高分子物理 高分子物理 聚合物的屈服和断裂

（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
d? ' ? ? ' d? ?
（2 ） d? ' d?
有一个值
（3） d? ' 有二个值 d?
（2 ）
（3 ）
7 ．3 聚合物的断裂理论和理论强度
? 韧性材料在受到较大应力，或经受变形时，
可以发生屈服，吸收大量的能量，它使聚 合物材料在实际应用中可以发生较大的变 形或承受较大的冲击而不破坏。
? 外力超过一定限度，聚合物材料会发生韧
7.1.2玻璃态聚合物的强迫高弹形变
? 强迫高弹形变：为了区别于普通的高弹形变，玻
璃态高聚物屈服点以后材料的大形变的称为强迫 高弹形变。
? 实验证明，松弛时间与应力之间有如下关系
?
?
?
0
exp
?? ?
?
E ? a?
RT
?? ?
? 增加应力、提高温度都将使链段运动的松
弛时间缩短。
? 高弹形变条件：断裂应力大于屈服，即 T在Tb
7.2.2 真应力—应变曲线及其屈服判据
? 假定试样变形时体积
不变，则拉伸时实际 受力的截面积为
A ? A0l0 l
?
真应力：
? '?
F
? (1 ? ?)?
A
? 屈服点：
d? / d? ? 0
? 由此得： d? ' ? ? ' d? ?
（Hale Waihona Puke ）高聚物的真应力 —应变
曲线可归纳为三种类型：
（1 ）
性断裂，也可以发生脆性断裂。
? 影响聚合物材料的断裂行为的外界条件主
要是温度和应变速率。
7.3.1 断裂的分子理论
? 材料断裂过程是一个松弛过程，材料的宏
观断裂对应于微观化学键的断裂 ，是与时
间有关的活化过程 。
? 承载寿命与拉伸应力和绝对温度之间的关
系：
?
?? 0exp??U 0
?
? ??
kT
B
弹性的，只是形变被新产生的结晶所冻结 而已。加热到熔点附近，还是能回缩到未 拉伸状态的。
? 玻璃态和结晶聚合物的拉伸大形变都是高
弹形变，统称为“冷拉”。
? 玻璃态聚合物“冷拉”温度范围在Tb至Tg
之间，结晶聚合物“冷拉”温度范围在 T g 至Tm之间。
7.1.4 硬弹性材料的拉伸
?硬弹性材料：起始模量高。 ?拉伸行为：屈服点不明显，
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。
?? ?
? ?0 ,U 0 , ? 是决定聚合物强度特征的常数，k是
Boltzmann 常数。
7.3.2 非线性断裂理论
? 广义断裂理论：含有一裂缝的无限大的平
板试样在拉伸应力作用下，裂缝增长产生 单位面积体系消耗的总能量的普适表达式 为
? ? ? 0? (? 0 ,T , ? )
第七章 聚合物的屈服和断裂
? 7.1 高聚物的拉伸行为 ? 7.1.1 高聚物的拉伸 ? 典型的玻璃态聚合物单
轴拉伸时的应力—应变 曲线
? 一、现象
? 1、T<<Tg ，应力随应变成正比地增加，最后应变不
到l0％就发生断裂；
? 2、T<Tg ，出现屈服点 B，此时达到一个极大值，
称为屈服应力，过了 B点应力反而降低，试样应变 增大。试样断裂时总的应变不超过 20％；
7.2.1 聚合物单轴拉伸的应力分析
在试样上任意取一倾斜的 截面，设其与横截面的夹 角为α
Fn ? F cos? Fs ? F sin ?
，
? ?n
?
Fn A?
? ? o cos 2 ?
? ?s
?
Fs A?
?
(? o sin 2? ) / 2
两个互相垂直的斜截面上的剪应 力的数值相等，方向相反，它们 是不能单独存在的，总是同时出 现，这种性质称为切应力双生互 等定律。
? 以苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)
为例：
? 拉伸和复原过程的本质：
? 试样在亚微观上具有无规取向的交替层状
结构，其中塑料相和橡胶都成连续相。连 续塑料相的存在，使材料在室温下呈现塑 料性质。第一次拉伸，塑料相被撕碎分散 在橡胶连续相中。
7.2 高聚物的屈服
?脆性聚合物的拉伸断裂面一般
? 3、Tg以下几十度的范围内，屈服点之后，试样在
不增加外力或者外力增加不大的情况下能发生很大 的应变，直到最后断裂。断裂点 c的应力称为断裂应 力，对应的应变称为断裂伸长率；
? 4、T>Tg ，高弹形变，曲线不再出现屈服点。
? 二、分析：
? 玻璃态聚合物拉伸时，曲线的起始阶段应力与应变
成正比，表现出虎克弹性体的行为，直线的斜率即 试样的杨氏模量（很大）。形变由键长键角变化引 起，移去外力，试样将立刻完全回复原状。
? 屈服之前发生的断裂称为脆性断裂，屈服之后的断
裂，则称为韧性断裂
? 大形变的分子机理主要是高分子的链段运动，无法
完全回复，但是加果让试样的温度升到 Tg附近，则 可发现，形变又回复了。
? 如果在分子链伸展后继续拉伸，则出于分子链取向
排列，使材料强度进一步提高，因而需要更大的力， 所以应力又出现逐渐的上升，直到发生断裂。
? 一般来说，韧性材料拉伸时，斜截面上的
最大切应力首先达到材料的剪切强度，因 此试样上首先出现与拉伸方向成45 角的剪 切滑移变形带( 或互相交叉的剪切带 ) ，相 当于材料屈服。
? 对于脆性材料，情况则不同。在最大切应
力达到剪切强度之前，正应力已超过材料 的拉伸强度，因此试样来不及发生屈服就 断裂了。一般脆性材料有较高的压缩强度， 所以在受到单向压缩时，材料通常沿45 角 方向发生破裂。
转折前后曲线斜率不同。形 变可以自发基本回复，但形 成滞后圈。
? 硬弹性机理：晶片的弹性弯曲
?非晶硬弹性材料：体内有空洞相间的微纤， 硬弹性主要由形成微纤的表面能改变所贡 献。
7.1.5 应变诱发塑料—橡胶转变
? 这是某些嵌段共聚物及其与相应均聚物组
成的共混物所表现出来的一种特有的应变 软化现象。