聚合物的变形

二、热固性塑料的变形
热固性塑料是刚硬的三维网络结构，分子不易运动，在拉伸 时表现很脆，但在压缩时仍然发生大量的塑性变形。
环氧树脂的Tg温度为100℃， 是交联作用很强的聚合物，在 室温下为刚硬的玻璃态。 拉伸时像典型的脆性材料；
压缩时则易剪切屈服，并有 大量变形，而且屈服后出现应 变软化。 其剪切屈服过程是均匀的， 试样均匀变形而无任何局部变 形现象。
与金属材料相比，陶瓷晶体具有如下特点：

陶瓷晶体的弹性模量比金属大得多，常高出几倍。
陶瓷晶体的弹性模量是组织敏感参量，与结合键 有关，还与相的种类、分布及气孔率有关。


陶瓷的压缩强度高于抗拉强度一个数量级。
陶瓷的理论强度和实际断裂强度相差1~3个数量 级。 陶瓷晶体在高温下具有良好的抗蠕变性能，而且 在高温下也具有一定的塑性。
Tb :脆化温度； Tg：玻璃化温度； Tm：结晶温度（熔点）。 现象：聚合物在拉伸到屈服点，工作段局部区域出现缩颈， 在继续拉伸时，缩颈不断沿试样扩展，直到整个工作段均匀变 细后，才再度被均匀拉伸至断裂。 冷拉：聚合物拉伸时出现的细颈伸展过程。
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冷拉产生的变形大部分将保留。
机制：聚合物分子链段沿外力方向运动，同时发 生分子链间的滑动，应力不增大，而应变增加。 应用：聚合物的冷拉变形目前已成为制备高模量 和高强度纤维的重要工艺。 玻璃态聚合物的冷拉区间： Tb ~ Tg ；
部分结晶聚合物的冷拉区间：Tg~Tm。
c. 冷拉变形的恢复：
现象：玻璃态聚合物冷拉后残留的变形，在 加热到Tg温度以上，形变基本上全能恢复。 现象说明：冷拉中产生的变形属于强迫高弹 性—即在外力作用下被迫产生的高弹性。 实质：Tg 以下被冻结的分子链段在外力作 用下，克服摩擦阻力而运动，使分子链发生高度 取向而产生大变形。
共价键对位错运动的影响
离子键晶体：
单晶体：在室温受压应力作用时可有较大的塑性 变形，因为位错沿45°方向运动，则在滑移过程中相 邻晶面始终由库仑力保持相吸。
多晶体：相邻晶粒必须协调地改变形状，由于滑 移系较少难以实现，结果在晶界产生开裂，最终导致 脆性开裂。
部分结晶高聚物冷拉后残留的变形，大部分须加 热到Tm温度以上才能恢复。 原因：结晶聚合物的冷拉过程伴随晶片取向、结 晶的破坏和再结晶等。 取向导致的硬化使缩颈能沿试样扩展而不断裂。
取向的晶片在 Tm以下是热力学稳定的，即在Tm 以上才能恢复。
聚合物冷拉成细颈过 程真应力在拉伸过程中一 直上升，直至断裂。
一、热塑性聚合物的变形
1、应力－应变曲线 σL：比例极限；σy：屈服强度；σb：断裂强度。 σ<σL：普通弹性变形，由键长和键角的变化引起，σ与ε呈 线性关系。 σL<σ<σy：链段产生可恢复的运动，引起可恢复的变形， σ-ε曲线偏离线性。 σ>σy：聚合物屈服， 同时出现应变软化,随后 出现应力平台，最后出 现应变强化，导致材料 断裂。 屈服后产生的是塑性变形， 即外力去除后，留有永久变形。
第七节
陶瓷材料的塑性变形
陶瓷材料具有强度高、重量轻、耐高温、
耐磨损、耐腐蚀等优点 , 作为结构材料，特别是
高温结构材料极具潜力。
但由于陶瓷材料的塑、韧性差，在一定程
度上限制了它的应用。
一、陶瓷晶体的塑性变形
陶瓷晶体一般由共 价键和离子键结合，多 数陶瓷晶体结构复杂。 在室温拉伸时，没 有塑性，即弹性变形阶 段结束后，立即脆性断 裂。 与金属材料有本质 区别。
温度对应力-应变行为的影响
随温度上升，材料的模 量 (线性段的斜率 )、屈服强 度和断裂强度下降，延性增 加。
在4℃，材料刚而脆；
在 60℃ ， 材 料 刚 而 韧；。
一般，在玻璃化温度Tg 以下，只发生弹性变形。 在Tg以上，产生粘性流 动。
应变速率对应力-应变行为的影响
增加应变速率，相当于降低温度。 即随应变速率的增加，材料变脆。
2、屈服与冷拉
a. 屈服：


比较以上两图可知，聚合物与金属相比有下的特点： 强度低得多，而屈服应变和断裂伸长高得多； 屈服后出现应变软化； 屈服应力强烈地依赖温度和应变速率。
b. 冷拉现象：
有些聚合物在屈服后能产生 很大的塑性变形，其本质与金属 也有很大不同。 玻璃态高聚物在 Tb-Tg 之间、 部分结晶高聚物在 Tg-Tm 之间典 型拉伸应力-应变曲线及试样形状 的变化过程。
3、剪切带与银纹
聚合物的屈服塑性变形是以剪切滑移的方式进行。滑移变 形局限于某一局部区域，形成剪切带。 剪切带是具有高剪切应变的薄层，带内的分子链高度取向。 剪切带通常发 生于材料的缺陷或裂 纹处，或应力集中引 起的高应变区。 在结晶相中， 除滑移外，剪切屈服 还可以孪生等方式进 行。
银纹：聚合物在玻璃 态拉伸时，出现的肉眼可 见的微细凹槽。 类似于微小的裂纹， 可发生光的反射和散射， 看上去银光闪闪。 银纹起源于试样表面 并和拉伸轴垂直。 银纹面之间由高度取 向的纤维束和空穴组成， 仍具有一定的强度。
陶瓷中因工艺缺陷导致的微裂纹，在裂纹尖端引 起很高的应力集中，裂纹尖端之最大应力可达到理论 断裂强度或理论屈服强度。
因陶瓷晶体中可动位错少，位错运动又困难，所 以，一旦达到屈服强度就断裂了。 因而使陶瓷晶体的抗拉强度远低于理论屈服强度。
陶瓷晶体塑性变形的特点
共价键晶体： 共价键具有方向性，而且结合力很强，位错运动 时必须破坏原子的键合，位错运动有很高的点阵阻力。 不论是单晶体还是多晶体，都是脆的。
聚合物的变形
聚合物由大分子链构成。
这种大分子链一般具有柔性，整个分子可相对运 动，分子不同链段之间也可相对运动。 这种分子的运动依赖于温度和时间，具有明显的 松弛特性(金属在高温下也具有松弛特性)。 故聚合物材料的变形范围最宽，且强烈地依赖于 温度和时间，表现为粘弹性，即介于弹性材料和粘性 流体之间。

这是由其原子键合特点决定的 。
共价键晶体的键具有方向性，使晶体具有较高 的抗晶格畸变和阻碍位错运动的能力，使共价键陶瓷 具有比金属高得多的硬度和弹性模量。
离子键晶体的键方向性不明显，但滑移不仅要 受到密排面和密排方向的限制，而且要受到静电作用 力的限制，因此实际可移动滑移系较少，弹性模量也 较高。