7、屈服和断裂解析

普弹形变不同于高弹形变。普弹形变当外力消 失后，形变迅速回复，而高弹形变不易回复。 将玻璃态高聚物冷拉产生的形变（高弹形 变），在常温下这种形变是难以回复的。再将高 弹形变的样品加热到玻璃化温度，形变基本上可 以完全回复，这说明玻璃态高聚物冷拉中产生的 形变也属于高弹形变。称为强迫高弹性。
聚合物的屈服和断裂
高聚物材料的特点
金属的屈服与高聚物的塑性形变相类似， 但机理不同； 高聚物的刚度和强度不如无机非金属和 金属。
聚合物的屈服和断裂
7.1 聚合物的拉伸行为
7.1.1 玻璃态聚合物的拉伸 典型的玻璃态聚合物单轴拉伸时应力-应 变曲线如图7-1。
聚合物的屈服和断裂
聚合物的屈服和断裂
图形分析
①以B为界，曲线分为两个部分。在B点以前，即σ<σy时，属 弹性区，应力除去后，材料的应变会完全消失。弹性区起始 部分的斜率定义为弹性模量，即： E=（dσ/dε） ②在B点以后，即σ>σy时，属塑性区，除去应力后，材料残留 永久变形。BC段叫应变软化区，应力随应变的增大而下降； ③BC段应力基本保持不变； ④CB段应力随应变急剧上升，称为应变硬化区； ⑤C点为断裂点，对应的应力称为断裂强度，应变称为断裂应 变（也称断裂伸长率）。 ⑥从图中可以看出，随温度上升，弹性模量降低，材料变软。
聚合物的屈服和断裂
有机玻璃随温度变化的力学特征
有机玻璃随温度升高，其模量、屈 服强度和断裂强度下降，断裂伸长率 增加。在室温度附近，有机玻璃表现 为刚而脆；到60℃变为刚而韧；到 100℃，已接近于软而韧 。
聚合物的屈服和断裂
有机玻璃在不同温度下有机玻璃应力-应变曲线
聚合物的屈服和断裂
Fra Baidu bibliotek
7.1.2 玻璃态聚合物的强迫高弹形变
聚合物的屈服和断裂
冷拉
在拉伸的初始阶段，试样上均截面段被均匀拉 伸；到了屈服点，均截面局部区域出现颈缩；继 续拉伸时，缩颈区和未成颈区的截面积都保持不 变，但缩颈段长度不断增加，未成颈段不断减少， 直到试样上整个均截面段全部变成缩颈后，才再 度被均匀拉伸至断裂。如果试样在拉断前卸载， 或试样因被拉断而自动卸载，则拉伸中产生的大 形变除少量可回复外，大部分都将残留下来。这 样的拉伸形变过程称为冷拉。
聚合物的屈服和断裂
7.1.3 结晶高聚物的拉伸
聚合物的屈服和断裂
7.1.3 结晶高聚物的拉伸
它比玻璃态聚合物的拉伸曲线具有更明显的转折，整个 曲线可分为三段。第一段应力随应变线性增加，试样被均 匀地拉长（普弹形变），伸长率可达百分之几到百分之十 几，到Y点，试样的界面突然变得不均匀，出现一个或几个 “细颈”，由此开始进入第二阶段。在第二阶段，细颈与 非细颈部分的截面积分别维持不变，而细颈部分不断扩展， 非细颈部分逐渐缩短，直至整个试样完全变细为止（高弹 形变）。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。第二阶段总的应变随聚合物而不同，支 链的聚乙烯、聚酯、聚酰胺酯类可达500%，而线性聚乙烯 甚至可达1000%。接着第三阶段是成颈后的试样重新被均匀 拉伸，应力又随应变的增加而增大直到试样断裂。
产生强迫高弹性的原因
处于玻璃态的高聚物，未受到应力作用或所受的应 力较小时，链段运动的松弛时间τ链段大于观察时间t （取接于拉伸速率）。随作用力的增加，松弛时间缩 短。当应力增加到足够高，以至τ链段减小到与t同一数 量级或更短时，高聚物就发生从玻璃态向高弹态的转 变，产生高弹形变。这个强迫高聚物玻璃化转变为高 弹态所需的最低应力就是屈服应力。随着应力的增加， 连短运动的松弛时间将缩短。外力对松弛过程的影响 相当于升高温度相似。温度降低，为了使链段松弛时 间短到拉伸速度相适应，就需要有更大的应力，即必 须用更大的外力，才能使聚合物发生强迫高弹形变。
聚合物的屈服和断裂
材料韧性断裂的基本特点
断裂前试样发生大变形，形变在试 样的长度方向上往往不均匀（产生缩 颈），应力-应变曲线呈非线性关系， 大形变阶段应力应变曲线的斜率可以变 为零甚至负值，断裂能高；试样断裂后 有明显的残余应变，断裂与应力方向不 垂直。（断裂面不规则）一般认为，韧 性断裂是由切应力分量引起的。
聚合物作为材料使用时，总不可避免地会受到 各种各样的外力（拉伸、压缩、剪切、冲击等） 而产生变形甚至断裂。本章讨论玻璃态与结晶态 聚合物在受力情况下的屈服和断裂。 与无机非金属相比，高聚物的韧性十分优良， 最明显的表现是不少的高聚物材料在应力作用下 能屈服，并在断裂前产生大形变。
聚合物的屈服和断裂
聚合物的屈服和断裂
弹性模量与断裂强度
弹性模量表征材料的刚与柔，断裂强度 表征材料的强与弱。 材料断裂分脆性断裂和韧性断裂。
聚合物的屈服和断裂
材料脆性断裂的基本特点 断裂前试样均匀变形，应力-应变曲线 基本呈直线，断裂应变小（<5%），断裂 能低；试样断裂后几乎无残余应变，断裂 面垂直于应力方向（光滑）。一般认为， 脆性断裂是由作用力的张力分量引起的。
聚合物的屈服和断裂
第七章 高聚物的屈服与断裂
授课教师：贺国文 授课班级：1208501 化学与环境工程学院
2012年11月
聚合物的屈服和断裂
7.1 聚合物的拉伸行为 7.2 聚合物的屈服行为 7.3 聚合物的断裂理论和理论强度 7.4 影响聚合物实际强度的因素
聚合物的屈服和断裂
第七章 高聚物的屈服与断裂
聚合物的屈服和断裂
聚合物的品种繁多，性能各异，应力-应变曲 线常有以下几种： 刚而脆
聚合物的屈服和断裂
刚而强
聚合物的屈服和断裂
刚而韧
聚合物的屈服和断裂
软而韧
聚合物的屈服和断裂
软而弱
聚合物的屈服和断裂
力学性能的影响因素 由于高聚物具有突出的粘弹性，它们的 应力-应变行为受温度、应变速率和流体静 压力等因素的影响很大。
聚合物的屈服和断裂
颈缩区应变的本质
该区的高分子链（链段）或晶片高 度取向，从而在拉伸方向上的模量（刚 度）大大提高。与缩颈区相比，未成颈 区模量较低，在继续拉身中，容易变形， 不断转化为缩颈区；而缩颈区本身因模 量较高，形变较小。应变硬化是高聚物 冷拉成颈的必要条件。如果高聚物屈服 后，不发生应变硬化，则缩颈截面必然 越拉越细，直至断裂。