8 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)
北京理工大学
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。
北京理工大学
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
第八章聚合物的屈服和断裂
第八章聚合物的屈服和断裂一、基本概念1、韧性破坏；脆性破坏；脆化温度2、强迫高弹形变；冷流；细颈3、银纹；屈服；银纹屈服；剪切屈服4、拉伸强度；抗弯强度；弯曲模量；冲击强度；硬度5、应变诱发塑料─橡胶转变6、应变软化现象；应变变硬化现象7、银纹；裂缝；应力集中二、选择题1、下列高聚物中，拉伸强度最高的是( )A,低密度聚乙烯B,聚苯醚C,聚甲醛2、非晶态聚合物作为塑料使用的最佳温度区间为( )A,Tb---Tg B,Tg---Tf C,Tg以下3、甲乙两种聚合物材料的应力---应变曲线如图所示, 其力学性能类型和聚合物实例分别为( )A,甲聚合物:硬而强,硬聚氯乙稀;乙聚合物:软而韧,聚异戊二稀B,甲聚合物:硬而脆,聚甲基丙稀酸甲酯;乙聚合物:软而弱,聚丁二稀C,甲聚合物:硬而强,固化酚醛树酯;乙聚合物:软而韧 ,聚合物凝胶D,甲聚合物:硬而脆,硬聚氯乙稀;乙聚合物:软而弱,聚酰胺4、韧性聚合物单轴拉伸至屈服点时，可看到剪切带现象，下列说法错误的是（）。
A、与拉伸方向平行B、有明显的双折射现象C、分子链高度取向D、每个剪切带又由若干个细小的不规则微纤构成5、拉伸实验中，应力－应变曲线初始部分的斜率和曲线下的面积分别反映材料的（）。
A、拉伸强度、断裂伸长率B、杨氏模量、断裂能C、屈服强度、屈服应力D、冲击强度、冲击能6、在聚甲基丙烯酸甲酯的拉伸试验中，温度升高则（）。
Ａ、σB升高、εB降低，B、σB降低、εB升高，C、σB升高、εB升高，Ｄ、σB降低、εB降低，7、聚苯乙烯在张应力作用下，可产生大量银纹，下列说法错误的是（）。
A、银纹是高度取向的高分子微纤构成。
B、银纹处密度为0，与本体密度不同。
C、银纹具有应力发白现象。
D、银纹具有强度，与裂纹不同。
8、杨氏模量、冲击强度、应变、切变速率的量纲分别是（）。
A、N/m2, J/m2, 无量纲, S-1，B、N, J/m, 无量纲, 无量纲C、N/m2, J, 无量纲, 无量纲D、N/m2, J, m, S-19、可较好解释高抗冲聚苯乙烯（HIPS）增韧原因的为（）。
《高分子物理》习题
《⾼分⼦物理》习题第1章⾼分⼦链的结构1.写出聚氯丁⼆烯的各种可能构型。
2.构型与构象有何区别？聚丙烯分⼦链中碳－碳单键是可以旋转的，通过单建的内旋转是否可以使全同⽴构的聚丙烯变为间同⽴构的聚丙烯？为什么?3.为什么等规⽴构聚苯⼄烯分⼦链在晶体中呈31螺旋构象，⽽间规⽴构聚氯⼄稀分⼦链在晶体中呈平⾯锯齿构象？4.哪些参数可以表征⾼分⼦链的柔顺性？如何表征？5.聚⼄烯分⼦链上没有侧基，内旋转位能不⼤，柔顺型好。
该聚合物为什么室温下为塑料⽽不是橡胶？6.从结构出发，简述下列各组聚合物的性能差异：(1)聚丙烯腈与碳纤维；(2)⽆规⽴构聚丙烯与等规⽴构聚丙烯；(3)顺式聚1,4-异戊⼆烯(天然橡胶)与反式聚1,4-异戊⼆烯;(4)⾼密度聚⼄烯、低密度聚⼄烯与交联聚⼄烯。
7.某单烯类聚合物的聚合度为104，试估算分⼦链完全伸展时的长度是其均⽅根末端距的多少倍？(假定该分⼦链为⾃内旋转链)。
8.⽆规聚丙烯在环⼰烷或甲苯中、30℃时测得的空间位阻参数(即刚性因⼦)σ＝1.76，试计算其等效⾃由连接链的链段长度b(已知碳－碳键长为0.154nm，键⾓为109.5。
)。
9.某聚苯⼄烯试样的分⼦量为416000，试计算其⽆扰链的均⽅末端距(已知特征c n＝12)。
第2章聚合物的凝聚态结构1. 名词解释凝聚态：内聚能密度：晶系：结晶度：取向：⾼分⼦合⾦的相容性：2. 什么叫内聚能密度？它与分⼦间作⽤⼒的关系如何？如何测定聚合物的内聚能密度?3. 聚合物在不同条件下结晶时，可能得到哪⼏种主要的结晶形态？各种结晶形态的特征是什么？4. 测定聚合物结晶度的⽅法有哪⼉种？简述其基本原理。
不同⽅法测得的结晶度是否相同？为什么？5. ⾼分⼦液晶的分⼦结构有何特点？根据分⼦排列有序性的不同，液晶可以分为哪⼏种晶型？如何表征？6. 简述液晶⾼分⼦的研究现状，举例说明其应⽤价值。
7. 取向度的测定⽅法有哪⼏种？举例说明聚合物取向的实际意义。
高分子物理-第八章解析
b . 分子量
M降低，分子堆砌紧 密，Tb与Tg靠近； M升高，ΔT=Tg—Tb 升高。
（二） 晶态高聚物的应 力-应变曲线
晶态高聚物一般包括含有 晶区和非晶区两部分，因 此晶态高聚物的冷拉也包 括晶区和非晶区部分。
整个曲线可视为三条直线 组成。
第一段：拉伸初期、应力 增加较快， 应变增加较小，
实验证明，链段运动的松弛时间与应力之间有如下关系
E
0e RT
E ：活化能
：与材料相关的常
数
由上式可知，随应力增加，链段运动的松
弛时间将缩短。当应力增大到屈服应力时，
链段运动的松弛时间减小至与拉伸速度相适
应的数值，高聚物可产生大形变。所以加大 外力对松弛过程的影响与升高温度相似。
无定形聚合物的冷拉
重 点
重点掌握强迫高弹形变的概念，非晶和结晶
高聚物的应力-应变曲线、银纹屈服和剪切屈 服机理。影响聚合物拉伸强度和冲击强度的 因素。
难 点
正确理解和掌握强迫高弹形变和高弹形变的 异同之处。区别和理解银纹屈服和剪切屈服 机理。
第一节 高聚物的塑性和屈服
一、应力-应变曲线
先介绍几个概念
强度：在较大外力持续作用或强大外力的 短期作用下，材料将发生大形变直至宏观 破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能 力称为强度。材料破坏方式的不同，强度 又可分为拉伸强度、冲击强度和弯曲强度 等。
聚合物的屈服与断裂
强迫高弹形变产生的原因或玻璃态下链段的运动是如何发生的？
松弛时间与应力的关系：?＝?0
exp?? ?
?
E－??
kT
??? ?
E－链段运动活化能
?－材料常数
? 由上式可见， ? 越大， 越小，即外力降低了链段在外
力作用方向上的运动活化能，因而缩短了沿力场方向的松
弛时间，当应力增加致使链段运动松弛时间减小到与外力
处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中 屈服点后产生 的较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试样温度
升到其Tg附近，该形变则可完全回复，因此它在 本质上
仍属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的链段运动 所引起的。 这种形变称为强迫高弹形变又称塑性形变
讨论玻璃态聚合物的强迫高弹形变和橡胶高弹形变的异同：
.
.
..
?1 ? ?2 ? ?3 ? ?4
即增加应变速率与
降低温度的效应是
等效的。
(3) 环境压力
研究发现，对许多非晶聚合 物，如PS、PMMA 等，其脆韧转变行为还与环境压力有关。
右图可见，PS在低环境压力 （常压）下呈脆性断裂特点， 强度与断裂伸长率都很低。随 着环境压力升高，材料强度增 高，伸长率变大，出现典型屈 服现象，材料发生脆-韧转变。
作用时间同一数量级时，链段开始由蜷曲变为伸展，产生
强迫高弹变形。
也就是在外力的作用下，非晶聚合物中本来被冻结的链段 被强迫运动，使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚 合物仍处于玻璃态，当外力移去后，链段不能再运动，形变也
就得不到回复，只有当温度升至 Tg附近，使链段运动解冻，形
变才能复原。
强迫高弹形变的定义
Point of elastic limit 弹性极限点
流变学第八章
脆性韧性转变温度
(2) 应变速率的影响 根据时温等效原理，应变速率变化与温度变化等效．即提高应 变速率与降低温度等效，降低应变速率与升高温度等效。下图 为聚丙烯在不同拉伸速率时的断裂行为，由图可见，在高拉伸 速率时的行为与低温时相同，表现为延伸较小，韧性降低
4) 软而韧的材料，它在较低的应力发生屈服，模量较低， 但断裂延伸较大，断裂应力也较低。这种材料也称为柔性 材料，其柔性好。软聚氯乙烯、低密度聚乙烯的断裂属于 这种类型
5) 软而弱的材料，它的模量低，但有—定延伸，断裂强度 低。末硫化的橡胶的断裂属于这种类型
6) 弱而脆的材料，它发生脆性断裂，而且模量很低。固体 状态的低聚物，如热塑性酚醛树脂、环氧树脂的断裂届于 这种类型，它们必须经交联形成网状结构才能作为材料使 用
8.2.3．橡胶的断裂
橡胶为轻度交联的聚合物，其平衡应力应变关系已在第5章 中进行了讨论。橡胶的断裂过程与线型聚合物有所不同，在 高于Tg时，其应力应交曲线中没有屈服点 在不同应变速率下(或不同温度下)测 定橡胶的应力应变曲线，可得到如 图的结果。图中OA、OB、OC等为 在不同应变速率下测得的应力应变 曲线，应变速率按图中箭头方向增 大。A、B、C各点为不同应变速率 时的断裂点。由图可见，随着应变 速率的提高，断裂应力提高，而延 伸率先升后降。将断裂点A、B、C 等连接起来得到的曲线称为包络线
拉伸时出现细颈的应力称为重结晶应力或强迫高 弹性应力，是结晶聚合物的重要机械性能之一。 重结晶应力与无定形聚合物的屈服应力在概念上 是有区别的，但实际应用中往往不加区分
拉伸的影响
如果结晶聚合物已经取向拉伸，则有各向异性。结晶聚合 物经拉伸取向后，在拉伸方向的强度大大高于未拉伸方向的 强度。要得到两个方向均匀的强度，可以进行双向拉伸，例 如双向拉伸的聚丙烯薄膜 单向拉伸的结晶聚合物的断裂行为与拉伸的方向有关。拉 伸方向与原来单向拉伸取向方向相同。如取向程度已相当高 ，则拉伸时不再发生屈服，延伸率也较小；如取向程度较低 ，则可能有较大的延伸 拉伸方向与原来取向的方向垂直，则如果脆性断裂强度低 于重结晶应力，即在重结晶前断裂，则发生脆性断裂，强度 较低；如重结晶应力较低，则断裂过程类似于未取向的结晶 聚合物，分子链在垂直方向重新取向和结晶，最后得到与原 取向方向垂直的新结晶聚合物，最后经应变硬化断裂
高分子物理知识重点(第八章)
第八章 聚合物的屈服和断裂1．概念①．强度：在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料将发生大形变直至宏观破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能力称为强度。
②．脆性断裂：与材料的弹性响应相联系，在断裂前试样断裂均匀，断裂时，裂纹迅速垂直于应力方向，断裂面不显出明显的推迟形变，σ－ε曲线是线性的，ε<5%,断裂能小，由张应力引起的－是键长变化的结果。
③．韧性断裂：屈服点以后的断裂，产生大形变，断面显示外延形变（缩颈的结果），σ－ε曲线是非线性的，ε>5%，由剪切应力引起的－链段运动的结果。
* 材料断裂的方式与其形变性质有着密切的联系。
例如，脆性断裂是缺陷快速扩展的结果，而韧性断裂是屈服后的断裂。
高分子材料的屈服实际上是材料在外力作用下产生的塑料形变。
2．图—应力-应变曲线图非结晶聚合物形变经历了普弹形变、应变软化（屈服）、塑性形变（强迫高弹形变）、应变硬化四个阶段材料在屈服点之前发生的断裂称为脆性断裂；在屈服点后发生的断裂称为韧性断裂A.从曲线上可得评价聚合物性能的力学参数:Y ：屈服点 σy ：屈服强度 εy ：屈服伸长率 B ：:断裂点 σb ：断裂强度 ε：断裂伸长率拉伸强度σi （ σy ，σb ） 杨氏模量 断裂能:OYB 面积B.从分子运动解释非结晶聚合物应力－应变曲线I: 普弹形变小尺寸运动单元的运动引起键长键角变化。
形变小可回复 A YB A σY σB σ应变软化塑性形变N DII ：强迫高弹形变在大外力作用下冻结的链段沿外力方向取向III ：粘流形变在分子链伸展后继续拉伸整链取向排列，使材料的强度进一步提高。
形变不可回复C.强迫高弹形变的定义处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中屈服点后产生的较大应变，移去外力后形变不能回复。
若将试样温度升到其Tg 附近，该形变则可完全回复，因此它在本质上仍属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的链段运动所引起的。
这种形变称为强迫高弹形变D.晶态聚合物在单向拉伸时典型的应力-应变曲线如下图：OA-普弹形变YN－屈服，缩颈（应变变大，应力下降）ND －强迫高弹形变DB-细颈化试样重新被均匀拉伸， 应变随应力增加－应变硬化3．图：----温度的影响非晶聚合物在不同温度下的σ-ε曲线如图8：T <T b ，硬玻璃态，脆性断裂--1T b<T <T g ，软玻璃态，韧性断裂--2、3T g<T <T f ，高弹态--4T >T f ，粘流态--5分析：曲线1：在玻璃态（T 《T b ）：直线关系，形变小，高模量，原因是由侧基等运动单元引起键长键角的变化引起。
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。
高分子物理习题答案(名词解释4-9章)
第4章 聚合物的分子量与分子量分布1.统计平均分子量由于聚合物分子量具有两个特点，一是其分子量比分子大几个数量级，二是除了有限的几种蛋白质高分子外，分子量都不是均一的，都具有多分散性。
因此，聚合物的分子量只有统计意义，用实验方法测定的分子量只是具有统计意义的平均值。
2.微分分子量的分布函数0000()()()1()1n M dM n m M dM mx M dM w M dM ∞∞∞∞====⎰⎰⎰⎰以上是具有连续性的分子量分布曲线 3.分子量分布宽度实验中各个分子量与平均分子量之间差值的平方平均值 4.多分散系数α表征聚合物式样的多分散性。
w n M M α=或zwM M α= 5. Tung (董履和)分布函数表征聚合物的分子量分布，是一种理论分布函数，在处理聚合物分级数据时十分有用。
6.散射介质的Rayleigh 比表征小粒子所产生的散射光强与散射角之间的关系，公式为2(,)iI r R I θθγ= 7.散射因子()P θ表征散射光的不对称性参数，()P θ是粒子尺寸和散射角的函数。
具体公式如下：222216()1sin 3()2P S πθθλ-=-'注：nλλ'=，2S--均方旋转半径，λ'-入射光在溶液中的波长8.特性粘数[]η表示高分子溶液0c →时，单位浓度的增加对溶液比黏度或相对黏度对数的贡献，具体公式如下：0ln []limlimsprc c ccηηη→→==9.膨胀因子χχ维溶胀因子，在Flory 特性黏数理论中应用方式为;2220h hχ=10. SEC 校正曲线和普适校正曲线(1) SEC 校正曲线：选用一组已知分子量的单分散标准样品在相同的测试条件下做一系列的色谱图。
(2) 普适校正曲线：322()[]h Mφη=以lg[]M η对e V 作图，对不同的聚合物试样，所得的校正曲线是重合的。
第5章 聚合物的分子运动和转变1.玻璃-橡胶转变(玻璃化转变)非晶态聚合物的玻璃化转变即玻璃-橡胶转变，对于晶态聚合物是指其中的非晶部分的这种转变。
高分子物理名词解释(期末复习)
第四章 聚合物分子量和分子量分布 牛顿流体：粘度不随剪切力和剪切速率改变而改变的流体。 淋出体积：凝胶渗透色谱法测分子量过程中，自试样进柱到呗淋洗出来所接收 到的淋出液总体积。多分散试样中，试样的分子量按从大到小的顺序分级。 第五章 聚合物分子运动与转变 *松弛时间 τ：外力解除后试样形变回复到初始最大形变的1/e所需的时间。 聚合物分子运动的特点：运动单元的多重性、分子运动的时间依赖性和温度依 赖性。 玻璃化温度：无定形聚合物由玻璃态向高弹态转变的温度，用Tg表示。 粘流温度：链段沿作用力方向的协同运动导致大分子重心发生相对位移，聚合 物呈现流动性，对应的转变温度为粘流温度Tf。 自由体积：聚合物内部分子间存在的空隙体积。 物理老化：一般聚合物制品的许多性能随时间的推移而发生变化的现象。 退火：将晶态聚合物升温到接近其熔点并维持一定时间的过程。 淬火：将温度升高接近熔点的材料急速冷却到室温的过程。
第七章 聚合物的粘弹性 粘弹性：高分子材料的力学行为，在通常情况下总是或多或少地表现为粘性和 弹性相结合的特性，而且弹性与粘性的贡献随外力作用的时间而异，这种特性 称为粘弹性。 蠕变现象：在一定的温度和较小的恒定应力下，聚合物的形变随时间延ห้องสมุดไป่ตู้而逐 渐增大的现象。包括三个形变过程：普弹形变、高弹形变、粘流形变。 应力松弛：在恒定温度和形变保持不变的情况下， 高聚物内部的应力随时间增 加而逐渐衰减的现象。 滞后现象：聚合物在交变应力作用下应变落后于应力的现象。 力学损耗：存在滞后现象时，每一次拉伸-回缩过程中所消耗的功，称为力学损 耗。
kT
反映高分子与溶剂相互作用能的变化，
可以表征溶剂分子与高分子相互作用程度大小的参数。
θ溶液：指高分子稀溶液在θ温度下，高分子链段间的作用力，高分子链段和溶剂
高分子物理习题库1
第一章 高分子链的结构一、 概念构型 构象 均方末端距 链段 全同立构 无规立构二、选择答案1、高分子科学诺贝尔奖获得者中，（ ）首先把“高分子”这个概念引进科学领域。
A 、H. Staudinger,B 、K.Ziegler, G .Natta,C 、P. J. Flory,D 、H. Shirakawa2、下列聚合物中，（ ）是聚异戊二烯(PI)。
A 、 CCH 2n CH CH 23B 、O C NH O C NH C 6H 4C 6H 4n C 、 CH Cl CH 2n D 、OC CH 2CH 2O O n O C3、链段是高分子物理学中的一个重要概念，下列有关链段的描述，错误的是（ ）。
A 、高分子链段可以自由旋转无规取向，是高分子链中能够独立运动的最小单位。
B 、玻璃化转变温度是高分子链段开始运动的温度。
C 、在θ条件时，高分子“链段”间的相互作用等于溶剂分子间的相互作用。
D 、聚合物熔体的流动不是高分子链之间的简单滑移，而是链段依次跃迁的结果。
4、下列四种聚合物中，不存在旋光异构和几何异构的为（ ）。
A 、聚丙烯，B 、聚异丁烯，C 、聚丁二烯，D 、聚苯乙烯5、下列说法，表述正确的是（ ）。
A 、工程塑料ABS 树脂大多数是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯组成的三元接枝共聚物。
B 、ABS 树脂中丁二烯组分耐化学腐蚀，可提高制品拉伸强度和硬度。
C 、ABS 树脂中苯乙烯组分呈橡胶弹性，可改善冲击强度。
D 、ABS 树脂中丙烯腈组分利于高温流动性，便于加工。
6、下列四种聚合物中，链柔顺性最好的是（ ）。
A 、聚氯乙烯，B 、聚氯丁二烯，C 、顺式聚丁二烯，D 、反式聚丁二烯7、在下列四种聚合物的晶体结构中，其分子链构象为H 31螺旋构象为（ ）。
A 、聚乙烯，B 、聚丙烯，C 、聚甲醛，D 、聚四氟乙烯8、在热塑性弹性体SBS 的相态结构中，其相分离结构为（ B ）。
A 、 PS －连续相，PB －分散相； B 、PB －连续相，PS －分散相；B 、 P S 和PB 均为连续相； D 、PS 和PB 均为分散相9、自由基聚合制得的聚丙烯酸为（ ）聚合物。
《屈服与强度》PPT课件
The yielding and fracture of polymers
ppt课件
1
8.1 The tensile stress-strain curves
应力-应变曲线
哑
铃
一、拉伸试验测量指标
状
试
1、拉伸强度（抗张强度，断裂强度）
片
材料拉伸断裂前，单位截面积所能承受的最大负荷
酚醛或环氧树脂 PS, PMMA PP, PE, PC Nature rubber, PIB
ppt课件
13
(d) Crystallization 结晶
1、应力-应变曲线 OY区：普弹性 Y点：成颈 YZ区：细颈 X点：断裂
2、晶态与非晶态高聚物比较
相近：普弹屈服 （或成颈） 形 变增大断裂
ppt课件
f P 2bl0d2//261.5bP0d2l
ppt课件
5
8.1 The tensile stress-strain curves 应力-应变曲线
三、冲击强度
材料抵抗冲击负荷破坏的能力。 材料韧性的表征
定义：i为受冲击时单位面积 所吸收的能量
i
W bd
W为冲断试样所 消耗的功
ppt课件
6
8.1 The tensile stress-strain curves 应力-应变曲线
Strain softening 应变软化
B Y
Y
C 大形变
A A
Cold drawing 冷拉
B
Strain hardening 应变硬化
E A A
A
B
ppt课件
8
从分子运动机理解释形变过程
你能解 释吗？
高分子科学-第8章 聚合物的屈服与断裂讲解
聚合物的断裂
脆性断裂 :屈服点前断裂 韧性断裂 ：屈服点后断裂
12
8.1.2 影响应力-应变曲线的因素
1. 温度
1
曲线1： T《Tg ，硬玻璃态，键长 键角的变化，形变小，高模量——
2
3
T
脆性断裂
4
曲线2.3： Tb<T<Tg，软玻璃态：
出现强迫高弹形变，外力除
16
玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较
相似：
都经历弹性形变、屈服、发展大形变、应变硬化、断裂等阶段。
其中大形变在室温时都不能自发回复，加热后可回复，故本质 上两种拉伸造成的大形变都是强迫高弹形变——“冷拉”。
区别：
（1）产生冷拉的温度范围不同，
非晶态Tb～Tg
结晶态Tb～Tm
（2）玻璃态聚合物在冷拉过程中凝聚态只发生分子链的 取向不发生相变；晶态聚合物还包含结晶的破坏、取向 和再结晶等过程(相变）。
屈服
（链段开 始运动）
应变硬化
（分子链沿 外力取向形 变不可回复）
应变软化
（链段运动）
冷拉（强
迫高弹形变）
7
强迫高弹形变
玻璃态高聚物在屈服点后大外力作用下发生的大形变，本质与橡胶的高弹 形变一样都是链段运动引起的，并不是分子链的滑移，只不过表现形式有差别。 由于聚合物处在玻璃态，形变在停止拉伸后无法自动恢复，但是如果让温度升 到Tg附近形变又可恢复。
（1）温度：Tb~Tg
0
exp
E
RT
温度越低
链段运动的松 强迫高弹形变 弛时间τ越大
必须使用更 大外力
存在一个特征温度Tb，如果低于该温度，玻璃态高聚物不 能发生强迫高弹形变，而只会发生脆性断裂，该温度称为
高分子物理第八章
E i A
摆锤式冲击实验：简支梁；悬臂梁。 单位 ：KJ/m2;J/m
北京理工大学
（4）硬度
衡量材料表面抵抗机械压力的能力。 与材料的抗张强度和弹性模量有关。 硬度实验方法很多，加荷方式有动载法和静载法两类。 有布氏、洛氏和邵氏等名称。
实验是以平稳的载荷将直径D一定的 硬刚球压入试样表面，保持一定时间 使材料充分变形，并测量压入深度h， 计算试样表面凹痕的表面积，以单位 面积上承受的载荷公斤/毫米2）为材 料的布氏硬度
第八章 聚合物的屈服和断裂（Yielding and fracture of polymers ）
主要内容
前言 8.1 聚合物的塑性和屈服 8.2 聚合物的断裂和强度
教学Байду номын сангаас容：
聚合物的应力—应变曲线 聚合物的屈服 聚合物的断裂与强度
重点要求：
会从聚合物应力——应变曲线获取信息；掌握屈服和断裂现象 及其机理；韧性和强度的影响因素及增韧、增强方法和机理。
15
试样在拉伸过程的变化过程
颈缩阶段：“细颈”扩张，应力变化很小，应变大幅度增加
弹性形变-屈服-应变软化-冷拉-应变硬化-断裂
高模量、小变形 键长、键角运动
可恢复
受迫高弹形变
链段运动
粘流 分子链运动
玻璃态，不可恢复，需Tg以上退火处理恢复。
受迫高弹形变
1）定义：玻璃态高聚物在大外力的作用下发生的大形变； 2）条件：在Tg以下10℃（或更低）左右 3）机理：在大外力的帮助下，玻璃态高聚物本来被冻结的 链段开始运动，即在外力的帮助下，高分子链的伸展提供 了大变形，这时由于在Tg以下，即使外力除去也不能自发回 复。
高分子物理第八章 聚合物的屈服和断裂
后球晶产生形变。晶区形变是应力作用使原有的结晶结构破坏，
球晶、片晶被拉开分裂成更小的结晶单元，分子链从晶体中被 拉出、伸直，沿着拉伸方向排列形成的
第八章 聚合物的屈服和断裂
影响拉伸行为的外部因素
结晶的影响
结晶度
球晶大小
第八章 聚合物的屈服和断裂
第八章 聚合物的屈服和断裂
剪切带屈服机理
（ 1 ）剪切带是韧性聚合物在单向拉伸至屈服点 时出现的与拉伸方向成约 45°角倾斜的剪切滑移 变形带。 （2）剪切带的厚度约1µ m，在剪切带内部，高分 子链沿外力方向高度取向，剪切带内部没有空隙， 因此，形变过程没有明显的体积变化。 （ 3 ）剪切带的产生与发展吸收了大量能量。同 时，由于发生取向硬化，阻止了形变的进一步发 展。 第八章 聚合物的屈服和断裂
第八章 聚合物的屈服和断裂
影响拉伸行为的外部因素
应变速率的影响
时温等效原理：
拉伸速度快 = 时间短
=温度低
第八章 聚合物的屈服和断裂
8.1.1.2 晶态聚合物
在Tm以下，适 当的拉伸速率下 拉伸得到的晶态 聚合物典型的应 力-应变曲线
成颈or冷拉
第八章 聚合物的屈服和断裂
结晶聚合物应力－应变曲线
8.1.5 银纹现象
银纹现象是聚合物在张应力的作用下，于材料某些薄弱部位出现
应力集中而产生局部的塑性形变和取向，以至在材料表面或者内
部垂直于应力方向上出现长度为 100um 、宽度为 10um 左右、厚 度为1um的细微凹槽或“裂纹”的现象。
第八章 聚合物的屈服和断裂
银纹
银纹的平面垂直于产生银纹的张应力，在张应力作用下，能产 生银纹的局部区域内，聚合物呈塑性形变，高分子链沿张应力 方向高度取向，并吸收能量。由于横向收缩不足以全部补偿塑 性伸长，导致银纹体内产生大量空隙。密度、折光指数降低。 第八章 聚合物的屈服和断裂
- 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)。
17
8.2.3 Cold drawing 冷拉
脆性高分子：断裂前试样不发生明显变化，断面与拉伸方 向垂直，且很光洁 韧性高分子：屈服后产生细颈(neck)，之后细颈逐渐扩展， 应变增加而应力不变(称冷拉，cold drawing)，直至细颈扩 展到整个试样，应力才重新增加直至断裂
冷拉是强迫高弹形变 对于非晶聚合物，主要是链段取向 对于结晶聚合物，主要是片晶的变形
σ越大，τ越小 τ与外力作用时间相当时， 就可能产生强迫高弹变形
条件 屈服应力σY < 断裂应力σb 温度范围 Tb<T<Tg 拉伸速率适当
20
8.2.2 Principle of yielding 屈服原理
glassy amorphous polymers 玻璃态非晶高分子 样条尺寸：横截面小的地方 出现“细颈 ”的位置 应变软化：塑性不稳定性容易发展， 应力集中 。
Impact 冲击 悬臂梁，简支梁，落锤，缺口，无缺口…
Compress 压缩 压缩强度，体积模量… Banding 弯曲 弯曲强度，弯曲模量
Shear 剪切 剪切强度，剪切模量
…
2
8.1 Stress-Strain Behavior of Polymers
高分子的应力-应变行为
聚合物的屈服与冷拉
11
8.2.1 General stress-strain behavior for polymers 高分子应力-应变行为的一般特点
屈服阶段，伴随 一应力降过程(软 化softening) 颈缩形成及其扩展 (成颈necking； 冷拉cool drawing) I Elastic deformation Forced rubber-like deformation III Viscous flow 应力增大 (硬化hardening)
Polymer Physics
高分子物理
8 Yielding and breaking of Polymers （Mechanical Properties of Polymers）
聚合物的屈服和断裂 (高分子的力学性能)
Mechanical Properties
Tensile 拉伸 拉伸强度，拉伸(杨氏)模量，断裂伸长率，屈服强度，100％定伸应力…
3
8.1.1 Term definition 基本术语定义
F
A0
A
Tensile stress F A0 拉伸应力
Tensile strain
拉伸应变
l0 l
l l0 l l0 l0
F ' A
l
True stress
真应力
F
拉伸试验机
4
8.1.1 Term definition 基本术语定义
序号 类型 曲线 1 硬而脆 2 硬而强 3 强而韧 4 软而韧 5 软而弱
模量
拉伸强度 断裂伸长 率 断裂能
高
中 小 小 PS、PMMA 酚醛树脂
高
高 中 中
高
高 大 大 PC、ABS、 HDPE
低
中 很大 大 硫化橡胶、软 PVC
低
低 中 小 未硫化橡胶、 齐聚物
6
实例
硬PVC、AS
软~硬：模量
F F 1 A A0 / 1
适用条件？？？？
d 0 d
' 1
屈服点定义
y
d ' ' d 1
1
1
2
d ' 1 d
' 0
1 0
8
从横坐标点= 1向真应力-应变曲线作切线， 其切点为屈服点，对应的真应力是屈服真应力
垂直应力下的 分子链断裂
剪切应力下的 分子链滑移
高分子 (23C)
抗拉极限 c / MPa
抗剪极限 c / MPa
PS SAN PMMA PVC PC PES PEEK
40 56 74 67 87 80 120
48 73 49 39 40 56 62 不同的高分子具有不同的抗拉、抗剪能力 材料的最大抗拉伸能力，为临界抗拉伸强度c 最大抗剪切能力，为临界抗剪切强度c
III III Viscous flow 粘流形变 整链相互滑移或断链 不可回复
7
8.1.2 Considère drawing Considère作图法
How to find yield point in true stress-strain curve?
F ' 真应力 A
'
Al A0 无体积变化 A 0 0 且均匀变形 l 1
强~弱：拉伸强度
韧~脆：断裂能
8.1.1 Term definition 基本术语定义
Molecular motion during tension 拉伸过程中高分子的运动
Y B
I Elastic deformation 普弹形变 键长键角运动 可回复 0 y
II Forced rubber-like deformation 强迫高弹形变 链段沿外力方向取向 加热至Tg以上可恢复
屈服前除去外力，形变立即回复；形变由键长键角变化引起，较小 屈服后除去外力，形变不再回复；但将温度升至Tg附近，链段运动解冻，形变可恢复
该形变属高弹形变。因在较大外力强迫下产生，称强迫高弹形变
温度愈低，产生强迫高弹形变所需应力就愈大 温度足够低时，无论多大的外力都无法产生强迫高弹形变，只发生脆性断裂。此时温度称脆化温度 Tb ，是高分子使用的最低温度
19
8.2.3 Cold drawing 冷拉
glassy amorphous polymers 玻璃态非晶高分子 强迫高弹形变态
在大应力作用下，有些玻璃态高分子能产生百分之几百的大形变(高弹形变) 产生原因：外力使链段运动松弛时间降低 E: 活化能 E : 外力 0 exp : 活化体积 RT : 松弛时间
在屈服点，韧性高分子试样上常出现与拉伸方向约成 45角倾 斜的剪切滑移变形带(Shear band)，且逐渐生成对称的细颈
A0 Aα cos
F F sin
F F cos
F F 法向(拉) cos2 0 cos2 应力 A A0
18
8.2.3 Cold drawing 冷拉
glassy amorphous polymers 玻璃态非晶高分子
T << Tg T < Tg T < Tg T > Tg 脆性断裂 出现屈服，形变稍大 韧性，形变大，发生冷拉 (有些高分子出现) 高弹态、形变大，无屈服点
具有屈服点的断裂，为韧性断裂
自由体积增加
出现“细颈 ”的原因 无外力
0e
0e
E RT
松弛时间变短
有外力
E a RT
松弛时间（relaxation time）是指物体受力变形，外力解除后材料恢复正常状态所需的时间。
8.2.3 Cold drawing 冷拉
Semicrystalline polymers 结晶高分子
8.1.2 Considère drawing Considère作图法
Three types of true stress-strain curve 三种真应力-应变曲线
d ' ' d
d d 1
d d 1
A
B
0
1
0
8.1.3 Factors influencing stress-strain curves of polymers 高分子应力~应变曲线的影响因素
化学结构
大小与形状 形态
物理结构
试验条件—温度、速率、流体静压力等
10
8.2 Yielding and cold drawing of Polymer
Neck 细颈 Necking and cold drawing
是否发生强迫高弹形变(冷拉)，关键有两点： 屈服后，应呈现软化效应 软、硬兼具，才能实现冷拉 应变增大后，应呈现硬化效应
环境温度、拉伸速率、分子量，均明显影响冷拉 温度过低或拉伸速率过高，分子松弛不充分，造成应力集中，材料过早破坏 高或 低，分子链可能发生滑移而流动，发展大变形 分子量较低，不能够充分拉伸、取向，屈服后不久就发生破坏
Typical stress-strain curve
Y: yield point y: yield strength y: elongation at yield 屈服点 屈服强度 屈服伸长率
y b
Y
B
B: break point 断裂点 b: break strength 断裂强度 b: elongation at break 断裂伸长率 Tensile strength
切向(剪) F sin cos 1 0 sin 2 A A0 2 应力
F
F A
A
F
F
F
A0
Analysis of the stress during tensile test
1.0
0º横面上，法向(拉)应力最大 45º截面上，切向(剪)应力最大
/
=0 =45 =90
1
0
0
从横坐标点不能向曲线上作切线 拉伸时，高分子随负荷增大而均匀伸长，不能成颈 (橡胶) 从横坐标点可向曲线上作一条切线，切点即为屈服点 拉伸时，高分子随负荷增大而均匀伸长，到切点时成颈，随后细颈逐渐变细，负荷下降直至断裂 从横坐标点可向曲线上作二条切线 在A处成颈，进一步拉伸时工程应力沿曲线下降至B点。之后，工程应力稳定在B点，细颈稳定扩展， 9 直至试样全部变成细颈，最后，进一步拉伸则继续发展直至断裂