聚合物的屈服与断裂ppt课件.ppt
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1、8.1.1 聚合物的聚合物的应力应力-应变行为应变行为8.1.1.1 非晶态高分子的应力非晶态高分子的应力-应变行为应变行为应应力力一一应应变变实实验验是是最最广广泛泛的的,重重要要、实实用用的的实验。实验。在在应应力力-应变试验应变试验中,中,以某一以某一给给定的定的应变应变速率速率对试样对试样施加施加负负荷,直到荷,直到试样试样断裂断裂为为止。止。实实验验大大多采用拉伸方式。多采用拉伸方式。8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服玻璃态高聚物的应力-应变曲线0yBYBBA 弹性极限应变 A弹性极限应力B 断裂伸长率 B断裂强度 Y 屈服应力Y point:Yielding point
2、屈服点屈服点A point:Point of elastic limit 弹性极限点弹性极限点B point:Breaking point 断裂点断裂点应力应力-应变曲线应变曲线The stress-strain curves篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统 若在若在试样试样断裂前停止拉伸,除去断裂前停止拉伸,除去外力,外力,则试样则试样已已发发生的大形生的大形变变无法无法完全恢复;只有完全恢复;只有让试样让试样的温度升到的温度升到Tg附近,形附近,形变变方可回复,因此,方可回复,因此,这这种大形种大形变变在本在本质质
3、上是一种高上是一种高弹弹形形变变,而不是粘流形而不是粘流形变变,其分子机理主要,其分子机理主要是高分子的是高分子的链链段运段运动动,它只是在大,它只是在大外力的作用下的一种外力的作用下的一种链链段运段运动动。为为区区别别于普通的高于普通的高弹弹形形变变,可称之,可称之为为强强迫高迫高弹弹性性。在在Tg以下,由于聚合物以下,由于聚合物处处于玻璃于玻璃态态,即使外力除去,已,即使外力除去,已发发生的大形生的大形变变也不能自也不能自发发回复。在材料出回复。在材料出现现屈屈服之前服之前发发生的断裂称生的断裂称为为脆性断裂,脆性断裂,一般材料在一般材料在发发生脆性断裂之前只生脆性断裂之前只发发生很小的形
4、生很小的形变变。而在材料屈服之后。而在材料屈服之后的断裂,的断裂,则则称称为为韧韧性断裂性断裂。存在一个特征温度存在一个特征温度Tb,只要,只要温度低于温度低于Tb,玻璃态高聚物,玻璃态高聚物就不能发生就不能发生强迫高弹形变强迫高弹形变,而必定发生脆性断裂,这个而必定发生脆性断裂,这个温度称为温度称为脆化温度脆化温度Tb。各种情况下的应力各种情况下的应力-应变曲线应变曲线(a)Different temperaturea:TTg 脆断脆断b:TTg 屈服后断屈服后断c:TTg 几十度几十度 韧断韧断d:Tg以上以上 无屈服无屈服 TTExample-PVC(b)Different strain
5、 rateStrain rate时温等效原理:拉伸速度时温等效原理:拉伸速度快快=时间短时间短温度低温度低速度速度a:脆性材料 c:韧性材料d:橡胶b:半脆性材料酚醛或环氧树脂PP,PE,PCPS,PMMANature rubber,PI(c)Composition of Polymers 物质结构组物质结构组成成(d)Crystallization 结晶结晶应变软化更应变软化更明显明显冷拉时晶片的倾斜、冷拉时晶片的倾斜、滑移、转动,形成滑移、转动,形成微晶或微纤束微晶或微纤束(e)The Size of Spherulites 球晶大小球晶大小(f)The Degree of Crystal
6、lization 结晶度结晶度整个曲整个曲线线可分可分为为三个三个阶阶段:段:到到y点后,点后,试样试样截面开始截面开始变变得不均匀,出得不均匀,出现现“细颈细颈”。8.1.1.2 晶态聚合物的应力一晶态聚合物的应力一应变曲线应变曲线 晶态聚合物晶态聚合物“冷拉冷拉”的原因:的原因:Tm以以下下,冷冷拉拉:拉拉伸伸成成颈颈(球球晶晶中片晶的变形)中片晶的变形)非非晶晶态态:Tg以以下下冷冷拉拉,只只发发生生分分子链的取向子链的取向晶态:晶态:Tm以下,发生结晶的破以下,发生结晶的破坏,取向,再结晶过程,与温度、坏,取向,再结晶过程,与温度、应变速率、结晶度、结晶形态有应变速率、结晶度、结晶形态
7、有关。关。玻璃玻璃态态聚合物的拉伸与聚合物的拉伸与结结晶聚合物的拉伸相似之晶聚合物的拉伸相似之处处:两种拉伸两种拉伸过过程均程均经历弹经历弹性性变变形、屈服、形、屈服、发发展大形展大形变变以及以及应变应变硬化等硬化等阶阶段,其中大形段,其中大形变变在室温在室温时时都不能自都不能自发发回复,而加回复,而加热热后后则产则产生回复,故本生回复,故本质质上两种拉伸上两种拉伸过过程造成的大形程造成的大形变变都是高都是高弹弹形形变变。该现该现象通常称象通常称为为“冷拉冷拉”。两种拉伸两种拉伸过过程又有区程又有区别别:产产生冷拉的温度范生冷拉的温度范围围不同,玻璃不同,玻璃态态聚合物的冷拉温度区聚合物的冷拉
8、温度区间间是是Tb到到Tg,而,而结结晶聚合物晶聚合物则为则为Tg至至Tm;另一差;另一差别别在于玻璃在于玻璃态态聚合物在冷拉聚合物在冷拉过过程中聚集程中聚集态结态结构的构的变变化比晶化比晶态态聚合物聚合物简单简单得得多,它只多,它只发发生分子生分子链链的取向,并不的取向,并不发发生相生相变变,而后者尚包含,而后者尚包含有有结结晶的破坏,取向和再晶的破坏,取向和再结结晶等晶等过过程。程。8.1.1.3 应力一应变曲线类型应力一应变曲线类型“软软”和和“硬硬”用于区分模量用于区分模量的低或高,的低或高,“弱弱”和和“强强”是是指指强强度的大小,度的大小,“脆脆”是指是指无屈服无屈服现现象而且断裂
9、伸象而且断裂伸长长很小,很小,“韧韧”是指其断裂伸是指其断裂伸长长和断裂和断裂应应力都力都较较高的情高的情况,有况,有时时可将断裂功作可将断裂功作为为“韧韧性性”的的标标志。志。8.1.2 屈服冷拉机理屈服冷拉机理高聚物屈服点前形变是完全可以回复的,屈服点后高聚物高聚物屈服点前形变是完全可以回复的,屈服点后高聚物将在恒应力下将在恒应力下“塑性流动塑性流动”,即链段沿外力方向开始取向。,即链段沿外力方向开始取向。高聚物在屈服点的应变相当大,剪切屈服应变为高聚物在屈服点的应变相当大,剪切屈服应变为10%-20%(与金属相比)。(与金属相比)。屈服点以后,大多数高聚物呈现应变软化。屈服点以后,大多数
10、高聚物呈现应变软化。屈服应力对应变速率和温度都敏感。屈服应力对应变速率和温度都敏感。屈服发生时,拉伸样条表面产生屈服发生时,拉伸样条表面产生“银纹银纹”或或“剪切带剪切带”,继而整个样条局部出现继而整个样条局部出现“细颈细颈”。屈服主要特征Strain softening 应变软化应变软化 弹性变形后继续施加载荷,则产生塑性形变,称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: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。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。呈现塑性不
11、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。塑性形变产生热量,试样温度升高,变软。发生发生“取向硬化取向硬化”,应力急剧上升。,应力急剧上升。试样断裂。试样断裂。样条尺寸:横截面小的地方样条尺寸:横截面小的地方应变软化:应力集中的地方应变软化:应力集中的地方 出现出现“细细颈颈”的位的位置置自由体积增加自由体积增加松弛时间变短松弛时间变短出现出现“细颈细颈”的原因的原因无外力无外力有外力有外力 Orientation细颈稳定细颈稳定取向硬化取向硬化 Considre作图法作图法唯象角度唯象角度 判据判据8.1.2.1 细颈细颈 Necking(1)细颈细颈:屈服时,试样出现的
12、局部变细的现象。屈服时,试样出现的局部变细的现象。Necking 颈缩现象颈缩现象为什么会出现细颈?为什么会出现细颈?应力最大处。应力最大处。哪里的应力最大?哪里的应力最大?工程应力和真应力工程应力和真应力Engineering stress and true stress Engineering stressTrue stressForceInitial cross-section areaForceCross-section areaRelationship between engineering stress and true stress under incompressible co
13、ndition8.1.2.2 Considre 作图法作图法:在真应力在真应力-应变曲线上确应变曲线上确定与工程应力定与工程应力-应变屈服应变屈服点点Y所对应的所对应的B点点。Y点8.1.4 Shear band 剪切带剪切带(1 1)定义:)定义:韧性聚合物单韧性聚合物单轴拉伸至屈服点时,可看到轴拉伸至屈服点时,可看到与拉伸方向成与拉伸方向成45的剪切滑的剪切滑移变形带,有明显的双折射移变形带,有明显的双折射现象,分子链高度取向,剪现象,分子链高度取向,剪切带厚度约切带厚度约1m左右,每个左右,每个剪切带又由若干个细小的不剪切带又由若干个细小的不规则微纤构成。规则微纤构成。(2)剪切屈服现象
14、、机理及判据剪切屈服现象、机理及判据横截面横截面A0,受到受到的应力的应力 0=F/A0拉伸中材料某个面受力分析拉伸中材料某个面受力分析剪切屈服:即在细颈发生前,试样表面出现与拉伸方向成剪切屈服:即在细颈发生前,试样表面出现与拉伸方向成45度角的度角的剪切带。剪切带。WHY?斜截面A受 力法向应力法向应力剪切应力剪切应力抵抗外力的方式抵抗外力的方式抗张强度:抵抗拉力的作用抗张强度:抵抗拉力的作用抗剪强度:抵抗剪力的作用抗剪强度:抵抗剪力的作用两两种种当应力当应力 0增加时,增加时,法向应力和切向应力增大的幅度不同法向应力和切向应力增大的幅度不同抗张强度什么面最大?抗张强度什么面最大?=0,n=
15、0抗剪强度什么面最大?抗剪强度什么面最大?=45,s=0/2切应力双生互等定律切应力双生互等定律当当当当 =45=45 时时时时 s s=0 0/2/2 当当当当 =-90-90=-45=-45 时时时时 s s=-=-0 0/2/2 发生屈服发生屈服发生屈服发生屈服屈服判据屈服判据屈服判据屈服判据双轴拉伸双轴拉伸双轴拉伸双轴拉伸屈服判据屈服判据屈服判据屈服判据当当当当 =45=45 时时时时发生屈服发生屈服发生屈服发生屈服定义:定义:银纹现象为聚合物所特有,银纹现象为聚合物所特有,是聚合物在张应力作用下,是聚合物在张应力作用下,于材料的某些薄弱部分出现应力集中而产生局部的塑性形变的于材料的某
16、些薄弱部分出现应力集中而产生局部的塑性形变的取向,以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为取向,以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100100m m,宽度为,宽度为1010m m左右,厚度为左右,厚度为1 1m m的微细凹槽现象。的微细凹槽现象。特征:应力发白现象,密度为本体的特征:应力发白现象,密度为本体的5050,高度取向的高分子,高度取向的高分子微纤。银纹进一步发展微纤。银纹进一步发展裂缝裂缝脆性断裂。脆性断裂。分分类类环境银纹环境银纹溶剂银纹溶剂银纹应力银纹应力银纹8.1.5 Crazing 银纹银纹银纹方向和分子链方向银纹方向和分子链方向银纹不是空的,银纹体银纹不是
17、空的,银纹体的密度为本体密度的的密度为本体密度的50%,折光指数也低于,折光指数也低于聚合物本体折光指数,聚合物本体折光指数,因此在银纹和本体之间因此在银纹和本体之间的界面上将对光线产生的界面上将对光线产生全反射现象,呈现银光全反射现象,呈现银光闪闪的纹路(所以也称闪闪的纹路(所以也称应力发白应力发白)。)。加热退火加热退火会使银纹消失会使银纹消失。F银纹和剪切带均有分子链取向,吸收能量,呈现银纹和剪切带均有分子链取向,吸收能量,呈现银纹和剪切带均有分子链取向,吸收能量,呈现银纹和剪切带均有分子链取向,吸收能量,呈现屈服现象屈服现象屈服现象屈服现象一般情况下,材料既有银纹屈服又有剪切屈服一般情
18、况下,材料既有银纹屈服又有剪切屈服主要区别主要区别剪切屈服剪切屈服银纹屈服银纹屈服形变形变形变大几十形变大几十几百几百%形变小形变小 10%曲线特征曲线特征有明显的屈服点有明显的屈服点无明显的屈服点无明显的屈服点体积体积体积不变体积不变体积增加体积增加力力剪切力剪切力张应力张应力结果结果冷拉冷拉裂缝裂缝细颈、剪切带和银纹比较细颈、剪切带和银纹比较主要区别主要区别细颈、剪切带细颈、剪切带银纹银纹形变量形变量形变量大形变量大10100%形变量小形变量小 10%曲线特征曲线特征有明显的屈服点有明显的屈服点无明显的屈服点无明显的屈服点体积体积体积几乎不变体积几乎不变体积增加体积增加主要相同点主要相同点
19、能量能量吸收能量吸收能量吸收能量吸收能量一般来讲,既有银纹屈服也有剪切屈服一般来讲,既有银纹屈服也有剪切屈服强度是指物质抵强度是指物质抵抗破坏的能力抗破坏的能力张应力张应力张应力张应力拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸强度弯曲力矩弯曲力矩弯曲力矩弯曲力矩抗弯强度抗弯强度抗弯强度抗弯强度压应力压应力压应力压应力压缩强度压缩强度压缩强度压缩强度拉伸模量拉伸模量拉伸模量拉伸模量弯曲模量弯曲模量弯曲模量弯曲模量硬硬硬硬 度度度度如何区分断裂形式?关键看屈服屈服前前断脆脆性断裂屈服后后断韧韧性断裂 8.2 聚合物的断裂与强度聚合物的断裂与强度8.2.1 脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂脆性断裂脆性断裂脆性
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