第八章聚合物的断裂和强度课件.ppt

1、烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.1聚合物的断裂模式 聚合物的断裂现象十分复杂，聚合物材料的断裂模式是多种多样的。根据断裂的吸收能量的大小或者断裂点的不同，可分为脆性断裂脆性断裂和韧性断裂韧性断裂。脆性断裂脆性断裂:发生在材料屈服之前，材料只有普弹形变，应力应变呈线性关系或者接近线性关系，形变量小，断伸率小于5%，在拉伸应力的作用下，微裂纹会迅速发展，最终导致脆性断裂。韧性韧性断裂断裂:发生在材料屈服之后，材料先发生屈服，随后发生大的形变，应力应变呈非线性关系，形变量大，断伸率大于10%，然后由于屈服剪切带的发展最终导致韧性断裂。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.1聚合

2、物的断裂模式 根据受载条件的不同，可以分为以下几类：直接加载下的断裂直接加载下的断裂:材料在拉伸、压缩、剪切等载荷作用下形变直至发生快速断裂。材料断裂时的应力叫做断裂强度断裂强度。材料在冲击载荷作用下的断裂也属于这一类，其特殊性仅在于加载速率非常之高。疲劳疲劳断裂断裂:材料在一个应力水平低于其断裂强度的交变应力作用下，经多次循环作用而断裂，材料的疲劳过程是材料中微观局部损伤的扩展过程。使材料发生疲劳断裂所需经受的应力循环次数称为材料的疲劳寿命疲劳寿命，一般用Nf表示。材料所受的应力水平越低，疲劳寿命越长。当应力水平低于某个临界值时，材料不出现疲劳断裂。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度

3、8.1聚合物的断裂模式 根据受载条件的不同，可以分为以下几类：蠕变断裂蠕变断裂:材料在一个低于其断裂强度的恒定应力的长期作用下发生断裂，也叫做静态疲劳静态疲劳。聚合物从蠕变开始直至断裂所需的时间t与所受应力的关系一般符合公式tAe-B。环境应力开裂环境应力开裂:材料在腐蚀性环境和应力的共同作用下发生开裂。在这种破坏模式中，环境因素的作用是第一位的。应力虽然是必要的因素，但居于第二位。表征材料抗环境应力开裂的指标是该材料的标准条状试样在单轴拉伸和接触某种介质的条件下直至断裂所需的时间。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.1聚合物的断裂模式 根据受载条件的不同，可以分为以下几类：磨损磨耗

4、磨损磨耗:一种材料在与另一种材料的摩擦过程中，其表面材料以小颗粒形式断裂下来。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.2聚合物的断裂过程和断裂强度线型无定型聚合物的断裂过程(T f/A0=假定材料不可压缩(0.5)，变形中体积保持不变lA0=lfAf l和lf为试样原始长度和实际长度 烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.3固体聚合物的屈服行为屈服和冷拉伸条件的判定Af/A0l/lf=-1 为拉伸比 Af=-1A0 f=f/Af=f/-1A0 ff/Af f/A0=烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.3固体聚合物的屈服行为屈服和冷拉伸条件的判定 若以f与应变作图所得曲线

5、称为真应力应变曲线。下图画出了工程应力应变曲线和真应力应变曲线。工程应力应变曲线上的极大值出现时的应力可认为是屈服应力，即d/d0。屈服应力符合如下条件：工程应力应变曲线与真应力应变曲线 010ddFAdd烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.3固体聚合物的屈服行为屈服和冷拉伸条件的判定010ddFAdd f，f/012ffdddd0ffddffdd或或 1，d d fffdddd010ddFAdd烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.3固体聚合物的屈服行为屈服和冷拉伸条件的判定 用作图法求出屈服时的真应力，该方法称为Considere作图法，如下图所示。通过拉伸比和应力为零的

6、一点作真应力应变曲线的切线，则相切点A的真应力符合式8-3的条件，该点时的真实应力为屈服真应力 Considere作图法 烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.3固体聚合物的屈服行为屈服和冷拉伸条件的判定 Considere作图法可用来判断一种聚合物是否屈服和冷拉伸。可能会有三种真应力应变曲线，如图所示:第一种情况(图a)：df/d总是大于f/，说明该材料不发生屈服。过f=0，=0这点画不出该曲线的切线。橡胶在温度高于 Tg时，如氯丁胶属于这种情况。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.3固体聚合物的屈服行为屈服和冷拉伸条件的判定 Considere作图法可用来判断一种聚合物是

7、否屈服和冷拉伸。可能会有三种真应力应变曲线，如图所示 第二种情况(图b)：在曲线有一点可画出通过f=0，=0点的切线。说明在该点的真应力材料发生屈服，形成细颈。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.3固体聚合物的屈服行为屈服和冷拉伸条件的判定 Considere作图法可用来判断一种聚合物是否屈服和冷拉伸。可能会有三种真应力应变曲线，如图所示 第三种情况(图c)：在曲线有两点可通过f0，0点作切线，表示在第一个真应力处发生屈服，并发生冷拉伸，然后在第二个真应力处发生应变硬化。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4固体聚合物的强度 材料的强度表征材料抵抗断裂的能力。从分子结构的角

8、度来看，聚合物之所以具有抵抗外力破坏的能力，主要靠分子内的化学键力化学键力和分子间的范德华范德华力力和氢键氢键。聚合物断裂的微观机理有的三种可能。如果高分子链的排列方向是平行于受力方向的，则断裂时可能是化学键的断裂化学键的断裂或分子间的滑脱分子间的滑脱。如果高分子链的排列方向是垂直于受力方向的，则断列时可能是范德华力范德华力或氢键氢键的破坏。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4固体聚合物的强度 实际材料的强度比理论强度低的多的原因：实际材料的强度比理论强度低的多的原因：a.实际的聚合物的分子链的取向（分子链的定向分布）不是理想的取向。b.聚合物的缺陷(如表面划痕、内部夹杂、微孔、银

9、纹、裂缝等)。聚合物的实际断裂行为与结构的关系(1)化学本性化学本性的影响 从结构角度考虑，使聚合物具有结晶性，引入交联键和增加分子链的刚性均有利于提高材料的强度。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4固体聚合物的强度聚合物的实际断裂行为与结构的关系(2)分子量分子量的影响 分子链化学成分决定以后，分子量及其分布对强度有较大的影响。一般来说，分子量越大，强度也越高。(3)结晶和取向结晶和取向的影响烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4聚合物断裂的裂缝理论 断裂的裂缝理论认为，这些裂缝和缺陷会使应力局部集中于其尖端，大大超过试样受到的平均应力，当它达到和超过某一临界条件时，裂

10、缝失去稳定性而发生扩展，最终在低的名义应力下引起材料的断裂。aam00221 应力集中随平均应力的应力集中随平均应力的增大和裂缝尖端处半径的增大和裂缝尖端处半径的减小而增大。减小而增大。若能消除裂若能消除裂缝或者钝化裂缝的锐度，缝或者钝化裂缝的锐度，则材料强度可相应得到提则材料强度可相应得到提高。高。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4聚合物断裂的裂缝理论玻璃态聚合物的表面常出现一些肉眼可见的闪亮的微细裂纹，称为银纹银纹。银纹区别于裂缝的特点：银纹区别于裂缝的特点：银纹的质量不为零，银纹的质量不为零，在光学显微镜下呈现连续性。银纹具有可逆性，银纹具有可逆性，含有银纹的样品在压缩力的

11、作用下或者在Tg以上温度退火处理时，样品中的银纹趋向回缩和消失，并能回复到开裂时的光学均一状态。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4聚合物断裂的裂缝理论Griffith断裂理论裂缝应力公式：裂缝应力公式：问题：问题：一个具有尖锐裂缝的材料有没有有限的强度？Griffith理论的两个假设理论的两个假设：aam00221断裂要产生新的表面，需要一定的表面能，断裂产生新表面所需要的表面能是由材料内部弹性储能的减少来补偿的。弹性储能在材料中的分布是不均匀的，在材料的裂缝附近集中了大量弹性储能，这就是说有裂缝的地方要比其他地方有更多的弹性储能来供给产生新表面所需的表面能，致使材料在裂缝处先行

12、断裂。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4聚合物断裂的裂缝理论Griffith断裂理论A 扩展单位面积裂缝时裂缝端点附近所释放出来的弹性能，是驱动裂缝扩展的原动力。产生每单位面积裂缝的表面功，反映材料抵抗裂缝扩展的一种性质。无机玻璃、陶瓷等脆性材料的裂缝扩展力为：EadAd2烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4聚合物断裂的裂缝理论Griffith断裂理论EadAd2A21)(aEcs221)2(aEsc脆性固体断裂的Griffith能量判据烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4聚合物断裂的分子理论 断裂的分子理论认为，宏观断裂是微观化学键断裂的热活化过程，即当

13、原子热运动的无规热涨落能量超过束缚原子间的势垒时，会使化学键离解，从而发生断裂。kTUexp0 式中，0-原子热振动的频率；U-势垒高度即活化能；k-波尔兹曼常数；T-绝对温度。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4聚合物断裂的分子理论 kTUABexp00UUABkTU00expkTUNNf00exp 应力的作用在于减低了键的离解能，使化学键活化。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4聚合物断裂的分子理论kTUCf0ln 断裂是一种力学和热力学的综合现象。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度8.4聚合物断裂的分子理论 断裂的三个阶段：第二阶段：集中了应力的键，由于热

14、涨落而断裂，同时生成亚微裂缝。第三阶段：初始亚微裂缝聚集成大的主裂缝，引起固体的最终断裂。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度本章小结 聚合物的断裂模式根据受载条件的不同，断裂的分类：a.直接加载下的断裂b.疲劳断裂c.蠕变断裂d.环境应力开裂e.磨损磨耗 聚合物的断裂过程和强度线性无定形聚合物的断裂过程脆性断裂的条件：脆性断裂的条件：材料的脆性断裂强度低于其屈服强度。韧性断裂的分类：韧性断裂的分类：a.屈服后应力变化不大。b.屈服后形成细颈。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度本章小结 聚合物的断裂过程和强度线性无定形聚合物的断裂过程分类：1.硬而脆的材料2.硬而强的材料3.强而

15、韧的材料4.软而韧的材料5.软而弱的材料6.弱而脆的材料晶态聚合物的断裂行为：未取向结晶聚合物取向结晶聚合物 单向拉伸结晶聚合物橡胶的断裂：烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度本章小结 聚合物的断裂过程和强度温度和应变速率对断裂行为的影响温度的影响：温度可以决定断裂的方式（脆性断裂or韧性断裂）。应变速率的影响：聚合物的应变速率提高的影响相当于温度降低 烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度本章小结 聚合物的屈服行为 (1)聚合物如发生屈服，屈服后一般发生应变软化，屈服应力时的聚合物如发生屈服，屈服后一般发生应变软化，屈服应力时的应变较小应变较小。(2)屈服应力对温度和应变速率较敏感

16、，它随温度升高较快下降屈服应力对温度和应变速率较敏感，它随温度升高较快下降。(3)当温度高于玻璃化温度时，屈服应力很快趋于当温度高于玻璃化温度时，屈服应力很快趋于0。(4)结晶聚合物屈服后，可以形成细颈并发生相变化，原有的结结晶聚合物屈服后，可以形成细颈并发生相变化，原有的结晶破坏，重新形成新的结晶晶破坏，重新形成新的结晶。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度本章小结 聚合物的屈服行为 Considere作图法可用来判断一种聚合物是否屈服和冷拉伸。烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度本章小结 固体聚合物的强度聚合物断裂的三种模式：化学键断裂、分子间滑脱、范德华力或者氢键的破坏。实际材料的强度比理论强度低的多的原因：a.实际的聚合物的分子链的取向（分子链的定向分布）不是理想的取向。b.聚合物的缺陷(如表面划痕、内部夹杂、微孔、银纹、裂缝等)。聚合物断裂的裂缝理论aam00221银纹区别于裂缝的两个特点烟台大学化学化工学院8.聚合物的断裂和强度本章小结 聚合物断裂的裂缝理论Griffith断裂理论的两个假定21)2(aEsc 聚合物断裂的分子理论kTU00expkTUNNf00exp断裂的三个阶段2020/11/567谢谢观赏！