聚合物 断口形貌
材料加工形态学之复合材料断裂形貌分析(ppt 55页)
Yikuo, et al.研究了PEI增韧TGDDM /DDS、Epikote828 /DEA2PA、TGAP /DAP、MY0510 /DDS及HPT1071 /HPT1061M 等环氧树脂材料, 对改性前后的相态结构和 力学性能进行了分析比较, 证实P I及其改性物对环氧树 脂进行改性是制备一种兼具韧性、刚性、热稳定性于一 体的材料的新途径。掌握好分散相的分布、尺寸以及与 基质间的化学或极性相互作用,是使改性达到最佳效果 的关键。
PEI 改性环氧树脂KIC和GIC随PEI 质量分数的变化关系
(c) 裂纹慢速扩展断面
(a)表现出的脆性断裂形貌。(b)左半边是断裂韧性试样断面的快速扩展区,右半 边是慢速扩展区,它们的微观形貌有很大的不同.(c)展示的是裂纹尖端区在所受 张力接近临界裂纹扩展力时,基体发生了形变所呈现出的韧性断裂形貌。
滑石粉粒子填充环氧体系各种性能测试结果
偶联剂处理的二氧化硅粒子填充的环氧体系各种性能测试结果
复合材料断裂形貌分析
图5 改性前后CYD128 的冲击断面图 图5a为纯环氧树脂冲击断面扫描电镜图, 其断面光滑, 裂纹方向单一, 呈 直线扩展, 呈现明显的脆性断裂特征; 图5b为改性环氧树脂的冲击断面扫描 电镜, 断面出现大小不一的韧窝, 是典型的韧性破坏。
刚性粒子增韧环氧树脂
通过选用强度差的滑石粉及强度高的二氧化硅填充改性环氧树脂,后者并分别 用脱模剂和偶联剂进行处理,对上述材料的断裂韧性及其他主要性能以及粒子 与基体间的界面情况进行了研究。实验结果表明:刚性粒子能够提高环氧树脂 的断裂韧性,滑石粉和经脱模剂处理的二氧化硅粒子具有与弹性粒子相类似的 增韧机理。
a) E56/ PSF/ DDS; b) E51/ PSF/ DDS; c) E42/ PSF/ DDS;
断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理
断口的宏不雅形貌、微不雅形态及断裂机理之五兆芳芳创作按断裂的途径，断口可分为穿晶断裂和沿晶断裂两大类.穿晶断裂又分为穿晶韧性断裂和穿晶解理断裂（其中包含准解理断裂）.沿晶断裂也分为沿晶韧性断裂和沿晶脆性断裂.下面辨别加以讨论.（1）穿晶韧窝型断口断裂穿过晶粒内部，由大量韧窝的成核、扩展、连接而形成的一种断口.宏不雅形貌：在拉伸试验情况下，总是先塑性变形，引起缩颈，然后在缩颈部位裂纹沿与外力垂直的标的目的扩展，到一定程度后失稳，沿与外力成45°标的目的快速成长至断裂.众所周知，这种断口称为杯锥状断口.断口概略粗糙不服，无金属光泽，故又称为纤维状断口.微不雅形态：在电子显微镜和扫描电镜下不雅察，断口通常是由大量韧窝连接而成的.每个韧窝的底部往往存在着第二相（包含非金属搀杂）质点.第二相质点的尺寸远小于韧窝的尺寸.韧窝形成的原因一般有两种形成情况：1）韧窝底部有第二相质点的情况.由于第二相质点与基体的力学性能不合（另外，还有第二相质点与基体的结合能力、热膨胀系数、第二相质点自己的大小、形状等的影响），所以在塑性变形进程中沿第二相质点鸿沟（或穿过第二相质点）易形成微孔裂纹的焦点.在应力作用下，这些微孔裂纹的焦点逐渐长大，并随着塑性变形的增加，显微孔坑之间的连接部分逐突变薄，直至最后断裂.图3-41是微孔穿过第二相质点的示意图.若微孔沿第二相点鸿沟成核、扩展形成韧窝型裂纹后，则第二相质点留在韧窝的某一侧. 2）在韧窝的底部没有第二相质点存在的情况.韧窝的形成是由于资料中原来有显微孔穴或是由于塑性变形而形成的显微孔穴，这些显微孔穴随塑性变形的增大而不竭扩展和相互连接，直至断裂.这种韧窝的形成往往需要进行很大的塑性变形后才干够实现.因此，在这类断口上往往只有少量的韧窝或少量变形状韧窝，有的甚至经很大的塑性变形后仍见不到韧窝.当变形不大时，断口呈波纹状或蛇形把戏，而当变形很大时，则为无特征的平面.韧窝的形状与应力状态有较大关系.由于试样的受力情况可能是垂直应力、切应力或由弯矩引起的应力，这三种情况下韧窝的形状是不一样的.（2）解理与准解理断口1）解理断口.断裂是穿过晶粒、沿一定的结晶学平面（即解理面）的别离，特别是在低温或快速加载条件下.解理断裂一般是沿体心立方晶格的｛100｝面，六方晶格的｛0001｝面产生的.宏不雅形貌：解理断裂的宏不雅断口叫法良多，例如称为“山脊状断口”、“结晶状断口”、以及“萘状断口”等（见图片3-53）.山脊状断口的山脊指向断裂源，可按照山脊状正交曲线群判定断裂起点和断裂标的目的.萘状断口上有许多取向不合、比较滑腻的小平面，它们象条晶体一样闪闪发光.这些取向不合的小平面与晶粒的尺寸相对应，反应了金属晶粒的大小.微不雅形态：在电子显微镜下不雅察时，解理断口呈“河道把戏”和“舌状把戏”.2）准解理断口.这种断口在低碳钢中最罕有.前述的结晶状断口就是准解理断口，它在宏不雅上类似解理断口.准解理断口的微不雅形态主要是由许多准解理小平面、“河道把戏”、“舌状把戏”及“撕裂岭”组成.沿晶断口是沿不合取向的晶粒鸿沟产生断裂.其产生的主要原因是由于晶界弱化，使晶界强度明显低于晶内强度而引起的.造成晶界弱化的原因良多，例如，锻造进程中加热和塑性变形工艺不当引起的严重粗晶；低温加热时气氛中的C、H等元素浓度太高以及炉中残存有铜，渗人晶界；过烧时的晶界熔化或氧化；加热及冷却不当造成沿晶界析出第二相质点或脆性薄膜；合金元素和搀杂偏析造成沿晶界的富集；另外沿晶界的化学腐化和应力腐化等等，都可以造成晶界弱化，产生沿晶断口.（1）沿晶韧窝型断口若第二相质点沿晶界析出的密度很高，或因有一定密度的第二相质点再加上晶粒粗大，都会产生沿晶韧窝型断裂.沿晶韧窝形成的原因与穿晶韧窝相同.这种断裂的显微裂纹是沿着或穿过第二相质点成核的.显微裂纹的扩展和连接，陪伴随一定量的微不雅塑性变形.在断口概略可看到许多位向不合、无金属光泽的“小棱面”或“小平面”.这些“小棱面”或“小平面”的尺寸与晶粒尺寸相对应（如果晶粒细小，则断口概略上的“小棱面”或“小平面”用肉眼就不克不及看到或不明显）.在电子显微镜下不雅察“小校面”或“小平面”，它是由大量韧窝组成的，韧窝底部往往存在有第二相质点（或薄膜）.石状断口和棱面断口都是沿晶韧窝型断口.另外，偏析线也是一种沿晶韧窝型断口.（2）沿晶脆性断口在沿晶脆性断口上，几近没有塑性变形的陈迹或仅看到少少的韧窝.例如，过烧后的断口，就是沿晶界氧化物薄膜产生的一种沿晶脆性断裂.另外，18-8奥氏体不锈钢沿晶界大量析出碳化物后，也易产生沿晶脆断；沿晶界化学腐化和应力腐化（包含氢脆）后产生的断口，也都是沿晶脆性断口.属于这类断口的还有层状断口和撕痕状断口等.上面介绍的断口微不雅形态，是依照断裂的途径来分类的.而实际生产中见到的断口有时往往是由几种类型并存的混杂断口.例如，石状断口中，如果“小棱面”或“小平面”不是贯串整个断面，断口经常是沿晶和穿晶混杂断口.在实际生产中按照缺陷断口的宏不雅形貌和微不雅形态就可以判断出缺陷的类型、缺陷产生的原因和应采纳的对策.例如某厂生产的迫击炮炮尾，在试炮时经常产生折断的情况，经断口试验发明是石状断口，经选区电子衍射阐发确认韧窝底部的析出相颗粒是MnS再结合现场调查认为该缺陷产生的原因是终锻前的加热温度太高，终锻时的变形程度太小造成的.由于加热温度高，使奥氏体晶粒粗大，并使MnS大量溶入基体，锻后冷却时，MhS沿粗大的奥氏体晶界析出，造成晶界严重弱化所致，后来改动预制坯的尺寸以增大终锻的变形量，并下降终锻前的加热温度，问题就圆满地解决了.又例如某厂生产的Cr—Ni—Mo—V钢某种大型轴类锻件，在运行中产生的脆性断裂，经断口查验发明：此类锻件存在有棱面断口.该锻件用的钢是在5t碱性电弧炉中用氧化法冶炼的，锭重2.2t，锻造加热温度为1180～1200℃，保温3h以上，锻后立即送热处理炉进行退火、扩氢处理，然落后行粗加工和调质处理.调质后在两端切取试片，作纵向断口查验，发明有棱面断口，棱面断口大多出现在大型锻件的心部，而锻件边部仍为正常的纤维状断口，金相组织中有沿原粗大奥氏体晶界的析出相的链状网络.棱面断口的微不雅形态，韧窝内的析出相为不法则的四边形，呈薄片状，经选区电子衍射确定为AlN.由AlN的等温析出曲线可见，在约900℃迟缓冷却时，将有大量的AlN析出.按照上述查验结果阐发认为：1）该Cr—Ni—Mo—V钢大型轴类锻件，其棱面断口主要是在锻造加热时温度较高，保温时间太长，在锻后缓冷进程中，固溶入基体的大量AlN呈薄片状沿粗大的奥氏体晶界呈链状网络析出，造成微孔聚合型沿晶断裂而形成的.奥氏体晶粒越粗大，析出相密度愈高，晶界弱化愈严重.2）锻造低温加热的时间越长，固溶人基体的AlN越多，随后缓冷进程中形成校面断口的倾向越大，因此适当控制锻造加热标准是很重要的.3）由于AlN在奥氏体区析出峰值的温度约为900℃，其析出相随保温时间的延长而增加.因此，采纳下降待料温度，增加一次过冷工艺，则能放慢锻后冷却速度，削减锻件在奥氏体区AlN析出峰值温度的停留时间，因而就能抑制AlN沿粗大奥氏体晶界的析出.生产实践证明，这是避免Cr—Ni—Mo—V钢锻件产生棱面断口的有效措施.。
金属断口常见的四种形貌
金属断口常见的四种形貌
金属在断裂过程中会产生不同的形貌，常见的四种形貌如下：
1. 韧窝：韧窝是由于金属在断裂前发生塑性变形而形成的一种微小凹陷，形状多呈半圆形或椭圆形。
2. 断口沿晶腐蚀：断口沿晶腐蚀是金属在受到应力作用下，沿晶组织发生腐蚀而形成的不规则形貌，表面常呈黑褐色。
3. 断口沿晶裂纹：断口沿晶裂纹是由于金属在受到应力作用下，沿晶组织发生裂纹而形成的一种不规则形貌，表面常呈条纹状。
4. 断口呈韧窝状同时伴有沿晶腐蚀或沿晶裂纹：这种形貌是前面三种形貌的结合体，即在金属断裂时，既发生了韧窝，又伴随着沿晶腐蚀或沿晶裂纹。
1/ 1。
异常断口形貌 冲击断口拉伸断口落锤断口疲劳断口
02 冲击断口
定义与特性
定义
冲击断口是指材料在受到快速冲 击或瞬时载荷时发生的断裂现象 ，其断裂面通常较为粗糙，呈撕 裂状。
特性
冲击断口通常表现出脆性断裂的 特征，即材料在没有明显的塑性 变形的情况下突然断裂，断裂前 无明显征兆。
形成原因
高应力集中
当材料受到冲击或瞬时载荷时，由于应力集中或应力分布不均， 导致局部应力超过材料的强度极限，引发断裂。
异常断口形貌的出现可能是由 于材料内部存在缺陷、应力集 中、温度变化等因素导致的。
形成原因
材料内部存在缺陷，如气孔、夹 杂物等，导致局部应力集中，引
发断裂。
加工过程中产生的应力集中，如 切割、弯曲等操作，导致材料内 部产生微裂纹或应力集中区域。
温度变化引起的热应力或材料内 部的热损伤，如焊接过程中产生 的热应力或热损伤，导致材料脆
维护成本增加
由于需要频繁更换断裂件或进行维修，产品的维 护成本会增加。
03 拉伸断口
定义与特性
定义
拉伸断口是指在拉伸试验过程中材料 的断裂部位，具有特定的形貌特征。
特性
拉伸断口通常呈现出颈缩现象，即材 料在断裂前发生明显的径向收缩；断 口一般呈平面状，表面较为光滑，有 时会有放射区或剪切唇。
形成原因
如桥梁、压力容器等，如果材料出现拉伸断口，可能会影响到产品的安
全性能。
02
可靠性
在长期使用过程中，如果产品出现拉伸断口，可能会导致性能下降或失
效。特别是在疲劳载荷下，拉伸断口可能会成为裂纹的起源，进一步扩
展导致结构的破坏。
03
使用寿命
材料的拉伸断口可能会影响到产品的使用寿命。特别是在一些需要承受
复杂载荷的场合，如航空航天、汽车等，拉伸断口可能会加速结构的失
断口形貌的分类及微观特征
断口形貌的分类及微观特征
断口形貌可以根据其外观分为以下几类：
1. 河流断口：呈现出弯曲的流水形状和河道峡谷的特征，通常见于金属的高强度拉伸和冲击断口。
2. 绒毛断口：这种断口看起来像一块绒毛，主要是由于断面存在许多小孔和纤维状物质形成的，常见于吸水性材料，如木材和纸张。
3. 贝壳断口：这种断口形状有如贝壳的形态，外形平滑而有规律，常见于金属和玻璃等坚硬材料。
4. 支沟型断口：这种断口从宏观上看像一条支沟，常见于部分塑料材料和玻璃等材料。
5. 脆性断口：这种断口通常在低温下出现，表现为突然断开，并且断口表现出平整的层状或亚晶粒骨架。
微观特征方面，不同材料的断口形貌会呈现出不同的微观特征。
例如，海绵状金属断口会展现出大量的细小孔洞分布在其断面中。
而在钢铁等材料的断口中，会看到沿晶裂纹或交互合并的岛状晶界。
此外，断口中晶粒的尺寸和取向也会对其
宏观形态产生影响。
聚合物的断裂
聚合物的断裂11.脆性断裂和韧性断裂A.聚合物材料韧性，在断裂前能吸收大量能量。
韧性不是总表现出来，由于加载方式改变（温度、湿度、速率、制件形状、尺寸）等会改变材料韧性，甚至脆断。
B.脆性在本质上总是与材料的弹性响应相关联。
断裂前试样的形变是均匀的，致使试样断裂的裂缝迅速贯穿垂直于应力方向的平面。
断裂试样不显示有明显的推迟形变，断裂面光滑，相应的应力-应变关系是线形的或者微微有些非线形，断裂应变值低于5%，且所需的能量也不大。
C.韧性，通常有大得多的形变，这个形变在沿着试样长度方向上可以是不均匀的，如果发生断裂，试样断面粗糙，常常显示有外延的形变，其应力-应变关系是非线形的，消耗的断裂能很大。
D.在这许多特征中，断裂面形状和断裂能是区别脆性和韧性断裂最主要的指标。
E.脆性断裂是由所加应力的张应力分量（正压力）引起的，脆性断面垂直于拉伸应力方向。
韧性断裂是由切应力分量（剪切力）引起的,切变线通常在以韧性形式屈服的聚合物中被观察到。
F.所加的应力体系和试样的几何形状将决定试样中张应力分量和切应力分量的相对值，从而影响材料的断裂形式。
例如，流体静压力通常可使断裂由脆性变为韧性，尖锐的缺口在改变断裂方式由韧变脆方面有特别的效果。
G.对于高分子材料，脆性和韧性还极大地依赖于实验条件，主要是温度和测试速率(应变速率)。
在恒定应变速率下的应力-应变曲线随温度而变化，断裂可由低温的脆性形变变为高温的韧性形变。
应变速率的影响与温度正相反。
H.材料的脆性断裂和塑性屈服是两个各自独立的过程。
实验表明，在一定应变速率下，断裂应力和屈服应力与温度的关系如图8-29 (a)所示。
显然，两条曲线的交点就是脆韧转变点。
同样，在一定温度下，断裂应力和屈服应力与应变的关系如图（b）所示，断裂应力受温度和应变速率影响不大，而屈服应力受温度和应变速率影响很大。
即屈服应力随温度增加而降低，随应变速率增加而増加。
因此，脆韧转变将随应变速率増加而移向高温，即在低应变速率时是韧性的材料，高应变速率时将会发生脆性断裂。
微孔聚集型断裂的断口形态
微孔聚集型断裂的断口形态微孔聚集型断裂是多孔性材料在受力作用下发生的一种断裂形式。
它的特点是断口周围存在大量微孔，并且这些微孔聚集在一起，形成孔洞群，从而导致材料的破坏。
本文将对微孔聚集型断裂的断口形态进行详细的介绍。
一、断口形态微孔聚集型断裂的断口形态可以分为两类：明显的断口和微观的断口。
明显的断口是指直观上能够观察到的断口形态，而微观的断口则需要借助显微镜等工具才能够观察到。
1. 明显的断口形态（1）断口周围存在大量的微孔，这些微孔形态不规则，大小也不一致。
微孔聚集在一起，形成孔洞群，从而导致材料的破坏。
（2）孔洞群中间的部分多数是由于微孔聚集密度大而形成的裂纹。
裂纹的数量和长度取决于微孔的分布密度和大小。
裂纹朝向一般沿着最大主应力方向分布。
（3）孔洞群周围会形成一个韧窝，表现出韧性破坏的特征。
这是由于断口周围微孔的受拉开裂或拉断所形成的。
（4）断口表面通常具有裂纹沿断口伸展的痕迹，这是因为在微孔周围产生的应力集中导致了裂纹的产生和扩展。
微孔聚集型断裂的微观的断口形态一般可以分为三部分：孔壁、孔内和孔附近。
（1）孔壁孔壁是指微孔周围的一圈材料，由于受到应力作用而形成的应力集中区域。
孔壁附近的应力比较大，常伴随着微裂纹的产生和扩展。
（2）孔内孔内是指微孔所处的位置。
由于在此处没有应力作用，孔内的材料多数呈现各向同性的断裂。
（3）孔附近孔附近是指微孔周围一定范围内的材料，通常距离微孔大小的1~2倍左右。
这部分材料通常都出现应力集中区域，更容易发生断裂。
二、断口形成原因微孔聚集型断裂的产生是由于多孔性材料内部存在大量微孔，这些微孔在受到应力作用时，会形成应力集中区域，从而导致孔洞群形成。
孔洞群的形成为断裂提供了一个发展的空间，裂纹就往着孔洞群的方向扩展。
而裂纹的扩展会导致载荷的逐渐降低，最终材料无法承受外部载荷而产生破坏。
三、预防措施为了避免微孔聚集型断裂的发生，需要从以下几方面进行预防：（1）选择优质材料，保证材料内部的质量。
【材料性能学】4-断口分析教学
材料断口及断裂分析
15
韧性断口的微观特征
• 延性断裂的微观特征是韧窝形貌， • 在电子显微镜下，可以看到断口由许多凹进或凸 出的微坑组成。在微坑中可以发现有第二相粒子。 • 韧窝的形状因应力状态而异。 • 在正应力作用下，韧窝是等轴形的； • 在扭转载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。
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行宏观及微观的观察分析，以了解材料发生断裂的原因、条件、 断裂机理以及与断裂有关的各种信息的方法。 • 断口分析法在调查机件断裂失效的原因及材料科学研究中是十分 重要的。
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材料断口及断裂分析
7
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材料断口及断裂分析
8
韧性（延性）断裂
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材料断口及断裂分析
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• 断口三要素与材料韧性程度、应力条件、试验温度、加载速度以及 试样尺寸等有关系。
• 一般说来，材料韧性越高，纤维区尺寸越大
• 试验温度越低，加载速度越高，试样尺寸越大，放射区面积所占断 口比例越大。
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材料断口及断裂分析
4
断裂
•
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材料断口及断裂分析
5
断裂的分类
• 材料的断裂过程：裂纹的形成与扩展两个阶段． • 按断裂前有无宏观塑性变形分类：韧性（延性）断裂
（ductile fracture）、脆性断裂(brittle fracture) ； • 按照断裂时裂纹扩展途径分类：穿晶断裂和沿晶(晶界)断裂； • 按照微观断裂机理分类：解理断裂和剪切断裂； • 按照作用力的性质分类：正断和切断；等等． • 在不同的场合下，用不同的术语描述断裂的特征。解理断裂、
材料加工形态学之复合材料断裂形貌分析
Nano-SiO2/ E2442MeTHPA体系的力学性能（未加偶联剂）
从图中可看出,复合材料的力学性能随nano2SiO2 添加量的增多先变优后变 劣,当nano-SiO2/ E244 为3/ 100 (质量比) 时, 复合材料冲击强度、拉伸强度 的极大值分别为11. 8 kJ / m2 、47. 1 MPa ,与基体相比,复合体系冲击强度 提高了39 % ,拉伸强度提高了21 %。
nano-SiO2/ E244/ MeTHPA/ A858体系的力学性能（加偶联剂）
加有偶联剂的复合体系冲击强度、拉伸强度的极大值分别为19. 0 kJ /m2 、50. 8 MPa ,比基体分别提高了124 %和30 %。显然,用偶联剂处理的nano-SiO2 比未用偶 联剂处理的nano-SiO2 有更好的增韧增强作用。这说明所用硅烷偶联剂增强了 Nano-SiO2 和环氧树脂间的界面结合,有助于nano-SiO2 在基体树脂中的分散。
环氧树脂/ 蒙脱石复合材料力学性能与蒙脱石含量的关系
当蒙脱石含量为3 %时, 冲击强度由纯树脂的4117 kJ / m2提高至6170 kJ / m2 ; 拉伸 强度由纯树脂的4116 MPa提高至4615 MPa ,如图所示。由此可得,少量蒙脱石的加 入,由于纳米尺寸效应,同时起到了增强增韧的作用。
价格低廉的硫酸钙晶须对环氧树脂的性能影响,发现硫酸钙晶须加 入到环氧树脂中,能够均匀分散,起到骨架作用,辅以适量的硅烷偶 联剂固化后形成聚合物- 纤维复合材料,内聚强度大为提高,表现出 强固和坚韧的特性。
硫酸钙晶须对环氧树脂的性能影响
Gail, et al. 采用有机蒙脱石改性环氧树脂,利用插层复合技术制备出了纳米级的 环氧树脂/ 蒙脱石复合材料。研究结果表明:抗冲击强度提高了67 % ,拉伸强度 提高了78 %,热变形温度也提高了87 ℃。
聚合物的屈服与断裂
第一页，共101页。
聚合物的力学性能是其受力后的响应，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：
小外力作用下聚合物表现为：高弹性、粘弹性和流动性
很大外力作用下表现为：极限力学行为（屈服、断裂）
强度：材料所能承受的最大载荷，表征了材料的受力极限，在实际应用中
服，并出现与拉伸方向成45°角的剪切滑移变形带。进一步拉伸时，剪切带中由于
分子链高度取向强度提高，暂时不发生进一步的变形。而其边缘则进一步发生
剪切变形。同样，在135°的斜截面上也发生剪切变形，因而试样逐渐生成对
称的细颈，直至细颈扩展至整个试样。
as an
★脆性试样在最大切应力达到剪切强度之前，横截面上的法向正应
E－
E－链段运动活化能
kT
松弛时间与应力的关系： ＝0 exp
由上式可见，
越大，
－材料常数
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。
热后则产生回复，本质上两种拉伸过程造成的大形变都是链段运动
所导致高弹形变。该现象通常称为“冷拉”。
• 两种拉伸过程又有区别：
即产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉温度区间是Tb
到Tg，而结晶聚合物则为Tg至Tm；另一差别在于玻璃态聚合物在冷拉
过程中聚集态结构的变化比晶态聚合物简单得多，它只发生分子链的
σβs=σ0/2 Sin2β=-σ0/2 Sin 2α
显然： σβs= -σas，这说明两个互相垂直的斜截面上的
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聚合物断口形貌
聚合物是一种分子量大、由长链分子组成的高分子化合物。
聚合
物材料常见于塑料、橡胶等制品，无论是日常用品还是工业材料，聚
合物材料都有着广泛的应用。
聚合物材料在应用过程中，断口形貌是
一个重要的参数，可以反映材料的性能、结构以及制备工艺等特征。
下面我们来详细了解一下聚合物的断口形貌。
1.聚合物断裂形貌基础知识
在材料的破坏过程中，很多时候断口形貌都是对材料性能的良好
描述。
我们可以通过断裂面的形貌来判断材料的强度、韧性、刚度、
脆性等性能。
聚合物的断裂行为可以用线性弹性断裂、韧性断裂和脆
性断裂来描述。
其中线性弹性断裂是指在低应变条件下，聚合物断口
的形状呈现为一个直线，并且在拉伸测试过程中呈现出线性弹性形变。
韧性断裂是指在材料拉伸过程中，聚合物出现多个断裂面，材料断口
的形貌成为一些弯曲或者曲折的形式。
脆性断裂则是指材料在拉伸或
者撕裂过程中，出现速度极快的瞬间断裂，断口处的形貌呈现出一些
尖锐的面。
2.聚合物断裂过程
聚合物的断裂过程可以分成两个阶段，第一阶段是材料受到外部
载荷作用所引起的裂解，第二阶段则是裂解过程中，已裂纹边界的持
续扩展，最终导致了材料的断裂。
可以通过扫描电镜（SEM）来观察聚
合物断面断口形貌，SEM能够以高清晰度的方式观察到断面的细节，并且可以在断口表面进行元素化学分析，对断口形貌进行进一步的解释。
3.不同聚合物的断口形貌
不同聚合物的断口形貌差异较大，一些聚合物的断口呈现出较为
光滑整洁的外观，而另一些聚合物的断口则呈现出凌乱、增大的形状。
聚合物的分子结构以及加工工艺的差异会对聚合物的断口外观造成影响。
3.1聚乙烯（PE）的断口形貌
聚乙烯（PE）是一种高分子量、无味无色、透明的聚合物材料。
其在拉伸之后的断口面上呈现出较为光滑的锥形、V形或菜刀形不规则的形状，并且有明显的增大现象。
其断口表面光滑、细腻，断口呈现
出珠串状断裂线，这是由于聚乙烯具有较高的晶体度，断口往往发生
在晶体区域内。
此外，聚乙烯的断口通常出现在聚合物的支链、溶剂
切断或者疲劳性断裂导致的损伤而引起增大现象。
3.2聚苯乙烯（PS）的断口形貌
聚苯乙烯（PS）是一种常见的聚合物材料，其在断裂时，通常呈
现出bricking断裂或者贯穿性断裂。
其中bricking断裂是指聚合物
在拉伸过程中，出现数个近似于砖块形状的断裂区域。
贯穿性断裂则
是指聚合物在拉伸过程中，出现了单一的完全断裂区域，在该区间呈
现出光滑的面。
此外，聚苯乙烯的断口多呈现晶体-非晶体之间的相转变，在拉伸过程中显现出相对明显的挤出纹。
3.3聚碳酸酯（PC）的断口形貌
聚碳酸酯（PC）的断口常常呈现出结晶和非结晶界面奇特的景象，如克拉克型裂纹、豆荚型裂纹、晶体区域断面等。
其中横向克拉克裂
纹的出现通常是由拉伸过程中的冷却速率影响而引起的。
由于冷却速
率的减慢，部分聚合物分子没有充分排列，导致了断面形貌的异常。
在断口的形貌上，可以看到聚碳酸酯呈现出精细化的纤维孔隙结构，
并呈现出多个物理效应，如热河纹、结晶条带、晶体区域断面等。
4.结论
不同聚合物材料的断口形貌差别极大，在分析不同聚合物材料断
裂过程和理解其性能方面，聚合物材料的断口形貌是非常有价值的信息。
通过SEM扫描可以观察到聚合物材料的细节特征，并进行进一步
的化学组成及机械性质分析，从而对材料性能的表征做出深入的研究。