime. Thematerials of pre-history, on theleft, all occurnaturally; thechallenge for theengineers of thatera was one ofshaping them.The developmentofthermochemistryand (later) ofpolymerchemistryenabled man-made materials,shown in thecolored zones. 11121314 1516 17在小伸长时，拉伸应变通常以单位长度的伸长来定义。
应变：应力：。
：为材料的起始截面积。
当材料发生较大形变时，上式计算的应力与材料的真实应力会发生较大的偏差，这时正确计算应力应该以真实截面积真应力：相应地可提出真应变的定义，如果材料在某一时刻长度从，则真应变为:真应变：对于理想的弹性团体，应力与应变关系服从虎克定25简单拉伸时的杨氏模量：在简单剪切的情况下，材料受到的力F 是与截面相平行的大小相等、方向相反的两个力。
在这剪切力作用下，材料将发生偏斜，偏斜角的正切定义为切应变。
当切应变足够小时，。
相应地，材料的剪切应力为：剪切模量：θγ≈剪切位移S ，剪切角θ，剪切面间距d体积模量：必须注意的是，试样宽度和厚度在拉伸过程中是随试样的伸长屈服强度断裂强度Polymers with different properties增强机理：活性粒子吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子起物理交联点的作用。
glassy fiber+polyester增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷。
Racing bicycleCarbon fiber补充材料：弯曲模量：增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微纤结构而到增强作用。
由于微纤结构是加工过程中由液晶棒状分子在共混无物基体中就地形成的，故称做Charpy试验IZOD试验40补充材料：聚合物的韧性与增韧冲击强度Impact strength就是高速拉伸试验测量材料冲击强度的依据。
《高分子物理》课件-第七章粘弹性
第7 章聚合物的粘弹性形变对时间不存在依赖性εσE =虎克定律理想弹性体外力除去后完全不回复dt d εηγησ==.牛顿定律理想粘性体弹性与粘性弹性粘性储能性可逆性σ与ε的关系与t 关系瞬时性依时性储存耗散回复永久形变εσE =dt d εηγησ==.虎克固体牛顿流体粘弹性力学性质兼具有不可恢复的永久形变和可恢复的弹性形变小分子液体–粘性小分子固体–弹性在时间内，任何物体都是弹性体在时间内，任何物体都是粘性体在的时间范围内，任何物体都是粘弹体超短超长一定高分子材料具有显著的粘弹性粘弹性分类静态粘弹性动态粘弹性蠕变、应力松弛滞后、内耗7.1 粘弹性现象7.1.1 蠕变（creep)在一定的温度下，软质PVC丝钩一定的砝码，会慢慢伸长蠕变：指在一定的温度和较小的恒定外力作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象蠕变反映了材料的尺寸稳定性及长期负荷能力从分子运动和变化的角度分析线性PVC的形变—时间曲线，除去外力后，回缩曲线？11E σε=1ε1t 2t t键长和键角发生变化引起，形变量很小，瞬间响应σ：应力E 1：普弹形变模量1.普弹形变链段运动使分子链逐渐伸展发生构象变化引起τ：松弛时间，与链段运动的粘度η2和高弹模量E 2有关，τ＝η2/ E 2)1(/22τσεt eE --=2ε1t t2t 2.高弹形变3ε2t 1t t外力作用造成分子间的相对滑移（线型高聚物）t33ησε=η3——本体粘度3.粘性流动t eE E t t 3/21321)1()(ησσσεεεετ+-+=++=-线型高聚物的蠕变曲线总应变交联聚合物的蠕变曲线1.由于分子链间化学键的键合，分子链不能相对滑移，在外力作用下不产生粘性流动，蠕变趋于一定值2. 无粘性流动部分，能完全回复T<T g 时，主要是()，T>T g 时，主要是()A ε1B ε2C ε3三种形变的相对比例依具体条件不同而不同下列情况那种形变所占比例大？A B聚合物蠕变的危害性蠕变降低了聚合物的尺寸稳定性抗蠕变性能低不能用作工程塑料如：PTFE不能直接用作有固定尺寸的材料硬PVC抗蚀性好，可作化工管道，但易蠕变影响蠕变的因素1.温度2.外力3.分子结构蠕变与T，外力的关系温度外力蠕变T过低外力过小T过高外力过大T g附近适当外力很小很慢，不明显很快，不明显明显（链段能够缓慢运动)23℃时几种高聚物蠕变性能10002000（％）小时2.01.51.00.512345t链的柔顺性主链含芳杂环的刚性高聚物，抗蠕变性能较好12345聚苯醚PCABS(耐热)POM尼龙如何防止蠕变？◆交联橡胶通过硫化来防止由蠕变产生不可逆的形变◆结晶微晶体可起到类似交联的作用◆提高分子间作用力7.1.2 应力松弛(stress relaxation)在一定温度、恒定应变的条件下，试样内的应力随时间的延长而逐渐减小的现象应力松弛的本质加力链段运动使分子链间相对位置的变化分子重排，以分子运动来耗散能量，从而维持一定形变所需要的力逐渐减小交联聚合物和线形聚合物的应力松弛t交联线性高聚物的应力松弛曲线t不同温度下的应力松弛曲线应力松驰与温度的关系温度过高应力松驰很快温度过低内摩擦力很大，应力松驰极慢T g 附近应力松驰最为明显123应力松弛的应用对密封制件，应力松弛行为决定其使用寿命高分子制件加工中，应力松弛行为决定残余应力的大小不变的量变化的量蠕变应力松弛蠕变与应力松弛比较温度力形变根本原因高分子链的构象重排和分子链滑移应力温度形变动态粘弹性在交变应力或交变应变作用下材料的力学行为σωtπ2πεωtδεωtδ正交变化的应力：t sin )t (0ωσσ=无相位差，无能量损耗理想弹性体tsin )t (0ωεε=有相位差，功全部损耗成热理想粘性液体)2-t sin( )t (0πωεε=相位差δ，损耗部分能量)-t sin( )t (0δωεε=聚合物(粘弹性)高聚物在交变应力作用下的应变变化落后于应力变化的现象tt o ωσσsin )(=)sin()(δωεε-=t t o 0<δ<π/2滞后现象原因链段运动时受到内摩擦阻力, 外力变化时,链段运动跟不上外力的变化内摩擦阻力越大，δ 也就越大，滞后现象越严重外力对体系做的功每次形变所作的功= 恢复形变时所作的功无滞后时没有功的消耗每一次循环变化会有功的消耗，称为内耗有滞后时产生形变提供链段运动时克服内摩擦阻力所需要的能量滞后现象的危害σεσ0ε1拉伸硫化橡胶拉伸—回缩应力应变曲线拉伸曲线下面积为外力对橡胶所作的功回缩曲线下面积为橡胶对外力所作的功滞后环面积越大,损耗越大ε0回缩ε2面积之差损耗的功δεπσsin o o W =∆δ :力学损耗角,常用tanδ来表示内耗大小)]dt-t cos(t)[sin ()t (d )t (W Δ020200δωωεωσεσωπωπ⎰⎰==σεσ0回缩拉伸内耗角δεπσsin o o W =∆δ=0，△W=0,所有能量都以弹性能量的形式存储起来滞后的相角δ决定内耗δ=900，△W→max , 所有能量都耗散掉了滞后和内耗对材料使用的利弊？用作轮胎的橡胶制品要求内耗小（内耗大，回弹性差）隔音材料和吸音材料要求在音频范围内有较大的力学损耗防震材料要求在常温附近有较大的力学损耗温度内耗很高很低T g 附近1. 温度影响滞后和内耗的因素高小小小小大大2.外力变化的频率高聚物的内耗与频率的关系频率 内耗很高很低适中小小小小大大橡胶品种内耗顺丁丁苯丁腈3.内耗与分子结构的关系对于作轮胎的橡胶，则选用哪种？内耗大的橡胶，吸收冲击能量较大，回弹性较差较小较大较大7.1.3 粘弹性参数静态粘弹性蠕变应力松弛模量柔量应力，应变与时间的关系模量、柔量与时间的关系蠕变柔量)()(σεt t D =应力松弛模量)()(εσt t E =tsin (t)0ωεε=t cos sin t sin cos (t)00ωδσωδσσ+=)t sin( (t)0δωσσ+=δεσcos '00=E δεσsin "00=E E ′—储能模量，反映材料形变时的回弹能力（弹性）E ″—耗能模量，反映材料形变时内耗的程度（粘性）1.力学损耗角,tg δ动态粘弹性2.动态模量用复数模量的绝对值表示（绝对模量）2''2'*||E E E E +==通常E ″＜＜E ′，常直接用E ′作为材料的动态模量。
高分子物理课件第七章 聚合物的屈服和断裂
不均匀性：几何因素；结构因素
18
特征
(1)屈服应变大：高聚物的屈服应变比 金属大得多，金属0.01左右，高聚物 0.2左右（例如PMMA的切变屈服为 0.25，压缩屈服为0.13） (2)屈服过程有应变软化现象：许多高 聚物在过屈服点后均有一个应力不太 大的下降，叫应变软化，这时应变增 大，应力反而下降。
应变速率
拉伸速率 模量 ，屈服应力 ， 断裂强度 ， 断裂伸长率
增加应变速率与 降低温度效应相似
13
结晶聚合物的S-S曲线
冷拉伸(cold drawing)
（成颈） 非晶区先形变，球晶形变； 在比Tg低得多到接近Tm，
均可成颈 除去外力，加热到接近Tm，
部分回复
成颈：球晶变形
14
结晶聚合物的S-S曲线
19
(3)屈服应力依赖应变速率：应变速率增大， 屈服应力增大。
真应力
4 3 2
1
1——0.2吋分
应
变
2——0.8吋/分
速
率
3——1.13吋/分
增
大
4——1.28吋/分
真应变 应变速率对PMMA真应力应变曲线的影响
20
(4)屈服应力依赖于温度：温度升高，屈服应力下 降。在温度达到 T g 时，屈服应力等于0
变却增加很多
9
B点：屈服点 B点时对应的应力—屈服应力 B点时对应的应变—屈服应变
C点：断裂点 C点对应的应力—断裂应力（断裂强 度）—抗拉强度 C点对应的应变—断裂伸长率
10
Stress-Strain Curve
非晶态聚合物
温度在Tg以下几十度、一定速率
屈服-细颈（neck）-应变软化-颈缩阶段 -细颈-取向硬化
大学本科高分子物理第七章《聚合物的粘弹性》课件
学习各种描述高分子材料粘弹性的模型。
7.2 粘弹性的数学描述 （唯象描述）——直观
亦称为复 数模量
损耗角正切
E' 0 cos 0
E'' 0 sin 0
tg E''
E'
——也可以用 来表示内耗
讨 =0， tg =0, 没有热耗散 论 =90°， tg = , 全耗散掉
本讲小结
第十九讲 粘弹性的数学描述
主要内容：
•力学模型
重点及要求：
聚合物材料在力学模型及数学描述；
/ cost /
/ d sintdt
1.5
1
/() cost 0.5
最大值
Strain
0 -0.5 0
-1
/()sin(t / 2) -1.5
滞后/2
90
180
270
360
t degree
Comparing
stress or strain
1.5 1
0.5 0
-0.5 0 -1
第十八讲 聚合物的粘弹性现象
主要内容：
聚合物的粘弹性现象 •蠕变现象 •应力松弛现象
本讲重点及要求：
聚合物材料在受力情况下所产生的蠕变和应力 松弛的粘弹现象及分子运动机理。
7.1粘弹性现象
普通粘、弹概念
粘 – 同黏：象糨糊或胶水等所具有的、能
使一个物质附着在另一个物体上的性质。
弹 – 由于物体的弹性作用使之射出去。
弹簧 – 利用材料的弹性作用制得的零件，在外力 作用下能发生形变（伸长、缩短、弯曲、扭转
等），除去外力后又恢复原状。
Viscous – thick and sticky, semi-fluid, that does not flow easily
高分子物理课件8聚合物的屈服和断裂
解：=0， n=0
=45， s=0/2
0=30MP 0=40MP
先，拉断
（2）.已知材料的最大抗张强度为30MP，最大抗剪强度为
10MP，试问此材料是受张力破坏还是剪切作用下形变？
解：=0， n=0
0=30MP
=45， s=0/2 0=20MP
先，发生形变
8 聚合物的屈服和断裂
Shear bana
在细颈出现之 前试样上出现 与拉伸方向成 45角的剪切滑 移变形带
8 聚合物的屈服和断裂
（3） Crazing 银纹
银纹现象为聚合物所特有，它是聚合物在张应力作用下， 于材料某些薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形 变和取向，以至于在材料表面或内部垂直于应力方向上 出现长度为100µm、宽度为10 µm左右、厚度约为1 µm 的微细凹槽的现象
(a) Different
T
temperature
T
Temperature Example-PVC,Tg=80℃ Results
a: T<<Tg b: T<Tg
0°C 0~50°C
脆断 屈服后断
c: T<Tg (几十度)
50~70°C
韧断
d: T接近Tg
70°C
无屈服
8 聚合物的屈服和断裂
(b) Different strain rate
要 非常迅速。 特 ➢屈服应力对应变速率和温度都敏感。 征 ➢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”。
8 聚合物的屈服和断裂
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。
高分子物理-高分子物理-聚合物的屈服和断裂
研究得最多，一股认为填料粒子的活性表 面能与若干高分子链相结合形成—种交联 结构，例如以碳黑增强橡胶时，橡胶分子 链可能接枝在碳黑粒子的表面。
• （2）纤维状填料
• 纤维状填料的增强原理与混凝土中的钢筋
对水泥的增强作用相似。
6．共聚和共混的影响
• 共聚可以综合两种以上均聚物的性能。 • 如：苯乙烯与丙烯腈共聚 • 共混是一种很好的改性手段，共混物常常
与拉伸方向相垂直，断裂面也 很光洁；
•韧性聚合物拉伸至屈服点时，
常可看到试样上出现与拉伸方 向成大约45角倾斜的剪切滑移 变形带，或者在材料内部形成 与拉伸方向倾斜一定角度的 “剪切带”。
•拉伸屈服：韧性聚合物拉伸至屈服点时，试样上出 现与拉伸方向成大约45°倾斜的剪切滑移变形带。
0
角倾斜的剪切滑移变形带。
（脆化温度）到Tg之间 。
• 拉伸速度，链柔性，分子量也是影响因素。
7.1.3结晶高聚物的拉伸
• 拉伸曲线可以分为三阶段： • 第一阶段应力随应变线性
地增加，至屈服点
• 第二阶段的应力—应变曲
线表现为应力几乎不变， 而应变不断增加
• 第三阶段应力又随应变的
增加而增大直到断裂点
• 结晶聚合物的大形变，就本质上说也是高
• 在热塑性塑料中加入少量石墨、二硫化钼等粉末
润滑剂，可以改善塑料的摩擦、磨损性能，以制 造各种耐磨、自润滑零件，如轴承，活塞等。
• 同一填料对不同状态下的聚合物有不同的
效果，例如不结晶的橡胶(丁苯橡胶等)或 拉伸下不易结晶的橡胶，加入碳黑补强的 效果要比拉伸时易结晶的橡胶大得多，其 原因可能是结晶过程中排斥了填料粒子， 使填料未能起到补强作用。
聚合物的屈服与断裂高级课件
学习培训
3
8.1.1非晶态高聚物的应力-应变曲线
σ
B
Y
σ
σ
B
y
0
ε
ε
εy
非晶态高聚物的应力-应变曲线
B
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4
一、非晶态高聚物的应力-应变曲线
σ
A
B
Y
σ
εY
y
0
σ
B
εB
ε
我们先对这条曲线定义几个术语：
1） A点称为“弹性极限点”，A 弹性极限应变 ，A弹性极限应力
n=0
s=0
学习培训
31
对于试样中倾角为β= a+π/2的斜截面（它与第一个斜截面
相互垂直）进行同样处理，我们也可以得到：
σβn=σ0 Cos2β=σ0 Sin 2α
σβs=σ0/2 Sin2β=-σ0/2 Sin 2α
显然： σβs= -σas，这说明两个互相垂直的斜截面上的
切应力大小相等、方向相反，而且它们总是同时出现的，之和
“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，有时可将断裂功作
为“韧性”的标志。
学习培训
26
表1 五种应力-应变曲线的特征
类型
模量
拉伸
强度
屈服点
伸长率
曲线下
面积
实例
硬而脆
高
中
无
小（2%）
小
PS、PMMA、
和剪切应力下的分子链滑移（b）
学习培训
高分子物理-第七章-屈服和强度
银纹和剪切带
均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象
主要区别
形
变
曲线特征
体
积
力
结
果
剪切屈服
45o
90o
a
抵抗外力的方式
两
种
抗张强度：抵抗拉力的作用
0
aan
aas
0 /2
抗剪强度：抵抗剪力的作用
0o
45o
90o
抗张强度什么面最大？ a=0， an=0
抗剪强度什么面最大？ a=45， as=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
泊松比: 在拉伸实验中，材料横向应变
与纵向应变之比值的负数
m
v
l
m0
l0
T
常见材料的泊松比
泊松比数值
解
释
0.5
不可压缩或拉伸中无体积变化
0.0
没有横向收缩
0.49~40
塑料的典型数值
E, G, B and
E2
G
(1
)
EB
3 (1
2
第 一 期 的 入 党积极 分子培 训课将 要结束 了，在 培训期 间，通 过尊敬 的合江 县府王
督 学 、 学 院 党委王 书记及 学院党 办邬主 任和相 关领导 、教授 对党章 ，党课 及现阶
段 国 内 外 形 式的讲 解，以 及通过 参加学 院开展 的颂歌 献给党 、喜迎 十八大 歌咏比
赛 及 参 观 了 武警合 江中队 和合江 县清代 考试院 、合江 县汉代 石棺陈 列馆等 活
韧性断裂 ductile fracture
各种情况下的应力-应变曲线
11级高分子物理7 聚合物的屈服和断裂
承载寿命
U 0 B ＝ 0 exp kT
拉伸应力
2/23/2019
20
7.3.3 微裂纹
微裂纹也称为银纹：聚合物在张应力作用下， 出现于材料的缺陷或薄弱处，与主应力方向 垂直的长条形微细凹槽。 长100μm、宽10μm、厚1μm
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7.3.3 微裂纹
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8
7.1.4 硬弹性材料的拉伸
某些非晶聚合物出现硬弹性行为。 硬弹性表面能机理：硬弹性主要由形成微纤的表面 能改变贡献的。
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9 SBS嵌段共聚物(S:B)的拉 伸试样示意
图7-8 SBS 嵌段共聚物(S:B) 的拉伸行为
图7-12 单轴拉伸应力分析
图7-13 应力与截面倾角的关系
14
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7.2.1 聚合物单轴拉伸的应力分析
0 cos ＝ 0 sin
2 2
n
( 0 sin 2 ) / 2 ( 0 sin 2 ) / 2
s
0
n n
橡胶补强机理： 粉状填料对弹性体 补强效果好。
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7.4.5 填料的影响
2. 纤维状填料 纤维填料中使用最早的是各种天然纤维，如棉、 麻、丝及其织物等。后来，发展了玻璃纤维。 纤维填料在橡胶轮胎和橡胶制品中，主要作为 骨架，以帮助承担负荷。通常采用纤维的网状 织物，俗称为帘子布。 在热固性塑料中常以玻璃布为填料，得到得谓 玻璃纤维层压塑料，强度可与钢铁媲美。
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7.3.3 微裂纹
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7.3.4 聚合物的理论强度
高分子物理聚合物的屈服与断裂
（5）软而弱型 此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂 伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特 性。
注意
1-1 力学性能分类
• 如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它 们有一定的力学性能：强度和韧性。 如果折叠几次就破裂，那么这种材料 的电绝缘性虽好，也不能用作电线。
力学行为：指施加一个外力在材料上，它产生怎样 的形变（响应）。
• 举例：
• PS制品很脆，一敲就碎（脆性） • 尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易
破碎（韧性） • 轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几
倍，力解除后基本恢复原状（弹性） • 胶泥变形后，却完全保持新的形状
（粘性）
形变性能 Deformation
弹性 Elasticity
普弹性 高弹性 High elasticity
粘性 Viscosity
线性粘弹性
静态 Static
粘弹性
Байду номын сангаас
Linear viscoelasticity
F
A0
l l0 l
l0
l0
哑铃型标准试样
12
10
1psi
8
= 6890Pa
6
, 1000 psi
4
2
0
注意细颈
0
1
2
3
4
5
现象
84
70
56
, MP
42
28
14
0
0
1
屈服和断裂
材料受力后的行为？？？ 橡胶受力后的行为？？？ 塑料受力后的行为？？？ 纤维受力后的行为？？？
力学性能分类
力学性能是高聚物优异物理性能的基础 如：某高聚物磨擦，磨耗性能优良，但力学性
能不好，很脆。不能用它作减摩材料 如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它们有
一定的力学性能：强度和韧性。如果折叠几次 就破裂，那么这种材料的电绝缘性虽好，也不 能用作电线。
力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强B 度） 和断裂 伸长率 B ，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长
率。 （4）曲线下的面积等于
W B d 0
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。
断裂能 Fracture energy
真应变：
l dli l l0 i
张应力：
F
A0
真应力：
F
A
切应变：
r tg
是偏斜角
切应力：
s
F A0
压缩应变：
V V0
压力P
弹 杨氏模量： 切变模量：
性 模
E F A0 l l0
量
泊淞比：
G＝ s F r A0tg
m m l l
横向单向单位宽度的 纵向单位宽度的增加
柔 拉伸柔量： 切变柔量：
量
D 1
E
J1 G
机械 强度
体积模量：
B P PV0 V
可压缩度：
1 B
主要内容
7.1 聚合物的拉伸行为－聚合物的应力—应变曲线 7.2 聚合物的屈服行为 7.3 聚合物的断裂理论和理论强度 7.4 影响聚合物强度的因素
主要内容及学习线索：
第七章+高聚物的屈服和断裂+2
F
银纹的特征
A、银纹如果得不到制止，会发展为裂缝 B、银纹具有可逆性，在Tg以上加热退火可以回缩或消失 C、银纹吸收外界作用的能量使其不至于发展成裂缝 D、伴有空化过程，有明显的体积效应 E、银纹的产生要有临界的应力和应变 如脆性聚合物PS，临界应力和应变较低，易形成银 纹； 而韧性的PC，临界应力和应变较高，形成银纹较困难。
适度的交联
高
适度的交联可以有效地增加分子链之间的联系， 适度的交联可以有效地增加分子链之间的联系，限制 分子链间的相对滑移及分子链的活动性， 分子链间的相对滑移及分子链的活动性，有利于强度的 提高。 PE，拉伸强度可提高1 提高。例PE，拉伸强度可提高1倍 过度则会使结晶度受较大影响，取向困难，强度下降。 过度则会使结晶度受较大影响，取向困难，强度下降。 例如： 例如：硫化橡胶
四、聚合物的冲击强度与增韧
1、冲击强度Impact strength 、
——是衡量材料韧性的一种指标
W σi = b⋅d
冲断试样所消耗的功 冲断试样的厚度和宽度
2、影响冲击强度的因素
韧性好坏顺序 a>b>c>d c>d>b>a d>c>b>a
因
——曲线下的面积 曲线下的面积 代表所吸收能量
•强度 强度 • 性
银纹的产生
应力银纹：张应力下，纯压缩应力不产生银纹 应力银纹：张应力下，
分 类
环境银纹
溶剂银纹
非溶剂引起的环境应力开裂
热应力开裂 氧化应力开裂
7.3.4、聚合物的理论强度
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的破坏。 是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。
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应力
－25℃ 0℃
25℃ 50℃ 65℃
80℃
温度对醋酸纤维素应力～应变曲线的影响
应变
21
(5)屈服应力受流体静压力的影响：压力增大， 屈服应力增大。
切应力
3.2千巴 1.7千巴
0.69千巴 1巴
切应变
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(6)高聚物屈服应力不等于压缩屈服应 力，一般后者大一些。所以高聚物取 向薄膜不同方向上的屈服应力差别很 大。 (7)高聚物在屈服时体积略有缩小。
影响因素
温度 应变速率 结晶度 结晶形态
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聚合物力学类型
软而弱
软而韧
硬而脆
硬而强
硬而韧
聚合物应力 —应变曲线
模量 （刚性）
应 屈服应力 力 （强度） 应 变 极限强度 曲 （强度） 线 特 断裂伸长 点 （延性）
应力应变曲线 下面积（韧）
低 低 低 中等 小
实 例
聚合物凝胶
低
高
高
低
高
高
（强迫高弹形变，Tb 以上） 屈服点以后材料大形变机理：高分子的链 段运动，除去外力不恢复， Tg以上可恢 复。
杨氏模量：（起始斜率）
11
Stress-Strain Curve
影响因素：
温度 （1）远小于Tg （2）升高 （3）接近Tg （4）高于Tg
12
Stress-Strain Curve
23
真应力-应变曲线及屈服判据三种类型
0123
由 0无法作 切线，不能成 颈
真应力： F/瞬时截面积
0123
由 0可作一
条切线，曲线
上有一个点满
足
d d
0，此点
为屈服点，在
此点高聚物成
颈
D
E
01 23
由 0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
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3.屈服机理 (1)银纹屈服---银纹现象与应力发白 1)银纹 现象：很多高聚物，尤其是玻璃态透明 高聚物（PS、PMMA、PC）在储存过程 及使用过程中，往往会在表面出现像陶 瓷的那样，肉眼可见的微细的裂纹，这 些裂纹，由于可以强烈地反射可见光看 上去是闪亮的，所以又称为银纹crage
中
高
按屈服应力
低
中
中
小
中
橡胶.增塑. PVC.PE.PTF
E
PS.PMMA.固 化酚醛树脂断 裂前无塑性形 变断裂前有银 纹
硬PVC
高
高
高
高
大
ABS.PC.PE. PA有明显的 屈服和塑性 形变.1韧6 性好
S-S曲线类型
17
3 高聚物的屈服
高聚物屈服点的特征
大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服 现象是拉伸中出现的细颈现象。它是独特的力 学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出屈 服过程，这是由于温度和时间对高聚物的性能 的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性，有的高 聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物脆性易断。
有这种形状。 处于高弹态的橡胶，只有在温度较低和
分子量很大时具有这种形状。
8
分析： 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
tg
即为扬氏模量。
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
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B点：屈服点 B点时对应的应力—屈服应力 B点时对应的应变—屈服应变
C点：断裂点 C点对应的应力—断裂应力（断裂强 度）—抗拉强度 C点对应的应变—断裂伸长率
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Stress-Strain Curve
非晶态聚合物
温度在Tg以下几十度、一定速率
屈服-细颈（neck）-应变软化-颈缩阶段 -细颈-取向硬化
第七章 聚合物的屈服和断裂
重点：
1、非晶态、晶态聚合物的典型应力-应变曲线。 2、并说明细颈发展过程中晶区的变化。温度、结晶度、结晶 形态对材料的力学性能有何影响？ 3、高聚物的银纹，应力发白现象。 4、影响高聚物拉伸强度的因素，如何影响？
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③高聚物的力学性能与温度和力的作用速率 有关，因此在试验和应用中务必牢牢记住： 必须标明温度和施力速率（或形变速率）， 切勿将正常形变速率下测试数据用于持久力 作用或冲击力作用下的场合下；切勿将正常 温度下得到的数据用于低温或高温下。只有 在宽广的温度范围和形变速率范围内测得的 数据才可以帮助我们判断高聚物材料的强度、 硬软、韧脆，再根据环境的要求，才能选出 合适的材料来进行设计和应用。
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原因： a是高聚物受到张应力作用时，在材料某些薄 弱环节上应力集中，而产生局部塑性形变，而 在材料表面或内部出现垂直于应力方向的微细 凹槽或“裂纹”的现象 b环境因素也会促进银纹产生，化学物质扩散 到高聚物中，使微观表面溶胀或增塑，增加分 子链段的活动性，玻璃化温度下降促进银纹产 生，另外，试样表面的缺陷和擦伤处也易产生 银纹，或起始于试样内部空穴或夹杂物的边界 处，这些缺陷造成应力集中，有利于银纹产生
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④ 材料破坏有二种方式，可从拉伸应力~应 变曲线的形状和破坏时断面形状来区分：
脆性破坏: ① 试样在出现屈服点之前断裂 ② 断裂表面光滑
韧性破坏: ① 试样在拉伸过程中有明显屈服 点和颈缩现象
② 断裂表面粗糙
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⑤拉伸应力曲线反映的材料的力学性质
力学参量
力学性质
弹性模量
刚性
屈服点
弹性
断裂伸长
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(3)屈服应力依赖应变速率：应变速率增大， 屈服应力增大。
真应力
4 3 2
1
1——0.2吋分
应
变
2——0.8吋/分
速
率
3——1.13吋/分
增
大
4——1.28吋/分
真应变 应变速率对PMMA真应力应变曲线的影响
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(4)屈服应力依赖于温度：温度升高，屈服应力下 降。在温度达到 T g 时，屈服应力等于0
细颈征
(1)屈服应变大：高聚物的屈服应变比 金属大得多，金属0.01左右，高聚物 0.2左右（例如PMMA的切变屈服为 0.25，压缩屈服为0.13） (2)屈服过程有应变软化现象：许多高 聚物在过屈服点后均有一个应力不太 大的下降，叫应变软化，这时应变增 大，应力反而下降。
应变速率
拉伸速率 模量 ，屈服应力 ， 断裂强度 ， 断裂伸长率
增加应变速率与 降低温度效应相似
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结晶聚合物的S-S曲线
冷拉伸(cold drawing)
（成颈） 非晶区先形变，球晶形变； 在比Tg低得多到接近Tm，
均可成颈 除去外力，加热到接近Tm，
部分回复
成颈：球晶变形
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结晶聚合物的S-S曲线
延性
屈服应力
强度
（或断裂强度、抗拉强度）
应力应变曲线下部的面积 韧性
弹性线下部的面积
回弹性
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2 应力-应变曲线
高聚物的应力—应变综合曲线
C断裂点
B（屈服点）
线性
弹性
塑性
屈服应变
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上面是典型的应力—应变曲线 实际聚合物材料，通常是综合曲线的一
部分或是其变异 。 处于玻璃态的塑料只在一段范围内才具