第8章 聚合物的屈服和断裂

• • 在这许多特征中， 在这许多特征中，断裂面形状和断裂能是区别脆性和韧性断裂最主要的 指标。 指标。
8.2.1 脆性断裂和韧性断裂
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。 • 两条曲线的交点就是脆韧转变点。脆韧转变将随应变速率增加而移向高温， 即在低应变速率时是韧性的材料，高应变速率时将会发生脆性断裂。 • 材料中的缺口对其脆韧转变影响显著，尖锐的缺口可以使聚合物的断裂从 韧性变为脆性。 •
8.2.3 断裂理论
• • • • • • • • 当椭圆的a>>b时，它的外形就像一道狭窄的裂缝。在这种情况下，裂缝 尖端处的最大张应力σm可表示为 σm=σ0(1+2 )=2σ0 式中 a——裂缝长度之半； ρ——裂缝尖端的曲率半径。 式(8-36)说明，应力集中随平均应力的增大和裂缝尖端处半径的减小而 增大。 裂缝对降低材料的强度起着重要作用，而尖端裂缝尤为致命。如若能消 除裂缝或钝化裂缝的锐度，则材料强度相应提高。 从裂缝存在的几率来看，它与试样的几何形状和尺寸有关。 大试样中出现裂缝的几率比小试样大得多.因而试样的平均强度随其长度 的降低而提高。这就是测定材料强度时要求试样有一定规格的原因。
第8章 聚合物的屈服和断裂 8.1 聚合物的塑性和屈服
• (2)应变速率
• 随着拉伸速度提高，聚合物的模量增 加，屈服应力、断裂强度增加，断裂 伸长率减小。其中，屈服应力对应变 速率具有更大的依赖性。由此可见， 在拉伸试验中，增加应变速率与降低 增加应变速率与降低 温度的效应是相似的。 温度的效应是相似的。 随着压力的增加，聚合物的模量显著 增加，阻止“颈缩”发生。这可能是 由于压力减少了链段的活动性，松弛 转变移向较高的温度。为此，在给定 的温度下增加压力与给定压力下降低 增加压力与给定压力下降低 温度具有一定的相似效应。 温度具有一定的相似效应。
8.1.4 剪切带的结构形态
• • • σαn=Fn/Aα=σ0cos2σ σαS= Fs/Aα=σ0sin2σ/2 试样内部任意截面上的法 应力和切应力只与试样的 正应力σ 和截面的倾角α 正应力σ0和截面的倾角α。 有关， 有关， • 拉力一旦选定，σαn和 拉力一旦选定， 只随截面倾角而变化。 σαS只随截面倾角而变化。
8.2
• 8.2.1
•
聚合物的断裂与强度
脆性断裂和韧性断裂
脆性断裂的特征
• 1、断裂前试样不发生明显的塑性变形，断裂面垂直于应力方向且 光滑。 • 2、应力—应变关系是线性的或者微微有些非线性，断裂应变值低 于5％，且所需的断裂能能量也不大。
• 韧性断裂的特征
• 1、断裂前试样发生明显的不均匀塑性变形，断裂面粗糙。 • 2、应力—应变关系是非线性的，消耗的断裂能很大。
8.1.4 剪切带的结构形态
• 考虑一个横截面积为A0的 考虑一个横截面积为A 试样，受到轴向拉力F 试样，受到轴向拉力F的 作用。 作用。 • 横截面积上的应力 σ0=F/A0。如果在试样上 任意取一倾斜截面， 任意取一倾斜截面，设其 与横截面的夹角为α 与横截面的夹角为α，则 其面积A cos， 其面积Aα= A0／cos， • 作用在A0上的拉力F可以 作用在A 上的拉力F 分解为沿平面法线方向和 沿平面切线方向的两个分 力
8.1.2 细颈 形成稳定细颈的判据
8.1.2 细颈 形成稳定细颈的判据
• 工程应力达极大值，也就是材料开始屈服，因此，就有可能形成 细颈。如果在真应力-应变曲线上只有一个点满足上式的条件，那 么聚合物在均匀伸长到达屈服点后，虽然有可能形成细颈，但这 刚形成的细项会继续不断地变细，载荷随之不断增加，以致造成 材料破裂，不能得到稳定的细颈，如图8-14(b)所示。如果真应力 -应变曲线上有两个点A和B满足上式的条件，见图8-14(c)，也就 是从应变轴上ε=-1处可以向真应力—应变曲线画出第二条切线， 或者说，真应力-应变曲线具有第二个极值——极小值，此时细颈 保持恒定，直至全部试样都变成细颈。这样，可以得到稳定的细 颈。至于dσ真/dε>σ真/(1+ε)= σ真/λ时，不能从ε=-1 处向 真应力—应变曲线作出切线，因而也就没有细颈形成。随着载荷 增加，材料均匀伸长。见图8-14(a)。
第8章 聚合物的屈服和断裂 8.1 聚合物的塑性和屈服
• (1)温度
• 温度升高，材料逐步变得软而 温度升高， 断裂强度下降， 韧，断裂强度下降，断裂伸长 率增加；温度下降时， 率增加；温度下降时，材料逐 步转向硬而脆，断裂强度增加， 步转向硬而脆，断裂强度增加， 断裂伸长率减小。 断裂伸长率减小。 • 温度升高到Tg以下几十度的范 围内时，应力-应变曲线如曲 线(3)所示。屈服点之后，试 样在不增加外力或者外力增加 不大的情况下，能发生很大的 应变(甚至可能有百分之几百)， 在最后阶段，应力之出现较明 显的上升，直到最后断裂。
8.2.3 断裂理论
• 裂缝尖端处的应力有多大，可以用一个简单模型来说明。设在一薄板上 刻出一圆孔，施以平均张应力σ0，在孔边上与σ0方向成θ角的切向应力 分量σt可表示为 σt=σ0-2σ0cos2θ •当θ=0°， σt=-σ0， 是压缩性；当θ=90°， σt=3σ0，为拉伸性。 可见，圆孔使应力集中 了3倍。 •对于椭圆孔， σt=σ0 （1+2a/b)，说明，椭圆 长短轴之比a/b越大，应 力越集中。
• (3)流体静压力
•
晶态聚合物的应力—应变曲线 8.1.1.2 晶态聚合物的应力 应变曲线
• 晶态聚合物一般都包含晶区和 非晶区两部分， • 其成颈(也叫“冷拉”)也包括 晶区和非晶区两部分形变。 • 晶态聚合物在比Tg低得多的温 度到接近Tm的温度范围内均可 成颈。 • 拉力除去后，只要加热到接近 Tm的温度，也能部分回复Biblioteka Baidu未 拉伸的状态。
聚合物应力8.1.1.4 聚合物应力-应变曲线的类型
• 按照拉伸过程中屈服点的表现、伸长率大小以及断裂情况，将其大致分 为五种类型，即：硬而脆；硬而强；强而韧；软而韧；软而弱。
8.1.2 细颈
• 许多聚合物在塑性形变时注往会出现均匀形变的不稳定性，拉伸 试验中的“细颈”形成就是一例。 • “成颈”即“冷拉”是纤维和薄膜拉伸工艺的基础。 • 拉伸试验中细颈形成的原因可能有两个： • 一是几何因素，即材料试片尺寸在各处的微小差别。如果试样某 部分有效截面积比试样其他部分稍小，那么，它受到的应力就比 其他部分高一点，该部分将首先达到屈服点，其有效刚性就比其 他部位低，继续形变更为容易。如此循环，直到该部位发生取向 硬化，从而阻止了这一不均匀形变的发展。 • 另一个原因是材料在屈服点以后的应变软化。如果材料在某局部 的应变稍稍高于其他地方(如应力集中)，则该处将局部软化，进 而使塑性不稳定性更易发展，这一过程也只能被材料取向硬化所 阻止。
8.1.4 剪切带的结构形态
• 韧性材料拉伸时，斜截面上的最大切应力首先逆到材料的抗剪强 韧性材料拉伸时， 度，因此试样上首先出现与拉伸方向成约45°角的剪切滑移变形 带，相当于材料屈服。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，正应力已超过 对于脆性材料，在最大切应力达到抗剪强度之前， 材料的拉伸强度， 材料的拉伸强度，试样不会发生屈服，而在垂直于拉伸方向上断 裂。 • 剪切屈服又分为扩散剪切屈服和剪切带两种。 • 扩散剪切屈服是指在整个受力区域内发生的大范围剪切形变， • 剪切带是指只发生在局部带状区域内的剪切形变。 • 剪切屈服不仅在外加剪切力作用下能够发生，而且拉伸应力、压 剪切屈服不仅在外加剪切力作用下能够发生，而且拉伸应力、 缩应力都能引起。 缩应力都能引起。
晶态聚合物的应力—应变曲线 8.1.1.2 晶态聚合物的应力 应变曲线
•
温度、应变速 率、流体静压力、 结晶度、结晶形 态等因素对晶态 聚合物的应力应变曲线均有显 著影响。
取向聚合物的应力8.1.1.3 取向聚合物的应力-应变曲线
• 聚合物材料在取向方向上的强度随取向程度的增加而 很快增大，高度取向时，垂直于取向方向上材料的强 度很小，容易开裂。 • 取向方向上，材料的模量也增大。通常，平行方向上 模量比未取向时增大很多，而在垂直方向上模量与未 取向时差别不大。 • 双轴取向时，在该双轴构成的平面内，性能不像单轴 取向那样有薄弱的方向。为此，利用双轴取向，可以 改进材料的性能。
第8章 聚合物的屈服和断裂 8.1 聚合物的塑性和屈服
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8.1.1
应力—应变曲线 应力 应变曲线
8.1.1.1 非晶态聚合物的应力—应 变曲线 • 非晶态聚合物，当温度在Tg以下几 十度、以一定速率被单轴拉伸时， 其典型的应力-应变曲线如图8-2所 示。 • 屈服点Y，屈服应力σY 和屈服应变 εY，应变软化，颈缩阶段，细颈， 取向硬化，断裂强度σB，其应变称 为断裂伸长率εB。 • 应力-应变曲线下的面积称作断裂能。 • 杨氏模量E
8.2.2 聚合物的强度
• 机械强度是材料抵抗外力破坏的能力。 对于各种不同的破坏力，有不同的强 度指标。 • 拉伸强度是在规定的试验温度、湿度 和试验速度下，在标准试样上沿轴向 施加拉伸载荷直至断裂前试样承受的 最大载荷P与试样横截面的比值， • σt=P/bd (σt， σY， σB) • 其单位为N/m2或Pa。 • 拉伸模量EB(即杨氏模量)通常由拉伸 初始阶段的应力与应变比例计算。 • 抗 弯 强 度 ( 或 称 挠 曲 强 度 ) σf=1.5Pl0/bd2 弯曲模量Ef
8.1.2 细颈 形成稳定细颈的判据
• • • • • (工程应力)σ=F/A0, 真应力 σ真=F/A，A=A0l0/l=A0/(1+ε) 由于Y点是工程应力-应变曲线的极值点，所以dσ/dε=0， σ真=(1+ε)σ dσ/dε= [(1+ε)dσ真/dε-σ真]/(1+ε)2 =0 dσ真/dε= σ真/(1+ε)= σ真/λ •式(8-5)表明， 与工程应力应变 曲线上屈服点相 应的点是真应力 -应变曲线上由 应变轴上ε=-1 处向曲线作切线 的切点。
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8.1.5 银纹
• 研究表明，非晶态聚合物的分子量达到临界值Mc以上时，就会产 生分子间的缠结，形成物理交联结构。韧性较好的PC 和 PPO 聚合 韧性较好的PC 韧性较好的 PC和PPO聚合 物缠结点密度高，塑性形变主要是剪切形变，不易发生银纹化。 物缠结点密度高，塑性形变主要是剪切形变，不易发生银纹化。 PVTS、PS等脆性聚合物 因缠结点密度低，容易产生银纹化。 等脆性聚合物， 而PVTS、PS等脆性聚合物，因缠结点密度低，容易产生银纹化。 • 这些脆性聚合物在张应力作用下不能形成稳定的银纹结构，银纹 的进一步发展必将导致材料的脆性断裂。因此，这些脆性聚合物 虽然容易产生银纹，但却难以使银纹结构稳定，因而也就不能发 生屈服。 • 银纹化可以是玻璃态聚合物断裂的先决条件，也可以是聚合物屈 服的机理。应力银纹 应力银纹结构若不能稳定，则将发展而导致聚合物断 应力银纹 裂。
8.1.5 银纹
• 银纹屈服的一个典型例子是PS的增韧。对于接枝共聚的高抗冲 PS(HIPS)或PS／PB共混型抗冲击PS，在应力作用下，橡胶粒子引 发周围PS相产生大量银纹并控制其发展，吸收塑性形变能，达到 提高PS韧性的目的。 • 高分子材料或制件在加工或使用过程中，因环境介质(流体、气体) 与应力的共同作用，也会出现银纹，称之为环境银纹 环境银纹，它时常发 环境银纹 展为环境应力开裂。环境介质的作用，致使引发银纹所需的应力 或应变大为降低。 • 研究表明，银纹化的临界应变随环境介质对聚合物溶解度的增加 以及溶剂化聚合物Tg的降低而降低。特别是处于溶剂环境中，易 产生溶剂银纹 溶剂银纹，这些银纹发展，导致开裂。 溶剂银纹
8.1.5 银纹
• 银纹现象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 至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为 lOOmn、宽度为lOmn左右、厚度约为1um的微细凹槽的 现象。 由于聚合物的横向收缩不足以全部补偿塑性伸长，致 使银纹体内产生大量空隙，其密度为聚合物本体的50 ％左右。银纹与裂缝或裂纹(Crack) (质量为零)不 同，它们仍然具有强度。