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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(xué)時(shí),本章的教學(xué)內(nèi)容、要求和目的,教學(xué)內(nèi)容： 聚合物的應(yīng)力—應(yīng)變曲線 聚合物的屈服 聚合物的斷裂與強(qiáng)度 重點(diǎn)要求： 會(huì)從聚合物應(yīng)力——應(yīng)變曲線獲取信息，掌握屈服和斷裂現(xiàn)象及其機(jī)理、韌性和強(qiáng)度的影響 因素及增韌、增強(qiáng)方法和機(jī)理。 學(xué)習(xí)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(qiáng)度進(jìn)行初步判斷，學(xué)會(huì)聚合物的增韌、增強(qiáng)方法，以滿足其使用要求。,,聚合物的盈應(yīng)力—應(yīng)變曲線和屈服,主要內(nèi)容： 聚合物的應(yīng)力—應(yīng)變曲線 聚合物的屈服 聚合物的屈服現(xiàn)象、機(jī)理和

2、屈服判據(jù),本講重點(diǎn)及要求：學(xué)會(huì)從分子運(yùn)動(dòng)角度分析聚合物的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，掌握聚合物屈服現(xiàn)象、機(jī)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(yīng)力-應(yīng)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(qiáng)大外力的短時(shí)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(yīng)力-應(yīng)變曲線,?A 彈性極限應(yīng)變 ?A彈性極限應(yīng)力 ?B 斷裂伸長率 ?B斷裂強(qiáng)度 ?Y 屈服應(yīng)力,Y point: Yielding point 屈服點(diǎn),,,A point: Point of elastic limit 彈性極限點(diǎn),B point: Breaking point 斷裂點(diǎn),,,,,,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(yīng)變軟化-冷拉-應(yīng)變硬化

4、-斷裂,,從分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理解釋上述過程,從應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以獲得的被拉伸聚合物的信息,,聚合物的屈服強(qiáng)度（Y點(diǎn)強(qiáng)度） 聚合物的楊氏模量（OA段斜率） 聚合物的 斷裂強(qiáng)度（B點(diǎn)強(qiáng)度） 聚合物的斷裂伸長率（B點(diǎn)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(yīng)力-應(yīng)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(yīng)變軟化更明顯 冷拉時(shí)晶片的傾斜、滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)，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(diǎn)前形變是完全可以回復(fù)的，屈服點(diǎn)后高聚物將在恒應(yīng)力下“塑性流動(dòng)”，即鏈段沿外力方向開始取向。 高聚物在屈服點(diǎn)的應(yīng)變相當(dāng)大，剪切屈服應(yīng)變?yōu)?0%-20%（與金屬相比）。 屈服點(diǎn)以后，大多數(shù)高聚物呈現(xiàn)應(yīng)變軟化，有些還非常迅速。 屈服應(yīng)力對應(yīng)變速率和溫度都敏感。 屈服發(fā)生時(shí)，拉伸樣條表面產(chǎn)生“銀紋”或“剪

7、切帶”,繼而整個(gè)樣條局部出現(xiàn)“細(xì)頸”。,屈服主要特征,Strain softening 應(yīng)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(yīng)變軟化：屈服后，應(yīng)變增加，應(yīng)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(xì)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(yīng)力急劇上升。 試樣斷裂。,樣條尺寸：橫截面小的地方,應(yīng)變軟化：應(yīng)力集中的地方,出現(xiàn)“細(xì)頸”的位置,,自由體積增加,松弛時(shí)間變短,出現(xiàn)“細(xì)頸”的原因,,無外力,有外力,,,Orientation,細(xì)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(xì)頸與剪切帶,,(1) 細(xì)頸:屈服時(shí)，試樣出現(xiàn)的局部變細(xì)的現(xiàn)象。,Necking 頸縮現(xiàn)象,為什么會(huì)出現(xiàn)細(xì)頸？,——應(yīng)力最大處。,哪里的應(yīng)力最大？,Engineering stress and true stress 工程應(yīng)力和真應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線上確定與工程應(yīng)力-應(yīng)變屈服點(diǎn)Y所對應(yīng)的B點(diǎn)。,Y點(diǎn),,,（2）剪切屈服現(xiàn)象、機(jī)理及判據(jù),橫截面A0, 受到的應(yīng)力 ?0=F/A0,拉伸中材料某個(gè)面受力分析,剪切屈服：即在細(xì)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(yīng)力,剪切應(yīng)力,,Discussion,抵抗外力的方式,抗張強(qiáng)度：抵抗拉力的作用,抗剪強(qiáng)度：抵抗剪力的作用,,兩種,當(dāng)應(yīng)力?0增加時(shí)，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力增大的幅度不同,抗張強(qiáng)度什么面最大？ ?=0?， ??n=?0,抗剪強(qiáng)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(dāng)材料的剪切應(yīng)變能達(dá)到某一臨界值時(shí)，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(yīng)力雙生互等定律,,當(dāng)?=45?時(shí),??s=?0/2,當(dāng)?=?-90=-45?時(shí),??s=-?0/2,,,發(fā)生屈服,屈服判據(jù),雙軸拉伸,屈服判據(jù),當(dāng)?=45?時(shí),,發(fā)生屈服,Shear band 剪切帶,在細(xì)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(yīng)力作用下，于材料某些薄弱地方出現(xiàn)應(yīng)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(yīng)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(xì)凹槽的現(xiàn)象,分類,,環(huán)境銀紋,溶劑銀紋,應(yīng)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(yīng)力發(fā)白）。加熱退火會(huì)使銀紋消失 。,F,,,銀紋的擴(kuò)展,,,中間分子鏈斷裂,擴(kuò)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(xì)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),