高分子科学-第8章 聚合物的屈服与断裂讲解

聚合物的断裂
脆性断裂 :屈服点前断裂 韧性断裂 ：屈服点后断裂
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8.1.2 影响应力-应变曲线的因素
1. 温度
1
曲线1： T《Tg ，硬玻璃态，键长 键角的变化，形变小，高模量——
2
3
T
脆性断裂
4
曲线2.3： Tb<T<Tg，软玻璃态：
出现强迫高弹形变，外力除
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玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较
相似：
都经历弹性形变、屈服、发展大形变、应变硬化、断裂等阶段。
其中大形变在室温时都不能自发回复，加热后可回复，故本质 上两种拉伸造成的大形变都是强迫高弹形变——“冷拉”。
区别：
（1）产生冷拉的温度范围不同，
非晶态Tb～Tg
结晶态Tb～Tm
（2）玻璃态聚合物在冷拉过程中凝聚态只发生分子链的 取向不发生相变；晶态聚合物还包含结晶的破坏、取向 和再结晶等过程(相变）。
屈服
（链段开 始运动）
应变硬化
（分子链沿 外力取向形 变不可回复）
应变软化
（链段运动）
冷拉（强
迫高弹形变）
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强迫高弹形变
玻璃态高聚物在屈服点后大外力作用下发生的大形变，本质与橡胶的高弹 形变一样都是链段运动引起的，并不是分子链的滑移，只不过表现形式有差别。 由于聚合物处在玻璃态，形变在停止拉伸后无法自动恢复，但是如果让温度升 到Tg附近形变又可恢复。
（1）温度：Tb~Tg
0
exp
E
RT
温度越低
链段运动的松 强迫高弹形变 弛时间τ越大
必须使用更 大外力
存在一个特征温度Tb，如果低于该温度，玻璃态高聚物不 能发生强迫高弹形变，而只会发生脆性断裂，该温度称为
脆化温度。非晶态塑料的使用温度范围: Tb~Tg
（2） 应力： B≥ y（断裂应力大于屈服应力）
目的：
能从分子结构、凝聚态结构和屈服、断裂特征上对材料的韧性 和强度进行初步判断，学会聚合物的增韧、增强方法，以满足其使 用要求。
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不同条件下聚合物的力学行为： 高弹性、粘弹性和流动性 极限力学行为（屈服、破坏与强度） ——研究聚合物的极限性质，即在较大外力的持续作用或强大外力的短时作 用后，聚合物发生大形变直至宏观破坏或断裂。
拉伸速率
拉伸速率
PMMA
增加拉伸速率与降低温度一致：模量、屈服应力、断裂强度增加，断裂伸长 率减小
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3. 结晶
-普弹形变 －屈服，缩颈（应变变大，应力 下降） －强迫高弹形变 -细颈化:试样重新被均匀拉伸， 应变随应力增加－应变硬化
与非晶态聚合物相比成颈现象更 为明显（转折更明显）
与非晶态聚合 物的拉伸机理 相同吗？
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强迫高弹形变产生的原因：
链段松弛时间τ与外应力σ的关系：
0
exp
E
RT
∆E是链段运动活化能，γ是材料常数，τ0是未加应力时链 段松弛时间。
σ降低了链段运动的活化能，τ减小。当应力增加使链段运 动的松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时，链段 开始运动，产生强迫高弹变形。
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强迫高弹形变产生的条件:
50~70°C 70°C
Results
脆性断裂（应变<10％） 屈服后断裂（应变20％） 韧性断裂（应变大）
无屈服
温度升高，材料变得软而韧，断裂强度下降，断裂伸长率增加； 温度下降，材料变硬变脆，断裂强度增加，断裂伸长率减小
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2. 拉伸速率
由于聚合物的粘弹性本质，温度与应变速率对其影响 是相同的——时-温等效原理
形变回复。
图8 非晶聚合物不同温度下的－曲线
曲线4：高弹态，无屈服点，形变大，链段运动，高弹形变。
曲线5：粘流态，分子链运动，模量很小，不可逆形变。
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T T
Temperature
a: T<<Tg b: T<Tg c: T<Tg (几十度) d: T接近或大于Tg
Example-PVC
0°C 0~50°C
应变软化：应变增加，应力略下降， 模量下降，链段运动，除去外力后， 有永久变形。
大形变区（冷拉）：应力基本不变应变增加很大， 升温至Tg可回复（强迫高弹形变）
应变硬化：应力增加,分子链沿外力方向伸展形成取向结构
B点：断裂点
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从分子运动机理解释形变过程
弹性形变（键
长键角变化，形 变小可回复）
断裂
你能解 释吗？
第8章 聚合物的屈服与断裂
The yielding and fracture of polymers
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本章的教学内容、要求和目的
教学内容：
聚合物的应力—应变曲线 聚合物的屈服 聚合物的断裂与强度
重点要求：
掌握聚合物的应力—应变曲线；屈服和断裂现象及其机理；影响 聚合物强度与韧性的因素及增韧、增强方法。
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结晶度
球晶大小
结晶度增加，屈服应力、 模量、强度等提高，断 裂伸长率降低
大球晶使模量提高，断 裂伸长率和韧性降低
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4. 聚合物的类型
1）硬而脆：PS, PMMA等，屈服点前脆性断裂，
模量高，拉伸强度大，断裂伸长率低2％
2）硬而强:硬质PVC，韧性断裂，应 力软化，断裂强度小于屈服应力，模 量高，韧性小，拉伸强度大，断裂伸 长率5％（非应变硬化断裂）
B Y
Y
应变软化 (大形变区）
B
Cold drawing 冷拉
应变硬化
E A A
y
B
y屈服应力或屈服强度；y 屈服应变（屈服伸长率）
B断裂强度；B 断裂伸长率
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Y点以前普弹形变：应力与应变成正 比，斜率为扬氏模量。形变小，键 长、键角的变化
Y点屈服（ 塑性区域） ：在大应力 作用下链段开始运动，
3）强而韧:尼龙66，PC，应变硬化，断裂强度大于屈服应力， 模量高，韧性大，强度高，断裂伸长率可达1000％（应变硬化 断裂）
当应力增加到一定值（屈服应力）时，被冻结的高分子链 段运动产生大的形变。
增加应力与升高温度对松弛时间的影响是相同的。
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断裂能
d
断裂能：材料从开始拉伸至破坏所 吸收的能量，反映材料拉伸断裂韧 性大小
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从应力—应变曲线可以获得的信息
屈服强度（σy）
屈服伸长率（ε y） 杨氏模量（OA段斜率） 断裂强度（ σB） 断裂伸长率（ ε B ） 聚合物的断裂韧性（曲线下面积）
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8.1 聚合物的塑性和屈服
8.1.1 应力-应变曲线（stress-strain curves）
电子拉力机 材料试验机
F
A0
l l0 l
l0
l0
玻璃态聚合物在不同温度下的应力-应变曲线
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典型非晶态聚合物在玻璃态的应力-应变曲线
Yielding point 屈服点
Breaking point 断裂点