第十一章聚合物的力学性能.ppt

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1、第十一章 聚合物的力学性能,主要学习内容,高分子材料的 拉伸应力-应变特性,应力应变曲线及其类型,影响拉伸行为的外部因素,强迫高弹形变与“冷拉伸”,高分子材料的 断裂和强度,宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂,断裂过程，断裂的分子理论,高分子材料的强度,高分子材料的增强改性,高分子材料的 抗冲击强度和增韧改性,抗冲击强度实验,影响抗冲击强度的因素,高分子材料的增韧改性,11.1应力应变曲线,(a),(b),测试拉伸性质的样品, 11.1.1 非晶态高聚物的应力-应变曲线,非晶态高聚物的应力-应变曲线,A 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: Y

2、ielding point 屈服点,A point: Point of elastic limit 弹性极限点,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,从分子运动机理解释形变过程,0 1 2 3 4 5,12 10 8 6 4 2 0, 1000 psi, inch,1psi = 6890Pa,注意细颈现象,非晶态聚合物典型应力-应变曲线,Stress,Strain,重要参数：,(1)杨氏模量,(6)断裂韧性,量纲=Pam/m=N/m2 m/m= J/m3,以应力应变曲线测定的韧性,影响应力应变曲线的因素,(a) 不同温度,a: TTg,c: TTg (几

3、十度),d: T接近Tg,b: TTg,Temperature,0C,50-70C,70C,0-50C,Example-PVC,脆性断裂,韧性断裂,无屈服,屈服后断裂,Results,屈服应力与测试温度的关系曲线,（b）应变速率,(2),(3),(4),应力,应变,(1),应变速率 1234,Example: PMMA,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, PC,PS, PMMA,Nature rubber, PIB,(c) 不同的化学结构,(d) Crystallization 结晶,应变软化更明显，冷拉时晶片倾斜、滑移、转动，形成微晶

4、或微纤束。,结晶聚合物应力应变曲线,与非晶态聚合物的拉伸机理相同吗？,(e) The Size of Spherulites 球晶大小,(f) The Degree of Crystallization 结晶度,整个曲线可分为三个阶段： 到y点后，试样截面开始变得不均匀，出现 “细颈”。,11.1.2 晶态聚合物的应力一应变曲线,晶态聚合物“冷拉”的原因： 晶态：Tm以下，发生结晶的破坏，取向，再结晶过程，与温度、应变速率、结晶度、结晶形态有关。 非晶态：Tg以下冷拉，只发生分子链的取向,结晶聚合物应力应变曲线,非晶态聚合物与结晶聚合物的拉伸比较,相似之处：两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发

5、展大形变以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自发回复，而加热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是高弹形变。该现象通常称为“冷拉”。,区别：（1）产生冷拉的温度范围不同，非晶态聚合物的冷拉温度区间是Tb到Tg，而结晶聚合物则为Tg至Tm。 （2）非晶态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶态聚合物简单得多，它只发生分子链的取向，并不发生相变，而后者尚包含有结晶的破坏，取向和再结晶等过程。, 11.1.3 应力一应变曲线类型,“软”和“硬”用于区分模量的低或高，“弱”和“强”是指强度的大小，“脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很小，“韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况，有时

6、可将断裂功作为“韧性”的标志。,聚合物应力应变类型,11.2 聚合物的屈服,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“塑性流动”，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10% 20%（与金属相比）。 屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还非常 迅速。 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“银纹”或“剪切带”,继 而整个样条局部出现“细颈”。,屈服主要特征,Strain softening 应变软化,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

7、 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。,11.2.1 细颈,本质：剪切力作用下发生塑性流动,正应力,斜截面面积,法向力 FnFsin 切向力 FsFcos,法应力：,切应力：,当90时，法向应力最大； 45或135，切向应力最大,当法向应力大于拉伸强度，材料发生,当切向应力大于剪切强度，材料发生,断裂,屈服,几何因素决定细颈产生的位置：,试样尺寸在各处的微小差异，导致应力的差异，在某一点将首先达到屈服点，使形变更为容易。,工程应力和真应力 Engineering stress and

8、 true stress,Engineering stress,True stress,Force,Initial cross-section area,Force,Cross-section area,Relationship between engineering stress and true stress under incompressible condition,Considre 作图法:,在真应力-应变曲线上确定与工程应力-应变屈服点Y所对应的B点。,Y点, 11.2.2 Shear band 剪切带,定义：韧性聚合物单轴拉伸至屈服点时，可看到与拉伸方向成45的剪切滑移变形带，有

9、明显的双折射现象，分子链高度取向，剪切带厚度约1m左右，每个剪切带又由若干个细小的不规则微纤构成。,剪切屈服现象、机理及判据,横截面A0, 受到的应力 0=F/A0,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45度角的剪切带。WHY？,斜截面A,受 力,法向应力,剪切应力,抵抗外力的方式,拉伸强度：抵抗拉力的作用,剪切强度：抵抗剪切力的作用,两种,当应力0增加时，法向应力和剪切应力增大的幅度不同,拉伸强度什么面最大？ =0， n=0,剪切强度什么面最大？ =45， s=0/2,切应力双生互等定律,当=45时,s=0/2,当=-90=-45时,s=-0/2,发生

10、屈服,屈服判据,双轴拉伸,屈服判据,当=45时,发生屈服,定义：银纹现象为聚合物所特有，是聚合物在张应力作用下，在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100m，宽度为10m左右，厚度为1m的微细凹槽现象。 特征：应力发白现象，密度为本体的50，高度取向的高分子微纤。银纹进一步发展裂缝脆性断裂。,分类,环境银纹,溶剂银纹,应力银纹, 11.2.3 Crazing 银纹,银纹方向和分子链方向,F,拉伸试样在拉断前产生银纹化现象 a图为聚苯乙烯，b图为有机玻璃 注意银纹方向与应力方向垂直,ABS试样在弯应力下产生银纹的电镜照片,LD

11、PE试样在弯应力作用和在n-丙醇中浸泡时产生环境应力开裂的照片,环境应力开裂测试仪,PS试样中的一条大银纹， 银纹长45微米，最宽处宽约2微米,结晶高聚物中球晶间的破坏 a 聚氨酯试样中沿球晶边缘出现空洞 （薄膜试样，TEM照片） b 聚丙烯试样中球晶间出现纤维 （试样断裂表面，SEM照片）,LDPE试样因环境作用产生的银纹特征，银纹尖端区域形成孤立的空洞,LDPE试样因应力作用产生的银纹特征，银纹尖端区域有塑化的银纹质,两种银纹的差异,银纹和剪切带均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象,细颈、剪切带和银纹比较,一般来讲，既有银纹屈服也有剪切屈服,强度是指物质抵抗破坏的能力,拉伸应力,拉伸强度

12、,弯曲力矩,抗弯强度,压缩应力,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, 11.3 聚合物的断裂与强度,11.3.1 脆性断裂与韧性断裂,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,相比于脆性断裂，韧性断裂的断裂面较为 断裂伸长率较,光滑,大,小,粗糙,脆性断裂和韧性断裂表面,PS试样脆性断裂表面的电镜照片,增韧改性PVC韧性断裂表面的电镜照片,11.3.2 材料的断裂方式分析,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

13、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,理论值,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 。WHY？,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,polymer based concrete containing spherical inorganic particles,fatigue fracture surface,Comparing of brittle and ductile fractures（分

14、析判断）,脆性断裂 韧性断裂,屈服,-线,b,断裂能,断裂表面,断裂原因,无,有,无,有,线性,非线性,线性,非线性,小,大,小,大,小,大,小,大,平滑,粗糙,平滑,粗糙,发向应力,剪切应力,发向应力,剪切应力,脆韧转变温度 Tb,Tb is also called brittle temperature,Brittle ductile transition 脆韧转变,脆化温度，脆化点,在一定速率下（不同温度）测定的断裂应力和屈服应力，作断裂应力和屈服应力随温度的变化曲线,断裂应力和屈服应力 哪一个对应变速率更敏感？,脆性断裂和韧性断裂判断,TTb, 先达到b，脆性断裂,T Tb, 先达到y

15、，韧性断裂,对材料一般使用温度为哪一段？, T Tb,Tb越低材料韧性越,好,差,Example PC聚碳酸酯,Tg=150C,Tb=-20C,室温下易不易碎？,Example PMMA聚甲基丙烯酸甲酯,Tg=100C,Tb=90C,室温下脆还是韧？,The influence on Tb,（1）增加应变速率，脆化温度如何变化？,（2）存在缺口，形成应力集中，趋向于脆性，脆化温度升高。,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,11.3.2 断裂理论,无限大平板中椭圆形裂缝的应力集中,考察椭圆周围什

16、么地方受力最大？,应力集中处（多大？）,公式表达,对圆形，a=b,对椭圆，a增加，b减小,剧烈,最终结果就是断裂,打破沙锅问到底,问=纹,讨论什么时候裂纹开始扩展,E-弹性储存能 Gc-拉伸过程中材料所吸收的能量 a-裂缝长度的一半,裂缝扩展的临界应力,Griffith从能量平衡的观点分析断裂过程，结果：,临界应力强度K1c和应力强度因子K1,Critical stress intensity KIc,Stress intensity factor K1,E-弹性储存能；Gc-拉伸过程中材料所吸收的能量,为裂纹扩展阻力,为裂纹扩展动力,力越强，大；裂缝越长，a越大,练习,现有一块有机玻璃(PM

17、MA)板，内有长度为10mm的中心裂纹，该板受到一个均匀的拉伸应力=450*106N/m2的作用力。已知该材料的临界应力强度因子KIc=84.7*106N/m2.m1/2,安全系数n=1.5,问板材结构是否安全？,a =10mm/2=5*10-3m,临界应力强度KIc,应力强度因子K1,裂纹稳定, 11.4.1聚合物的拉伸强度,屈服强度,断裂强度,拉伸强度t,b-试样厚度，d-试样宽度 P-最大载荷,1.拉伸强度, 11.4 聚合物的强度与韧性,拉伸模量,P：形变较小时的载荷 l0：试样长度,弯曲强度,弯曲模量,：挠度，试样着力处的位移,2.影响拉伸强度的因素,化学键拉断,分子间滑脱,分子间扯

18、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,A 考虑分子结构因素,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,高,低,加入增塑剂,高,低,高,低,高,低,高,低,缺陷存在,高,低,B 考虑外界因素,温度高,应变速率大,高,低,高,低,拉伸强度t, 11.4.2 增强 Reinforcement,活性粒子（Powder） 纤维 Fiber 液晶 Liquid Crystal,Filler 填料,增强途径,（1）活性粒子增强,Carbon black reinforcement 橡胶+碳黑

19、,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？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉,（2）纤维增强,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,（3）液晶原位增强,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, 11.5 聚合物的

20、韧性与增韧, 11.5.1 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,冲击强度测试可分为两类，摆锤式和落重式 摆锤冲击包括Izod（悬臂梁）式和Charpy（简支梁）式,Pendulum machine 摆锤冲击机,Charpy 简支梁 Izod 悬臂梁,脆性断裂和韧性断裂表面,脆性试样断裂表面的照片 韧性试样断裂表面的照片,脆性试样断裂表面的电镜照片 韧性试样断裂表面的电镜照片, 11.5.2 影响冲击强度的因素,韧性好坏顺序,abcd,cdba,

21、dcba,曲线下的面积代表所吸收能量,因素,强度 延展性,请判断,Discussion,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,好,差,加入增塑剂,好,差,好,差,好,差,好,差,韧性,外界因素,温度高,应变速率大,好,差,好,差,冲击强度i 即韧性, 11.5.3 聚合物的增韧,(1) 橡胶增韧塑料,橡胶增韧塑料,e.g PVCCPE，PPEPDM,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,橡胶增韧塑料的增韧机理,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

22、/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。,三轴应力空化机理:基体与分散相界面呈现脱离状态,在外力作用下发生三轴应力致使分散相粒子周围空化而吸收能量。,橡胶粒子引发银纹示意图,ABS中两相结构示意图 其中白粒子为橡胶相,应力作用下橡胶粒子变形，造成应力集中，引发银纹,ABS中橡胶粒子引发银纹的电镜照片 其中黑粒子为橡胶相,PVC/ABS共混物中ABS粒子引发PVC基体产生银纹的电镜照片， ABS粒子中黑相为橡胶相,高抗冲PS共聚物中橡胶粒子引发PS基体产生银纹的电镜照片,剪切屈服带,剪切屈服

23、带是材料内部具有高度剪切应变的薄层，是在应力作用下材料局部产生应变软化形成的。剪切带通常发生在缺陷、裂缝或由应力集中引起的应力不均匀区内，在最大剪应力平面上由于应变软化引起分子链滑动形成。,聚对苯二甲酸乙二酯中的剪切屈服带,裂纹尖端分子链绷紧、化学键断裂,聚合物基体发生局部塑性形变（屈服）的基本形式,小范围塑化流动区 单个银纹,大范围塑化流动区 多个银纹 剪切屈服带,大范围塑化流动区 大量银纹 大范围剪切屈服带,试 样 宏 观 变 化,（2）刚性粒子增韧,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

24、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。,11.6 疲劳,疲劳：是材料或构件在周期应力作用下断裂或失效的现象。 其型的疲劳曲线SN曲线：S是max，N是材料破坏时的应力循环次数（疲劳寿命）,总结,掌握内容： 1 非晶态、结晶高聚物在不同温度下的拉伸应力应变特 性（曲线）及强迫高弹形变与冷拉的概念 2 高聚物的拉伸强度及宏观断裂方式 3 两种断裂（脆性断裂和韧性断裂）的特性 4 影响高聚物拉伸强度的因素 5 高聚物的抗冲击强度和脆韧转变 6 几种应力-应变曲线类型 理解内容： 1 高聚物的断裂理论及裂纹应力集中效应 2 增强的方法与机理 3 增韧改性和增韧机理 4 测量材料韧性的实验方法,