高分子物理：18第8章-3~4

有序银纹 A. 银纹面垂直于张应力
B. 溶剂加速银纹的产生和扩展 应力银纹和应力/溶剂银纹； 应用：制件内应力检查
银纹的产生和扩展演示实验
C. 在复合应力场中，银纹面垂直于较大的主应力方向 无序银纹
有机玻璃双轴拉伸时银纹面与应力关系
银纹质(高度拉伸取向纤维束)：D=0.01~0.1μm D. 银纹的结构： +
本讲内容：
第8章 高聚物的屈服与断裂 8.2 屈服与冷拉
8.2.3 剪切带与银纹 8.2.4 高聚物大形变的热效应
8.3 断裂与强度 8.4 影响高聚物刚度、强度与韧性
的因素
8.2.3 剪切带与银纹(shear band and craze)
1) 剪切带:
韧性聚合物拉伸到屈服点时，常看到试样出现与拉伸方向成 大约± 450角倾斜的剪切滑移变形带。
因此高聚物在大形变时肯定会有热量生成 而使试样温度升高。
8.3 断裂与强度 (fracture and strength)
8.3.1 断裂概念与模式
1. 断裂概念：材料在应力作用下分裂成两部分或几部
分的现象。
2. 断裂特征：材料内部产生新表面。 3. 断裂过程：裂纹引发，慢速扩展，快速扩展。 4. 断裂模式(按受载方式分)：
v) 磨损磨耗：一种材料在与另一种材料的摩擦过程中， 其表面物质以小颗粒形式断裂下来。
5. 如何区分断裂形式？——关键看屈服 脆性断裂与韧性断裂
1) 脆性断裂
σ
σy >σb
σ
b
断裂应变小，
断裂能低。
2) 韧性断裂
σ <σ
y
b
断裂应变大， 断裂能高。
σ y
T 屈服应力对应变速率和 T b 温度的变化更敏感
韧性材料拉伸 ¾ ±450斜截面上的最大切应力首先
达到材料的剪切强度，试样上首 先出现与拉伸方向成±450角的相 互交叉的剪切滑移变形带(相当 于材料屈服)；
¾ 进一步拉伸，变形带中分子链高
度取向，使强度提高，暂时不再 发生进一步变形，但是变形带的 边缘进一步发生剪切变形，因而 试样逐渐生成对称的细颈，直至 细颈扩展到整个试样为止。
粗糙区
镜面区
雾状区
粗糙区 河流状
礼花状
脆性断裂与韧性断裂的差别
特征
脆性断裂
韧性断裂
是否线性 是
否
应力-应变 屈服
无
有
曲线 断裂能
低
高
断裂伸长率 小
较大
断裂面
光滑平整且垂直 粗糙且断口
于拉伸方向
凹凸不平
8.3.3 理论强度与实际强度
1. 理论强度： 高聚物材料
宏观现象 破坏或断裂
分子水平
高分子主链化学键的断裂 或分子链间范德华力和 氢键相互作用力的破坏
特点： 具有高剪切应变(可高达1.0以上)的薄层，双折射度很高，
说明该区域内高分子链高度取向。
单轴拉伸试样中任意截面上 正应力与截面倾角的变化
σ αn = σ 0 cos2 α
σ ατ
=σ0
sin 2α
2
任意截面上力的分解 单轴拉伸试样
课后作业：推导任意截面上的切应力和正应力表达式
韧性材料和脆性材料的拉伸过程比较：
高分子主链 化学键强度
高聚物的 理论强度
分子链间相互 作用力的强度
i) 直接加载下的断裂：材料在拉伸、压缩、剪切或 冲击载荷作用下断裂；材料断裂时的应力为断裂强度。
与动态力学实验的应力区别？
ii) 疲劳断裂：材料在一个应力水平低于其断裂强度的交 变应力作用下经多次循环作用而断裂；
iii) 蠕变断裂：材料在一个低于其断裂强度的恒定应力长 期作用下发生断裂。
iv) 环境-应力开裂：材料在环境介质和应力共同作用下发 生开裂。在该模式中，环境介质是第一位的；应力是第二位 的。
脆性材料拉伸 ¾ 在最大切应力达到剪切
强度前，正应力已超过 材料的拉伸强度，试样 来不及发生屈服就断裂
¾ 断裂时，最大法向应力
发生在横截面上，故试 样的断面与拉伸方向相 垂直。
2)银纹(craze) 脆性材料在拉伸过程中的微观屈服
银纹现象为高分子所特有，
是高分子在张应力作用下， 于材料某些薄弱地方出现应 力集中而产生局部的塑性变 形和取向，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 10μm左右、厚度约为1μm 的微细凹槽的现象
特征
明显的屈服点
无明显的屈服点
体积 力 结果
体积不变 剪切力 冷拉
体积增加 张应力 裂缝
一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服。
课后思考： 判断ASA和PP的屈服形式：
银纹屈服 剪切屈服
8.2.4 高聚物大形变的热效应
• 反抗粘性而作功，生成不可回复的摩擦热 • 反抗分子链取向的构象改变而释放的熵热 • 改变材料的内能的储存和释放 • 分子链断裂生成自由基 • 生成裂纹表面或空洞而增加新表面
知识回顾：
第8章 8.1 8.2
高聚物的屈服与断裂 应力-应变曲线 屈服与冷拉
1. 高分子与金属等的应力-应变行为差别
2. 高分子材料屈服过程的特征 3. 高分子冷拉的最大特点、冷拉的原因、本质和
温度范围，能实现屈服“冷拉” 的高分子特征
4. 高分子材料拉伸断裂前，其形变能否回复？ 5. 强迫高弹形变与高弹形变的异同 6. 能屈服冷拉的材料真应力-应变曲线
空穴 (体积约40%)
银
银
纹
纹
尖
底 密度和折光指数小于本体
在银纹和本体之间的界面上将对光线产生全反射现象，呈现银光闪 闪的纹路(所以也称应力发白)
E. 银纹(craze)与裂纹(crack)的区别与联系：
区别：
1) 银纹可发展到与试样截面相比拟的尺寸; 2) 卸载后，银纹不会闭合; 3) 恒拉伸载荷作用下，银纹尺寸恒速扩展; 4) 材料的弹性模量随银纹化程度的增加变化较小。
在脆化温度： σ y = σ b
Applications
材料一般使用温度为哪一段？ T >Tb
σ
Tb越低材料韧性越
σ b
好差
σ y
T
T
b
8.3.2 断裂过程与断口形貌
1) 揭示内部结构
全同立构聚丁烯－1 注射成型试样拉伸断口
双百度文库拉伸定向有机 玻璃拉伸断口
炭黑填充天然橡胶断口
2)反映断裂过程： 例1：有机玻璃
联系：
●裂纹往往始于银纹
有机玻璃里比无机玻 璃韧性好，why?
裂纹通过银纹扩展动画示意图
银纹的用处：银纹化是橡胶增韧塑料机理之一
F. 银纹与剪切带的异同点：
相同：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 剪切屈服
银纹屈服
形变曲线 形变大，几十~几百% ，有 形变小，<10%，