高聚物的强度、屈服与断裂
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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)
北京理工大学
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。
北京理工大学
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
高分子物理 高分子物理 聚合物的屈服和断裂
（脆化温度）到 Tg之间 。
? 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：
? 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
?
?
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0
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? 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
高分子物理-第八章解析
关系符合虎克定律，代表普 弹形变。到达y点后，试样 的截面积变的不均匀，出现 一个或几个细颈，由此开始 拉伸的第二阶段，出现细颈 后，细颈部分试样的宽、厚 减小，故负荷读数可能稍下 降。由于细颈部分分子排列 规整，可以承受更大的力， 因而细颈不再变形，而是细 颈两端发展，使细颈部分不 断扩展，非细颈部分逐渐缩 短，直至整个试样完全变为 细颈为止。
b . 分子量
M降低，分子堆砌紧 密，Tb与Tg靠近； M升高，ΔT=Tg—Tb 升高。
（二） 晶态高聚物的应 力-应变曲线
晶态高聚物一般包括含有 晶区和非晶区两部分，因 此晶态高聚物的冷拉也包 括晶区和非晶区部分。
整个曲线可视为三条直线 组成。
第一段：拉伸初期、应力 增加较快， 应变增加较小，
实验证明，链段运动的松弛时间与应力之间有如下关系
E
0e RT
E ：活化能
：与材料相关的常
数
由上式可知，随应力增加，链段运动的松
弛时间将缩短。当应力增大到屈服应力时，
链段运动的松弛时间减小至与拉伸速度相适
应的数值，高聚物可产生大形变。所以加大 外力对松弛过程的影响与升高温度相似。
无定形聚合物的冷拉
重 点
重点掌握强迫高弹形变的概念，非晶和结晶
高聚物的应力-应变曲线、银纹屈服和剪切屈 服机理。影响聚合物拉伸强度和冲击强度的 因素。
难 点
正确理解和掌握强迫高弹形变和高弹形变的 异同之处。区别和理解银纹屈服和剪切屈服 机理。
第一节 高聚物的塑性和屈服
一、应力-应变曲线
先介绍几个概念
强度：在较大外力持续作用或强大外力的 短期作用下，材料将发生大形变直至宏观 破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能 力称为强度。材料破坏方式的不同，强度 又可分为拉伸强度、冲击强度和弯曲强度 等。
b . 分子量
M降低，分子堆砌紧 密，Tb与Tg靠近； M升高，ΔT=Tg—Tb 升高。
（二） 晶态高聚物的应 力-应变曲线
晶态高聚物一般包括含有 晶区和非晶区两部分，因 此晶态高聚物的冷拉也包 括晶区和非晶区部分。
整个曲线可视为三条直线 组成。
第一段：拉伸初期、应力 增加较快， 应变增加较小，
实验证明，链段运动的松弛时间与应力之间有如下关系
E
0e RT
E ：活化能
：与材料相关的常
数
由上式可知，随应力增加，链段运动的松
弛时间将缩短。当应力增大到屈服应力时，
链段运动的松弛时间减小至与拉伸速度相适
应的数值，高聚物可产生大形变。所以加大 外力对松弛过程的影响与升高温度相似。
无定形聚合物的冷拉
重 点
重点掌握强迫高弹形变的概念，非晶和结晶
高聚物的应力-应变曲线、银纹屈服和剪切屈 服机理。影响聚合物拉伸强度和冲击强度的 因素。
难 点
正确理解和掌握强迫高弹形变和高弹形变的 异同之处。区别和理解银纹屈服和剪切屈服 机理。
第一节 高聚物的塑性和屈服
一、应力-应变曲线
先介绍几个概念
强度：在较大外力持续作用或强大外力的 短期作用下，材料将发生大形变直至宏观 破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能 力称为强度。材料破坏方式的不同，强度 又可分为拉伸强度、冲击强度和弯曲强度 等。
5. 高聚物的力学性能
L
L
N
H
（1）温度
(1)
(3)
应力
(2)
(4)
应变
（2）应变速率
(1)
(3)
应力
(2)
(4)
应变
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 所引起的。 这种形变称为强迫高弹形变。
Stress
Yield stress
(4)断裂强度 (5)断裂伸长率 (6)断裂韧性
Strain
以应力应变曲线测定的韧性
d
量纲=Pam/m=N/m2 m/m= J/m3
材料在屈服点之前发生的断裂称为脆性断裂 brittle fracture ； 在屈服点后发生的断裂称为韧性断裂 ductile fracture 。
5.1.2细颈
1）细颈的形成原因
本质：剪切力作用下发生塑性流动 A0 F F
F
F
Fn F α F 正应力 0 A0 切向力 A Fs
A0 斜截面面积 A sin
F
法向力 Fn＝F·sinα
Fs＝F·cosα
A
法应力： n Fn 0 sin 2 切应力： S FS 0 sin cos 1 0 sin 2
A
plastic deformation 塑性形变
Strain hardening 应变硬化
A E A
O
A y
B
图 非晶态聚合物在玻璃态的应力-应变曲线
高聚物的屈服与断裂
t s 研究表明，链段松弛时间 与外应力 之间有如下关系：
t
=
t
0
exp
DE - gs
RT
7-3
式中：DE 是链段运动活化能，
g 是材料常数，
ta 0
是未加应力时链段运动松弛时间， 是与材料有关的常数
（1） 外力的影响
s 由上式可见，s 越大，t 越小， s y ，链段运动的松弛时间
减小至与拉伸速度相适应的数值，高聚物就发生大形变。
σ
ε
ε 图7-11硬弹性PP的典型硬弹性行为 图7-12HIPS的典型硬弹性行为
（1）拉伸初始，应力随应变急剧上 σ 升，高起始模量
（2）形变到百分之几时，发生屈 服， 但无成颈现象
（3）达到一定形变量时，移去载荷 形变可以自发回复，弹性恢复率高达 98%，但拉伸曲线和恢复曲线之间形 成较大的滞后圈
曲线特征： （1）OA段，为符合虎克定律的弹性形变区，高模量，小形变， 主要是键长、键角的变化，可完全恢复。应力－应变呈直线关
系变曲化线，无直屈线服斜，率所以为d脆s性de断相=裂当E。于如材曲料线弹a性。模量。
（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
熔点时（ T< Tm），
虽然晶区尚未熔融，
材料也发生了很大拉 伸变形。见图中曲线 3、
4、5。
这种现象称“冷拉
伸”。
图7-8 结晶聚合物在不同温度下的应力 -应变曲线
讨论
（1）发生冷拉之前，材料有明显的屈服现象，表现为试样测试区内 出现一处或几处“颈缩”。随着冷拉的进行，细颈部分不断发展，形 变量不断增大，而应力几乎保持不变，直到整个试样测试区全部变细。
6 屈服、断裂和强度
在最大剪应力平面上由于应变软化引起分子链滑动形 成剪切应变的薄层。
PC
2021/5/21
高分子材料加工基础
19
银纹与剪切屈服的区别
项目 方向 形变 曲线特征 体积
力 结果
2021/5/21
剪切屈服
银纹屈服
与作用力成45°角 垂直于作用力
大，几十~几百%
小 <10%
有明显的屈服点 无明显的屈服点
体积不变
高分子材料加工基础
弹性模量 /
2.75
8.34
2.16
11.7
2.75 5.98～ 12.55
热变形温度 (1.86MPa)/ K
358 377 405～471 420～422 339～359 >473
33
(c) 物质结构组成
a: 硬而脆性材料 b: 硬而强性材料 c: 硬而韧性材料 d: 软而韧材料
2021/5/21
PS、PMMA、酚醛树脂
硬质PVC、芳香尼龙、高分子量PS
尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰亚胺
硫化橡胶、软质PVC
高分子材料加工基础
14
二、高分子材料的屈服
屈服的形式
银纹屈服 剪切屈服
高分子材料加工基础
8
冷拉伸的微观机理
非晶态聚合物
当温度处于Tb ＜ T＜Tg时，被冻结的链段在外力作用 下强迫运动，产生大变形。
结晶聚合物
在温度处于Tb ＜ T＜Tm区间发生冷拉伸时，除了非晶 态的链段发生强迫高弹形变，还包括晶区的微晶在应 力作用下使原有的结晶结构破坏，球晶、片晶被拉开 分裂成更小的结晶单元，分子链从晶体中被拉出、伸 直，沿着拉伸方向排列形成的大形变的过程。
2021/5/21
PC
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高分子材料加工基础
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银纹与剪切屈服的区别
项目 方向 形变 曲线特征 体积
力 结果
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剪切屈服
银纹屈服
与作用力成45°角 垂直于作用力
大，几十~几百%
小 <10%
有明显的屈服点 无明显的屈服点
体积不变
高分子材料加工基础
弹性模量 /
2.75
8.34
2.16
11.7
2.75 5.98～ 12.55
热变形温度 (1.86MPa)/ K
358 377 405～471 420～422 339～359 >473
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(c) 物质结构组成
a: 硬而脆性材料 b: 硬而强性材料 c: 硬而韧性材料 d: 软而韧材料
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PS、PMMA、酚醛树脂
硬质PVC、芳香尼龙、高分子量PS
尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰亚胺
硫化橡胶、软质PVC
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二、高分子材料的屈服
屈服的形式
银纹屈服 剪切屈服
高分子材料加工基础
8
冷拉伸的微观机理
非晶态聚合物
当温度处于Tb ＜ T＜Tg时，被冻结的链段在外力作用 下强迫运动，产生大变形。
结晶聚合物
在温度处于Tb ＜ T＜Tm区间发生冷拉伸时，除了非晶 态的链段发生强迫高弹形变，还包括晶区的微晶在应 力作用下使原有的结晶结构破坏，球晶、片晶被拉开 分裂成更小的结晶单元，分子链从晶体中被拉出、伸 直，沿着拉伸方向排列形成的大形变的过程。
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高聚物的力学性能
4.3 高弹性
1. 高弹性的特点
高弹态是高聚物所特有的，是基于链段运动的一种力学状态， 可以通过高聚物在一定条件下，通过玻璃化转变而达到。
处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能——高弹性。 这是高聚物中一项十分难能可贵的性能。
橡胶就是具有高弹性的材料，高弹性的特征表现在：
①弹性形变大，可高达1000%，而金属材料的普弹形变不超过1%。
高聚物作为结构材料，在实际应用时，往往受到交变力的作用。例 如轮胎，传动皮带，齿轮，消振器等，它们都是在交变力作用的场 合使用的。 以轮胎为例，车在行进中，它上面某一部分一会儿着地，一会 离地，受到的是一定频率的外力，它的形变也是一会大，一会小， 交替地变化。
滞后现象：高聚物在交变力作用下，形变落后于应力变化的现象 原因解释：链段在运动时要受到内摩擦力的作用，当外力变化时 链段的运动还跟不上外力的变化，形变落后于应力。链段运动愈 困难，愈是跟不上外力的变化。
应力松弛行为与温度有大的依赖性。在玻璃化转变区尤为明显。
（1）如果 T Tg ，如常温下的橡胶，链段易运动，受到的内摩擦 力很小，分子很快顺着外力方向调整，内应力很快消失（松弛了）， 甚至可以快到觉察不到的程度。
（2）如果
，如常温下的塑料，虽然链段受到很大的应力，
但由于内摩擦力很大，链段运动能力很小，所以应力松弛极慢，也
t1
t2
t
普弹形变示意图
（ii）高弹形变（e2）：
聚合物受力时，高分子链通过链段运动产生的形变，形变量比普弹 形变大得多，但不是瞬间完成，形变与时间有关。当外力除去后，高弹 形变逐渐回复。如下图：
e2
t1
t2
t
高弹形变示意图
（iii）粘性流动（e3）：
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为脆性形式；应变速率下降，表现为 韧性形式
• ２.高聚物的强度
（1）高聚物材料的破坏实质上大分子 主链上化学键的断裂或是高分子链之 间相互作用力的破坏。所以从构成高 分子链化学键的强度和高分子链间相 互作用力的强度可以估称高聚物材料 的理论强度。
（2）半经验公式： 0.1E 杨氏模量
（3）一般讲，实际强度仅是理论强度的 1/100到1/1000，为什么？
2)应力发白 现象：橡胶改性的PS：HIPS或ABS在受 到破坏时，其应力面变成乳白色，这就 是所谓应力发白现象。 应力发白和银纹化之间的差别在于银纹 带的大小和多少，应力发白是由大量尺 寸非常小的银纹聚集而成。
(2)剪切屈服
现象：韧性高聚物在拉伸至屈服点时，常可
见试样上出现与拉伸方向成45°角的剪切滑
(1)屈服应变大：高聚物的屈服应变比 金属大得多，金属0.01左右，高聚物 0.2左右（例如PMMA的切变屈服为 0.25，压缩屈服为0.13） (2)屈服过程有应变软化现象：许多高 聚物在过屈服点后均有一个应力不太 大的下降，叫应变软化，这时应变增 大，应力反而下降。
(3)屈服应力依赖应变速率：应变速率增 大，屈服应力增大。
0123
由 0 无法作 切线，不能成 颈
0123
由 0 可作一 条切线，曲线 上有一个点满 足 ，此点 d 0
d
为屈服点，在 此点高聚物成 颈
D
E
01 23
由 0 可作两 条切线，有两 个点满足屈服 条件，D点时 屈服点，E点 开始冷拉
3.屈服机理 (1)银纹屈服---银纹现象与应力发白 1)银纹 现象：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
• ②由应力～应变曲线上可获得的反映
破坏过程的力学量:
• 扬氏模量
• 屈服应力
• 屈服伸长 • 断裂强度（抗拉强度） B（屈服点）
C断裂点
• 断裂伸长
线性
弹性
塑性
屈服应变
• ③由于高聚物的力学性能与温度和力的作
用速率有关，因此在试验和应用中务必牢 记：（1）必须标明温度和施力速率（或形 变速率），切勿将正常形变速率下测试数 据用于持久力作用或冲击力作用下的场合 下；（2）切勿将正常温度下得到的数据用 于低温或高温下。只有在宽广的温度范围 和形变速率范围内测得的数据才可以帮助 我们判断高聚物材料的强度、硬软、韧脆； （3）材料的设计和应用要根据环境的要求。
延性
• 屈服应力
强度
（或断裂强度、抗拉强度）
• 应力应变曲线下部的面积 韧性
• 弹性线下部的面积
回弹性
5.5.2 应力-应变曲线
1.高聚物的应力—应变综合曲线
B（屈服点）
C断裂点
线性
弹性
塑性
屈服应变
• 上面是典型的应力—应变曲线
• 实际聚合物材料，通常是综合曲线的
一部分或是其变异 。
• 处于玻璃态的塑料只在一段范围内才
法不同，可以分为两类）：
摆锤式和电子拉力试验机
无论哪种试验机，更换夹具后， 均可进行拉伸，压缩，弯曲，剪 切，撕裂，剥离等力学测试。
谢谢观看！ 2020
脆性： σ～ε的关系是线性（或微曲） 断裂应变低于５％，断裂能不大 断裂面光滑
韧性： σ～ε关系非线性 断裂前形变大得多，断裂能很大 断裂面粗糙
• 高聚物材料是表现为是脆性还是韧性，
这极大地取决于实验条件：主要是温 度和测试速率。
• 在恒定的应变速率下：低温脆性形式
向高温韧性形式转变
• 在恒定温度下：应变速率上升，表现
具有这种形状。
• 处于高弹态的橡胶，只有在温度较低
和分子量很大时具有这种形状。
• 分析：
以B点为界分为二部分：
• B点以前（弹性区域）：除去应力，材料
能恢复原样，不留任何永久变形。斜率
tg
即为扬氏模量。
• B点以后（塑性区域）：除去外力后，材
料不再恢复原样，而留有永久变形，我们
称材料“屈服”了，B点以后总的趋势是
• 材料内部应力集中引起（有的有缺陷，
有的是杂质）。受外力作用时，缺陷 根部的应力比材料平均受到的应力大 得多，形成塑性屈服区，所以当材料 的平均应力还没有达到它的理论强度 以前，而缺陷根部的应力首先达到了 理论强度的临界值，材料就先从这里 开始破坏。
（4）影响强度的因素（规定试样尺寸）
• 填料：与填料高聚物的性质有关（纤维填
低
低
高
高
变 极限强度 曲 （强度）
低
中
高
线 特 点
断裂伸长 （延性）
中等
按屈服应力
低
中
应力应变曲线 下面积（韧）
小
中
小
中
PS.PMMA.固
实 例
聚合物凝胶
橡胶.增塑. 化酚醛树脂断
PVC.PE.PTF 裂前无塑性形 硬PVC
E
变断裂前有银
纹
高
高
高
高
大
ABS.PC.PE. PA有明显的 屈服和塑性 形变.韧性好
原因：
（1）应力银纹：高聚物承受张应力作用时，在 某些薄弱环节由于局部应力集中而产生局部塑 性形变，其宏观体现为：材料表面或内部出现 垂直于应力方向的微细凹槽或“裂纹” 现象。
（2）环境因素诱发银纹：化学物质扩散到高聚 物中，使微观表面溶胀或增塑、分子链段的活 动性增加，在玻璃化温度下降促进银纹产生； 试样表面的缺陷和擦伤也易产生银纹；试样内 部空穴或夹杂物的边界处由于缺陷造成应力集 中，易导致银纹产生
• ④材料破坏有二种方式，可从拉伸应力~应
变曲线的形状和破坏是断面形状来区分：
• 脆性破坏:①试样在出现屈服点之前断裂
②断裂表面光滑
• 韧性破坏:①试样在拉伸过程中有明显屈服
点和颈缩现象 ②短裂表面粗糙
• ⑤拉伸应力曲线反映的材料的力学性质
•力学参量
力学性质
• 弹性模量
刚性
• 屈服点
弹性
• 断裂伸长
• 即：韧性材料先屈服后断裂；脆性材
料还没屈服就断了。
• 因此韧性材料---断面粗糙---明显变形
脆性材料---断面光滑---断面与拉
伸方向垂直
5.5.4 高聚物的断裂与强度
• 1.脆性断裂与韧性断裂
从实用观点来看，高聚物材料的最大优点是 它们内在的韧性，也就是说它在断裂前能吸 收大量的能量，但是这种内在的韧性不是总 能表现出来的，由于加载方式、温度、应 变速率、试样形状、大小等的改变会使韧 性变差，甚至会脆性断裂，而材料的脆性断 裂在工程上是要尽量避免的。
应变
(5)屈服应力受流体静压力的影响：压力增大， 屈服应力增大。
切应力
3.2千巴 1.7千巴
0.69千巴 1巴
切应变
(6)高聚物屈服应力不等于压缩屈服应 力，一般后者大一些。所以高聚物取 向薄膜不同方向上的屈服应力差别很 大。 (7)高聚物在屈服时体积略有缩小。
2.真应力-应变曲线及屈服判据三种类型
5.5.3 高聚物的屈服
1.高聚物屈服点的特征 大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现 象是拉伸中出现的细颈现象。它是独特的力 学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出 屈服过程，这是由于温度和时间对高聚物的 性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性， 有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物 脆性易断。
移变形带。
• 对韧性材料来说，拉伸时45 °斜截面上
的最大切应力首先达到材料的剪切强度， 所以首先出现与拉伸方向成45 °的剪切 滑移变形带---细颈。
• 因为变形带中分子链的取向度高，故变形
逐步向整个试样扩展。
• 通常，韧性材料最大切应力首先达到
抗剪强度，所以材料先屈服。 脆性材 料最大切应力达到抗剪强度之前，真 应力已超过材料强度，所以材料来不 及屈服就已断裂。
5.5 极限力学行为——屈服、强度与断裂
• 5.5.1 概述 • 5.5.2 应力应变曲线 • 5.5.3 屈服 • 5.5.4 冷拉与成颈 • 5.5.5 银纹与应力发白 • 5.5.6 强度与破坏
5.5.1 概述
• ①非极限范围内的小形变：可用模量
来表示形变特性 极限范围内的大形变：要用应力～应 变曲线来反映这一过程
载荷几乎不增加但形变却增加很多
• B点：屈服点
B点时对应的应力—屈服应力 B点时对应的应变—屈服应变
• C点：断裂点
C点对应的应力—断裂应力（断裂强 度）—抗拉强度 C点对应的应变—断裂伸长率
聚合物力学类型
软而弱
软而韧
硬而脆
硬而强
硬而韧
聚合物应力 —应变曲线
模量 （刚性）
低
低
高
高
应 力 应
屈服应力 （强度）
料能改进高聚物的力学强度）。粉料填料 也可以作增强剂 （如碳黑增强橡胶，模 量和强度增加）
• 受力的条件（温度、速度）：按作用力作
用方式不同力学强度分为：抗拉强度，抗 压强度，抗弯强度，冲击强度
为了得到重复性好的结果，为了消除受力条
件的影响，规定了统一的标准条件-标准测试
5.5.5 塑料常规力学性能的测试
• 1．测试标准方法 • 内部标准方法（内标） • 企业标准方法（企标） • 部标准方法（部标） • 国家标准方法（国标） • 国际标准方法：ISO，ASTM
• 2．影响测试结果的因素
（1）试样：试样的制备 试样尺寸 试样的来自处理（2）测试环境条件
• 3 常见的力学性能的测试仪器
拉力试验机（根据负荷测定的方
真应力
4 3 2
• ２.高聚物的强度
（1）高聚物材料的破坏实质上大分子 主链上化学键的断裂或是高分子链之 间相互作用力的破坏。所以从构成高 分子链化学键的强度和高分子链间相 互作用力的强度可以估称高聚物材料 的理论强度。
（2）半经验公式： 0.1E 杨氏模量
（3）一般讲，实际强度仅是理论强度的 1/100到1/1000，为什么？
2)应力发白 现象：橡胶改性的PS：HIPS或ABS在受 到破坏时，其应力面变成乳白色，这就 是所谓应力发白现象。 应力发白和银纹化之间的差别在于银纹 带的大小和多少，应力发白是由大量尺 寸非常小的银纹聚集而成。
(2)剪切屈服
现象：韧性高聚物在拉伸至屈服点时，常可
见试样上出现与拉伸方向成45°角的剪切滑
(1)屈服应变大：高聚物的屈服应变比 金属大得多，金属0.01左右，高聚物 0.2左右（例如PMMA的切变屈服为 0.25，压缩屈服为0.13） (2)屈服过程有应变软化现象：许多高 聚物在过屈服点后均有一个应力不太 大的下降，叫应变软化，这时应变增 大，应力反而下降。
(3)屈服应力依赖应变速率：应变速率增 大，屈服应力增大。
0123
由 0 无法作 切线，不能成 颈
0123
由 0 可作一 条切线，曲线 上有一个点满 足 ，此点 d 0
d
为屈服点，在 此点高聚物成 颈
D
E
01 23
由 0 可作两 条切线，有两 个点满足屈服 条件，D点时 屈服点，E点 开始冷拉
3.屈服机理 (1)银纹屈服---银纹现象与应力发白 1)银纹 现象：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
• ②由应力～应变曲线上可获得的反映
破坏过程的力学量:
• 扬氏模量
• 屈服应力
• 屈服伸长 • 断裂强度（抗拉强度） B（屈服点）
C断裂点
• 断裂伸长
线性
弹性
塑性
屈服应变
• ③由于高聚物的力学性能与温度和力的作
用速率有关，因此在试验和应用中务必牢 记：（1）必须标明温度和施力速率（或形 变速率），切勿将正常形变速率下测试数 据用于持久力作用或冲击力作用下的场合 下；（2）切勿将正常温度下得到的数据用 于低温或高温下。只有在宽广的温度范围 和形变速率范围内测得的数据才可以帮助 我们判断高聚物材料的强度、硬软、韧脆； （3）材料的设计和应用要根据环境的要求。
延性
• 屈服应力
强度
（或断裂强度、抗拉强度）
• 应力应变曲线下部的面积 韧性
• 弹性线下部的面积
回弹性
5.5.2 应力-应变曲线
1.高聚物的应力—应变综合曲线
B（屈服点）
C断裂点
线性
弹性
塑性
屈服应变
• 上面是典型的应力—应变曲线
• 实际聚合物材料，通常是综合曲线的
一部分或是其变异 。
• 处于玻璃态的塑料只在一段范围内才
法不同，可以分为两类）：
摆锤式和电子拉力试验机
无论哪种试验机，更换夹具后， 均可进行拉伸，压缩，弯曲，剪 切，撕裂，剥离等力学测试。
谢谢观看！ 2020
脆性： σ～ε的关系是线性（或微曲） 断裂应变低于５％，断裂能不大 断裂面光滑
韧性： σ～ε关系非线性 断裂前形变大得多，断裂能很大 断裂面粗糙
• 高聚物材料是表现为是脆性还是韧性，
这极大地取决于实验条件：主要是温 度和测试速率。
• 在恒定的应变速率下：低温脆性形式
向高温韧性形式转变
• 在恒定温度下：应变速率上升，表现
具有这种形状。
• 处于高弹态的橡胶，只有在温度较低
和分子量很大时具有这种形状。
• 分析：
以B点为界分为二部分：
• B点以前（弹性区域）：除去应力，材料
能恢复原样，不留任何永久变形。斜率
tg
即为扬氏模量。
• B点以后（塑性区域）：除去外力后，材
料不再恢复原样，而留有永久变形，我们
称材料“屈服”了，B点以后总的趋势是
• 材料内部应力集中引起（有的有缺陷，
有的是杂质）。受外力作用时，缺陷 根部的应力比材料平均受到的应力大 得多，形成塑性屈服区，所以当材料 的平均应力还没有达到它的理论强度 以前，而缺陷根部的应力首先达到了 理论强度的临界值，材料就先从这里 开始破坏。
（4）影响强度的因素（规定试样尺寸）
• 填料：与填料高聚物的性质有关（纤维填
低
低
高
高
变 极限强度 曲 （强度）
低
中
高
线 特 点
断裂伸长 （延性）
中等
按屈服应力
低
中
应力应变曲线 下面积（韧）
小
中
小
中
PS.PMMA.固
实 例
聚合物凝胶
橡胶.增塑. 化酚醛树脂断
PVC.PE.PTF 裂前无塑性形 硬PVC
E
变断裂前有银
纹
高
高
高
高
大
ABS.PC.PE. PA有明显的 屈服和塑性 形变.韧性好
原因：
（1）应力银纹：高聚物承受张应力作用时，在 某些薄弱环节由于局部应力集中而产生局部塑 性形变，其宏观体现为：材料表面或内部出现 垂直于应力方向的微细凹槽或“裂纹” 现象。
（2）环境因素诱发银纹：化学物质扩散到高聚 物中，使微观表面溶胀或增塑、分子链段的活 动性增加，在玻璃化温度下降促进银纹产生； 试样表面的缺陷和擦伤也易产生银纹；试样内 部空穴或夹杂物的边界处由于缺陷造成应力集 中，易导致银纹产生
• ④材料破坏有二种方式，可从拉伸应力~应
变曲线的形状和破坏是断面形状来区分：
• 脆性破坏:①试样在出现屈服点之前断裂
②断裂表面光滑
• 韧性破坏:①试样在拉伸过程中有明显屈服
点和颈缩现象 ②短裂表面粗糙
• ⑤拉伸应力曲线反映的材料的力学性质
•力学参量
力学性质
• 弹性模量
刚性
• 屈服点
弹性
• 断裂伸长
• 即：韧性材料先屈服后断裂；脆性材
料还没屈服就断了。
• 因此韧性材料---断面粗糙---明显变形
脆性材料---断面光滑---断面与拉
伸方向垂直
5.5.4 高聚物的断裂与强度
• 1.脆性断裂与韧性断裂
从实用观点来看，高聚物材料的最大优点是 它们内在的韧性，也就是说它在断裂前能吸 收大量的能量，但是这种内在的韧性不是总 能表现出来的，由于加载方式、温度、应 变速率、试样形状、大小等的改变会使韧 性变差，甚至会脆性断裂，而材料的脆性断 裂在工程上是要尽量避免的。
应变
(5)屈服应力受流体静压力的影响：压力增大， 屈服应力增大。
切应力
3.2千巴 1.7千巴
0.69千巴 1巴
切应变
(6)高聚物屈服应力不等于压缩屈服应 力，一般后者大一些。所以高聚物取 向薄膜不同方向上的屈服应力差别很 大。 (7)高聚物在屈服时体积略有缩小。
2.真应力-应变曲线及屈服判据三种类型
5.5.3 高聚物的屈服
1.高聚物屈服点的特征 大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现 象是拉伸中出现的细颈现象。它是独特的力 学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出 屈服过程，这是由于温度和时间对高聚物的 性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性， 有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物 脆性易断。
移变形带。
• 对韧性材料来说，拉伸时45 °斜截面上
的最大切应力首先达到材料的剪切强度， 所以首先出现与拉伸方向成45 °的剪切 滑移变形带---细颈。
• 因为变形带中分子链的取向度高，故变形
逐步向整个试样扩展。
• 通常，韧性材料最大切应力首先达到
抗剪强度，所以材料先屈服。 脆性材 料最大切应力达到抗剪强度之前，真 应力已超过材料强度，所以材料来不 及屈服就已断裂。
5.5 极限力学行为——屈服、强度与断裂
• 5.5.1 概述 • 5.5.2 应力应变曲线 • 5.5.3 屈服 • 5.5.4 冷拉与成颈 • 5.5.5 银纹与应力发白 • 5.5.6 强度与破坏
5.5.1 概述
• ①非极限范围内的小形变：可用模量
来表示形变特性 极限范围内的大形变：要用应力～应 变曲线来反映这一过程
载荷几乎不增加但形变却增加很多
• B点：屈服点
B点时对应的应力—屈服应力 B点时对应的应变—屈服应变
• C点：断裂点
C点对应的应力—断裂应力（断裂强 度）—抗拉强度 C点对应的应变—断裂伸长率
聚合物力学类型
软而弱
软而韧
硬而脆
硬而强
硬而韧
聚合物应力 —应变曲线
模量 （刚性）
低
低
高
高
应 力 应
屈服应力 （强度）
料能改进高聚物的力学强度）。粉料填料 也可以作增强剂 （如碳黑增强橡胶，模 量和强度增加）
• 受力的条件（温度、速度）：按作用力作
用方式不同力学强度分为：抗拉强度，抗 压强度，抗弯强度，冲击强度
为了得到重复性好的结果，为了消除受力条
件的影响，规定了统一的标准条件-标准测试
5.5.5 塑料常规力学性能的测试
• 1．测试标准方法 • 内部标准方法（内标） • 企业标准方法（企标） • 部标准方法（部标） • 国家标准方法（国标） • 国际标准方法：ISO，ASTM
• 2．影响测试结果的因素
（1）试样：试样的制备 试样尺寸 试样的来自处理（2）测试环境条件
• 3 常见的力学性能的测试仪器
拉力试验机（根据负荷测定的方
真应力
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