高分子材料的力学强度

第三节 高分子材料的力学强度

在高分子材料诸多应用中，作为结构材料使用是其最常见、最重要的应用。在许多领域，高分子材料已成为金属、木材、陶瓷、玻璃等的代用品。之所以如此，除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀等优点外，还因为它具有较高的力学强度和韧性。理论上，根据完全伸直链晶胞参数求得的聚乙烯最高理论强度达1.9x104MPa ，是钢丝的几十倍。实验室中，已经获得高拉伸聚酰胺纤维在液氮中的最高实际强度达2.3x103MPa 。

为了评价高分子材料使用价值，扬长避短地利用、控制其强度和破坏规律，进而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高分子材料力学强度变化的宏观规律和微观机理。本节一方面介绍描述高分子材料宏观力学强度的物理量和演化规律；另一方面从分子结构特点探讨影响高分子材料力学强度的因素，为研制设计性能更佳的材料提供理论指导。鉴于高分子材料力学状态的复杂性，以及力学状态与外部环境条件密切相关，高分子材料的力学强度和破坏形式也必然与材料的使用环境和使用条件有关。

一、高分子材料的拉伸应力-应变特性

（一） 应力－应变曲线及其类型

测量材料的应力-应变特性是研究材料强度和破坏的重要实验手段。一般是将材料制成标准试样，以规定的速度均匀拉伸，测量试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。常用的哑铃型标准试样如图4-26所示，试样中部为测试部分，标距长度为l 0，初始截面积为A 0。

图4-26 哑铃型标准试样

设以一定的力F 拉伸试样，使两标距间的长度增至l ，定义试样中的应力和应变为：

A F =σ （4-57） 0

00l l l l l ∆=-=ε （4-58） 注意此处定义的应力σ等于拉力除以试样原始截面积A 0，这种应力称工程应力或公称应力，并不等于材料所受的真实应力。同样这儿定义的应变为工程应变，属于应变的Euler 度量。典型高分子材料拉伸应力-应变曲线如图4-27所示。

图4-27 典型的拉伸应力-应变曲线

图中曲线有以下几个特征：OA 段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力－应变呈直线关系变化，直线斜率E d d =εσ相当于材料弹性模量。越过A 点，应力－应变曲线偏离直线，说明材料开始发生塑性形变，极大值Y 点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）y σ和屈服应变y ε。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈”

现象，材料应力略有下降，发生“屈服软化”。而后随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈”区越来越大。直到拉伸应变很大时，材料应力又略有上升（成颈硬化），到达B 点发生断裂。与B 点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）B σ和断裂伸长率B ε，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。曲线下的面积等于

⎰=B

d W εεσ0 （4-59） 相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为J •m -3，称断裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。

由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力－应变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类（图4-28）。

图4-28 高分子材料应力-应变曲线的类型

（1）硬而脆型 此类材料弹性模量高（OA 段斜率大）而断裂伸长率很小。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。

（2）硬而强型 此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长率小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（B ε大约为5%）。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。

（3）硬而韧型 此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，应力－应变曲线下的面积很大，说明材料韧性好，是优良的工程材料。硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯以及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。

（4）软而韧型 此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大（20%～1000%），断裂强度可能较高，应力－应变曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力－应变特征。

（5）软而弱型 此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。

实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典型性，或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显的屈服和“颈缩”，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件（如拉伸速率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也会发生大于100%的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。

（二） 影响拉伸行为的外部因素

1、温度的影响

环境温度对高分子材料拉伸行为的影响十分显著。温度升高，分子链段热运动加剧，松弛过程加快，表现出材料模量和强度下降，伸长率变大，应力－应变曲线形状发生很大变化。图4-29是聚甲基丙烯酸甲酯在不同温度下的应力－应变曲线。图中可见，随着温度升高，

应力－应变曲线由硬而脆型转为硬而韧型，再转为软而韧型。材料力学状态由玻璃态转为高弹态，再转为粘流态。

图4-29 聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变曲线随环境温度的变化（常压下）

材料的拉伸断裂强度B σ和屈服强度y σ也随环境温度而发生变化，变化规律如图4-30所示。图中两曲线的变化规律不同，屈服强度受温度变化的影响更大些。两曲线交点对应的温度称脆-韧转变温度t T 。当环境温度小于t T 时，材料的B σ＜y σ，说明受到外力作用时，材料未屈服之前先已断裂，断裂伸长率很小，呈脆性断裂特征。环境温度高于t T 时，材料B σ＞y σ，受到外力作用时，材料先屈服，出现细颈和很大的变形后才断裂，呈韧性断裂特征。在温度升高过程中，材料发生脆-韧转变。

图4-30 B σ和y σ随温度的变化趋势

2、拉伸速率的影响

高分子材料拉伸行为还与拉伸速率有关。减慢拉伸速率，一种原来脆断的材料也可能出现韧性拉伸的特点。减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。拉伸速率对材料的断裂强度B σ和屈服强度y σ也有明显影响，图4-31给出B σ和y σ随拉伸速率的变化趋势。与脆-韧转变温度相似，根据图中两曲线交点，可以定义脆-韧转变（拉伸）速率t ε。拉伸速率高于t ε时，材料呈脆性断裂特征；低于t ε时，呈韧性断裂特征。

图4-31 B σ和y σ随拉伸速率的变化趋势

3、环境压力的影响

研究发现，对许多非晶聚合物，如PS 、PMMA 等，其脆-韧转变行为还与环境压力有关。图4-32给出PS 的应力－应变曲线随环境压力的变化情形。由图可见，PS 在低环境压力（常压）下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低。随着环境压力升高，材料强度增高，伸