图解拉伸试验

(e) The Size of Spherulites 球晶大小
(f) The Degree of Crystallization 结晶度
Different types of stress-strain curve
Comparing
8.2 The plasticity and yielding of polymer 聚合物的塑性和屈服 高聚物屈服点前形变是完全可以回复的， 高聚物屈服点前形变是完全可以回复的 屈 •高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后 高聚物将在恒应力下“塑性流动” 高聚物将在恒应力下“塑性流动”，即链段沿外力 服 方向开始取向。 方向开始取向。
∆E RT
τ = τ 0e
τ = τ 0e
∆E − a σ RT
唯象角度
Necking 颈缩现象
为什么会出现细颈？ 为什么会出现细颈？ ——应力最大处。 应力最大处。 应力最大处 哪里的应力最大？ 哪里的应力最大？
Engineering stress and true stress 工程应力和真应力
断裂应力和屈服应力谁对应变速率更敏感？ 断裂应力和屈服应力谁对应变速率更敏感？ 谁对应变速率更敏感
韧性断裂
无 线性 小 小 有 非线性 大 大
平滑 Байду номын сангаас糙
断裂原因 发向应力 剪切应力 发向应力 剪切应力
脆韧转变温度 Tb
Brittle ductile transition 脆韧转变
Tb is also called brittle temperature.
——脆化温度，脆化点 脆化温度， 脆化温度 在一定速率下（不同 在一定速率下（ 温度） 温度）测定的断裂应 力和屈服应力， 力和屈服应力，作断 裂应力和屈服应力随 裂应力和屈服应力随 温度的变化曲线
Example: PMMA
(c) Composition of Polymers 物质结构组成
a: 脆性材料 b: 半脆性材料 c: 韧性材料 d: 橡胶
酚醛或环氧树脂 PS, PMMA PP, PE, PC Nature rubber, PI
(d) Crystallization 结晶
应变软化更明显 冷拉时晶片的倾斜 、滑移、转动，形 成微晶或微纤束
F
中间分子 链断裂
银 纹 的 扩 展
扩展
形成裂纹
银纹和剪切带均有分子链取向，吸收能 银纹和剪切带均有分子链取向， 量，呈现屈服现象
主要区别 形变 曲线特征 体积 力 结果 剪切屈服
形变大几十~几百 形变大几十 几百% 几百
银纹屈服 形变小 <10% 无明显的屈服点 体积增加 张应力 裂缝
有明显的屈服点 体积不变 剪切力 冷拉
8.2.1 Necking 细颈与剪切带 (1) 细颈 屈服时，试样出现的局部变细的现象。 细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。
出现“细颈 出现“ ”的位置 Orientation 出现“细颈 出现“ ”的原因 样条尺寸： 样条尺寸：横截面小的地方 应变软化： 应变软化：应力集中的地方 自由体积增加 无外力 松弛时间变短 有外力 细颈稳定 取向硬化 判据 Considère作图法 作图法
Chapter 8 Yielding and Fracture of Polymer 第八章 聚合物的屈服与断裂
Yielding and Fracture of Polymer 第八章 聚合物的屈服与断裂
——研究聚合物的极限性质，即在较大外力的持续作用 在较大外力的持续作用 或强大外力的短时作 强大外力的短时作后，聚合物发生大形变直至宏观破 强大外力的短时作 大 宏观破 断裂。 坏或断裂 断裂 8.1 The stress-strain curves 应力 应变曲线 应力-应变曲线
分 类
应力银纹 环境银纹 溶剂银纹
Microstructure of crazing
微纤 Microfibril
也称为银纹质
微纤平行与外力方向， 微纤平行与外力方向，银纹 平行与外力方向 长度方向与外力垂直 垂直。 长度方向与外力垂直。
银纹方向和分子链方向
银纹不是空的，银纹体的 密度为本体密度的50%， 折光指数也低于聚合物本 体折光指数，因此在银纹 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）。加热退 火会使银纹消失 。
断裂能 Fracture energy
∫
σdε
Stress-strain曲线下面积称作断裂能： 曲线下面积称作断裂能： 曲线下面积称作断裂能 材料从开始拉伸至破坏所吸收的能量。 材料从开始拉伸至破坏所吸收的能量。
Young’s Modulus 杨氏模量
形变过程
弹性形变 -屈服 应变软化 冷拉 应变硬化 断裂 屈服-应变软化 冷拉-应变硬化 屈服 应变软化-冷拉 应变硬化-断裂 从分子运动机理解释上述过程
化学键拉断
15000MPa 15000MPa
理论值
分子间滑脱
5000MPa 5000MPa
分子间扯离
氢键 500MPa 500MPa 范德华力 100MPa 100MPa
在断裂时三种方式兼而有之， 在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂 强度在几千MPa，而实际只有几十 强度在几千 ，而实际只有几十Mpa 。WHY？ ？
8.3 聚合物的断裂与强度
张应力 弯曲力矩 拉伸强度 拉伸模量
强度是指物质抵 抗破坏的能力
抗弯强度
弯曲模量
压应力
压缩强度
硬
度
如何区分 ——关键看屈服 断裂形式？
屈服前断 前 脆性断裂 屈服后断 后 韧性断裂
8.3.1 脆性断裂与韧性断裂
脆性断裂 韧性断裂 屈服前 断裂 屈服后 断裂 无塑性 流动 有塑性 流动 表面光滑 表面粗糙 张应力 分量 切应力 分量
一般情况下， 一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服
细颈、 细颈、剪切带和银纹比较
主要区别 形变量 曲线特征 体积 主要相同点 能量 吸收能量 吸收能量
细颈、 细颈、剪切带
形变量大 10~100%
银纹 形变量小 <10% 无明显的屈服点 体积增加
有明显的屈服点 体积几乎不变
一般来讲， 一般来讲，既有银纹屈服也有剪切屈服
Strain softening 应变软化
弹性变形后继续施加载荷，则产生塑性形变， 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： 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 应变软化：屈服后，应变增加， 应变软化 的现象，原因至今尚不清楚。 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。 呈现塑性不稳定性，最常见的为细颈。 呈现塑性不稳定性 •塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。 塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。 塑性形变产生热量 •发生“取向硬化”，应力急剧上升。 发生“取向硬化” 应力急剧上升。 发生 •试样断裂。 试样断裂。 试样断裂
Engineering stress True stress
F σ =σe = A0
Force Initial cross-section area Force Cross-section area
σ true
F = A
Relationship between engineering stress and true stress under incompressible condition
从应力—应变曲线可以获得的被拉伸聚 从应力 应变曲线可以获得的被拉伸聚 合物的信息
聚合物的屈服强度（ 点强度 点强度） 聚合物的屈服强度（Y点强度） 聚合物的杨氏模量（ 段斜率 段斜率） 聚合物的杨氏模量（OA段斜率） 断裂强度（ 点强度 点强度） 聚合物的 断裂强度（B点强度） 聚合物的断裂伸长率（ 点伸长率 点伸长率） 聚合物的断裂伸长率（B点伸长率） 聚合物的断裂韧性（曲线下面积） 聚合物的断裂韧性（曲线下面积）
fatigue fracture surface
SEM fracture surface of polymer and wood matrix
Comparing of brittle and ductile fractures（分析判断） 分析判断）
脆性断裂
屈服 σ-ε线 ε εb 断裂能 断裂表面 无 线性 小 小 平滑 有 非线性 大 大 粗糙
Typical stress-strain curve for amorphous polymer at temperature below Tg
Engineering stress to engineering strain
8.1.1 The stress-strain curves 应力 应变曲线 应力-应变曲线
e.g.
PA, 60 MPa PPO, 70 MPa
σ exp eriment
1 1 =( ~ )σ theory 100 1000
样条存在缺陷
理论值与实验结果相差原因
应力集中
polymer based concrete containing spherical inorganic particles
A point: Point of elastic limit 弹性极限点 Y point: Yielding point 屈服点
∆σ σ A E= = ∆ε ε A
B point: Breaking point 断裂点
εA 弹性极限应变 σA弹性极限应力 εB 断裂伸长率 σB断裂强度 σY 屈服应力
主 要 特 征
•高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为 高聚物在屈服点的应变相当大， 高聚物在屈服点的应变相当大 10%-20%（与金属相比）。 （与金属相比）。 •屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还 屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化， 屈服点以后 非常迅速。 非常迅速。 •屈服应力对应变速率和温度都敏感。 屈服应力对应变速率和温度都敏感。 屈服应力对应变速率和温度都敏感 •屈服发生时，拉伸样条表面产生“银纹”或“剪切 屈服发生时，拉伸样条表面产生“银纹” 屈服发生时 继而整个样条局部出现“ 带”,继而整个样条局部出现“细颈”。 继而整个样条局部出现 细颈”
（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， 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， 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 µm左右、厚度约为 µm的 左右、 出现长度为 、宽度为10 左右 厚度约为1 的 微细凹槽的现象
A0 l 0 A0 A= = l (1 + ε )
抵抗外力的方式
两 种 抗张强度： 抗张强度：抵抗拉力的作用 抗剪强度： 抗剪强度：抵抗剪力的作用 抗张强度 抗剪强度
力σ 0 力
α=0° ° α=45° °
力
σαn=σ0 σ σαs=σ0/2 σ
的 度
Shear band 剪切带
在细颈出现之 前试样上出现 与拉伸方向成 45° 45°角的剪切滑 移变形带
Temperature a: T<<Tg b: T<Tg c: T<Tg (几十度) d: T接近Tg
(b) Different strain rate
速度 速度
Strain rate
ε1 > ε 2 > ε 3 > ε 4
.
.
.
.
时温等效原理： 时温等效原理：拉伸速度快 =时间短 时间短 温度低
试样发生脆性或者韧性断裂与材料组成有关，除 试样发生脆性或者韧性断裂与材料组成有关， 此之外， 此之外，同一材料是发生脆性或韧性断裂还与温 有关。 度T 和拉伸速度ε 有关 相比于脆性断裂， 相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为 光滑 粗糙 断裂伸长率较 大 小
材料的断裂方式分析
聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或 是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。 是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。
8.1.2 Stress-strain curves under various conditions
各种情况下的应力-应变曲线 各种情况下的应力 应变曲线
(a) Different temperature
T T
Example-PVC 0°C 0~50°C 50~70°C 70°C Results 脆断 屈服后断 韧断 无屈服