高聚物的断裂与强度
影响高聚物冲击强度的因素
②支化：分子链支化程度提高，σt下降，但冲击强度σi 提高。如： σi（LDPE）>σi（HDPE） ③交联 适度交联，可提高拉伸强度和冲击强度。如 PE交联 后，σi提高3~4倍，在-40℃时，甚至提高18倍以上。 （交联均匀载荷作用）
④结晶 高聚物结晶度增高和球晶尺寸的增加，冲击强度和断 裂伸长率将下降，甚至表现为脆性。 ⑤取向 聚合物经适当的双轴取向后，冲击强度提高。（分子 分布更均匀，避免了薄弱部位） ⑥增塑剂 增塑剂加入高聚物后，链段运动能力增强，冲击强度 提高，但材料的拉伸强度和模量下降较大。
•强度 ——分子间作用力 ——分子链柔顺性 •延展性 极性基团或氢键 有支链结构 适度交联 结晶度大 韧性
好 好
差
差
双轴取向
加入增塑剂
好 好 好 好
差 差 差 差
ห้องสมุดไป่ตู้
Thank You！
2. 温度和外力作用速度
①温度 冲击试验中，温度对材料的冲击强度影响很大，随 温度升高，冲击强度逐渐增加，到接近 Tg时，冲击 强度迅速增加，如PS室温下脆性大，到Tg附近变成 一种韧性材料。但热固性聚合物的冲击强度受温度 影响较小。 ②外力作用速度 外力作用时间长，冲击强度提高。相当于提高温度。
《高 分 子 物 理 》
课程团队：李彩虹 余旺旺 栗娟 苏珺
影响高聚物冲击强度的因素
材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性 大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的 能力。 1．高分子结构 ①高分子链结构 增加高分子的极性或产生氢键，虽然可提高拉伸强度。 但如果极性基团过密，阻碍链段运动，以致不能实现 强迫高弹性变，则冲击强度下降，材料变为脆性。
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
高聚物的力学性能
△材料软而韧 低模量低屈服，断裂伸长率及强度大 典型实例：硫化橡胶、LDPE制品
△材料软而弱 低模量低强度，断裂伸长率中等 典型实例：未硫化天然橡胶
从以上看出，由的大小可判断材料的强弱；E 的大小反映材料的软硬，至于韧与脆则视应力 -应变曲线下面所包围面积的大小而定。
1.2.2 结晶态高聚物的应力-应变曲线
在试样上施加交变循环外力，试样承受循环应 力而产生循环应变，以致试样力学性能减弱或 破坏。
（5）冲击强度
高聚物材料的冲击强度是一个工艺上很重要的 指标，是材料在高速冲击状态下的韧性或抗断 裂的度量
1.3.3 影响高聚物强度的因素：
影响高聚物材料的因素很多。除材料本身的结 构因素外，还有与外界条件有关的因素，如温 度、湿度、光照、氧化老化、作用力时间长短 等。
B
B
Y
A
Y A
应力
A Y
应变
B
A-弹性极限；Y-屈服点；B-断裂点
拉伸过程中，高分子链的运动经过以下阶段： ①弹性形变（开始～A点） 应变随应力的增加而增大，服从虎克定律，
具有普弹性能；运动单元为键长、键角。对应 为弹性伸长极限。 ②强迫高弹形变（A点～B点） 中间经过屈服点Y，对应的 表示高聚物材 料对抗永久形变的能力；形变能力300%～ 1000%，并且可逆；运动单元为链段。 ③黏流形变（B点后） 形变为不可逆（永久形变）；运动单元为链段、 大分子链。
1.4.2 增强塑料
在树脂中加入增强剂使其强度得到不同程度的 提高，这种作用称为增强作用。
1.4.3 共混高聚物材料
将结构不同的均聚物、共聚物，甚至分子量不 同的同种高聚物，通过一定方法相互掺混，可 得到某些特定性能的共混高聚物材料。
高分子材料的力学性能
高分子材料的力学性能
01 高聚物的抗拉强度
02 长期强度
高分子材料的力学性能
抗拉强度：
在规定的温度、湿度和加载速度下，在试样上沿轴 向施加拉力直到试样被拉断为止，断裂前试样所承受的 最大载荷与试样截面之比称为抗拉强度。
宽度b
厚度d
P
t
p bd
p A0
抗拉强度越大，说明材料越不易断裂、越结实
高分子材料的力学性能
高分子材料的力学性能
玻璃纤维是将玻璃材料通过拉丝形成的纤维状的玻璃， 没有固定的熔点。是一种综合性能优异的无机非金属材料， 通常作为复合材料增强基材、电绝缘材料、耐热绝热材料、 光导材料、耐蚀材料和过滤材料等，广泛应用于国民经济各 个领域。
玻璃纤维
高分子材料的力学性能
玻璃纤维对高聚物的增强：
短玻璃纤维可以提高热塑性塑料的强度，还可以用玻璃纤维与其 他织物复合而制成玻璃钢。
玻璃钢的性能优越，其强度高于钢，是以玻璃纤维制成玻璃布，
以不同的角度排列，以环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂的顺序形成涂 层，经加热、层压、固化而成。
材料
拉伸强度/MPa
未增强
23
聚乙烯
右表为一些热塑性
增强
76
塑料用玻璃纤维增
未增强
58
聚苯乙烯
强后其拉伸强度的
增强
96
变化
未增强
62
聚碳酸酯
增强
140
未增强
在高分子材料中长期强度指一定时间后，高分子材料 不发生断裂时的强度值。
长期
t
谢谢！
高分子材料的力学性能
2、应力和缺陷：
缺陷的存在将使材料受力时内部压力分布不平均， 缺陷附近范围内的应力急剧地增加，远远超过压力平均 值，这种现象称为应力集中，缺陷就是应力集中物，包 括裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质等，缺陷成为材料的 薄弱环节，材料的破坏就从这些缺陷处开始而扩展到 整个体系，严重降低材料的强度。
高分子物理-第9章(1高分子的屈服和强度)
• 力学性能是高聚物优异物理性能的基础 • 如：某高聚物摩擦、磨耗性能优良，但力学性能
不好，很脆——不能用它作减摩材料
• 如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它们有一
定的力学性能：强度和韧性。如果折叠几次就破 裂，那么这种材料的电绝缘性虽好，也不能用作 电线。
弹性 Elasticity
普弹性 高弹性 High elasticity
Strain softening 应变软化 B
B Y
Y
N
D
A A
plastic deformation
塑性形变
Strain hardening 应变硬化
E A A
O A
B
y
从曲线上可得评价聚合物性能的力学参数:
Y: yield point屈服点
y yield strength 屈服强度 yelongation at yield 屈服伸长率
产生强迫形变－“冷拉”
不同点：冷拉的温度范围：
非晶态Tb～Tg 结晶态Tg～Tm
对晶态聚合物拉伸过程，伴随着凝聚态结构的变化
2.3 取向聚合物的应力-应变曲线：
– 聚合物材料在取向方向上的强度随取向程度的 增加而很快增大，此时，分子量和结晶度的影响 较小，性能主要由取向状况所决定。高度取向时， 垂直于取向方向上材料的强度很小，容易开裂。
F
a
F
Fas =Fsina
横截面A0, 受到的应力 0=F/A0
斜截面Aa = A0 / cosa
法向应力
σαn
=
Fαn Aα
= σ0cos2α
剪切应力
σαs
=
Fαs Aα
=
1 2
试验1高分子材料拉伸强度及断裂伸长率测定
实验1 高分子材料拉伸强度及断裂伸长率测定一、实验目的通过实验了解聚合物材料应力—应变曲线特点、试验速度对应力—应变曲线的影响、拉伸强度及断裂伸长率的意义，熟悉它们的测试方法；并通过测试应力—应变曲线来判断不同聚合物的力学性能。
二、实验原理为了评价聚合物材料的力学性能，通常用等速施力下所获得的应力—应变曲线来进行描述。
所谓应力是指拉伸力引起的在试样内部单位截面上产生的内力；而应变是指试样在外力作用下发生形变时，相对其原尺寸的相对形变量。
不同种类聚合物有不同的应力—应变曲线。
等速条件下，无定形聚合物典型的应力—应变曲线如图1所示。
图中的α点为弹性极限，σα为弹性（比例）极限强度，εα为弹性极限伸长。
在α点前，应力—应变服从虎克定律：σ=Έε式中σ——应力，MPa；ε——应变，%；Ε——弹性（杨氏）模量（曲线的斜率），MP 。
曲线斜率E反映材料的硬性。
Y称屈服点，对应的σy和εy称屈服强度和屈服伸长。
材料屈服后，可在t点处，也可在t′点处断裂。
因而视情况，材料断裂强度可大于或小于屈服强度。
εt（或εt′）称断裂伸长率，反映材料的延伸性。
从曲线的形状以及σt和εt的大小，可以看出材料的性能，并借以判断它的应用范围。
如从σt的大小，可以判断材料的强与弱；而从εt的大小，更正确地讲是从曲线下的面积大小，可判断材料的脆性与韧性。
从微观结构看，在外力的作用下，聚合物产生大分子链的运动，包括分子内的键长、键角变化，分子链段的运动，以及分子间的相对位移。
沿力方向的整体运动（伸长）是通过上述各种运动来达到的。
由键长、键角产生的形变较小（普弹形变），而链段运动和分子间的相对位移（塑性流动）产生的形变较大。
材料在拉伸到破坏时，链段运动或分子位移基本上仍不能发生，或只是很小，此时材料就脆。
若达到一定负荷，可以克服链段运动及分子位移所需要的能量，这些运动就能发生，形变就大，材料就韧。
如果要使材料产生链段运动用分子位移所需要的负荷较大，材料就较强及硬。
高分子物理----高分子的力学性能
一般刻痕试样的冲击强度小于这一数值为脆性断裂，大
于这一数值时为韧性断裂。但这一指标并不是绝对的，
例如玻璃纤维增强的聚酯塑料，甚至在脆性破坏时也有
很高的冲击强度。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
2. 高聚物的理论强度 从分子结构的角度来看，高聚物的断裂要破坏分子 内的化学键，分子间的范德华力与氢键。
7.2 高弹态聚合物的力学性质
加入增塑剂虽然可以降低Tg，但有利条件，因此选
用增塑法来降低Tg必须考虑结晶速度增大和结晶形成的 可能性。
7.2 高弹态聚合物的力学性质
（2）共聚法
共聚法也能降低聚合物的Tg，如：PS的主链上带有体 积庞大的苯基，聚丙烯腈有强极性腈基存在，Tg都在室温 以上，只能作为塑料和纤维使用，如果用丁二烯分别与苯 乙烯和丙烯腈共聚可得丁苯橡胶和丁腈橡胶，使Tg下降。 例如：丁苯30，Tg=-53℃，丁腈26，Tg=-42℃。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（3）当温度升高到Tg以下几十度范围内，如曲线③，过
了屈服点后，应力先降后升，应变增大很多，直到C点断裂，
C点的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率ε 。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
（4）当温度升至Tg以上，试样进入高弹态，在应力不大
时，就可发生高弹形变，如曲线④，无屈服点，而呈现一段
应力称为屈服应力或屈服强度。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
屈服点之后，应力有所下降，在较小的负荷下即可产生形 变，称为应变软化。之后应力几乎不变的情况下应变有很大 程度的增加，最后应力又随应变迅速增加，直到材料断裂。
7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质
四、几类高聚物的拉伸行为 1. 玻璃态高聚物的拉伸
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
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高聚物的断裂与强度
20系 pb02206271 罗俊
从使用观点来看，与其他材料相比，高聚物材料的最大优点是其内在的韧性，例如，当我们用同样重量的高度取向的等规立构聚丙烯长丝制成的绳子和钢丝来吊物体，测两者所能承受的最大负重，试验结果表明高度取向的等规立构聚丙烯长丝制成的绳子的最大负重是钢丝的将近三倍。
高聚物的韧性是指其在断裂前所能吸收的大量的能量，但因加载方式、温度、应变速率、式样形状和大小等的改变，高聚物材料的韧性会变坏，甚至以脆性形式断裂，高聚物被损，应尽力避免。
所以对高聚物断裂及强度的研究是很有必要的，我们也应学好这部分。
一.高聚物的断裂
高聚物材料的破坏从本质上来讲是主链上化学键的断裂或是高分子链间相互作用力的破坏，高聚物有两种断裂形式：脆性断裂和韧性断裂 。
脆性断裂是由所加应力的张应力分量引起的，韧性断裂是由切应力分量引起的，而高聚物的断裂形式还取决于实际所加的应力体系和试样的几何形状，因为这些将影响试样中拉伸分量和剪切分量的相对值，例如流体静压力通常是使断裂由脆性变为韧性，尖锐的缺口在改变断裂由韧变脆方面有特别的效果。
一般认为脆性断裂和塑形屈服是各自独立的过程，但实际上，两者是可以相互转变的，当温度高于样品的脆韧转变点时，样品总是韧性的，这样就可以使材料总是处于韧性状态下工作，从而避免脆性断裂。
多种因素可以影响材料的脆韧转变：
1． 应变速率和温度的影响。
虽然断裂应力受应变速率和温度的影响不大，但屈服应力随应变速率的增大而增大，随温度增大而降低，故脆韧转变点将随应变速率增大而增大，在超低温下，几乎所有的高分子材料都是非常脆的。
2． 分子量。
分子量虽对屈服应力无直接影响，但它将影响断裂应力，高聚物的抗拉强度随数均分子量减小而减小，例如，分子量很小的高聚物材料，如果其玻璃化温度比环境温度高，往往特别脆，容易碎裂成强度很小的碎片。
3． 支化。
因为支化影响高聚物的结晶性，故不同支化强度的高聚物，其屈服应力有明显的不同，对于相同分子量的同种高聚物，支化高分子材料的缠结数比线状高分子材料少，故其破坏强度往往较小。
4． 侧基。
刚性侧基可增加屈服应力和断裂强度，而柔性侧基可减小屈服应力和断裂应力
5． 交联。
交联增加屈服应力，但对断裂应力影响不大，故脆韧转变将移向较高的温度。
但对于分子量高而坚硬的高分子材料，交联几乎无太大影响，分子间的缠接和相互穿透同样可以提高强度。
6． 分子取向。
分子取向将使屈服应力和断裂应力在平行于单轴取向方向上增大，但在垂直于取向方向上减小，故分子取向的结果将导致材料力学性能的各向异性，又因为断裂应力比屈服应力更依赖于所加应力的方向，因此一个单轴取向高聚物的断裂行为比未取向的高聚物更像是受对称轴向应力作用的高聚物。
7． 缺口。
在影响高聚物脆韧转变的各种因素中，缺口的影响特别显著，尖锐的缺口可使高聚物从韧性断裂变为脆性断裂。
因此，材料脆性行为可分为：
1．Y B σσ ，材料是脆性的
2． B Y σσ3Y σ，材料在没有缺口的拉伸试验中是韧性的，而有尖锐缺口是就变为脆性
的
3． B σ3Y σ，材料即使是在有缺口的实验中也表现为韧性的，即材料总是韧性的
二.高聚物的强度
因为高聚物材料的破坏从本质上来讲是主链上化学键的断裂或是高分子链间相互作用力的破坏，所以高聚物的理论强度可以从高分子主链的化学键强度和高分子链间相互作用强度估算出来，这对于人们在实际生产中提高高聚物材料的强度及其程度估计奠定了理论基础，有重要意义。
但是我们可以发现，高聚物的实际强度比理论强度小的多。
因为高聚物强度的理论值是一个最大值，只有当分子的堆积完全均匀，且排布十分规整而无任何缺陷或不连续性时才得以实现，材料似应分裂成基本组成单元——分子或原子，而实际上，没有任何一种样品能使大分子链在同一个横截面上同时断裂，因分子链长度有限，各种键的键能大小不同，且结构中不可避免的存在着缺陷，故在实际中，总是许多分子间键先断裂，直到最后，应力集中于少数化学键上，才使其断裂，从而产生裂缝并在试样中进行扩展，仅断裂成很少的几块，从微观上，我们已经可以看出材料内局部应力集中对材料强度有着很大的影响。
从宏观上我们也能看出局部应力集中对材料强度的影响，当存在有局部的应力集中时，在材料的这一小体积范围内，作用的应力比材料平均受到的应力大的多，即在材料内部平均应力尚未达到其理论强度前，在有应力集中的小体积内的应力已达到其断裂强度值，故材料从此点开始破坏，引起宏观的断裂。
应力集中的部分有几何的不连续性：孔，空洞，缺口，沟槽，裂纹；材料的不连续性：杂质小颗粒；载荷的不连续性：集中力，不连续的载荷分布；不连续的温度分布产生的热应力；不连续的约束产生的应力集中等。
格利菲斯根据裂纹决定了脆性材料这一假定，从能量角度建立了脆性材料强度理论，他认为断裂产生的裂纹增加了材料的表面，从而增加了材料所具有的表面能，而这表面能的增加将由材料中弹性储量的减小来提供，而且弹性储量的减小量必须大于增大材料表面所需要的表面能。
因为弹性储量在材料内部是不均匀分布的，在诸如小裂纹附近附近有很大的弹性储能集中，所以在裂纹附近有较大的弹性储能来供给产生新表面所需的表面能，使材料在裂纹处先行断裂，并导致材料理论强度与实际强度之间的极大差距。
另外，为了提供产生新表面所需要的能量，需要作功，因此只要当材料本身不具备内部产生的应力时，它只有在一个有限外应力的作用下才会产生断裂。
该理论的不足之处是未考虑高聚物材料断裂的时间因素。
断裂的动力学理论认为材料断裂是一个松弛过程，宏观断裂是微观高分子原子键的断裂的一个热活化的过程，与时间有关，因 完整的键 ≒断裂的键 反应有一定的能垒，在未应变状态，完整的键比破裂的键位能低，其差值即为表面能，因此没有断键发生，材料保持着凝聚状态，但若施加应力于样品上，每个分子储藏的弹性位能将由键的断裂而释放，将有利于过程向右进行。
另外，材料的寿命（从完好状态到完全断裂所需要的时间）也可根据公式
τ=⎥⎦
⎥⎢⎣⎢-RT U γστ00exp 求出，我们可以看出，外力将降低材料的活化能位垒，使寿命降低。