首页*可乐在线娱乐挂机*首页第7章 聚合物的屈服与断裂 The yielding and fracture of polymers 受力方式与形变类型 应力和应变 E, G, B and ? 7.1 The tensile stress-strain curves 应力-应变曲线 Instron Tensile Testor 电子拉力机 Material testing machine 材料试验机 从分子运动机理解释形变过程 从应力—应变曲线可以获得的被拉伸聚合物的信息 各种情况下的应力-应变曲线 (b) 不同的拉伸速率 (c) 不同的化学结构 (d) Crystallization 结晶 玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较 The Size of Spherulites 球晶大小 The Degree of Crystallization 结晶度 Different types of stress-strain curve 7.2 The yielding of polymer 聚合物的屈服 Strain softening 应变软化 Necking 细颈与剪切带 剪切屈服现象、机理及判据 Discussion 抵抗外力的方式 切应力双生互等定律 Shear band 剪切带 (2) Crazing 银纹 Microstructure of crazing 银纹与裂纹 银纹和剪切带 7.3 聚合物的断裂与强度 7.3.1 脆性断裂与韧性断裂 材料的断裂方式分析 在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强度在几千MPa，而实际只有几十Mpa 。 polymer based concrete containing spherical inorganic particles fatigue fracture surface SEM fracture surface of polymer and wood matrix Griffith crack theory断裂理论 7.3.2 聚合物的拉伸强度 Tensile strength 影响拉伸强度的因素 考虑分子结构因素 考虑外界因素 7.4增强 Reinforcement （1）活性粒子增强 （2）纤维增强 （3）液晶原位增强 7.5 聚合物的韧性与增韧 Pendulum machine 摆锤冲击机 7.5.2 影响冲击强度的因素 Discussion 外界因素 7.5.3 聚合物的增韧 橡胶增韧塑料的增韧机理 （2）刚性粒子增韧 本章小结 应力-应变曲线 玻璃态与晶态; 分子运动机理 屈服 剪切带与银纹 断裂与强度 影响强度的因素 增强与增韧 常见增强与增韧的方法, 机理 韧性好坏顺序 d
a ——曲线下的面积代表所吸收能量 因素 强度 延展性 快速拉伸 强度 延展性 ——分子间作用力 ——分子链柔顺性 极性基团或氢键 有支链结构 适度交联 结晶度大 双轴取向 好 差 加入增塑剂 韧 性 温度高 应变速率大 好 差 冲击强度?i 即韧性 (1) 橡胶增韧塑料 橡胶增韧塑料 e.gPVC＋CPE，PP＋EPDM 增韧效果取决于分散相相畴大小和界面粘接力,即两者相容性. 银纹机理：橡胶粒子作为应力集中物诱发基体产生银纹而吸收能量。（一般脆性聚合物增韧为此机理，如：PS/SBS，PMMA/ACR） 银纹—剪切带机理：橡胶粒子作为应力集中物,在外力作用下诱发大量银纹和剪切带,吸收能量.橡胶粒子和剪切带控制和终止银纹。 刚性有机粒子增韧：拉伸时，由于基体与分散相之间的模量和泊松比差别致使基体对刚性粒子产生赤道面上的强压力而发生脆—韧转变，刚性粒子发生“冷流”而吸收能量。 e.g PC/MBS 刚性无机粒子增韧: 刚性粒子促使基体在断裂过程中产生塑性变形吸收能量. e.g PVC+CaCO3 刚性粒子增韧的条件是:基体必须具有一定韧性. 弹性变形后继续施加载荷，则产生塑性形变，称为继续屈服，包括： 应变软化：屈服后，应变增加，应力反而有稍许下跌的现象，原因至今尚不清楚。 呈现塑性不稳定性，最常见的为细颈。 塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。 发生“取向硬化”，应力急剧上升。 试样断裂。 样条尺寸：横截面小的地方 应变软化：应力集中的地方 出现“细颈”的位置 自由体积增加 松弛时间变短 出现“细颈”的原因 无外力 有外力 细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。 为什么会出现细颈？ ——应力最大处。 哪里的应力最大？ 剪切屈服：即在细颈发生前，试样表面出现与拉伸方向成45度角的剪切带。WHY？ Fan Fas a F F 横截面A0, 受到的应力 ?0=F/A0 斜截面A? = A0 / cosa =Fcosa =Fsina 法向应力 剪切应力 ? = 0? ??n = ?0 ??s = 0 ? = 45? ??n = ?0/2 ??s = ?0/2 ? = 90? ??n =0 ??s =0 s0 /2 s s0 a 0o 45o 90o aan aas 抗张强度：抵抗拉力的作用 抗剪强度：抵抗剪力的作用 两种 当应力?0增加时，法向应力和切向应力增大的幅度不同 在45o时, 切向应力最大 抗张强度什么面最大？ ?=0?， ??n=?0 抗剪强度什么面最大？ ?=45?， ??s=?0/2 s s0 s0 /2 a 0o 45o 90o aan aas 当?=45?时 ??s=?0/2 当?=?-90=-45?时 ??s=-?0/2 发生屈服 屈服判据: 在细颈出现之前试样上出现与拉伸方向成45?角的剪切滑移变形带 聚合物屈服的表现形式 银纹现象为聚合物所特有，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，以至于在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100μm、宽度为10 μm左右、厚度约为1 μm的微细凹槽的现象 分类 环境银纹 溶剂银纹 应力银纹 微纤 Microfibril 微纤平行与外力方向，银纹长度方向与外力垂直。 也称为银纹质 银纹不是空的，银纹体的密度为本体密度的50%，折光指数也低于聚合物本体折光指数，因此在银纹和本体之间的界面上将对光线产生全反射现象，呈现银光闪闪的纹路（所以也称应力发白）。加热退火会使银纹消失 。 F 银纹的扩展 中间分子链断裂 扩展 形成裂纹 主要区别 剪切屈服 银纹屈服 形 变 形变大几十~几百% 形变小
10% 曲线特征 有明显的屈服点 无明显的屈服点 体 积 体 积 不 变 体 积 增 加 力 剪 切 力 张 应 力 结 果 冷 拉 裂 缝 一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服 均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象 强度是指物质抵抗破坏的能力 张应力 拉伸强度 弯曲力矩 抗弯强度 压应力 压缩强度 拉伸模量 弯曲模量 硬 度 如何区分断裂形式？ ——关键看屈服 屈服前断 脆性断裂 屈服后断 韧性断裂 脆性断裂 屈服前断裂 无塑性流动 表面光滑 张应力分量 韧性断裂 屈服后断裂 有塑性流动 表面粗糙 切应力分量 试样发生脆性或者韧性断裂与材料组成有关，除此之外，同一材料是发生脆性或韧性断裂还与温度t 和拉伸速率? 有关。 聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。 化学键拉断 15000mpa 分子间滑脱 5000mpa 分子间扯离 氢键 500mpa 范德华力100mpa 强度理论值 e.g. pa, 60 mpa ppo, 70 mpa 理论值与实验结果相差原因 样条存在缺陷 应 力 集 中 聚合物实际强度与理论强度 为什么材料的实际强度远远低于理论强度？ 存在缺陷 为什么在缺陷处断裂？ 缺陷处应力集中 缺陷处应力多大？ griffith theory 屈服强度 断裂强度 b-试样厚度，d-试样宽度, p-最大载荷 化学键拉断 分子间滑脱 分子间扯离 主要方式 化学键断裂所需力最大 分子间扯离所需力最小 通过断裂形式分析：分子之间相互作用大小对强度影响最大 极性基团或氢键 主链上含芳杂环结构 适度的交联 结晶度大 取向好 高 低 拉伸强度?t 加入增塑剂 缺陷存在 温度高 应变速率大 高 低 拉伸强度?t 讨论高分子的一级结构、二级结构、三级结构及高次结构对聚合物强度的影响。 活性粒子（ powder） 纤维 fiber 液晶 liquid crystal c ，sio2 glass fiber, carbon fiber polyester filler 填料 增 强 途 径 carbon black reinforcement 橡胶+碳黑 增强机理：活性粒子吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子起物理交联点的作用。 惰性填料如何？例：pvc+caco3，pp+滑石粉 glass steel boat glassy fiber+polyester 增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷 例：尼龙+玻纤/碳纤维/晶须/硼纤维 增强效果与纤维的长度、纤维与聚合物之间的界面粘接力有关 racing bicycle carbon fiber 增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微纤结构而到增强作用。由于微纤结构是加工过程中由液晶棒状分子在共混无物基体中就地形成的，故称做“原位”复合增强。 热致液晶+热塑性聚合物 共聚酯， 聚芳酯xydar, vector, rodrum 7.5.1 冲击强度 impact strength ——是衡量材料韧性的一种指标 冲断试样所消耗的功 冲断试样的厚度和宽度 增韧剂： elasticizer, plasticizer, softener charpy 简支梁 izod 悬臂梁 * * 聚合物的力学性能是其受力后的响应，如形变大小、形变的可逆性及抗破损性能等。 在不同条件下聚合物表现出的力学行为： 极限力学行为（屈服、破坏与强度）：玻璃态和结晶态聚合物 强度：材料所能承受的最大载荷，表征了材料的受力极限，在实际应用中具有重要的意义。 包括抗张强度、冲击强度、弯曲强度、压缩强度、硬度、疲劳 高弹性、粘弹性和流动性 聚合物的应力应变曲线 聚合物的屈服与强度 影响聚合物强度的因素 聚合物改性途径和机理 本章的主要内容 简单剪切shear 本体压缩（或本体膨胀） 基本的形变 形状改变而体积不变 体积改变而形状不变 拉伸 tensile 单轴拉伸 uniaxial elongation 双轴拉伸 biaxial elongation 等轴 非等轴 当材料受到外力作用而所处的条件却使其不能产生惯性位移，材料的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化就称为应变 (strain)。 平衡时，附加内力和外力相等，单位面积上的附加内力（外力）称为应力 (stress)。 (1) 简单拉伸 l0 l = l0 + dl a0 a 应变 应力 f f f f f (2) 简单剪切 f q d s a0 a0 切应变 切应力 剪切位移 剪切角 (3) 均匀压缩 v0 p v0 - dv 均匀压缩应变 弹性模量 modulus 弹性模量是表征材料抵抗变形能力的大小, 其值的大小等于发生单位应变时的应力 简单拉伸 简单剪切 均匀压缩 拉伸模量, 或杨氏模量 剪切模量 体积模量 三种弹性模量间的关系 各向同性材料 ? : poisson’s ratio 泊松比 泊松比: 在拉伸实验中，材料横向应变与纵向应变之比值的负数 常见材料的泊松比 泊松比数值 解 释 0.5 不可压缩或拉伸中无体积变化 0.0 没有横向收缩 0.49~0.499 橡胶的典型数值 0.20~0.40 塑料的典型数值 only two independent variables 玻璃态聚合物在不同温度下的应力-应变曲线 a y b yielding point 屈服点 point of elastic limit 弹性极限点 breaking point 断裂点 strain softening 应变软化 cold drawing 冷拉 strain hardening 应变硬化 典型非晶态聚合物的拉伸应力-应变曲线 你能解释吗？ 弹性形变 屈服 应变软化 冷拉 应变硬化 断裂 s e （molecular motion during tensile test 拉伸过程中高分子链的运动） 从分子运动解释非结晶聚合物应力－应变曲线 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态） i elastic deformation 普弹形变 小尺寸运动单元的运动引起键长键角变化。形变小可回复 ii forced rubber-like deformation 强迫高弹形变 在大外力作用下冻结的链段沿外力方向取向 iii viscous flow 粘流形变 在分子链伸展后继续拉伸整链取向排列，使材料的强度进一步提高。形变不可回复 应力-应变过程的不同阶段 五个阶段： i：弹性形变 ii：屈服 iii：应变软化 iv：冷拉 v：应变硬化 i ii iii iv v 应变硬化 分子运动机理 弹性阶段 屈服 应变软化 大形变 （冷拉） 高模量、小形变 形变可回复 键长、键角的变化 在应力作用下，链段开始运动 应变增加，应力略下降 由键长键角变化转为链段运动，模量下降 应力变化不大，应变增加很大 升温至tg可回复 链段运动，构象伸展 应力逐渐上升直至断裂 分子链沿外力方向伸展形成取向结构 粘流形变 高弹形变 拉伸过程中高分子链的运动 聚合物的屈服强度 聚合物的杨氏模量 聚合物的断裂强度 聚合物的断裂伸长率 聚合物的断裂韧性 聚合物的断裂行为 脆性断裂 brittle fracture 韧性断裂 ductile fracture s e (a) 不同温度 a: t
GB T 32610-2016_日常防护型口罩技术规范_高清版_可检索.pdf
