高分子物理学吴其晔第七章高聚物的断裂和力学强度第一部分

第七章 高聚物的断裂和力学强度
Chapt.7 The Failure and Strength
of Solid Polymers
第一部分 Part 1
计划学时：8-10学时 主要参考书： 何曼君主编：高分子物理 金日光主编：高分子物理 Brostow: Failure of Plastics
引言
在高分子材料诸多应用中，作为结构材料使用是其最常见、 最重要的应用。在许多领域，高分子材料已成为金属、木材、 陶瓷、玻璃等的代用品。
主要内容及学习线索：
一、高分子材料的 拉伸应力-应变特性
应力－应变曲线及其类型 影响拉伸行为的外部因素 强迫高弹形变与“冷拉伸”
二、高分子材料的 断裂和强度
宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂 断裂过程，断裂的分子理论 高分子材料的强度
高分子材料的增强改性
三、高分子材料的 抗冲击强度和增韧改性
抗冲击强度实验 影响抗冲击强度的因素 高分子材料的增韧改性
一、高分子材料的拉伸应力-应变特性 （一）应力－应变曲线及其类型
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7-1所示，试样中部为测试部分， 标距长度为l0，初始截面积为A0。
变分别称屈服应力（或屈服强度） y 和屈服应变 y 。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B） 和断裂
（4）软而韧型 此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸 长率大（20%～1000%），断裂强度可能较高，应力－应变 曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应 力－应变特征。
（5）软而弱型 此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长 率也不大。一些聚合物软凝如此，除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀 等优点外，还因为它具有较高的力学强度和韧性。
理论上，根据完全伸 直链晶胞参数求得的聚 乙烯最高理论强度达 1.9x104MPa，是钢丝的 几十倍。
实验室中，已经获得 高拉伸聚酰胺纤维在液 氮中的最高实际强度达 2.3x103MPa。
为了评价高分子材料使用价值，扬长避短地利用、控制其强度 和破坏规律，进而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高 分子材料力学强度变化的宏观规律和微观机理。
实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典 型性，或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显 的屈服和“颈缩”，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈 服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。
材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件 （如拉伸速率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很 慢速率下拉伸也会发生大于100%的断裂伸长率，显现出硬而 韧型特点。
典型高分子材料拉伸应力-应变曲线如图7-2所示。
曲线特征：
图7-2 典型的拉伸应力-应变曲线
（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 d d E 相当于材料弹性模量。
（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
本章一方面介绍描述高分子材料宏观力学强度的物理量和演 化规律；另一方面从分子结构特点探讨影响高分子材料力学强 度的因素，为研制设计性能更佳的材料提供理论指导。
鉴于高分子材料力学状态的复 杂性，以及力学状态与外部环境 条件密切相关，高分子材料的力 学强度和破坏形式也必然与材料 的使用环境和使用条件有关。
伸长率B
，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长
率。 （4）曲线下的面积等于
W B d 0
（7-3）
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。
曲线的类型 由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力－应变曲线 具有多种形状。归纳起来，可分为五类 。
（1）硬而脆型 （2）硬而强型 （3）硬而韧型 （4）软而韧型 （5）软而弱型
图7-3 高分子材料应力-应变曲线的类型
说明
（1）硬而脆型 此类材料弹性模量高（OA段斜率大）而断裂 伸长率很小。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断 裂强度较高。在室温或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲 酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。
图7-1 哑铃型标准试样
设以一定的力 F 拉伸试样，使两标距间的长度增至 l ，
定义试样中的应力和应变为：
应力
F
A0
应变
l l0 l
l0
l0
（7-1） （7-2）
注意此处定义的应力σ 等于拉力除以试样原始截面积A0，这
种应力称工程应力或公称应力，并不等于材料所受的真实应力。 同样这儿定义的应变为工程应变，属于应变的Euler度量。
（2）硬而强型 此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长 率小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为5%）。 硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。
（3）硬而韧型 此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都 很高，断裂伸长率也很大，应力－应变曲线下的面积很大，说 明材料韧性好，是优良的工程材料。
硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或 细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增 大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变 成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、 硝酸纤维素等属于这种材料。
因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。
（二） 影响拉伸行为的外部因素
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。
图7-4 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）