聚合物的屈服与断裂
高分子物理——聚合物的屈服与断裂
一、玻璃态高聚物的拉伸
（1）屈服点
应力达到一个极大值，屈服应力 （2）断裂方式(材料破坏有二种方式)
脆性断裂：屈服点之前发生的断裂
断裂表面光滑
不出现屈服
韧性断裂：在材料屈服之后的断裂(明显屈
服点和颈缩现象)
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断裂表面粗糙
（3）应变软化和应变硬化
应变软化：在拉伸过程中，应力随应变的增 大而下降
PVC在室温、图中表明的应变速率下测得的应力-应变曲线
随着拉伸速度提高，聚合物的模量增加，屈 服应力、断裂强度增加，断裂伸长率减少
• 柔性很大的链在冷却成玻璃态时，分子 之间堆砌得很紧密，在玻璃态时链段运 动很困难，要使链段运动需要很大的外 力，甚至超过材料的强度，刚性大，冷 却时堆砌松散，分子间相互作用力小， 链段活动余地较大，这种高聚物在玻璃 态时具有强迫高弹而不脆，脆点低， Tb,Tg间隔大，另外如果刚性太大，链段 不能运动，也不出现高弹形变。
0 exp(
RT )
对于某一种高聚物存在一个特征温度（Tb），只 要温度低于Tb，玻璃态高聚物就不能发展强迫高 弹形变。玻璃态高聚物只有处在Tb到Tg的温度范 围内，才能在外力作用下实现强迫高弹形变。
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外力 E a 拉伸速率 0 exp( ) 结构 RT 柔性高分子链：在玻璃态时呈现脆性。Tb≈Tg 刚性高分子链：较刚性：易出现受（强）迫 高弹性，脆点较低，Tb与Tg间隔较大。 高刚性：链段运动更加困难，Tb与Tg也很接 近。 分子量 分子量较小时，在玻璃态堆砌较紧密，呈现 脆性，Tb~Tg较接近。 当分子量增加到一定程度以后，Tb与Tg差距拉 大，直到达到临界值 北京理工大学
（B）受（强）迫高弹形变:材料在屈服后出现了
第八章聚合物的屈服和断裂
第八章聚合物的屈服和断裂一、基本概念1、韧性破坏；脆性破坏；脆化温度2、强迫高弹形变；冷流；细颈3、银纹；屈服；银纹屈服；剪切屈服4、拉伸强度；抗弯强度；弯曲模量；冲击强度；硬度5、应变诱发塑料─橡胶转变6、应变软化现象；应变变硬化现象7、银纹；裂缝；应力集中二、选择题1、下列高聚物中，拉伸强度最高的是( )A,低密度聚乙烯B,聚苯醚C,聚甲醛2、非晶态聚合物作为塑料使用的最佳温度区间为( )A,Tb---Tg B,Tg---Tf C,Tg以下3、甲乙两种聚合物材料的应力---应变曲线如图所示, 其力学性能类型和聚合物实例分别为( )A,甲聚合物:硬而强,硬聚氯乙稀;乙聚合物:软而韧,聚异戊二稀B,甲聚合物:硬而脆,聚甲基丙稀酸甲酯;乙聚合物:软而弱,聚丁二稀C,甲聚合物:硬而强,固化酚醛树酯;乙聚合物:软而韧 ,聚合物凝胶D,甲聚合物:硬而脆,硬聚氯乙稀;乙聚合物:软而弱,聚酰胺4、韧性聚合物单轴拉伸至屈服点时，可看到剪切带现象，下列说法错误的是（）。
A、与拉伸方向平行B、有明显的双折射现象C、分子链高度取向D、每个剪切带又由若干个细小的不规则微纤构成5、拉伸实验中，应力－应变曲线初始部分的斜率和曲线下的面积分别反映材料的（）。
A、拉伸强度、断裂伸长率B、杨氏模量、断裂能C、屈服强度、屈服应力D、冲击强度、冲击能6、在聚甲基丙烯酸甲酯的拉伸试验中，温度升高则（）。
Ａ、σB升高、εB降低，B、σB降低、εB升高，C、σB升高、εB升高，Ｄ、σB降低、εB降低，7、聚苯乙烯在张应力作用下，可产生大量银纹，下列说法错误的是（）。
A、银纹是高度取向的高分子微纤构成。
B、银纹处密度为0，与本体密度不同。
C、银纹具有应力发白现象。
D、银纹具有强度，与裂纹不同。
8、杨氏模量、冲击强度、应变、切变速率的量纲分别是（）。
A、N/m2, J/m2, 无量纲, S-1，B、N, J/m, 无量纲, 无量纲C、N/m2, J, 无量纲, 无量纲D、N/m2, J, m, S-19、可较好解释高抗冲聚苯乙烯（HIPS）增韧原因的为（）。
高分子物理 高分子物理 聚合物的屈服和断裂
? 拉伸速度，链柔性，分子量也是影响因素。
7.1.3结晶高聚物的拉伸
? 拉伸曲线可以分为三阶段： ? 第一阶段应力随应变线性
地增加，至屈服点
? 第二阶段的应力 —应变曲
线表现为应力几乎不变， 而应变不断增加
? 第三阶段应力又随应变的
增加而增大直到断裂点
? 结晶聚合物的大形变，就本质上说也是高
d? ' ? ? ' d? ?
（2 ） d? ' d?
有一个值
（3） d? ' 有二个值 d?
（2 ）
（3 ）
7 ．3 聚合物的断裂理论和理论强度
? 韧性材料在受到较大应力，或经受变形时，
可以发生屈服，吸收大量的能量，它使聚 合物材料在实际应用中可以发生较大的变 形或承受较大的冲击而不破坏。
? 外力超过一定限度，聚合物材料会发生韧
7.1.2玻璃态聚合物的强迫高弹形变
? 强迫高弹形变：为了区别于普通的高弹形变，玻
璃态高聚物屈服点以后材料的大形变的称为强迫 高弹形变。
? 实验证明，松弛时间与应力之间有如下关系
?
?
?
0
exp
?? ?
?
E ? a?
RT
?? ?
? 增加应力、提高温度都将使链段运动的松
弛时间缩短。
? 高弹形变条件：断裂应力大于屈服，即 T在Tb
7.2.2 真应力—应变曲线及其屈服判据
? 假定试样变形时体积
不变，则拉伸时实际 受力的截面积为
A ? A0l0 l
?
真应力：
? '?
F
? (1 ? ?)?
A
? 屈服点：
第六章 聚合物的屈服与断裂
二、结晶态聚合物的应力－应变曲线 同样经历五个阶段， 不同点是第一个转 折点出现“细颈 化”，接着发生冷 拉，应力不变但应 变可达500％以上。 结晶态聚合物在拉 伸时还伴随着结晶 形态的变化。
整个曲线可分为三个阶段：
1、应力随应变线性地增加，试样被均匀拉长， 伸长率可达百分之几到十几，到y点后，试样 截面开始变得不均匀，出现一个或几个“细 颈”，即进入第二阶段。 2、细颈与非细颈部分的横截面积分别维持不 变，而细颈部不断扩展，非细颈部分逐渐缩短， 直到整个试样完全变细为止。在第二阶段的应 变过程中应力几乎不变，最后，进入第三阶段。 3、即成颈的试样又被均匀拉伸，此时应力又 随应变的增加而增大直到断裂为止。
2.屈服机理
(1)银纹屈服 银纹：很多高聚物，尤其是玻璃态透明高聚物（PS、 PMMA、PC）在储存过程及使用过程中，往往 会在表面出现像陶瓷的那样，肉眼可见的微细 的裂纹，这些裂纹，由于可以强烈地反射可见 光,看上去是闪亮的，所以又称为银纹crage。 在拉伸应力的作用下高聚物中某些薄弱部位， 由于应力集中而产生的空化条纹形变区。
强度：材料所能承受的应力（指材料承受外 力而不被破坏)(不可恢复的变形也属被破坏) 的能力 ）。 韧性：材料断裂时所吸收的能量
受 力 方 式
简单拉伸
F
简单剪切
F θ
均匀压缩
l0
F
F
受 力 特 点 弹 性 模 量 柔 量
外力F是与截面垂 外力F是与界面平行，材料受到的是围压 直，大小相等，方 大小相等，方向相 力。 向相反，作用在同 反的两个力。 一直线上的两个力。 杨氏模量：
E
切变模量：
G＝
体积模量：
B P PV 0 V
第八章聚合物的屈服和断裂
第八章聚合物的屈服和断裂本章学习目的：1、熟悉聚合物应力-应变曲线、从该曲线所能获得的重要信息，以及各种因素对应力-应变曲线的影响。
2、熟悉屈服现象和机理，银纹、剪切带的概念，了解屈服判据。
3、熟悉聚合物的强度、韧性和疲劳等概念。
4、掌握聚合物强度的影响因素、增强方法和增强机理。
5、掌握聚合物韧性的影响因素、增韧方法和增韧机理。
了解断裂理论。
8.1 聚合物的塑性和屈服8.1.1 聚合物的应力-应变行为应力－应变试验是使用最广泛、非常重要而又实用的力学实验。
应力－应变试验在拉力F的作用下，试样沿纵轴方向以均匀的速率被拉伸，直到试样断裂为止（见图8-1）。
图8-1 拉伸应力－应变试验试验时, 测量加于试样上的载荷和相应标线间长度的改变(Δl=l-l0)。
若试样的初始截面积为A0，标距的原长为l0，则应力σ=F/A0，应变ε=Δl/l0。
从实验测得的应力、应变数据可绘制出应力－应变曲线，见图8-2。
图8-2 典型非晶态聚合物的拉伸应力-应变曲线应力－应变曲线反映的材料的力学性质：力 学 参 量 力 学 性 质弹性 刚性屈服点 弹性（强弱、硬软和脆韧）断裂伸长 延性屈服应力 （或断裂强度、抗拉强度） 强度应力应变曲线下部的面积（断裂能） 韧性弹性线下部的面积 回弹性“软”和“硬”用于区分模量的低或高。
“弱”和“强”是指强度的大小。
“脆”是指无屈服现象且断裂伸长很小。
“韧”是指用一定的负荷就可克服链段运动或分子位移所需的能量，使运动发生，且形变大，材料就韧。
此时断裂伸长、断裂应力和断裂功都较高。
8.1.1.1 非晶态聚合物应力－应变曲线中：A 点：弹性极限点，A 点时对应的模量—拉伸模量E ；Y 点：屈服点，Y 点时对应的应力—屈服应力（屈服强度）σy ；Y 点时对应的应变—屈服应变（屈服伸长率）εy ，B 点：断裂点，B 点对应的应力—断裂应力（断裂强度）σB —抗拉强度，B 点对应的应变—断裂伸长率εB 。
聚合物的屈服与断裂
强迫高弹形变产生的原因或玻璃态下链段的运动是如何发生的？
松弛时间与应力的关系：?＝?0
exp?? ?
?
E－??
kT
??? ?
E－链段运动活化能
?－材料常数
? 由上式可见， ? 越大， 越小，即外力降低了链段在外
力作用方向上的运动活化能，因而缩短了沿力场方向的松
弛时间，当应力增加致使链段运动松弛时间减小到与外力
处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中 屈服点后产生 的较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试样温度
升到其Tg附近，该形变则可完全回复，因此它在 本质上
仍属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的链段运动 所引起的。 这种形变称为强迫高弹形变又称塑性形变
讨论玻璃态聚合物的强迫高弹形变和橡胶高弹形变的异同：
.
.
..
?1 ? ?2 ? ?3 ? ?4
即增加应变速率与
降低温度的效应是
等效的。
(3) 环境压力
研究发现，对许多非晶聚合 物，如PS、PMMA 等，其脆韧转变行为还与环境压力有关。
右图可见，PS在低环境压力 （常压）下呈脆性断裂特点， 强度与断裂伸长率都很低。随 着环境压力升高，材料强度增 高，伸长率变大，出现典型屈 服现象，材料发生脆-韧转变。
作用时间同一数量级时，链段开始由蜷曲变为伸展，产生
强迫高弹变形。
也就是在外力的作用下，非晶聚合物中本来被冻结的链段 被强迫运动，使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚 合物仍处于玻璃态，当外力移去后，链段不能再运动，形变也
就得不到回复，只有当温度升至 Tg附近，使链段运动解冻，形
变才能复原。
强迫高弹形变的定义
Point of elastic limit 弹性极限点
高分子物理习题库1
第一章 高分子链的结构一、 概念构型 构象 均方末端距 链段 全同立构 无规立构二、选择答案1、高分子科学诺贝尔奖获得者中，（ ）首先把“高分子”这个概念引进科学领域。
A 、H. Staudinger,B 、K.Ziegler, G .Natta,C 、P. J. Flory,D 、H. Shirakawa2、下列聚合物中，（ ）是聚异戊二烯(PI)。
A 、 CCH 2n CH CH 23B 、O C NH O C NH C 6H 4C 6H 4n C 、 CH Cl CH 2n D 、OC CH 2CH 2O O n O C3、链段是高分子物理学中的一个重要概念，下列有关链段的描述，错误的是（ ）。
A 、高分子链段可以自由旋转无规取向，是高分子链中能够独立运动的最小单位。
B 、玻璃化转变温度是高分子链段开始运动的温度。
C 、在θ条件时，高分子“链段”间的相互作用等于溶剂分子间的相互作用。
D 、聚合物熔体的流动不是高分子链之间的简单滑移，而是链段依次跃迁的结果。
4、下列四种聚合物中，不存在旋光异构和几何异构的为（ ）。
A 、聚丙烯，B 、聚异丁烯，C 、聚丁二烯，D 、聚苯乙烯5、下列说法，表述正确的是（ ）。
A 、工程塑料ABS 树脂大多数是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯组成的三元接枝共聚物。
B 、ABS 树脂中丁二烯组分耐化学腐蚀，可提高制品拉伸强度和硬度。
C 、ABS 树脂中苯乙烯组分呈橡胶弹性，可改善冲击强度。
D 、ABS 树脂中丙烯腈组分利于高温流动性，便于加工。
6、下列四种聚合物中，链柔顺性最好的是（ ）。
A 、聚氯乙烯，B 、聚氯丁二烯，C 、顺式聚丁二烯，D 、反式聚丁二烯7、在下列四种聚合物的晶体结构中，其分子链构象为H 31螺旋构象为（ ）。
A 、聚乙烯，B 、聚丙烯，C 、聚甲醛，D 、聚四氟乙烯8、在热塑性弹性体SBS 的相态结构中，其相分离结构为（ B ）。
A 、 PS －连续相，PB －分散相； B 、PB －连续相，PS －分散相；B 、 P S 和PB 均为连续相； D 、PS 和PB 均为分散相9、自由基聚合制得的聚丙烯酸为（ ）聚合物。
高分子物理-第七章-屈服和强度
银纹和剪切带
均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象
主要区别
形
变
曲线特征
体
积
力
结
果
剪切屈服
45o
90o
a
抵抗外力的方式
两
种
抗张强度：抵抗拉力的作用
0
aan
aas
0 /2
抗剪强度：抵抗剪力的作用
0o
45o
90o
抗张强度什么面最大？ a=0， an=0
抗剪强度什么面最大？ a=45， as=0/2
当应力0增加时，法向应力和切向应力增大的幅度不同
在45o时, 切向应力最大
泊松比: 在拉伸实验中，材料横向应变
与纵向应变之比值的负数
m
v
l
m0
l0
T
常见材料的泊松比
泊松比数值
解
释
0.5
不可压缩或拉伸中无体积变化
0.0
没有横向收缩
0.49~40
塑料的典型数值
E, G, B and
E2
G
(1
)
EB
3 (1
2
第 一 期 的 入 党积极 分子培 训课将 要结束 了，在 培训期 间，通 过尊敬 的合江 县府王
督 学 、 学 院 党委王 书记及 学院党 办邬主 任和相 关领导 、教授 对党章 ，党课 及现阶
段 国 内 外 形 式的讲 解，以 及通过 参加学 院开展 的颂歌 献给党 、喜迎 十八大 歌咏比
赛 及 参 观 了 武警合 江中队 和合江 县清代 考试院 、合江 县汉代 石棺陈 列馆等 活
韧性断裂 ductile fracture
各种情况下的应力-应变曲线
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设以一定的力 F 拉伸
试样，使两标距间的长度
增至 ，定义试样中的应
力和应变为：
图8-1 哑铃型标准试样
F
A0
l l0 l
l0
l0
图8-2 非晶态聚合物典型的拉伸应力-应变曲线示意图
曲线特征：
（1）OA段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力－应
变呈直线关系变化，直线斜率
相当于材料
弹性模量。
图8-4 聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变 曲线随环境温度的变化（常压下）
➢ 若在试样断裂前停止拉伸，除去外力，则试样 已发生的大形变无法完全恢复；只有让试样的 温度升到Tg附近，形变方可回复，因此，这种 大形变在本质上是一种高弹形变，而不是粘流 形变，其分子机理主要是高分子的链段运动， 它只是在大外力的作用下的一种链段运动。为 区别于普通的高弹形变，可称之为强迫高弹性。
讨论
（1）这种现象既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘 流态下的粘性流动。这是一种独特的力学行为。
（2）现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫 发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这 种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（ ＞ ）仍可 恢复或部分恢复。
（3）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链 段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种 “活化”作用。从链段的松弛运动来讲，提高应力降低了链 段在作用力方向上的运动活化能，减少了链段运动的松弛时 间，使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。
B point:
Breaking point 断裂点
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
各种情况下的应力-应变曲线
1、温度的影响
环境温度对高分子材 料拉伸行为的影响十分 显著。 温度升高，分子链段热 运动加剧，松弛过程加 快，表现出材料模量和 强度下降，伸长率变大， 应力－应变曲线形状发 生很大变化。
细颈和很大变形后才断裂，图8-5 断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势
呈韧性断裂特征。
虚线——高拉伸速率 实线——低拉伸速率
2、拉伸速率的影响
拉伸速率对材料的断裂强度 和屈服强度 也有明显影响 。 减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的
影响，这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。
与脆-韧转变温度相似， 根据图中两曲线交点，可 以定义脆-韧转变（拉伸） 速率 。拉伸速率高于 时，材料呈脆性断裂特征； 低于 时，呈韧性断裂特 征。
图8-7 聚苯乙烯的应力-应变曲线 随环境压力的变化（T=31℃）
两种脆-韧转变方式
比较图8-4和8-7可以发 现，升高环境温度和升高 环境压力都能使高分子材 料发生脆-韧转变。但两 种脆-韧转变方式有很大 差别。
升高温度使材料变韧，但其拉伸强度明显下降。
升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，材 料变得强而韧。
这两种不同的脆-韧转变方式给我们以启发，告诉我们材料 增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当的方法，就 有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强度，实现既增韧又 增强。塑料的非弹性体增韧改性技术就是由此发展起来的。
8.1.2晶态聚合物的应力一应变曲线
（4）曲线下的面积等于
W B d 0
相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为J•m-3， 称断裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。
A point: Point of elastic limit 弹性极限点
Y point: Yielding point 屈服点
E A
εy
A
8.1聚合物的塑性和屈服
8.1.1非晶态高聚物的应力-应变曲线
研究材料强度和破坏的重要实验手段是测量材料的 拉伸应力-应变特性。
将材料制成标准试样，以规定的速度均匀拉伸，测 量试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。
常用的哑铃型标准试样如图8-1所示，试样中部为测试
部分，标距长度为l0，初始截面积为A0。
非晶聚合物的强迫高弹形变
➢ 研究高聚物拉伸破坏行为时，特别要注意在较低温度 下的拉伸、屈服、断裂的情形。对于非晶聚合物，当 环境温度处于 ＜ ＜ 时，虽然材料处于玻璃态， 链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分
之几百的大变形（参见图8-4中T = 80℃，60℃的情
形），这种变形称强迫高弹形变。
图8-6断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势
实线——低环境温度
虚线——高环境温度
3、环境压力的影响
研究发现，对许多非晶聚合
物，如PS、PMMA等，其 脆-韧转变行为还与环境压 力有关。
右图可见，PS在低环境压力 （常压）下呈脆性断裂特点， 强度与断裂伸长率都很低。随 着环境压力升高，材料强度增 高，伸长率变大，出现典型屈 服现象，材料发生脆-韧转变。
（2）越过A点，应力－应变曲线偏离直线，说明材料开 始发生塑性形变，极大值Y点称材料的屈服点，其对应 的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度） 和屈服 应变 。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈”现 象，材料应力略有下降，发生“屈服软化”。
（3）随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦， “细颈”区越来越大。直到拉伸应变很大时，材料应力又 略有上升（成颈硬化），到达B点发生断裂。与B点对应的 应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度） 和 断裂伸长率 ，它们是材料发生破坏的极限强度和极 限伸长率。
➢ 在Tg以下，由于聚合物处于玻璃态，即使外力 除去，已发生的大形变也不能自发回复。在材 料出现屈服之前发生的断裂称为脆性断裂，一 般材料在发生脆性断裂之前只发生很小的形变。 而在材料屈服之后的断裂，则称为韧性断裂。
❖ 存在一个特征温度Tb ，只要温度低于Tb，玻璃 态高聚物就不能发生强迫高弹形变，而必定发 生脆性断裂，这个温度称为脆化温度Tb。
材料的拉伸断裂强度 和屈服强度 随环境温度而 发生变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。
在温度升高过程中，材料发生脆-韧转变。两曲线交点 对应的温度称脆-韧转变温度 。
当环境温度小于 时， 材料的 ＜ ，受外 力作用时，材料未屈服前 先已断裂，呈脆性断裂特 征。
环境温度高于 时，
＞ ，受外力作
用时，材料先屈服，出现