高分子材料的断裂和强度课件
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v 抗冲击性是高聚物材料使用性能的重要方面，提高分子链的柔顺性可 以改善高聚物的抗冲击性，冲击力是一种快速作用力，往往使分子链 来不及做出构象调整，即链段材料来不及作松弛运动以分散应力，从 而出现脆性破坏，只有高聚物处于高弹态或分子链柔顺性大者，才具 有较好的抗冲击性，通过使用增塑剂、增韧剂或共混改性可以改善高 聚物的抗冲击性。
v所谓脆性断裂是在屈服点之前断裂，断裂面光滑，消耗 的断裂能不大
v所谓韧性断裂是在屈服点之后断裂，断裂面粗糙，消耗 的断裂能很大。
v而材料的脆性断裂，在工程上必须尽量避免的。
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。
（一）脆性断裂和韧性断裂
•发生脆性断裂时，断裂表 面较光滑或略有粗糙，断 裂面垂直于主拉伸方向， 试样断裂后，残余形变很 小。
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高分子材料断裂过程：
裂纹引发（成核）
裂纹扩展
脆性断裂过程基本可分为三个阶段：
v断裂源首先在材料最薄弱处形成，一般是主裂纹通过单 个银纹扩展； v随着裂纹扩展和应力水平提高，主裂纹不再是通过单个 银纹扩展，而是通过多个银纹扩展，因而转入雾状区； v当裂纹扩展到临界长度时，断裂突然发生。
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二、高分子材料的强度
❖ 强度是材料抵抗外力破坏的能力，高聚物之所以具有抵抗 外力破坏的能力，主要靠分子内的化学键合力和分子间的 范德华力和氢键。
v 影响高聚物实际强度的因素很多，总的来说可以分为两类 ：一是与材料本身有关的，包括高分子的化学结构、分子 量及其分布、支化和交联、结晶与取向等；另一类是与外 界条件有关的，包括温度、应变速率、应力状态等。
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（一）高聚物的基本结构参数对强度的影响
❖ 高聚物弹性模量依赖于结构因素，凡属分子量较大、柔顺性较小、极 性较强、取向度较高、结晶度较高和交联密度较大的高聚物，弹性模 量的数值均较大。高聚物的其他力学性能与弹性模量之间有相互对应 的关系。弹性模量较大的聚合物，抗冲击强度就较小，但硬度、挠曲 强度、抗压强度均较大。
• 适度的交联可以有效地增加分子链间的联系，使分子链不易发生相对 滑移。随着交联度的增加，往往不易发生大的形变，强度增高。但交 联过程中往往会使高聚物结晶度下降，取向困难，因而过分的交联并 不是有利的，如硫化胶的交联剂用量一般低于5%。
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v 注意：极性基团过密或取代基过大，僵硬性太大，会造成加工成型的
困难，还会带来脆性，反而限制了聚合物的使用范围。
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（2）分子量及其分布
分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）起决定性 作用的结构参数。 ❖ 在一定范围内，伸长或冲击强度随高聚物分子量的增大而增大。当分 子量增大到某一范围以上，外力达到足以使大分子主链共价键断裂而 仍足以使大分子滑动时，聚合物的破坏便发生于共价键上，拉伸强度 便不再随分子量的增大而增大了，而冲击强度则继续增大。 ❖ 分子量分布对机械强度也有影响，若分布很宽，低分子量的分子含量 达10%~15%，强度会明显下降，其原因是低分子量的分子起着内增 塑作用，促使分子链之间易于发生滑动。
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（1）高分子的化学结构
❖ 一般来说，分子链间的作用力小、取代基体积小、极性弱的大分子
链其柔顺性较好，此类高聚物在较小外力下便产生高弹形变，因此较 软，屈服强度低、弹性模量小、拉伸强度低、伸长率达；而增大高分 子的极性或产生氢键可使强度提高，另外主链具有芳杂环结构的高聚 物，其强度和模量都比脂肪族主链高。为了提高弹性模量和强度，可 以在分子链中引入极性基团或环状结构。
概述
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。
v高分子材料是以聚合物为基本组分，大多情况下同时还含有各 种添加剂的材料。如加入填料、增塑剂、稳定剂等，以期获得具 有实用价值和经济价值的材料或改善其成型加工的性能。
v聚合物作为材料可因用途不同，有不同的性能要求，如力学性 能、电学性能、光学性能，但对大多数高分子材料，力学性能是 其最重要的性能。材料的力学性能是指外加作用力与形变及破坏 的关系
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（3）支化和交联
• 分子链支化程度增加，使分子之间的距离增加，分子间的作用力减小 ，因而高聚物的拉伸强度会降低，但冲击强度会提高，例如高压聚乙 烯的拉伸强度比低压聚乙烯的低，而冲击强度反而比低压聚乙烯高。
• 交联一方面可以提高材料的抗蠕变能力，另一方面也能提高断裂强度。 一般认为，对于玻璃态聚合物，交联对脆性强度的影响不大；但对高 弹态材料的强度影响很大。
•韧性断裂时，断裂面与主 拉伸方向多成45度角，断 裂表面粗糙，有明显的屈 服（塑性变形、流动等） 痕迹，形变不能立即恢复。
脆性断裂表面
韧性断裂表面
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（二）断裂的分子理论和断裂过程
断裂பைடு நூலகம்分子理论
❖ 在外应力作用下材料发生形变后，会引起各种响应使分子 链断裂，断裂的结果使应力重新分布：一种可能使应力分 布趋于均匀，断裂过程结束；另一种可能使应力分布更加 不均匀，分子链断裂过程加速，发展成微裂纹（微空穴）， 继续承受应力，微空穴合并，发展成大裂缝或缺陷。待到 裂缝扩展到整个试样就发生宏观破裂。
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主要内容
高分子材料的断裂 高分子材料的强度
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一、高分子材料的断裂
v高聚物的实际强度与其断裂行为的特征密切相关，从断裂 的性质来分，高分子材料的宏观断裂分为脆性断裂和韧性断 裂
v所谓脆性断裂是在屈服点之前断裂，断裂面光滑，消耗 的断裂能不大
v所谓韧性断裂是在屈服点之后断裂，断裂面粗糙，消耗 的断裂能很大。
v而材料的脆性断裂，在工程上必须尽量避免的。
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（一）脆性断裂和韧性断裂
•发生脆性断裂时，断裂表 面较光滑或略有粗糙，断 裂面垂直于主拉伸方向， 试样断裂后，残余形变很 小。
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。
高分子材料断裂过程：
裂纹引发（成核）
裂纹扩展
脆性断裂过程基本可分为三个阶段：
v断裂源首先在材料最薄弱处形成，一般是主裂纹通过单 个银纹扩展； v随着裂纹扩展和应力水平提高，主裂纹不再是通过单个 银纹扩展，而是通过多个银纹扩展，因而转入雾状区； v当裂纹扩展到临界长度时，断裂突然发生。
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二、高分子材料的强度
❖ 强度是材料抵抗外力破坏的能力，高聚物之所以具有抵抗 外力破坏的能力，主要靠分子内的化学键合力和分子间的 范德华力和氢键。
v 影响高聚物实际强度的因素很多，总的来说可以分为两类 ：一是与材料本身有关的，包括高分子的化学结构、分子 量及其分布、支化和交联、结晶与取向等；另一类是与外 界条件有关的，包括温度、应变速率、应力状态等。
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（一）高聚物的基本结构参数对强度的影响
❖ 高聚物弹性模量依赖于结构因素，凡属分子量较大、柔顺性较小、极 性较强、取向度较高、结晶度较高和交联密度较大的高聚物，弹性模 量的数值均较大。高聚物的其他力学性能与弹性模量之间有相互对应 的关系。弹性模量较大的聚合物，抗冲击强度就较小，但硬度、挠曲 强度、抗压强度均较大。
• 适度的交联可以有效地增加分子链间的联系，使分子链不易发生相对 滑移。随着交联度的增加，往往不易发生大的形变，强度增高。但交 联过程中往往会使高聚物结晶度下降，取向困难，因而过分的交联并 不是有利的，如硫化胶的交联剂用量一般低于5%。
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。
v 注意：极性基团过密或取代基过大，僵硬性太大，会造成加工成型的
困难，还会带来脆性，反而限制了聚合物的使用范围。
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（2）分子量及其分布
分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）起决定性 作用的结构参数。 ❖ 在一定范围内，伸长或冲击强度随高聚物分子量的增大而增大。当分 子量增大到某一范围以上，外力达到足以使大分子主链共价键断裂而 仍足以使大分子滑动时，聚合物的破坏便发生于共价键上，拉伸强度 便不再随分子量的增大而增大了，而冲击强度则继续增大。 ❖ 分子量分布对机械强度也有影响，若分布很宽，低分子量的分子含量 达10%~15%，强度会明显下降，其原因是低分子量的分子起着内增 塑作用，促使分子链之间易于发生滑动。
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。
（1）高分子的化学结构
❖ 一般来说，分子链间的作用力小、取代基体积小、极性弱的大分子
链其柔顺性较好，此类高聚物在较小外力下便产生高弹形变，因此较 软，屈服强度低、弹性模量小、拉伸强度低、伸长率达；而增大高分 子的极性或产生氢键可使强度提高，另外主链具有芳杂环结构的高聚 物，其强度和模量都比脂肪族主链高。为了提高弹性模量和强度，可 以在分子链中引入极性基团或环状结构。
概述
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v高分子材料是以聚合物为基本组分，大多情况下同时还含有各 种添加剂的材料。如加入填料、增塑剂、稳定剂等，以期获得具 有实用价值和经济价值的材料或改善其成型加工的性能。
v聚合物作为材料可因用途不同，有不同的性能要求，如力学性 能、电学性能、光学性能，但对大多数高分子材料，力学性能是 其最重要的性能。材料的力学性能是指外加作用力与形变及破坏 的关系
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（3）支化和交联
• 分子链支化程度增加，使分子之间的距离增加，分子间的作用力减小 ，因而高聚物的拉伸强度会降低，但冲击强度会提高，例如高压聚乙 烯的拉伸强度比低压聚乙烯的低，而冲击强度反而比低压聚乙烯高。
• 交联一方面可以提高材料的抗蠕变能力，另一方面也能提高断裂强度。 一般认为，对于玻璃态聚合物，交联对脆性强度的影响不大；但对高 弹态材料的强度影响很大。
•韧性断裂时，断裂面与主 拉伸方向多成45度角，断 裂表面粗糙，有明显的屈 服（塑性变形、流动等） 痕迹，形变不能立即恢复。
脆性断裂表面
韧性断裂表面
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。
（二）断裂的分子理论和断裂过程
断裂பைடு நூலகம்分子理论
❖ 在外应力作用下材料发生形变后，会引起各种响应使分子 链断裂，断裂的结果使应力重新分布：一种可能使应力分 布趋于均匀，断裂过程结束；另一种可能使应力分布更加 不均匀，分子链断裂过程加速，发展成微裂纹（微空穴）， 继续承受应力，微空穴合并，发展成大裂缝或缺陷。待到 裂缝扩展到整个试样就发生宏观破裂。
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。
主要内容
高分子材料的断裂 高分子材料的强度
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。
一、高分子材料的断裂
v高聚物的实际强度与其断裂行为的特征密切相关，从断裂 的性质来分，高分子材料的宏观断裂分为脆性断裂和韧性断 裂