高分子材料的断裂ppt课件

聚合物
PS SAN PMMA PVC PC PES PEEK
nc
/ MPa
40 56 74 67 87 80 120
tc / MPa
48 73 49 39 40 56 62
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脆性断裂和韧性断裂的比较
应力-应变曲线 屈服
应变量 断裂能 断面形貌 断裂原因 断裂方式
脆性断裂 线性 无 小 小 光滑
圆孔使应力集 中了3倍
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在薄板上刻一椭圆孔（长轴直径为2a，短轴直径为 2b），该薄板为无限大的虎克弹性体。在垂直于长轴
方向上视角均匀拉应力σ0，经计算可知，该椭圆孔长 轴的两端点应力σt最大，为
t
0 (1
2a ) b
椭圆长短轴之比a/b越 大，应力越集中。
b a
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当a>>b时，它的外形就像一道狭窄的裂纹，在这种
Tb移向低温。增塑的高聚物是韧性材料。
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PC
PMMA
Tg=150°C Tb=-20°C
Tg=100°C Tb=90°C
室温下脆还是韧？
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4 非晶态和半结晶态高聚物拉伸破坏过程
（1）非晶态高聚物的拉伸破坏
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（2 ）半结晶态高聚物的拉伸破坏
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5 断裂过程和断面形貌
断裂过程包括裂纹的引发、慢速扩展和快速扩展三个阶段
的过程。裂纹尖端高密度银纹钝化了裂纹，松弛了 应力集中。由于银纹产生很大的变形，形成银纹要 消耗更多的能量，从而提高了材料的韧性。
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3.2 高聚物的断裂理论 在一薄板上刻出一圆孔，施以平均拉应力σ0，在孔 边上与σ0方向成θ角的切向应力分量σt可表示为
t 0 2 0 cos 2
法向应力 主链断裂
韧性断裂 非线性 有 大 大 粗糙
剪切应力 分子间滑移
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3 高聚物韧-脆转变的影响因素
σb-T和σy-T曲线的交点
即为高分子材料韧脆转
变点Tb，高于这一点以
上的温度，材料总是韧 性的。
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（1）温度和应变速率
b b


y
TT b1 b2
T
y
. t1
. t2
nc tc 以主链断裂为特征的脆性断裂，断面垂直
于拉伸方向（θ= 0º），断面光滑。
nc tc 首先发生屈服，分子链段相对滑移，沿剪切
方向取向，继之发生的断裂为韧性断裂，断
面粗糙，通常与拉伸方向的夹角θ= 45º。
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nc tc 发生破坏时首先为脆性断裂的材料为脆性材料 nc tc 容易发生韧性屈服的材料为韧性材料
第3章 高分子材料的断裂
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本章内容
本章将在断裂力学的基础上简要的介绍高分子材 料断裂的类型、断裂形态、断裂机理和影响因素。 主要内容:
1）高分子材料断裂概述 2）高聚物的断裂理论 3）断裂韧度
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重点： 脆性断裂和韧性断裂 高聚物韧-脆转变的影响因素 Griffith断裂理论 应力场强因子KI 断裂韧度KIC 断裂韧度的K判据
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3.1 断裂概述
1.高分子材料 的断裂
直接加载下的断裂 疲劳断裂 蠕变断裂
环境应力开裂
摩损磨耗
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2.脆性断裂和韧性断裂
从断裂的性质来分，高分子材料的宏观断裂可分为 脆性断裂和韧性断裂两大类。
脆性断裂或韧性断裂通常是以应力—应变曲线的 形状和破坏时的断面形态来区分的。
脆性断裂
韧性断裂
5
断面形态
.
温度增加，韧脆转变点向低温移动，材料变韧
应变速率增加，韧脆转变点移向高温，材料变脆
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（2）分子量
分子量变大将减小断裂应力，Tb移向高温，高聚物变脆
拉伸强度 A B Mn
（3）支化：影响较复杂 （4）交联：增加屈服应力， Tb移向高温，材料变脆。 （5） 增塑：对屈服应力的降低比对断裂应力降低得多，
脆性断裂
韧性断裂
6
脆性断裂：法向应力分量 n
韧性
/ A

F cos A0 / cos

F A0
cos2
0
cos2
t
Ft
/ A

F sin A0 / cos

F A0
sin cos

1 2

0

sin
2
7
θ = 0º的截面上（横截面），法向应力最大 θ = 45º的截面上，切向应力最大
8
法向应力→抗拉伸能力→取决于分子主链的强度 （键能）→破坏→主链的断裂。 切向应力 →抗剪切能力→取决于分子间内聚力→ 屈服→分子链的相对滑移
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最大抗拉伸能力为临界抗拉伸强度 nc 最大抗剪切能力为临界抗剪切强度 tc
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粗糙区：
宏观上呈现一定的粗糙度。有时呈现与断裂源同心 的弧状肋带
（a）肋条
（b）河流状
（c）礼花状
图3-8 有机玻璃断面粗糙区形貌举例
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（a）电镜照片
（b）形成机理
图3-9 断面上抛物线花样的电镜照片和形成机理
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高聚物的韧性断裂是银纹产生、发展的过程 裂纹传播过程就是裂纹尖端银纹区产生、移动
1—断裂源与镜面区；2—雾状区；3—粗糙区 图3-7有机玻璃脆性断裂面形貌
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镜面区：
宏观上呈现平坦光滑的半圆形镜面状，一般出现在构 件边缘或棱角处 ，是材料在断裂初始阶段主裂纹通过 单个银纹缓慢扩展形成的 应变速率越快，温度越低，材料的分子量越低， 则镜面区越小。
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雾状区：
宏观上平整但不反光，像毛玻璃。放大时能看到许 多抛物线花样，抛物线的轴线指向裂纹源。距离裂 纹源愈远，抛物线密集程度愈高。 雾状区的开始意味着次裂纹源出现扩展。
脆性断裂过程基本可分为三个阶段：
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； 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； 当裂纹扩展到临界长度时，断裂突然发生。
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高分子材料在脆性断 裂时都能在断面上形 成镜面区、雾状区和 粗糙区这三个特征区 域
情况下，裂纹尖端处的最大拉应力σm可表示为
m 0 (1 2
a

)

2
0
a

a为裂纹长度一半； ρ为裂纹尖端的曲率半径
应力集中随平均应力的增大和裂纹尖端处半径的减 小而增大 ,尖端裂纹对降低材料的强度尤为明显
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1.Griffith断裂理论
――讨论什么时候裂纹开始扩展
1920年Griffith提出： ①脆性材料中存在微裂纹，在外力作用下裂纹尖端引起 的应力集中会大大降低材料的断裂强度； ②对应于一定尺寸的裂纹a有一临界应力值σc，当外加 应力大于σc时裂纹便迅速扩展而导致材料断裂； ③裂纹扩展的条件是裂纹扩展所需要的表面功能由系统 所释放的弹性应变能所提供。