第八章聚合物的屈服和断裂
聚合物的屈服与断裂
法向应力
σ αn
=
F cos α A0 / cos α
= σ 0 cos 2 α
剪切应力
σαs
=
F A0
sinαcosα
=
12σ0
sin2α
讨论：在45°时剪切力最大
α=0° α=45° α=90°
σαn=σ0 σαn=σ0/2
σαn=0
σαs=0 σαs=σ0/2
σαs=0
银纹与裂缝的区别？
中间分子 链断裂
银
纹
的
扩展
扩
展
形成裂纹
橡胶粒子引发银纹示意图
ABS中两相结构示意图 其中白粒子为橡胶相
应力作用下橡胶粒子变形， 造成应力集中，引发银纹
• 聚合物的分子参数与银纹化
• 聚合物分子量达到一定值后会发生分子间的缠结，形成物 理交联结构，其最大拉伸比λ max与缠结点平均距离d、网 链全伸展长度Le有关。
室温下易不易碎？
PMMA聚甲基丙烯酸甲酯
2β
=
-
1 2
σ
0
sin
2α
因此：σαn + σ βn = σ 0
σαs = -σ βs
两个互相垂直的斜面上的发向应力之和是一定值，等于正应力。
两个互相垂直的斜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。
抵抗外力的方式
两 抗张强度：抵抗拉力的作用 种
概述
研究聚合物的极限性质，即在较大外力持续作用或强大 外力短时间作用后，聚合物发生大形变至宏观破坏或断裂。 强度：材料抵抗破坏或断裂的能力称为强度。 屈服：高分子材料在外力作用下产生塑性形变。
第八章聚合物的屈服和断裂
8
第8章聚合物的屈服和断裂 Yield and Fracture of Polymers
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
8.1.1 非晶态聚合物
Point of elastic limit
弹性极限点
Strain softening 应变软化
B
Y
A
A
E
A
O
Breaking point
断裂点
Yielding point 屈服点
B
Y
N
A
A y
D
plastic deformation
塑性形变
使材料屈服需要更大的外力，材料的屈服强度提高，材料在断裂
前不发生屈服，表现为脆性断裂
所以，降低温度与提高外力作用速率有同样的效果，
这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。
23
第8章聚合物的屈服和断裂 Yield and Fracture of Polymers
Brittle-ductile Transformation脆韧转变
第8章
聚合物的屈服和断裂
Yield and Fracture of Polymers
1
第8章聚合物的屈服和断裂 Yield and Fracture 应，如形变大小、形变的
可逆性及抗破损性能等。
在不同条件下聚合物表现出的力学行为：
高弹性、粘弹性和流动性
产生大的形变，可见增加应
8聚合物的屈服和断裂
• 聚合物材料在各种使用条件下所能表现出 来的强度和对抗破坏的能力是其力学性能 的重要方面。
• 目前人们对聚合物强度的要求越来越高， 因此研究其断裂类型、断裂形态、断裂机 理和影响强度的因素，显得十分重要。
8.2.5
使银纹不至于发展成破坏性裂纹。
泊松比：拉伸试验中，材料横向单位宽度的减小与 纵向单位长度的增加之比值。
疲劳
• 疲劳是材料或构件在周期应力作用下断裂 或失效的现象，是材料在实际使用过程中 常见的破坏形式。
• 在低于屈服应力或断裂应力的周期应力作 用下，材料内部或其表面应力集中处引发 裂纹并促使裂纹传播，从而导致最终的破 坏。
内因
外因
• 有裂缝的材料极易开裂。 • 而且，裂缝端部的锐度对裂缝的扩展有很 大的影响。
– 例如，塑料雨衣，一有裂口，稍不小心，就会 蔓延而被撕开。如若在裂口根部剪成一圆孔， 它就较难扩展。这表明，尖锐裂缝尖端处的实 际应力相当大。
a、b：椭圆长、短轴 ρ：裂缝尖端的曲率 半径
切应力
两个互相垂直的斜面上的 切应力数值相等，方向相 反，不能单独存在，总是 同时出现。
• 不同聚合物有不同的抵抗拉伸应力和剪切应力破坏的能力。
• 一般，韧性材料拉伸时，斜截面上的最大切应力首先达到材 料的的抗剪强度，因此试样上首先出现与拉伸方向成约45度 角的剪切滑移变形带（或相互交叉的剪切带），相当于材料 屈服。进一步拉伸时，变形带中由于分子链高度取向时强度 提高，暂时不再发生进一步变形，而变形带的边缘则进一步 发生剪切变形。同时，倾角为135度的斜截面上也要发生剪 切滑移变形。因而试样逐渐生成对称的细颈。 • 对于脆性材料，在最大切应力达到抗剪强度之前，正应力已 经超过材料的拉伸强度，试样不会发生屈服，而在垂直拉伸 方向上断裂。
第八章聚合物的屈服与断裂
非晶聚合物的强迫高弹形变
研究高聚物拉伸破坏行为时，特别要注意在较低温度 下的拉伸、屈服、断裂的情形。对于非晶聚合物，当 环境温度处于 ＜ ＜ 时，虽然材料处于玻璃态， 链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分 之几百的大变形（参见图8-4中T = 80℃，60℃的情 形），这种变形称强迫高弹形变。
0
B
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。
A point: Point of elastic limit 弹性极限点
Y point: Yielding point 屈服点
A E A
εy
B point: Breaking point 断裂点
玻璃态聚合物的拉伸与结晶聚合物的拉伸相似之处
即两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变 以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自 发回复，而加热后则产生回复，故本质上两种拉伸过 程造成的大形变都是高弹形变。该现象通常称为“冷 拉”。 两种拉伸过程又有区别： 即产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉温 度区间是Tb到Tg，而结晶聚合物则为Tg至Tm；另一差 别在于玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化 比晶态聚合物简单得多，它只发生分子链的取向，并 不发生相变，而后者尚包含有结晶的破坏，取向和再 结晶等过程。
讨论
（1）这种现象既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘 流态下的粘性流动。这是一种独特的力学行为。 （2）现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫 发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这 种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（ ＞ ）仍可 恢复或部分恢复。 （3）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链 段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种 “活化”作用。从链段的松弛运动来讲，提高应力降低了链 段在作用力方向上的运动活化能，减少了链段运动的松弛时 间，使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。
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。
第八章聚合物的力学性能
3）聚合物的屈服应力对应变速率有依赖性，随应 变速率增加屈服应力增加；
4）聚合物的屈服应力随温度的增加而降低，到达 玻璃化温度时屈服应力降低为零； 5）聚合物可以产生两种形式屈服：银纹屈服和剪 切屈服；
一、银纹屈服——Craze 聚合物受到张应力作用后，
由于应力集中产生分子链局部取向和塑性变形，在材料表 面或内部垂直于应力方向上形成的长100、宽10、厚为微米 左右的微细凹槽或裂纹的现象。
可以向真应力—应 变曲线作出两条切 线，说明试样受力 会屈服并稳定发展， 直至所有试样都细 颈化。
§8-3 聚合物的屈服
1）聚合物材料的屈服应变比一般材料的屈服应变 大的多。金属材料的屈服应变一般为0.01或更小， 而高分子材料的屈服应变可达0.1~0.2左右；
2）许多聚合物屈服后随应变增加应力反而有一定 的下降——应变软化现象；
σ
在高拉伸速度下 σY >σB，导致试样在未发生屈 服就断裂。因此只有在较慢的拉伸速度下，玻璃态 聚合物的强迫高弹形变才可以发生。
3）分子结构 分子链柔性好的聚合物不容易在玻璃态下发生 强迫高弹形变，而刚性链聚合物却相对容易发生强 迫高弹形变。 1）柔性链聚合物形成玻璃态时分子链堆砌非常紧 密，链段活动空间很小，在玻璃态下链段运动非 常困难，需要很大外力才能使链段发生运动。所 以柔性链聚合物在玻璃态下难以发生强迫高弹形 变———Tb较高。 2）刚性链聚合物冷却成玻璃态时分子链之间堆砌 的比较松散，链段活动余地很大，施加不太大的 外力作用链段的运动就可以发生，容易出现强迫 高弹形变——Tb较低。
三、聚合物应力— 应变曲线的类型
五种应力-应变曲线的特征
类型
硬而脆 硬而强 强而韧 软而韧 软而弱
模量
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。
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。
高分子物理名词解释
一、概念与名词第一章高分子链的结构高聚物的结构指组成高分子的不同尺度的结构单元在空间相对排列，包括高分子的链结构和聚集态结构。
高分子链结构表明一个高分子链中原子或基团的几何排列情况。
聚集态结构指高分子整体的内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构和织态结构。
近程结构指单个大分子内一个或几个结构单元的化学结构和立体化学结构。
远程结构指单个高分子的大小和在空间所存在的各种形状称为远程结构化学结构除非通过化学键的断裂和生成新的化学键才能改变的分子结构为化学结构。
物理结构而一个分子或其基团对另一个分子的相互作用构型分子中各原子在空间的相对位置和排列叫做构型，这种化学结构不经过键的破坏或生成是不能改变的。
旋光异构结构单元-CH2--C*HR-型的高分子，由于每一个结构单元含有一个C*，因此，它们在高分子链中有三中键接方式，即全同、间同、无规立构，此即为旋光异构。
全同立构结构单元-CH2--C*HR-型的高分子，由于每一个结构单元含有一个C*，因此，它们在高分子链中有三种键接方式，若高分子链中C*的异构体是相同的，此即为全同立构。
间同立构结构单元-CH2--C*HR-型的高分子，由于每一个结构单元含有一个C*，因此，它们在高分子链中有三种键接方式，若高分子链中C*的两种异构体是交替出现的，此即为间同立构。
无规立构结构单元-CH2--C*HR-型的高分子，由于每一个结构单元含有一个C*，因此，它们在高分子链中有三种键接方式，若高分子链中C*的两种异构体是无规则出现的，此即为无规立构。
有规立构全同和间同立构高分子统称为有规立构。
等规度全同立构高分子或全同立构高分子和间同立构高分子在高聚物中的百分含量。
几何异构当主链上存在双键时，而组成双键的两个碳原子同时被两个不同的原子或基团取代时，即可形成顺反异构，此即为几何异构。
顺反异构当主链上存在双键时，而组成双键的两个碳原子同时被两个不同的原子或基团取代时，即可形成顺反异构，此即为几何异构。
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
2019年整理11级高分子物理7 聚合物的屈服和断裂精品资料
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7.3.4 聚合物的理论强度
第三种情况，断裂时部分氢 键或范德华力的破坏。
估算出氢键和范德华键的拉 伸强度分别为400MPa和 120MPa，与实际测得的高 度取向纤维的强度是同数量 级。
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7.4 影响聚合物实际强度的因素
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7.4.1 聚合物本身结构的影响
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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当原子热运动的无规热涨落能量超过束缚原子间的势 垒时，会使化学键离解，从而发生断裂。
承载寿命
＝ 0
exp
U
0
kT
B
拉伸应力
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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
2a b
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max 0 1 2
c
2 0
c
b2/a
锐口的应力集中系数比钝 口的大得多。
32
7.4.3 应力集中的影响
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7.4.4 增塑剂的影响
聚合物的屈服与断裂
第8章聚合物的力学性质8.1力学性质的基本物理量当材料在外力作用下，材料的几何形状和尺寸就要发生变化，这种变化称为应变(strain)。
此时材料内部发生相对位移，产生了附加的内力抵抗外力，在达到平衡时，附加内力和外力大小相等，方向相反。
定义单位面积上的附加内力为应力(stress)。
有三种基本的受力-变形方式(图9-1)：１、简单拉伸(stretch or tensile)张应力，张应变杨氏模量，拉伸柔量２、简单剪切(shear)切应力，切应变(当足够小时)切变模量，切变柔量３、静压力围压力，压缩应变：本体模量，本体柔量(压缩率)有四个材料常数最重要，它们是E，G，B和。
是泊松比，定义为在拉伸试验中，材料横向单位宽度的减小与纵向单位长度的增加的比值，即没有体积变化时，＝0.5(例如橡胶)，大多数材料体积膨胀，<0.5。
四个材料常数已知两个就可以从下式计算另外两个。
显然E>G，也就是说拉伸比剪切困难。
三大高分子材料在模量上有很大差别，橡胶的模量较低，纤维的模量较高，塑料居中。
工程上表征材料力学性能的物理量主要有：１、抗张强度(kg/cm2)２、抗冲强度(或冲击强度) (kg.cm/cm2)试验方法有两类：简支梁式(Charpy)——试样两端支承，摆锤冲击试样的中部。
悬臂梁式(Izod)——试样一端固定，摆锤冲击自由端。
Charpy试样又分两类：带缺口和不带缺口。
根据材料的室温冲击强度，可将高聚物分为脆性、缺口脆性和韧性三类。
３、硬度(以布氏硬度为例) (kg/mm2)以上各式中：P为负荷；、b、d分别为试样的长、宽、厚；W为冲断试样所消耗的功；D为钢球的直径；h为压痕深度。
8.2应力-应变曲线１、非晶态聚合物的应力-应变曲线以一定速率单轴拉伸非晶态聚合物，其典型曲线如图8-2所示。
整个曲线可分成五个阶段：图8-2非晶态聚合物的应力-应变曲线①弹性形变区，从直线的斜率可以求出杨氏模量，从分子机理来看，这一阶段的普弹性是由于高分子的键长、键角和小的运动单元的变化引起的。
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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（）。
A、刚性粒子增韧B、三轴应力空化机理C、银纹剪切带机理D、纤维增韧机理10、提高高分子材料的拉伸强度有效途径为（）。
A、提高拉伸速度，B、取向，C、增塑，D、加入碳酸钙11、在高分子材料的拉伸试验中，提高拉伸速率时，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降低三、判断正误题（在括号内写出判断的正确或错误）1、在σ-ε曲线试验中，在相同温度下，随着拉伸速度的增加，大多数聚合物的杨氏模量、屈服应力及断裂强度均增大。
（）2、在σ-ε曲线测试中，在同样拉伸速度下，随着温度的增加，大多数聚合物的杨氏模量、屈服应力及断裂强度均下降（）3、高聚物产生屈服是由银纺纹引起的（）4、冷拉和强迫高弹性的运动单元都是链锻（）5、只有在脆化温度以下才会出现脆性断裂（）6、银纹的产生有利于提高材料的拉伸强度的冲击强度（）7、在Tg以下高分子材料的链段和整链都不会运动（）8、理论强度是一个不可实现的值（）9、交联后材料的强度一定会提高（）10、线型聚乙烯的强度比支化聚乙烯的强度高、韧性好（）11、分子间作用力大的材料强度高（）12、交联可使高聚物的强度提高、韧性减小（）四、填空题1、适当温度区间，聚合物都会出现冷拉现象，其中非晶态聚合物的冷拉温度区间为（）。
2、材料的强弱用物理量（）来衡量；韧脆用物理量（）来衡量，硬软用物理量（）来衡量。
3、由应力—应变曲线可知，材料破坏有两种方式，即（）和（）。
4、橡胶增韧塑料可用机理解释，如ABS塑料；而纳米GaCO3增韧塑料为增韧机理解释。
5、聚合物在拉伸试验中，初始阶段的应力与应变的比值叫；应力－应变曲线下的面积称作，反映材料的拉伸断裂韧性大小。
五、简答题1、玻璃态高聚物可以产生强迫高弹性的机理为何2、在何种情况下高聚物呈脆性3、从高分子链结构的角度有何原则能降低脆点4、试讨论以下三种不同类型聚合物的应力－－应变曲线的差别和特征（１）低Tg的非晶态聚合物（２）高Tg的结晶聚合物（３）低硫化度的橡胶5、同样材料，长度相等的两根试样，一根截面积为正方形，边长为D另一根截面积为圆形，直径为D如果都被两端支起，中间加荷W问哪根弯曲得历害些，其挠度比是多少？6、材料的软硬，强弱和脆韧在材料力学上用什么参数来描述。
7、与金属和陶瓷材料相比聚合物材料具有哪些新特点。
8、高分子材料理论强度与实际强度相差很大，请分析一下原因9、无论粉状填料或纤维状填料，在使用都需表面活化，为什么？10、高抗冲聚苯烯与普通的聚苯乙烯相比有什么新特点？11、提高拉伸速率，高聚物的屈服应力和拉伸强度都相应提高，为什么?12、何谓高弹形变和强迫高弹形变? 有何异同？13、如何用物理方法提高聚苯乙烯的抗冲击强度，具体说明并用应力-－应变曲线说明之14、晶态，非晶态高聚物的冷拉曲线有何不同？15、在下题中的括号内标上合适的数码应力－应变曲线a.HIPSb.PS ( )( )ε(%)图5-1 应力--应变曲线16、简述高聚物增韧的几种途径和机理，并以抗冲击聚苯乙烯为例加以讨论。
17、图为室温下三种类型高聚物的应力－－应变曲线，试分别按曲线的序号回答下列问题(1)说明其力学性质的特点(2)举出1-2个有代表性的高聚物ABC图5-2 应力--应变曲线18、试说明高聚物的实际抗张强度远低于其理论的抗张强度的原因，并以聚乙烯为例，指出提高聚乙烯抗张强度的办法。
19、提高拉伸速率，高聚物的屈服应力和拉伸程度都相应提高20、有三种材料的应力-应变曲线如图所示。
A 、 哪种材料的弹性模量最高？B 、 哪种材料的伸长率最大？C 、 哪种材料的韧性最高？D 、 哪种材料的在断裂前没有明显的塑性变形？判断顺E 、 丁橡胶、尼龙6、酚醛塑料分别对应1、分别示意绘出无规聚甲基丙烯酸甲酯、全同强迫高弹性料─橡胶转变,指出其异同点。
哪种材料的曲线？2立构聚苯乙烯和交联聚乙烯的温度-形变曲线。
并且在图形上标出特征温度，同时写出对应的物理含义。
22、试从聚合物结构分析（１）非晶态聚合物有 （２）结晶聚合物的冷拉（３）共聚物的应变诱发塑23、指出改善高分子材料的下列力学性能的主要途径（１）提高结构材料的抗蠕变性能（２）减少橡胶材料的滞后损失（３）提高材料的抗张强度（４）提高材料的抗冲击强度5、下图为四种不同高分子材料拉伸时的应力─应变曲线，试分析这四种聚合物力学性能的特征，结构特点 四种高分子材料的应力--线，结合聚合物的结构特点讨论各曲线所 bε9、下图为某种高聚物在不同温度下测聚物可能是什么？例子 、论述题速率，高聚物的屈服应力和拉伸程度都相应提高度下的拉伸应力-应变曲线应力应变曲线的起始斜率是2.0MPa ，要把体积4.0cm 3的这种橡胶缓慢可逆地拉伸到其原来和使用范围。
图8-3 应变曲线8、图中a b c d 是四种高聚物在相同测试条件下所得应力--应变曲表示的意义，并以b 为例说明通过该实验可得到哪些数据。
σd ca图8-4 应力--应变曲线得的应力－-应变曲线，请回答： (1)四条曲线的测定温度范围， (2)每条曲线的特征， (3)这种高 (4)如果四条曲线是不同聚合物在常温下测得的结果，这种聚合物可能是什么？分别举一个 σ bacd图5-5 应力--应变曲线 ε六1、提高拉伸2、试述典型纤维材料的应力-应变曲线特征3、画图并简单解释，同一种高聚物在不同温4、从分子运动理论分析非晶态高聚物典型的应力-应变曲线5、高聚物的理论强度与实际强度相差巨大，试分析其原因。
6、HIPS 的冲击强度较PS 提高很多，试从理论上分析其原因。
七、计算题：1、理想橡胶的长度的两倍，需要做多少焦耳的功？]3[221−+=λNkT W 依据： 2λ ；当ε很小时，E ＝3N 1kT 2、根据下列测定数据，计算PE 的理论强度（kg/cm ）并与实测强600kg/cm 2比较（１）红外光谱测得C 之间试样的有效尺寸长4in 宽1in 厚0.1in,若试样的杨氏模量为3.5×1010dyn.cm -2料，在形变前后体积近似不变时，其泊松比为=1/2并指出各种模量的硫化橡胶试样，其长度为15cm ，截面积0.02cm 2 ，于25℃拉伸至断裂，已知断裂负荷为44.4N ，(已知R ＝8.314J/K.mol) 2度－C 键和色散力的自然振动频率(以波数表示）分别为990cm -1和80 cm -1；（２）Ｘ一射线分析测得其晶胞大小为 a=0.740nm ，b=0.254nm ，c=0.493nm ，等同周期为b=0.254nm ， 每个晶胞包含２个PE 链。
(注)拉开每个键所需之键力(σ键=4.8×10-9mW （达因/键）,W 为自然振动频率（波数），m 为折合质量，对PE 折合质量以CH 2计，另1克=980达因 。
3、在一次拉伸试验中，试件夹问加负荷100N 该试件应伸长多少？4、试证明当形变较小而各向同性的材极限值。
5、现有一断裂时试样长度为起始长度的５倍，计算该试样：(1)断裂时的工程(或习用)应力， (2)断裂功。