第八章聚合物的屈服和断裂
1 第八章 聚合物的屈服和断裂
在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下材料将发生大形变直至宏观破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能力称为强度。材料断裂的方式与其形变性质有着密切的联系。例如，脆件断裂是缺陷快速扩展的结果，而韧性断裂是屈服后的断裂。高分子材料的屈服实际上是材料在外力作用下产生的塑性变为了有效地和经济地利用材料或对材料进行改性不仅需要具体了解材料的各项力学性能指标，如杨氏模量、屈服强度、屈服伸长、断裂强度、断裂伸长断裂能等，而且必须深入研究屈服和断裂过程的物理本质
在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下， 材料将发生大形变直至宏观破坏或断裂，对这种破坏 或断裂的抵抗能力称为强度。材料断裂的方式与其形 变性质有着密切的联系。例如，脆件断裂是缺陷快速 扩展的结果，而韧性断裂是屈服后的断裂。高分子材 料的屈服实际上是材料在外力作用下产生的塑性变。 为了有效地和经济地利用材料或对材料进行改性， 不仅需要具体了解材料的各项力学性能指标，如杨氏 模量、屈服强度、屈服伸长、断裂强度、断裂伸长、 断裂能等，而且必须深入研究屈服和断裂过程的物理 本质
8.1聚合物的塑性和屈服8.1.1应力一应变曲线高聚物的应力一应变试验是研究高聚物形变和断裂中应用最广泛的一种力学试验，通常在拉力下进行，可以通过曲线判断材料的强与弱、刚与软、脆与韧，也可粗略估计材料状态及取向情况试验方法：在拉力下进行，均匀速率拉伸，测量试样上的载荷和相应标线间长度的变化Fa=AoA图8-1拉伸试样示意图20
8.1 聚合物的塑性和屈服 8.1.1应力－应变曲线 高聚物的应力—应变试验是研究高聚物形变和断裂中应用最 广泛的一种力学试验，通常在拉力下进行，可以通过曲线判断 材料的强与弱、刚与软、脆与韧，也可粗略估计材料状态及取 向情况 试验方法：在拉力下进行，均匀速率拉伸，测量试样上的 载荷和相应标线间长度的变化 图8-1 拉伸试样示意图
8.1聚合物的塑性和屈服8.1.1.1非晶态聚合物的应力一应变曲线强迫高弹形变aE2BY：屈服点屈服应力yYdC屈服应变&屈服：A点以后，不再保持线性关系张应力达到时，而不变或先将低EBEY后不变图8-2非晶态聚合物典型的应力一应变曲线示意图
8.1.1.1 非晶态聚合物的应力－应变曲线 图8-2 非晶态聚合物 典型的应力－应变曲线示意图 强迫高弹形变 Y：屈服点 屈服应力σY 屈服应变εY 屈服：A点以后，不再保持线性关系， 张应力达到σY时，ε↑而σ不变或先将低 后不变 8.1 聚合物的塑性和屈服
8.1聚合物的塑性和屈服8.1.1.1非晶态聚合物的应力一应变曲线在Y点以前，为弹性区，除去应力后，材料形状可完全回复不留任何永久形变，在Y点以后，为塑性区，材料除去应力以后，留下永久形变，Y点将应力一应变分为两个部分Y点以后，玻璃态高聚物在很大的外力作用下，发生的大形变，称作强迫高弹形变，由于应力的作用，使链段运动位垒相对降低，促进了链段运动，提前进入高弹区，除去外力，由于高聚物属玻璃态，无外力时链段不能运动，因此，固定为“永久形变
在Y点以前，为弹性区，除去应力后，材料形状可完全回复， 不留任何永久形变，在Y点以后，为塑性区，材料除去应力 以后，留下永久形变，Y点将应力—应变分为两个部分。 Y点以后，玻璃态高聚物在很大的 外力作用下，发生的大形 变，称作强迫高弹形变，由于应力的作用，使链段运动位垒 相对降低，促进了链段运动，提前进入高弹区，除去外力， 由于高聚物属玻璃态，无外力时链段不能运动，因此，固定 为“永久形变” 8.1.1.1 非晶态聚合物的应力－应变曲线 8.1 聚合物的塑性和屈服
8.1聚合物的塑性和屈服8.1.1.1非晶态聚合物的应力一应变曲线在玻璃态被冻结的链段越过位垒而产生运动，缩短了高分子链段沿外力方向运动的松驰时间，即拉伸使Tg下降实验证明：E=tgα=Da/e△E：活化能a：与材料有关的常数当，。当应力增大到，时，链段运动的t减小到与拉伸速度相应的数值，高聚物产生大的形变，所以，和T对松驰过程的影响相同应变软化：超过屈服点Y以后，ε个而的现象
在玻璃态被冻结的链段越过位垒而产生运动，缩短了高分子 链段沿外力方向运动的松驰时间，即拉伸使Tg下降 实验证明： △E：活化能 a：与材料有关的常数 当σ↑，τ↓。当应力增大到σY时，链段运动的τ减小到与拉伸速 度相应的数值，高聚物产生大的形变，所以，σ↑和T↑对松驰过 程的影响相同 应变软化：超过屈服点Y以后，ε↑而σ↓的现象 8.1.1.1 非晶态聚合物的应力－应变曲线 8.1 聚合物的塑性和屈服
8.1聚合物的塑性和屈服8.1.1.1非晶态聚合物的应力一应变曲线B断裂点断裂强度B断裂伸长率&B应变硬化：在应力的持续作用下，大量链段的取向运动过渡到整个分子链的取向排列，链间重新形成了更多的物理结点，材料的强度进一步提高，急剧增大应力，才能产生一定的应变，直至试样断裂，称为应变硬化这一段是在强力作用下，室温时，发生的分子链位移拉伸初始阶段，试样工作段被均匀拉伸Y点，工作段局部区域出现缩颈。继续拉伸，缩颈区和未成颈区的截面积保持不变，但缩颈长度展未成颈段不断减少，直到整个工作段全部变为缩颈后才再度均匀拉伸至断裂，这一过程中的形变少量可以回复，大部分形变将残留下来
B断裂点 断裂强度σB 断裂伸长率εB 应变硬化：在应力的持续作用下，大量链段的取向运动 过渡到整个分子链的取向排列，链间重新形成了更多的物理结点， 材料的强度进一步提高，急剧增大应力，才能产生一定的应变，直 至试样断裂，称为应变硬化 这一段是在强力作用下，室温时，发生的分子链位移 拉伸初始阶段，试样工作段被均匀拉伸 Y点，工作段局部区域出现缩颈。 继续拉伸，缩颈区和未成颈区的截面积保持不变，但缩颈长度展， 未成颈段不断减少，直到整个工作段全部变为缩颈后才再度均匀拉伸至 断裂，这一过程中的形变少量可以回复，大部分形变将残留下来 8.1.1.1 非晶态聚合物的应力－应变曲线 8.1 聚合物的塑性和屈服
8.1.1.1非晶态聚合物的应力一应变曲线应力一应变行为的影响因素（1）温度屈服点以前发生断裂为脆性断裂12曲线1：T<<Tg，c随?正比增加A-30℃3-Wo.N/01xD1+25℃，但当<10%时发生断裂+40℃+70℃Cx(1)of0.010.020.00×(3)X(2)图8一4PVC在不同温度时的c一c曲线×(4)(=1ms-)0图8-3玻璃态聚合物在不同温度时的一曲线（一定
应力－应变行为的影响因素 8.1.1.1 非晶态聚合物的应力－应变曲线 （1 ）温度 图8－3 玻璃态聚合物 在不同温度时的σ－ε曲线（ 一定ε ） 屈服点以前发生断裂为脆性断裂 曲线1：T1<<Tg，σ随ε正比增加 ，但当 <10%时发生断裂 图8－4 PVC在不同温度时的σ－ε曲线 （ε＝1m·s-1 ）
8.1.1.1非晶态聚合物的应力一应变曲线应力一应变行为的影响因素（1）温度屈服点以后发生断裂，为韧性断裂曲线2：TTg时，高弹态，在c不太大的情况下，便可表现高弹形变，曲线上无屈服点，而呈现一段较长的平台，增加不明显，8变化很大，直到试样断裂前，曲线才出现急剧上升
8.1.1.1 非晶态聚合物的应力－应变曲线 应力－应变行为的影响因素 （ 1 ）温度 屈服点以后发生断裂，为韧性断裂 曲线2： T1Tg时，高弹态，在σ不太大的情况下，便可表现 高弹形变，曲线上无屈服点，而呈现一段较长的平台，σ增加不 明显，ε变化很大，直到试样断裂前，曲线才出现急剧上升
8.1.1.1非晶态聚合物的应力一应变曲线应力一应变行为的影响因素（1）温度温度对的影响：T上升，材料变得软而韧断裂强度l断裂伸长率&gTT下降，材料变得硬而脆断裂强度o断裂伸长率&B温度对的影响：T下降，↑，屈服应力o随温度下降而上升，与o类似只是曲线不同当T<Tg附近时，产生强迫高弹形变当T比Tg低很多，也就是在强迫高弹形变以前，试样已经被拉断，为脆性玻璃态，两条曲线交于一点，对应于Tb：脆化温度，材料在TbTg之间时，在外力作用下，实现强迫高弹形变，强迫高弹形变是塑料具有韧性的原因，玻璃态高聚物在Tb～Tg之间时，才能进行冷拉，表现出刚而韧的特点
8.1.1.1 非晶态聚合物的应力－应变曲线 应力－应变行为的影响因素 （1 ）温度 温度对σB的影响： T上升，材料变得软而韧 断裂强度σB ↓ 断裂伸长率εB ↑ T下降，材料变得硬而脆 断裂强度σB↑ 断裂伸长率εB↓ 温度对σY的影响： T下降，τ↑，屈服应力σY随温度下降而上升，与σB类似， 只是曲线不同 当T<Tg附近时，产生强迫高弹形变 当T比Tg低很多，也就是在强迫高弹形变以前，试样已经被拉 断，为脆性玻璃态，两条曲线交于一点，对应于Tb：脆化温度， 材料在Tb~Tg之间时，在外力作用下，实现强迫高弹形变，强迫 高弹形变是塑料具有韧性的原因，玻璃态高聚物在Tb～Tg之间 时，才能进行冷拉，表现出刚而韧的特点