流变学第八章-课件.ppt
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- 流变学 第八 课件
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1、第八章第八章 聚合物的断裂和强度聚合物的断裂和强度前面各章讨论了聚合物在不同分子结构和不同环境条件下前面各章讨论了聚合物在不同分子结构和不同环境条件下变形和流动的规律,并引入了表征其流变行为的数学模式变形和流动的规律,并引入了表征其流变行为的数学模式,流变学的常数和函数。聚合物作为,流变学的常数和函数。聚合物作为种材料,用途广泛种材料,用途广泛,对性质的要求是多种多样的,其中力学性质尤为重要。,对性质的要求是多种多样的,其中力学性质尤为重要。在材料的使用条件下,会受到各种不同的应力,如拉应力在材料的使用条件下,会受到各种不同的应力,如拉应力、弯矩、剪切、扭转等。变形的情况也十分复杂。在设计、弯
2、矩、剪切、扭转等。变形的情况也十分复杂。在设计一种聚合物材料时、了解其断裂和破坏行为,即其断裂强一种聚合物材料时、了解其断裂和破坏行为,即其断裂强度、延伸、屈服等是十分重要的度、延伸、屈服等是十分重要的 8.1 聚合物的断裂模式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,可分为种多样的。根据断裂的吸收能量的大小,可分为脆性断裂脆性断裂和韧性断裂和韧性断裂。根据受载条件的不同,可分为以下几类:。根据受载条件的不同,可分为以下几类:直接加载下的断裂直接加载下的断裂疲劳断裂疲劳断裂 蠕变断裂蠕
3、变断裂环境应力开裂环境应力开裂 磨损磨耗磨损磨耗(2)疲劳断裂疲劳断裂材料在一个应力水平低于其断裂强度的交变应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,环次数称为材料的疲劳寿命,般用般用Nf表示。材料所受的应力水表示。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
4、劳断裂。通常用材料的疲劳寿命与所受的应力水平之间的出现疲劳断裂。通常用材料的疲劳寿命与所受的应力水平之间的关系曲线表征材料的疲劳特征,这种曲线常称为关系曲线表征材料的疲劳特征,这种曲线常称为SN曲线曲线 (1)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。材料在冲击载荷作用下的断裂也属于这料在冲击载荷作用下的断裂也属于这类,其特殊性仅在于加载类,其特殊性仅在于加载速率非常之高速率非常之高(4)环境应力开裂环境应力开裂材料在腐蚀件环境材料
5、在腐蚀件环境(包括溶剂包括溶剂)和应力的共同作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。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下直至断裂所需的时间(3)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。聚合物从蠕变开始
6、用下发生断裂,也叫做静态疲劳。聚合物从蠕变开始(即从受到恒即从受到恒定应力作用的时刻起定应力作用的时刻起)直至断裂所需的时间直至断裂所需的时间t与所受应力与所受应力 的关系一的关系一般符合下式所示的规律般符合下式所示的规律tAe-B,式中,式中,A和和B在一定的应力范围在一定的应力范围内是常数内是常数(5)磨损磨耗磨损磨耗一种材料在与另一种材料的摩擦过程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。很难说磨损中,其表面材料以小颗粒形式断裂下来。很难说磨损磨耗的机理纯粹是材料的断裂过程,因为制件在摩擦磨耗的机理纯粹是材料的断裂过程,因为制件在摩擦中产生的热量能使材料升温,温
7、度过高时,会引起材中产生的热量能使材料升温,温度过高时,会引起材料的局部熔化、降解和氧化反应等。不过,制件在摩料的局部熔化、降解和氧化反应等。不过,制件在摩擦中表面材料以碎屑形式掉落下来毕竟意味着断裂是擦中表面材料以碎屑形式掉落下来毕竟意味着断裂是磨损磨耗的主要机理磨损磨耗的主要机理。8.2 8.2 聚合物的断裂过程和断裂强度聚合物的断裂过程和断裂强度8.2.1 线型的无定型聚合物的断裂过程线型的无定型聚合物的断裂过程(T f/A0=假定材料不可压缩假定材料不可压缩(0.5),变形中体积保持不变,变形中体积保持不变l A0=lf Af l和和lf为试样原始长度和实际长度为试样原始长度和实际长度
8、 (8-1)Af/A0l/lf=-1 为拉伸比为拉伸比 Af=-1A0 f=f/Af=f/-1A0 ff/Af f/A0=若以若以 f与应变作图所得曲线称为真应力应变曲线。下图画出与应变作图所得曲线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,即线上的极大值出现时的应力可认为是屈服应力,即d/d 0。屈服应力符合如下条件:屈服应力符合如下条件:(8-2)工程应力应变曲线与真应力应变曲线工程应力应变曲线与真应力应变曲线 010ddFAdd f,f/012ffdddd0ffd
9、dffdd或或 1,d d fffdddd式式8-3为在真应力应变曲线上屈服时的真实应力应符合的条件为在真应力应变曲线上屈服时的真实应力应符合的条件 (8-3)用作图法求出屈服时的真应力,该方法称为用作图法求出屈服时的真应力,该方法称为Considere作图作图法,如下图所示。通过拉伸比和应力为零的一点作真应力法,如下图所示。通过拉伸比和应力为零的一点作真应力应变曲线的切线,则相切点应变曲线的切线,则相切点A的真应力符合式的真应力符合式8-3的条件,的条件,该点时的真实应力为屈服真应力该点时的真实应力为屈服真应力 Considere作图法作图法 Considere作图法可用来判断一种聚合物是否
10、屈服和冷拉伸。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,如图所示可能会有三种真应力应变曲线,如图所示 三种真应力应变曲线三种真应力应变曲线 n 第一种情况第一种情况(图图a):d f/d 总是大于总是大于 f/,说明该材料不发生屈服。过说明该材料不发生屈服。过 f0,0这点画不出该曲线的切线。橡胶在温度高于这点画不出该曲线的切线。橡胶在温度高于 Tg时,如氯丁胶属于这种时,如氯丁胶属于这种情况情况n 第二种情况第二种情况(图图b):在曲线有一点可画出通过在曲线有一点可画出通过 f0,0点的切线。说明在点的切线。说明在该点的真应力材料发生屈服,形成细颈该点的真应力材
11、料发生屈服,形成细颈n 第三种情况第三种情况(图图c):在曲线有两点可通过在曲线有两点可通过 f0,0点作切线,表示在第一点作切线,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 8.3 8.3 固体聚合物的强度固体聚合物的强度材料的强度表征材料抵抗断裂的能力。从分子结构的角材料的强度表征材料抵抗断裂的能力。从分子结构的角度来看,聚合物之所以具有抵抗外力破坏的能力,主要度来看,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和分子间的范德华力和氢键靠分子内的化学键力和分子间的范德华力和氢键
12、 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或分子间的滑脱。如果高分子链的力方向的,则断裂时可能是化学键的断裂或分子间的滑脱。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或氢键的破坏排列方向是垂直于受力方向的,则断列时可能是范德华力或氢键的破坏 聚合物微观断聚合物微观断裂过程的三种裂过程的三种模型示意图模型示意图 8.4.1固体聚台物的理论强度固体聚台物的理论强度 聚合物的断裂涉及到化学键聚合物的断裂涉及到化学键(在碳链聚合物中为在碳链聚合物中为CC
13、链链)的的断裂。因此聚合物的强度就与单位面积上的键的数目及健断裂。因此聚合物的强度就与单位面积上的键的数目及健的强度有关。键的强度则决定于键的本性、类型。此外氢的强度有关。键的强度则决定于键的本性、类型。此外氢键和分子间范德华力也是决定材料强度的因素。分子间范键和分子间范德华力也是决定材料强度的因素。分子间范德华力、氢键和共价键三种力的能量的数量级分别为德华力、氢键和共价键三种力的能量的数量级分别为l5kcal/mol,210kcal/mol、70100kcal/mol(1kcal4.1868103J)实验已经证明,断裂时化学键有可能被拉断,这也是分子实验已经证明,断裂时化学键有可能被拉断,这
14、也是分子断裂理论的基础。下面我们从理论上来探讨一个聚乙烯分断裂理论的基础。下面我们从理论上来探讨一个聚乙烯分子链需多大的力才能被拉断子链需多大的力才能被拉断 下图为下图为CC键的能量随两原子间距离的变化键的能量随两原子间距离的变化(图图a)以及两原子以及两原子之间作用力随原子间距离的变化之间作用力随原子间距离的变化(图图b)形成化学键的原子间相互作用的能量形成化学键的原子间相互作用的能量(a)和作用力(和作用力(b)与距离的关系与距离的关系 体系能量最低为体系能量最低为U0,根据定义根据定义两原子之间的相互作用力。为:两原子之间的相互作用力。为:drdU由图中曲线由图中曲线b,显然显然r r0
15、时,时,0,此时为引力;,此时为引力;r r0时时,0,此时为斥力;在,此时为斥力;在rr0时,引力和斥力相等,时,引力和斥力相等,=0 (8-4)如果使键破坏则需作功,此功实际上就是键能:如果使键破坏则需作功,此功实际上就是键能:00rdrU(8-5)若若r0为原点,原子间距拉长的形变为原点,原子间距拉长的形变x为横坐标,力为横坐标,力 为纵坐为纵坐标,可作出下图所示的曲线标,可作出下图所示的曲线 成键原子间作用力随原子间距的变化成键原子间作用力随原子间距的变化 显然,此曲线的极大值显然,此曲线的极大值 max即即是单个键的强度。如果近似是单个键的强度。如果近似地假定图中矩形的面积与曲地假定
16、图中矩形的面积与曲线下的面积相等,则有线下的面积相等,则有 00max0Udrrr00max0Udrrr(8-6)若选若选U0的数值为的数值为8090kcal/mol (56)10-12erg/键(键(1erg/键键10-7J),),r01.510-8cm,则有则有 max(34)10-9N/键键在求得单个键的断裂强度后,再估算出单位面积上断裂键在求得单个键的断裂强度后,再估算出单位面积上断裂键数目,即可求得材料的理论极限强度数目,即可求得材料的理论极限强度 单个键的强度单个键的强度 从从X射线衍射数据可以计算出聚乙烯链的横向面积约为射线衍射数据可以计算出聚乙烯链的横向面积约为20()2 (1
17、 10-10m),因此因此1cm2面积内完全平行排列的分子级数目面积内完全平行排列的分子级数目N为为51014个,所以个,所以N个键同时断裂的最大理论强度个键同时断裂的最大理论强度(T)应为:应为:T每个键的强度每个键的强度(max)单位面积上的键数目单位面积上的键数目(N)(3.510-9)51014/1 cm2 1.75104MPa8.4.2 强度和模量的关系强度和模量的关系强度和模量是两个不同的概念,强度为抵抗断裂的能力,而模量则强度和模量是两个不同的概念,强度为抵抗断裂的能力,而模量则是抵抗变形的能力,表示材料的刚性,但它们之间基本上成平行关是抵抗变形的能力,表示材料的刚性,但它们之间
18、基本上成平行关系。根据断裂对弹性能与表面能相等的原理,可以得到下列对线性系。根据断裂对弹性能与表面能相等的原理,可以得到下列对线性力情况下的强度和模量的关系:力情况下的强度和模量的关系:ErT02(8-7)式中,式中,比表面能,一般为比表面能,一般为102-103erg/cm2(1erg/键键107J);r0平衡态时原子间距离,平衡态时原子间距离,310-8cm ET5102对正弦变化应力函数:对正弦变化应力函数:ET101518.4.3 聚合物材料实际断裂行为与结构的关系聚合物材料实际断裂行为与结构的关系(1)化学本性化学本性 从结构角度考虑,使聚合物具有结晶性,引入交联键和增加从结构角度考
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