第3章_高分子材料的断裂

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高分子材料断口研究

聚合物材料的断裂机理及其影响因素的研究（高材11201：王小飞；指导老师：高林教授）在结构材料的研发设计设计过程中“材料的失效”是我们的考虑重点。

在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料将会发生大变形直至宏观断裂。

那么，高分子材料的断裂机理是什么，哪些因素会影响材料的断裂？本文就这些问题进行研究，并关注最新的材料断裂机理研究进展。

关键词：高分子材料、断裂机理、脆/韧性断裂、断裂影响因素聚合物材料的塑性变形由深层的分子结构所致。

聚合物基本上由长的碳链组成，从1000到100000个原子，在原子间有极强的连接。

链之间的连接较弱。

但是，链间的强度取决于分子的复杂性，它受到交叉联接以及代替碳原子或与之联接的特殊分子的影响。

大量的实验表明，材料在断裂的过程中，空穴的扩展与塑性应变的相互影响会使断裂过程变得复杂。

脆/韧性断裂通常，高分子材料的断裂分为脆性断裂和韧性断裂。

脆性在本质上总是与材料的弹性响应相关联。

断裂前式样的形变是均匀的，致使试样断裂的缝隙迅速贯穿垂直于应力方向的平面。

断裂试样不显示有明显的推迟形变，断裂面光滑，相应的应力—应变关系是线形的或者微微有些非线性，断裂应变值低于5%，且所需能量也不大。

而韧性断裂通常有较大的形变，这个形变在沿试样长度方向可以是不均匀的，如果发生断裂，试样断裂粗糙，常常显示有外延的形变，其应力—应变关系是非线性的，消耗的断裂能很大。

一般脆性断裂是由所加应力的张应力分量引起的，韧性断裂是由切应力分量引起的。

聚合物材料断裂机理在简单的聚合物晶粒中不能像金属晶粒中发生的那样因滑移而引起塑性变形。

代之以此的是会使未折叠的或未纠缠的长链的取向产生变化，继续变形会使晶粒重新取向。

断裂发生的机理有两种：i沿着链（—C—C—）的强力的连接而断裂；ii使分子团相互分离。

后者涉及到打断分子间的比较弱的二次联接，也是更容易发生的。

由于形成长的分子团出现的变形会导致形成细的线，称为微丝，这是断裂的最后部分，在微丝断裂前，他们是高度地弹性伸长，并且在断裂瞬间又显著地弹回来，但其末端形成卷曲。

材料科学基础绪论和第一章

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一、材料科学的重要地位
表0-1 人类使用材料的
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二、各种材料概况
1.金属材料 2.陶瓷材料 3.电子材料、光电子材料和超导材料
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1.金属材料
图0-1 汽车中各种材料的大致比例
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1.金属材料
图0-2 波音767飞机所用的各种材料比例
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2.陶瓷材料
第二节原子结合键
三、混合键解：(1) MgO 据表1-2得电负性数据XMg=1.31；XO= 3.44，代入式(1-1)得： (2) GaAs 1)得据表1-2得XGa=1.81；XAs=2.18，代入式(1表1-3 某些陶瓷化合物的混合键特征
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第二节原子结合键
图1-8 原子间结合力 a)原子间吸引力、排斥力、合力 b)原子间作用位能与原子间距的关系
115.tif
图1-15 利用显微镜观察材料的组织
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第四节晶体材料的组织
图1-16 单相组织的两种晶粒形状 a)等轴晶 b)柱状晶
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第四节晶体材料的组织
二、单相组织三、多相组织
图1-17 两相组织的一些基本组织形态
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第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
图1-18 激活能的物理意义
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第三节原子排列方式
二、原子排列的研究方法
图1-13 X射线在原子面AA′和BB′上的衍射
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第三节原子排列方式
图1-14 X射线衍射分析示意及衍射分布图 a) X射线衍射分析示意图 b) SiO2晶体及非晶体的衍射分布图
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第四节晶体材料的组织

第三章 (1) 高分子材料的物理化学性质

热胀温度敏感型水凝胶指水凝胶的体积在某一温度附近随温度升高而突然增加这一温度叫做较高临界溶解温度ucstuppercriticalsolutiontemperatureucst以上大分子链亲水性增加因水合而伸展使水凝胶在ucst以上突然体积膨热缩温度敏感型水凝胶则是随温度升高大分子链疏水性增强发生卷曲使水凝胶体积急剧下降体积发生突变的温度叫较低临界溶解温度lcstlowercriticalsolutiontemperature
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（ii）pH敏感水凝胶：pH敏感性水凝胶是体积随环境pH值、离子强度变化的高分子凝胶。这类凝胶大分子网络中具有可解离成离子的基团，其网络结构和电荷密度随介质pH值的变化而变化，并对凝胶的渗透压产生影响；同时因为网络中添加了离子，离子强度的变化也引起体积变化。一般来说，具有pH值响应性的水凝胶都是含有酸性或碱性侧基的大分子网络，即聚电解质水凝胶。随着介质pH值、离子强度的改变，酸、碱基团发生电离，导致网络内大分子链段间氢键的解离，引起不连续的溶胀体积变化。
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热可逆性水凝胶有些聚合物水溶液在室温下呈自由流动的液态而在体温下呈凝胶态，即形成热可逆性水凝胶(TGR)。这一体系能够较容易地对特定的组织部位注射给药，在体内环境下很快形成凝胶。而且这种给药系统的制备较简单，只需将药物与聚合物水溶液进行简单地混合。如：聚环氧乙烷(PEO)与聚环氧丙烷(PPO)嵌段共聚物是已被批准用于药用辅料的高分子，商品名叫普流罗尼(Pluronic)或泊洛沙姆(Poloxamer)，依据其结构和浓度，这类聚合物存在两个临界相转变温度，即溶液-凝胶转变温度(相当于LCST)和凝胶-溶液转变温度，在这两个温度之间其水溶液呈现凝胶状态。利用这类共聚物水溶液低温溶液状态混合药物，尤其是生物类药物，注人体内形成凝胶，从而实现控制药物释放同时保护药物活性的功能。

高分子材料

一种即韧又硬的皮革态。此时,非晶态区处于高弹态, 具有柔韧性, 晶态区则具有较高的强度和硬度, 两者复合组成皮革态。
2. 高分子材料的机械性能特点 (1)强度低
100 MPa, 比金属低得多, 但由于其重量轻、密度小，许多高聚物的比强度还是很高的, 某些工程塑料的比强度比钢铁和其他金属还高。对于粘弹性的高聚物，其强度主要受温度和变形速度的影响。
另一类高分子化合物的分子中虽然也包含了成千上万个结构单元，但是所有的结构单元都是相同的，是由很多相同的单元连接在一起的，不少天然的有机高分子材料都有这样的结构，例如天然橡胶的主要成分是异戊二烯，棉纤维的主要成分是纤维素。
构成大分子的最小重复结构单元，简称结构单元，或称链节。构成结构单元的小分子称单体。
随着温度的升高，高聚物的力学
状态发生变化，在脆化温度Tb以下，高聚物处于硬玻璃态；在Tb～Tg之间处于软玻璃态；在略高于Tg时处于皮革态；在高于Tg较多时处于橡胶态；在接近于粘流温度Tf时处于半固态。
相应地，高聚物的性能由硬脆逐渐变为强硬、强韧、柔韧高分子材料
高分子材料又称为高分子聚合物(简称高聚物),是以高分子化合物为主要组分的有机材料。高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其相对分子质量一般在5000以上，有的甚至高达几百万。高分子化合物由低分子化合物通过聚合反应获得。组成高分子化合物的低分子化合物称作单体。
高分子材料的发展概况（1）蒙昧期：19世纪中叶以前人们是无意识地使用高分子材料。（2）萌芽期：20世纪初期出现化学改性和人工合成的高分子。（3）争鸣期：20世纪初期到30年代高分子（Macromolecule Polymer）概念形成。 1920年德国学者H.Staudinger发表了他的划时代的文献 “论聚合”，提出异戊二烯构成橡胶，葡萄糖构成淀粉，纤维素氨基酸构成蛋白质，都是以共价键彼此连接，提出高分子长链结构的概念。

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。

高分子化学导论第3章_自由基聚合机理及分子量链转移

链转移与链终止反应
链转移自由基与其他非自由基分子的反应
链终止自由基与自由基的反应
引发增长
E （kJ/mol)
k
特点
Ed:105~150 Ei: 21~34
Ep=20~34
kd: 10- 4~10- 6s-1 慢引发 kp=102~104l/mol·s 快增长
终止 Et=8~21
kt=106~108l/mol·s 速终止
如：过氧化乙酰环己烷磺酰（ACSP)
2) 无机过氧化物——过硫酸盐过硫酸钾，过硫酸铵
O
O
KO S O O S OK
O
O
O 2 KO S O
O
K2S2O8
2KSO4
水溶性引发剂
可单独使用，还可与适当的还原剂构成氧化还原体系，在室温或更低温度下引发聚合
3. 氧化-还原体系引发剂
由氧化剂与还原剂组合在一起，通过电子转移反应（氧化-还原反应），产生自由基而引发单体进行聚合特点：活化能低，可在室温或更低温度下引发聚合引发速率快，即活性大种类多
歧化终止的结果：
Xn与链自由基中的单体单元数相同。
每个大分子只有一端为引发剂残基，
另一端为饱和或不饱和（两者各半）。
终止方式与单体种类、聚合条件有关 St：偶合终止为主 MMA：>60℃歧化终止为主
< 60℃两种终止方式均有
链终止的特点： Et（终止活化能）很低，8-21KJ/mol Rt（终止速率）极高双基终止受扩散控制
均裂(homolysis) 共价键上一对电子分属两个基团，带独电子的基团呈中性，称为自由基
RR
2R
异裂(heterolysis) 共价键上一对电子全部归属于某一基团，形成阴离子，另一缺电子的基团，称做阳离子

付华-材料性能学-部分习题答案1

第一章材料的弹性变形一、填空题：1.金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗变形或断裂的能力。

2. 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。

3. 线性无定形高聚物的三种力学状态是玻璃态、高弹态、粘流态，它们的基本运动单元相应是链节或侧基、链段、大分子链，它们相应是塑料、橡胶、流动树脂（胶粘剂的使用状态。

二、名词解释1.弹性变形：去除外力，物体恢复原形状。

弹性变形是可逆的2.弹性模量：拉伸时σ=EεE：弹性模量（杨氏模数）切变时τ=GγG：切变模量3.虎克定律：在弹性变形阶段，应力和应变间的关系为线性关系。

4.弹性比功定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。

三、简答：1．金属材料、陶瓷、高分子弹性变形的本质。

答：金属和陶瓷材料的弹性变形主要是指其中的原子偏离平衡位置所作的微小的位移，这部分位移在撤除外力后可以恢复为0。

对高分子材料弹性变形在玻璃态时主要是指键角键长的微小变化，而在高弹态则是由于分子链的构型发生变化，由链段移动引起，这时弹性变形可以很大。

2．非理想弹性的概念及种类。

答：非理想弹性是应力、应变不同时响应的弹性变形，是与时间有关的弹性变形。

表现为应力应变不同步，应力和应变的关系不是单值关系。

种类主要包括滞弹性，粘弹性，伪弹性和包申格效应。

3．什么是高分子材料强度和模数的时-温等效原理?答：高分子材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率。

加载速率一定时，随温度的升高，高分子材料的会从玻璃态到高弹态再到粘流态变化，其强度和模数降低；而在温度一定时，玻璃态的高聚物又会随着加载速率的降低，加载时间的加长，同样出现从玻璃态到高弹态再到粘流态的变化，其强度和模数降低。

时间和温度对材料的强度和模数起着相同作用称为时=温等效原理。

四、计算题：气孔率对陶瓷弹性模量的影响用下式表示：E=E0 (1—1.9P+0.9P2)E0为无气孔时的弹性模量；P为气孔率，适用于P≤50 %。

高分子材料的稳定与降解-第三章-聚合物降解各论课件.ppt

* 实验发现，取向对PVC的光氧化有重要影响。拉伸取向后的样品在太阳光紫外线（波长大于300nm）照射下生成的羰基比未拉伸样品多得多。
原因：PVC拉伸过程中形成了一种构象，有利于自由基从分子链上夺取氢原子。
Thank yΒιβλιοθήκη u!证据：过程：在某个稳定性较差的位置无规的引发C－Cl 键断裂反应，生成大分子自由基，随后脱除 HCl。
缺陷：PVC脱HCl的自由基机理不能解释 HCl的自催化作用，也不能解释乙酸、 Lewis酸对脱HCl反应的催化作用。
(ii) 离子－分子机理：
(iii) 分子机理：
(3) 交联反应 PVC降解脱HCl以后，形成的共轭多烯结构。可能会发生分子间的Diels－Alder反应。
（1）聚氯乙烯光降解脱HCl的机理：一般认为是自由基机理： ① 第一步：无规断链生成自由基； ② 第二步：主链上生成一个孤立的不饱和键。
一般认为PVC脱HCl是“开拉链”反应：
要使PVC颜色发黄，至少需要连续7个共轭双键结构。从大分子上依次除去HCl将不断增加剩余链的共轭能，使下一步脱氯化氢所需的活化能降低，容易形成多烯链。
多烯结构的分子内环化反应会导致形成苯或其它芳环结构。
(4) 氧化断链有氧存在时，PVC的自由基降解过程必然发生氧化反应，其断链过程类似于聚烯烃的氧化过程。
烷氧自由基还可生成β位上带有氯原子的羰基，急剧激活PVC的脱HCl作用，并生成羰基烯丙基结构。
2. 聚氯乙烯的光降解 PVC在紫外光照射过程中发生降解和交联，生成共轭多烯和氯化氢。
热失重研究表明，PVC的分解分两阶段进行：
PVC脱HCl时，生成多烯结构，同时由于交联和环化，其相对分子质量增加。
（2）PVC脱HCl的机理：聚合物分子链上的非正常结构（支化、氯代烯丙基团、含氧结构、端基、头－头结构等）引发了脱HCl反应。含氯模型化合物的稳定性：

高分子材料的稳定与降解第三章聚合物降解各论

（i）链终止抗氧剂的稳定化选用抗氧剂时要根据具体条件下的[R.]和 [ROO.]之比。光氧化中， [R.]和[ROO.]的比值比在液态烃中大两个数量级以上。
抗氧剂多是光敏剂。但受阻酚类可以与紫外吸收剂起协同作用。
只能捕捉[R.]和[ROO.]二者之一的稳定剂通常抑制系数为1～2。能同时捕捉[R.]和[ROO.]二者的链终止抗氧剂的抑制系数远大于1。具有氧化和还原状态之间交替的能力的抗氧剂可显示出催化再生机理，对稳定聚合物有较大潜力。
有氧存在时，自由基的反应必然导致生成氢过氧化物，将促进聚合物的降解。
聚丙烯热氧化后，分子量上会出现：醛、酮、羧酸、酯、内酯等结构。
热氧化降解时的挥发产物：水、甲醛、乙醛、丙酮、甲醇、氢、过氧化氢、一氧化碳和二氧化碳。
物理性能的变化：
聚丙烯热氧化过程中，大分子烷基自由基是一个关键的中间体：
聚乙烯的热氧化产物：酮、羧酸、挥发分，少量的酯和内酯；高温氧化时有醛生成。
聚乙烯热氧化时的主要反应是交联反应，或生成长链支化产物。
一般认为：交联由于自由基相互结合而形成。现在有证据表明：自由基在双键上的加成非常重要。
（3）聚乙烯降解的应用研究 Pages研究了HDPE在冬季气候老化条件下结构和力学性能的变化。
例：亚硝基自由基的稳定化作用机理：
（ii）预防型稳定剂的稳定化预防型稳定剂降低链引发速率。包括三类： ① 紫外线屏蔽剂和紫外线吸收剂对光不透明或在300～400nm区间有强烈光谱吸收的化合物，通过某种途径能将能量无害地消散掉。例：反射性或不透明的颜料。紫外吸收剂对屏蔽作用贡献小。
② 激发态猝灭剂 ③ 分解氢过氧化物的光稳定剂。
PP/PE合金的溶液可能是均匀的单相体系，其降解和交联反应都受到抑制。

高分子物理(第四版)课后习题名词解释

以下为1~6章的名词解释，资料来源为高分子物理（第四版）材料科学基础（国外引进教材），化工大词典，百度百科，维基百科等。

第一章高分子链的结构全同立构：高分子链全部由一种旋光异构单元键接而成间同立构：高分子链由两种旋光异构单元交替键接而成构型：分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列，这种排列是热力学稳定的，要改变构型必需经过化学键的断裂与重组分子构造（Architecture）：指聚合物分子的各种形状，一般高分子链的形状为线形，还有支化或交联结构的高分子链，支化高分子根据支链的长短可以分为短支链支化和长支链支化两种类型共聚物的序列结构：是指共聚物根据单体的连接方式不同所形成的结构，共聚物的序列结构分为四类：无规共聚物、嵌段共聚物、交替共聚物、接枝共聚物接枝共聚物：由两种或多种单体经接枝共聚而成的产物，兼有主链和支链的性能。

嵌段共聚物（block copolymer）：又称镶嵌共聚物，是将两种或两种以上性质不同的聚合物链段连在一起制备而成的一种特殊聚合物。

环形聚合物：它的所有结构单元在物理性质和化学性质上都是等同的超支化聚合物：是在聚合物科学领域引起人们广泛兴趣的一种具有特殊大分子结构的聚合物构象：由于σ单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。

链段：高分子链上划分出的可以任意取向的最小单元或高分子链上能够独立运动的最小单元称为链段。

链柔性：是指高分子链在绕单键内旋转自由度，内旋转可导致高分子链构象的变化，因为伴随着状态熵增大，自发地趋向于蜷曲状态的特性。

近程相互作用：是指同一条链上的原子或基团之间，沿着链的方向，因为距离相近而产生相互作用远程相互作用：因柔性高分子链弯曲所导致的沿分子链远距离的原子或基团之间的空间相互作用。

远程相互作用可表现为斥力或引力，无论是斥力还是引力都使内旋转受阻，构想数减少，柔性下降，末端距变大。

自由连接链：假定分子是由足够多的不占体积的化学键自由结合而成，内旋转时没有键角限制和位垒障碍，其中每个键在任何方向取向的几率都相同。

第3章高分子材料的断裂-PPT课件

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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

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。

高分子材料破坏准则

高分子材料破坏准则高分子材料是一类重要的工程材料，具有广泛的应用领域。

然而，在使用过程中，高分子材料也会出现各种破坏现象，如断裂、蠕变、老化等。

为了确保高分子材料的可靠性和安全性，人们提出了一系列破坏准则。

高分子材料的断裂准则是研究和预测材料断裂行为的重要依据。

断裂是高分子材料破坏的主要形式之一，其断裂准则研究的是材料在受力过程中的断裂特性。

常见的断裂准则有线性弹性断裂准则、塑性断裂准则和粘弹性断裂准则等。

这些准则通过研究材料的应力应变关系，可以预测材料在不同应力条件下的断裂行为。

高分子材料的蠕变准则是研究和预测材料蠕变行为的重要指导。

蠕变是高分子材料在长期受力作用下产生的变形现象，其蠕变准则研究的是材料在不同温度和应力条件下的蠕变性能。

常见的蠕变准则有稳态蠕变准则、非稳态蠕变准则和热激活能蠕变准则等。

这些准则通过研究材料的应力应变关系和温度时间关系，可以预测材料在蠕变条件下的变形行为。

高分子材料的老化准则也是研究和预测材料老化行为的重要依据。

老化是高分子材料在长期使用过程中由于外界环境和内部结构的影响而导致性能下降的现象。

老化准则研究的是材料在不同老化条件下的性能退化规律。

常见的老化准则有时间温度转换准则、氧气压力准则和湿热老化准则等。

这些准则通过研究材料的老化速率、老化时间和老化温度等参数，可以预测材料在不同老化条件下的性能变化。

总结起来，高分子材料破坏准则是为了研究和预测材料的断裂、蠕变和老化等破坏行为而提出的一系列规律和准则。

这些准则通过研究材料的应力应变关系、温度时间关系和老化规律等，可以预测材料在不同条件下的破坏行为。

通过遵循这些准则，可以提高高分子材料的可靠性和安全性，保证其在工程应用中的稳定性和长寿命。

高分子物理课后习题答案

第1章高分子的链结构1.写出聚氯丁二烯的各种可能构型。

等。

2．构象与构型有何区别？聚丙烯分子链中碳—碳单键是可以旋转的，通过单键的内旋转是否可以使全同立构聚丙烯变为间同立构聚丙烯？为什么？答：（1）区别：构象是由于单键的内旋转而产生的分子中原子在空间位置上的变化，而构型则是分子中由化学键所固定的原子在空间的排列；构象的改变不需打破化学键，而构型的改变必须断裂化学键。

（2）不能，碳-碳单键的旋转只能改变构象，却没有断裂化学键，所以不能改变构型，而全同立构聚丙烯与间同立构聚丙烯是不同的构型。

5．聚乙烯分子链上没有侧基，内旋转位能不大，柔顺性好。

该聚合物为什么室温下为塑料而不是橡胶？答：这是由于聚乙烯分子对称性好，容易结晶，从而失去弹性，因而在室温下为塑料而不是橡胶。

9.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）δ=1.76,试计算其等效自由连接链长度b（已知碳—碳键长为0.154nm,键角为109.5°）。

解：b=1.17nm10.某聚苯乙烯试样的分子量为416000，试估算其无扰链的均方末端距（已知特征比Cn=12）。

答：均方末端距为2276.8nm2。

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。

凝聚态：为物质的物理状态，是根据物质的分子运动在宏观力学性能上的表现来区分的，通常包括固体、液体和气体。

内聚能密度：CED定义为单位体积凝聚体汽化时所需要的能量，单位：J/cm2晶系：根据晶体的特征对称元素所进行的分类。

结晶度：试样中的结晶部分所占的质量分数（质量结晶度）或者体积分数（体积结晶度）。

取向：聚合物的取向是指在某种外力作用下，分子链或其他结构单元沿着外力作用方向的择优排列。

高分子合金的相容性：两种或两种以上高分子，通过共混形成微观结构均一程度不等的共混物所具有的亲和性。

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？答：（1）内聚能密度：CED定义为单位体积凝聚体汽化时所需要的能量，单位：（2）内聚能密度在300 以下的聚合物，分子间作用力主要是色散力；内聚能密度在400 以上的聚合物，分子链上有强的极性基团或者分子间能形成氢键；内聚能密度在300-400 之间的聚合物，分子间相互作用居中。

高分子材料力学性能

全剪切应力下的流变曲线
曲线3：宾汉流体
D、触变性流体：t延长，粘度迅速下降；（例：重防腐涂料中的应用）
震凝性流体：反之
一、高聚物的流动性
§5.1 力学性能
1、第一牛顿区 2、第二牛顿区
一、高聚物的流动性
§5.1 力学性能
2、与结构的关系（η、 Tf 、非牛顿性）
解缠能力
1）分子量：
分子量越大，粘度越大， Tf 越高，非牛顿性越大
4）粘弹模型：建立模型－－模拟曲线－－得到参数
理想粘壶＋理想弹簧
分子运动
并联
串联
Kelvin 模型描述蠕变
Maxwell模型描述应力松弛
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
银纹化过程
裂缝
4）分子间作用力：越大：四屈服、强度与断裂
一Tf 越定高，的粘度温越高度，、一定的拉伸速度下，观察应力随应
变的变化曲线 5
ΔV= 0
柔性越大，Tf 越低，非牛顿性越大（粘度对剪切的敏感性大）
相比较而言
2、力学强度不同力学要求如何选材？
3、强度与结构的关系明显的松弛过程－－时间依赖性
弯曲形变较小时的载荷与挠度
• 抗冲击强度（韧性） σi=W/bd （kJ/m2)
2、力学强度
§5.1 力学性能
四屈服、强度与断裂
2）理论强度》实际强度，σ实=（1/100～1/1000 )σ理而模量接近原因：缺陷(裂缝、结构的不均一性）
3）强度理论： • 应力集中： • Griffith表面能理论（脆性材料）

《高分子材料加工工艺》复习资料习题答案

《⾼分⼦材料加⼯⼯艺》复习资料习题答案⾼分⼦材料加⼯⼯艺第⼀章绪论1.材料的四要素是什么？相互关系如何？答：材料的四要素是：材料的制备(加⼯)、材料的结构、材料的性能和材料的使⽤性能。

这四个要素是相互关联、相互制约的，可以认为：1)材料的性质与现象是新材料创造、发展及⽣产过程中，⼈们最关注的中⼼问题。

2)材料的结构与成分决定了它的性质和使⽤性能，也影响着它的加⼯性能。

⽽为了实现某种性质和使⽤性能，⼜提出了材料结构与成分的可设计性。

3)材料的结构与成分受材料合成和加⼯所制约。

4)为完成某⼀特定的使⽤⽬的制造的材料(制品)，必须是最经济的，且符合社会的规范和具有可持续发展件。

在材料的制备(加⼯)⽅法上，在材料的结构与性能关系的研究上，在材料的使⽤上，各种材料都是相互借鉴、相互渗透、相互补充的。

2.什么是⼯程塑料？区分“通⽤塑料”和“⼯程塑料”，“热塑性塑料”和“热固性塑料”。

答：按⽤途和性能分，⼜可将塑料分为通⽤塑料和⼯程塑料。

产量⼤、价格低、⽤途⼴、影响⾯宽的⼀些塑料品种习惯称之为通⽤塑料。

⼯程塑料是指拉伸强度⼤于50MPa，冲击强度⼤于6kJ/m2，长期耐热温度超过100℃的、刚性好、蠕变⼩、⾃润滑、电绝缘、耐腐蚀性优良等的、可替代⾦属⽤作结构件的塑料。

但这种分类并不⼗分严格，随着通⽤塑料⼯程化(亦称优质化)技术的进展，通过改性或合⾦化的通⽤塑料，已可在某些应⽤领域替代⼯程塑料。

热塑性塑料⼀般是线型⾼分⼦，在溶剂可溶，受热软化、熔融、可塑制成⼀定形状，冷却后固化定型；当再次受热，仍可软化、熔融，反复多次加⼯。

例如：PE、PP、PVC、ABS、PMMA、PA、PC、POM、PET、PBT。

热固性塑料⼀般由线型分⼦变为体型分⼦，在溶剂中不能溶解，未成型前受热软化、熔融，可塑制成⼀定形状，在热或固化剂作⽤下，⼀次硬化成型；⼀当成型后，再次受热不熔融，达到⼀定温度分解破坏，不能反复加⼯。

如PF（酚醛树脂）、UF（脲醛树脂）、MF（三聚氰胺甲醛树脂）、EP（环氧树脂）、UP（不饱和树脂）等。

高分子概论高分子合成材料资料讲解

油基树脂漆、合成树脂类漆——成膜物质
2020/10/17
涂料 —— 涂料类型
油基树脂漆：油脂类漆——基于植物油、或植物油加天然树脂、或
植物油加改性酚醛树脂的涂料。大漆——天然漆（土漆、笨漆、生漆），水乳胶漆；
含有50-80%漆酚（成膜物质）、〈1%漆酶（催干剂）、 20-40%水分、3-9%树脂质、1-5%油分。
v3
V2 > V1 = V3
擦胶
2020/10/17
橡胶加工工艺
压出——在压出机机筒和螺杆间的挤压下，使胶料连续通
过一定形状的口型，制成各种复杂断面半成品。
成型——把构成制品的各部件，通过粘贴、压合等方法组
合成一定形状的最终制品。
硫化——使橡胶大分子由线型结构转变为网状结构
目的：消除永久变形、提高力学性能。
2020/10/17
橡胶制品的原材料
生胶、再生胶配合剂：硫化剂
硫化促进剂硫化活性剂防焦剂防老剂补强剂、填充剂软化剂、着色剂、溶剂、
发泡剂、隔离剂等。骨架材料（纤维、金属材料）
纺织纤维、钢丝、玻璃纤维帘子布、帆布、线绳、针织品钢丝、钢丝帘子布
2020/10/17
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2020/10/17
2020/10/17
2020/10/17
塑料塑料 – plastics：以聚合物为主要成分，在一定条件下（温度、压力）可塑成一定形状，并且在常温下保持其形状不变的材料。热塑性塑料：可重复受热塑化、冷却硬化。热固性塑料：交联聚合物，受热后不再回到可塑状态。
通用塑料：产量大、价格低、力学性能一般，主要作为非结构材料使用，如：PP、PE、PVC、PSt等。
混炼——将配合剂混入生胶中制成质量均匀的混炼胶目的：得到符合性能要求的混炼胶。方法：机械混炼——开炼机、密炼机、螺杆塑炼机

第3章材料的断裂习题解答

1 韧性断裂韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。 2 脆性断裂脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。 3 剪切断裂剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。包括纯剪切断裂和微孔聚集型断裂，微观断口特征花样则是断口上分布大量“韧窝” 。 4 解理断裂在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。解理台阶、河流花样和舌状花样是解理断口的基本微观特征。 5 断裂韧度K ⅠC K Ⅰc 为平面应变断裂韧度，表示材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力；K I ≥K Ｉc →→裂纹失稳扩展，引起脆性断裂；K I <K Ｉc 时，存在的断裂
解：
因为 σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7，所以裂纹断裂韧度 KIC 不需要修正
对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的 KI 为： KIC=Yσcac1/2 对于表面半椭圆裂纹，Y=1.1 所以，KIC=Yσcac1/2=1.1
π /φ=1.1 π
π × 150 × 25 × 10 −3 =46.229（MPa*m1/2）
10、断裂韧度ＫＩＣ与强度、塑性之间的关系：总的来说，断裂韧度随强度的升高而降低。详见新 P80/P93 11、影响ＫＩＣ的冶金因素：内因：1、学成分的影响；2、集体相结构和晶粒大小的影响； 3、杂质及第二相的影响；4、显微组织的影响。外因：1、温度；2、应变速率。P81/P95 12.有一大型板件，材料的 σ0.2=1200MPa，KIc=115MPa*m1/2，探伤发现有 20mm 长的横向穿透裂纹，若在平均轴向拉应力 900MPa 下工作，试计算 KI 及塑性区宽度 R0，并判断该件是否安全？解：由题意知穿透裂纹受到的应力为σ=900MPa 根据 σ/σ0.2 的值，确定裂纹断裂韧度 KIC 是否休要修正因为 σ/σ0.2=900/1200=0.75>0.7，所以裂纹断裂韧度 KIC 需要修正对于无限板的中心穿透裂纹，修正后的 KI 为：