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1、Chap 8 Yielding and Fracture of Polymer 第八章 聚合物的屈服與斷裂,6學時,本章的教學內(nèi)容、要求和目的,教學內(nèi)容： 聚合物的應力—應變曲線 聚合物的屈服 聚合物的斷裂與強度 重點要求： 會從聚合物應力——應變曲線獲取信息，掌握屈服和斷裂現(xiàn)象及其機理、韌性和強度的影響 因素及增韌、增強方法和機理。 學習目的： 能從分子結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和屈服、斷裂特征上對材料的韌性和強度進行初步判斷，學會聚合物的增韌、增強方法，以滿足其使用要求。,,聚合物的盈應力—應變曲線和屈服,主要內(nèi)容： 聚合物的應力—應變曲線 聚合物的屈服 聚合物的屈服現(xiàn)象、機理和

2、屈服判據(jù),本講重點及要求：學會從分子運動角度分析聚合物的應力—應變曲線，掌握聚合物屈服現(xiàn)象、機理和判據(jù)。,Yielding and Fracture of Polymer 第八章 聚合物的屈服與斷裂,8.1 The stress-strain curves 應力-應變曲線,——研究聚合物的極限性質(zhì)，即在較大外力的持續(xù)作用或強大外力的短時作用后，聚合物發(fā)生大形變直至宏觀破壞或斷裂。,Typical stress-strain curve for amorphous polymer at temperature below Tg,Engineering stress to engineering

3、 strain,8.1.1 The stress-strain curves 應力-應變曲線,?A 彈性極限應變 ?A彈性極限應力 ?B 斷裂伸長率 ?B斷裂強度 ?Y 屈服應力,Y point: Yielding point 屈服點,,,A point: Point of elastic limit 彈性極限點,B point: Breaking point 斷裂點,,,,,,斷裂能 Fracture energy,Stress-strain曲線下面積稱作斷裂能：材料從開始拉伸至破壞所吸收的能量。,Young’s Modulus 楊氏模量,形變過程,彈性形變 -屈服-應變軟化-冷拉-應變硬化

4、-斷裂,,從分子運動機理解釋上述過程,從應力—應變曲線可以獲得的被拉伸聚合物的信息,,聚合物的屈服強度（Y點強度） 聚合物的楊氏模量（OA段斜率） 聚合物的 斷裂強度（B點強度） 聚合物的斷裂伸長率（B點伸長率） 聚合物的斷裂韌性（曲線下面積）,8.1.2 Stress-strain curves under various conditions 各種情況下的應力-應變曲線,(a) Different temperature,a: T<

5、斷,韌斷,無屈服,屈服后斷,Results,(b) Different strain rate,Strain rate,速度,,速度,,,,,,,,Example: PMMA,a: 脆性材料,c: 韌性材料,d: 橡膠,b: 半脆性材料,酚醛或環(huán)氧樹脂,PP, PE, PC,PS, PMMA,Nature rubber, PI,(c) Composition of Polymers 物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成,(d) Crystallization 結(jié)晶,應變軟化更明顯 冷拉時晶片的傾斜、滑移、轉(zhuǎn)動，形成微晶或微纖束,(e) The Size of Spherulites 球晶大小,(f) The Degr

6、ee of Crystallization 結(jié)晶度,Different types of stress-strain curve,,,,,,,,,,,,,,,,Comparing,8.2 The plasticity and yielding of polymer 聚合物的塑性和屈服,高聚物屈服點前形變是完全可以回復的，屈服點后高聚物將在恒應力下“塑性流動”，即鏈段沿外力方向開始取向。 高聚物在屈服點的應變相當大，剪切屈服應變?yōu)?0%-20%（與金屬相比）。 屈服點以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應變軟化，有些還非常迅速。 屈服應力對應變速率和溫度都敏感。 屈服發(fā)生時，拉伸樣條表面產(chǎn)生“銀紋”或“剪

7、切帶”,繼而整個樣條局部出現(xiàn)“細頸”。,屈服主要特征,Strain softening 應變軟化,彈性變形后繼續(xù)施加載荷，則產(chǎn)生塑性形變，稱為繼續(xù)屈服，包括： 應變軟化：屈服后，應變增加，應力反而有稍許下跌的現(xiàn)象，原因至今尚不清楚。 呈現(xiàn)塑性不穩(wěn)定性，最常見的為細頸。 塑性形變產(chǎn)生熱量，試樣溫度升高，變軟。 發(fā)生“取向硬化”，應力急劇上升。 試樣斷裂。,樣條尺寸：橫截面小的地方,應變軟化：應力集中的地方,出現(xiàn)“細頸”的位置,,自由體積增加,松弛時間變短,出現(xiàn)“細頸”的原因,,無外力,有外力,,,Orientation,細頸穩(wěn)定,取向硬化,,Considre作圖法,唯象角度,,,判據(jù),8.2.1

8、 Necking 細頸與剪切帶,,(1) 細頸:屈服時，試樣出現(xiàn)的局部變細的現(xiàn)象。,Necking 頸縮現(xiàn)象,為什么會出現(xiàn)細頸？,——應力最大處。,哪里的應力最大？,Engineering stress and true stress 工程應力和真應力,Engineering stress,True stress,,Force,,Initial cross-section area,,Force,,Cross-section area,Relationship between engineering stress and true stress under incompressible con

9、dition,,Considre 作圖法:,在真應力-應變曲線上確定與工程應力-應變屈服點Y所對應的B點。,Y點,,,（2）剪切屈服現(xiàn)象、機理及判據(jù),橫截面A0, 受到的應力 ?0=F/A0,拉伸中材料某個面受力分析,剪切屈服：即在細頸發(fā)生前，試樣表面出現(xiàn)與拉伸方向成45度角的剪切帶。WHY？,斜截面A?,,受 力,,法向應力,剪切應力,,Discussion,抵抗外力的方式,抗張強度：抵抗拉力的作用,抗剪強度：抵抗剪力的作用,,兩種,當應力?0增加時，法向應力和切向應力增大的幅度不同,抗張強度什么面最大？ ?=0?， ??n=?0,抗剪強度什么面最大？ ?=45?， ??s=?0/2,Yie

10、ld Criterion 屈服判據(jù),,Von Mises criterion,Coulomb (MC) criterion,當材料的剪切應變能達到某一臨界值時，就產(chǎn)生屈服現(xiàn)象。,,在某平面出現(xiàn)屈服行為的臨界壓力?s與垂直于該平面的正壓力?N成正比。,Polymer,切應力雙生互等定律,,當?=45?時,??s=?0/2,當?=?-90=-45?時,??s=-?0/2,,,發(fā)生屈服,屈服判據(jù),雙軸拉伸,屈服判據(jù),當?=45?時,,發(fā)生屈服,Shear band 剪切帶,在細頸出現(xiàn)之前試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成45?角的剪切滑移變形帶,（3） Crazing 銀紋,銀紋現(xiàn)象為聚合物所特有，它是聚合物在

11、張應力作用下，于材料某些薄弱地方出現(xiàn)應力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以至于在材料表面或內(nèi)部垂直于應力方向上出現(xiàn)長度為100m、寬度為10 m左右、厚度約為1 m的微細凹槽的現(xiàn)象,分類,,環(huán)境銀紋,溶劑銀紋,應力銀紋,Microstructure of crazing,,微纖 Microfibril,微纖平行與外力方向，銀紋長度方向與外力垂直。,也稱為銀紋質(zhì),銀紋方向和分子鏈方向,銀紋不是空的，銀紋體的密度為本體密度的50%，折光指數(shù)也低于聚合物本體折光指數(shù)，因此在銀紋和本體之間的界面上將對光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，呈現(xiàn)銀光閃閃的紋路（所以也稱應力發(fā)白）。加熱退火會使銀紋消失 。,F,,,銀紋的擴展,,,中間分子鏈斷裂,擴展,形成裂紋,銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象,一般情況下，材料既有銀紋屈服又有剪切屈服,細頸、剪切帶和銀紋比較,一般來講，既有銀紋屈服也有剪切屈服,本講小結(jié),