高物复习题 第八章 聚合物的屈服和断裂
高分子物理 第8章 聚合物的屈服与断裂1
应 150 力 100
LDPE15803
50
0 40 80 120 160
应变
200 mm
0
0 10 20 30 40 50 60 70 mm 应变
Xinjiang university
N 250
N 250
200
HDPE5410
200
HDPE6070
应 力 150
100 50 0
HDPE5000s
Hale Waihona Puke yy上述拉伸时出现细颈的应力称为重(再)结晶应力。 它是晶态高聚物的重要机械性能之一。 在纤维或薄膜生产工艺中此应力对计算 设备的马达负荷是一个重要的参考数据
192 4
Xinjiang university
N 250
200 LLDPE0209
N 250
200
应 150 力
100 50 0
LDPE2426
—为试样标距的原长
测得的应力、应变数据可以绘制出不同聚合物的应力-应变曲线
第 八 章
第一节 聚合物的塑性和屈服
一、聚合物应力-应变行为
1.非晶态聚合物的应力-应变曲线
PMMA的应力-应变曲线 实验条件： 拉伸温度
B
B A
A
60℃ （Tg =115℃）
拉伸速度 5mm / min
A
B
应力-应变曲线有以下特点
◆
晶态聚合物一般成颈（也 叫冷拉）也包括晶区和 非晶区的转变。
y
B
◆典型的未取向晶态高聚物在
单轴拉伸下的应力-应变曲线
整个曲线可视为三条直线组成： 普弹形变阶段 细颈形变阶段 应变硬化阶段
第一段：普弹形变 拉伸初期、应力 增加较快， 应变增加较小， 关系符合虎 克定律，代表普弹形变。 y点：屈服点 试样的截面积变的不均匀， 出现一个或几个细颈
第八章聚合物的屈服和断裂
8
第8章聚合物的屈服和断裂 Yield and Fracture of Polymers
强迫高弹形变的定义
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
8.1.1 非晶态聚合物
Point of elastic limit
弹性极限点
Strain softening 应变软化
B
Y
A
A
E
A
O
Breaking point
断裂点
Yielding point 屈服点
B
Y
N
A
A y
D
plastic deformation
塑性形变
使材料屈服需要更大的外力，材料的屈服强度提高，材料在断裂
前不发生屈服，表现为脆性断裂
所以，降低温度与提高外力作用速率有同样的效果，
这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。
23
第8章聚合物的屈服和断裂 Yield and Fracture of Polymers
Brittle-ductile Transformation脆韧转变
第8章
聚合物的屈服和断裂
Yield and Fracture of Polymers
1
第8章聚合物的屈服和断裂 Yield and Fracture 应，如形变大小、形变的
可逆性及抗破损性能等。
在不同条件下聚合物表现出的力学行为：
高弹性、粘弹性和流动性
产生大的形变，可见增加应
第8章 聚合物的屈服和断裂
第8章聚合物的屈服和断裂1.名词解释：脆-韧转变点；细颈；剪切带；银纹；应力集中；疲劳。
脆-韧转变点：在一定应变速率下，作断裂应力和屈服应力分别与温度T的关系曲线，两条曲线的交点就是脆韧屈服转变点。
细颈：高分子材料试样条在拉伸实验中，试条某点的横截面突然快速下降的现象。
剪切带：只发生在局部带状区域内的剪切变形。
银纹：聚合物在张应力作用下，于材料某些薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100μm、宽度为10μm左右、厚度约为1μm的微细凹槽。
应力集中：受力材料在形状、尺寸急剧变化的局部或内部缺陷（孔、裂缝等）的附近出现应力显著增大的现象。
疲劳：材料或构件在周期应力作用下断裂或失效的现象，是材料在实际使用中常见的破裂形式。
2.画出非晶态和晶态聚合物拉伸时典型的应力-应变曲线，指出曲线上的特征点及相应的应力、应变名称。
3.讨论温度、应变速度、流体静态压力对上述应力-应变曲线的影响规律。
4.简述几种组合应力作用下材料的屈服判据，比较不同判据之间的差异。
答：（1）单参数屈服判据（Tresca判据和最大形变能理论），只受正应力和切应力；（2）双参数屈服判据（Coulomb判据或MC判据），受正应力、切应力和正压力。
此外考虑流体静压力的改进的Tresca和Von Mises判据也适用。
5.何谓聚合物的强度？为什么理论强度比实际强度高很多倍？6.简述聚合物增强、增韧的途径和机理。
答：聚合物增强途径：通过添加增强剂来形成复合材料；机理：形成复合材料，可以传递应力，避免基体应力集中，提高力学强度。
聚合物的增韧途径：添加增塑剂。
机理：银纹机理、银纹-剪切带机理、三轴应力空化机理、刚性粒子增韧机理。
7.下列几种聚合物的抗冲击性能如何？为什么？（T<Tg）（1）聚苯乙烯；（2）聚苯醚；（3）聚碳酸酯；(4)ABS;(5)聚乙烯答：(1)聚苯乙烯，因主链挂上体积庞大的侧基苯环，使之称为难以改变构象的刚性链，使得冲击性能不好，为典型的脆性聚合物。
高分子科学-第8章聚合物的屈服与断裂
聚合物凝胶 （无规PP）
21
练习：有三种材料的应力-应变曲线如下图所示
① 哪种材料的弹性模量最高？ ② 哪种材料的断裂强度最高？ ③ 哪种材料在断裂前没有明显的塑性变形？ ④ 哪种材料的伸长率最大？ ⑤ 哪种材料的断裂能最大？ ⑥ 判断顺丁橡胶、尼龙6、聚苯乙烯分别对应哪种材
料的曲线？
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8.1.3 屈服与细颈
3）强而韧:尼龙66，PC，应变硬化，断裂强度大于屈服应力， 模量高，韧性大，强度高，断裂伸长率可达1000％（应变硬化 断裂）
4）软而韧:橡胶，模量低，屈服点低或无屈服点，σy=0, 伸 长率大，柔性好 5）软而弱：凝胶，模量低，有一定延伸，强度低
19
“软”和“硬”指模量的低或高，应力应变曲线的斜率，表征材料抵抗形变的 能力，斜率越大，模量越高，刚性越大，材料越硬
s=0 s=0/2 s=0
抗张强度(抵抗拉力的作用)什么面最大？ =0， n=0 抗剪强度（抵抗剪力作用）什么面最大？ =45， s=0/2
31
当应力0增加时，法向应力和切向应力增大的幅度
不同（分子链滑移比分子链断裂容易） ， 45o斜面上切 应力首先达到最大剪切强度-------出现剪切带。
当=45时 当=-90=-45时
链段取向；对于结晶聚合物，主要是晶粒的变形
▪ 冷拉成颈的工业意义：纤维的牵伸；塑料的冲压成型。
26
Necking 颈缩现象
为什么会出现细颈？ ——应力最大处。 哪里的应力最大？
27
8.1.4 剪切屈服
（1）剪切屈服-----是韧性聚合物在单向 拉伸至屈服点时出现的与拉伸方向成约 45°角倾斜的剪切滑移变形带(剪切带)
17
结晶度
球晶大小
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 。
8聚合物的屈服和断裂
• 聚合物材料在各种使用条件下所能表现出 来的强度和对抗破坏的能力是其力学性能 的重要方面。
• 目前人们对聚合物强度的要求越来越高， 因此研究其断裂类型、断裂形态、断裂机 理和影响强度的因素，显得十分重要。
8.2.5
使银纹不至于发展成破坏性裂纹。
泊松比：拉伸试验中，材料横向单位宽度的减小与 纵向单位长度的增加之比值。
疲劳
• 疲劳是材料或构件在周期应力作用下断裂 或失效的现象，是材料在实际使用过程中 常见的破坏形式。
• 在低于屈服应力或断裂应力的周期应力作 用下，材料内部或其表面应力集中处引发 裂纹并促使裂纹传播，从而导致最终的破 坏。
内因
外因
• 有裂缝的材料极易开裂。 • 而且，裂缝端部的锐度对裂缝的扩展有很 大的影响。
– 例如，塑料雨衣，一有裂口，稍不小心，就会 蔓延而被撕开。如若在裂口根部剪成一圆孔， 它就较难扩展。这表明，尖锐裂缝尖端处的实 际应力相当大。
a、b：椭圆长、短轴 ρ：裂缝尖端的曲率 半径
切应力
两个互相垂直的斜面上的 切应力数值相等，方向相 反，不能单独存在，总是 同时出现。
• 不同聚合物有不同的抵抗拉伸应力和剪切应力破坏的能力。
• 一般，韧性材料拉伸时，斜截面上的最大切应力首先达到材 料的的抗剪强度，因此试样上首先出现与拉伸方向成约45度 角的剪切滑移变形带（或相互交叉的剪切带），相当于材料 屈服。进一步拉伸时，变形带中由于分子链高度取向时强度 提高，暂时不再发生进一步变形，而变形带的边缘则进一步 发生剪切变形。同时，倾角为135度的斜截面上也要发生剪 切滑移变形。因而试样逐渐生成对称的细颈。 • 对于脆性材料，在最大切应力达到抗剪强度之前，正应力已 经超过材料的拉伸强度，试样不会发生屈服，而在垂直拉伸 方向上断裂。
第8章 聚合物的屈服和断裂-2
第二十二讲 聚合物断裂与强度
本讲重点及要求： 掌握聚合物的强度及格理非斯断裂理论。掌握聚合 物强度和韧性的影响因素、增强和增韧的方法与机 理 教学目的： 了解材料的破坏形式和理论，了解材料的增强与增 韧方法，指导选材、改性、加工和使用。
8.2 聚合物的断裂与强度
张应力 强度是指物质抵 抗破坏的能力
polymer based concrete containing spherical inorganic particles
fatigue fracture surface
SEM fracture surface of polymer and wood matrix
Comparing of brittle and ductile fractures
材料的断裂方式分析
聚合物材料的破坏可能是高分子主链的化学键断裂或 是高分子分子间滑脱或分子链间相互作用力的破坏。
化学键拉断
15000MPa
理论值
分子间滑脱
50000MPa
氢键 500MPa
分子间扯离
范德华力 100MPa
在断裂时三种方式兼而有之，通常聚合物理论断裂强 度在几千MPa，而实际只有几十Mpa 。WHY？
Tb is also called brittle temperature.
在一定速率下（不 同温度）测定的断 裂应力和屈服应力， 作断裂应力和屈服 应力随温度的变化 曲线 ——脆化温度，脆化 脆化温度， 脆化温度 点
断裂应力和 断裂应力和屈服应力 谁对应变速率更敏感？ 谁对应变速率更敏感？
脆性断裂和韧性断裂判断 韧
第 8 章 聚合物的屈服和断裂
齐齐哈尔大学 材料科学与工程学院 高分子材料与工程系
高分子物理第八章聚合物的屈服和断裂.
第八章 聚合物的屈服和断裂
剪切带屈服机理
本质上，法向应力与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉伸能力极限值主 要取决于分子主链的强度（键能）。因此材料在作用下发生破坏时， 往往伴随主链的断裂。 切向应力与材料的抗剪切能力相关，极限值主要取决于分子间内聚力。 材料在 作用下发生屈服时，往往发生分子链的相对滑移（下图）。
第八章 聚合物的屈服和断裂
8.1.5 银纹现象
银纹现象是聚合物在张应力的作用下，于材料某些薄弱部位出现 应力集中而产生局部的塑性形变和取向，以至在材料表面或者内 部垂直于应力方向上出现长度为100um、宽度为10um左右、厚 度为1um的细微凹槽或“裂纹”的现象。
第八章 聚合物的屈服和断裂
银纹
银纹的平面垂直于产生银纹的张应力，在张应力作用下，能产 生银纹的局部区域内，聚合物呈塑性形变，高分子链沿张应力 方向高度取向，并吸收能量。由于横向收缩不足以全部补偿塑 性伸长，导致银纹体内产生大量空隙。密度、折光指数降低。
弹性形变 屈服 应变软化 成颈 应变硬化 断裂
第八章 聚合物的屈服和断裂
应力-应变曲线特征
弹性极限点:A A
Y point: 屈服点: Y Y
ED A D A
B point: 断裂点
B B
第八章 聚合物的屈服和断裂
应力-应变曲线
聚合物的屈服强度（Y点强度） 聚合物的杨氏模量（OA段斜率） 聚合物的断裂强度（B点强度） 聚合物的断裂伸长率（B点伸长率） 聚合物的断裂韧性（曲线下面积第）八章 聚合物的屈服和断裂
第八章 聚合物的屈服和断裂
聚合物出现屈服时所伴随的一些现象
8.1.4 剪切带的结构形态 8.1.5 银纹现象
第八章 聚合物的屈服和断裂
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第八章聚合物的屈服和断裂
一、概念
1、杨氏模量
2、断裂强度
3、断裂能
4、冲击强度
5、剪切带
6、银纹
二、选择答案
1、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 ）。
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
2、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（B ）。
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
3、在聚甲基丙烯酸甲酯的拉伸试验中，温度升高则（B ）。
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，
4、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（B ）。
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。
5、杨氏模量、冲击强度、应变、切变速率的量纲分别是（A ）。
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-1
7、提高高分子材料的拉伸强度有效途径为（ B ）。
A、提高拉伸速度，
B、取向，
C、增塑，
D、加入碳酸钙
8、在高分子材料的拉伸试验中，提高拉伸速率时，则（A）。
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
三、填空题
2、聚合物在拉伸试验中，初始阶段的应力与应变的比值叫模量；应力－应变曲线下的面积称作断裂功，反映材料的拉伸断裂韧性大小。
四、回答下列问题
1、举例说明聚合物增强和增韧的途径和机理（各写出2种机理）。
聚合物增强途径：通过添加增强剂来形成复合材料；
机理：形成复合材料，可以传递应力，避免基体应力集中，提高力学强度。
聚合物的增韧途径：添加增塑剂。
机理：银纹机理、银纹-剪切带机理、三轴应力空化机理、刚性粒子增韧机理。
2、有三种材料的应力-应变曲线如图所示。
A、哪种材料的弹性模量最高？
B、哪种材料的伸长率最大？
C、哪种材料的韧性最高？
D、哪种材料的在断裂前没有明显的塑性变形？
E、判断顺丁橡胶、尼龙6、酚醛塑料分别对应哪种材料的曲线？
3、聚合物拉伸的真应力－应变曲线有几种类型？相应的拉伸行为如何？。