聚合物的应力-应变曲线

关于细颈现象
细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。
出现“细
颈”的位 置
Orientation
样条尺寸：横截面小的地方 应变软化：应力集中的地方
出现“细颈 ”的原因
自由体积增加 松弛时间变短
E
无外力 0e RT
E a
有外力 0e RT
判据
细颈稳定 取向硬化
Considère作图法 唯象角度
拉伸强度（MPa）
1280 400 420 240 30 83 98～218 290 500 120～130 2800 1100 3500 5800
比强度
160 50 160 32 31.6 74.1 143 160 280 92.9 ~1900 ~800 ~3400 ~3700
8.1 聚合物的塑性和屈服
真应力
43 2
1
1——0.2吋分 应
2——0.8吋/分
变 速
3——1.13吋/分 率 增
4——1.28吋/分 大
真应变 应变速率对PMMA真应力应变曲线的影响
(4)屈服应力依赖于温度：温度升高，屈服应力 下降。在温度达到 Tg 时，屈服应力等于0
应力
－25℃ 0℃
25℃ 50℃ 65℃
80℃
温度对醋酸纤维素应力～应变曲线的影响
温度低
❖ （3）物质结构组成
a: 脆性材料 b: 半脆性材料 c: 韧性材料 d: 橡胶
酚醛或环氧树脂 PS, PMMA PP, PE, PC Nature rubber, PI
❖ (4) 结晶
❖ 应变软化更明显 ❖ 冷拉时晶片的倾斜、
滑移、转动，形成 微晶或微纤束
❖ (5) 球晶大小
❖ (6) 结晶度
2、外界条件对应力-应变曲线的影响
❖（1）不同温度
随温度的增加应 力-应变曲线的类型 从硬而脆的变为软而 韧的。
T
a: T<<Tg b: T<Tg c: T<Tg 几十度 d: Tg以上
T
脆断 屈服后断 韧断
无屈服
❖ （2）不同拉伸速率
速度
.
.
..
拉伸速率 1 2 3 4
速度
时温等效原理： 拉伸速度快 = 时间短
玻璃态高聚物的塑性 与屈服：
小形变的情况 大形变的情况
❖ 8.1.1应力应变曲线
研究玻璃态高聚物大形变 常用应力-应变实验，判断 高聚物材料的强弱，硬软， 韧脆。
1. 典型的应力-应变曲线
------以屈服点A为界分成两部分：
❖ A点以前是弹性区域，可恢复原样。 ❖ A点以后呈塑性行为，不可恢复原
低
低
高
高
高
应 屈服应力 力 （强度）
低
低
高
高
高
应 变 曲
极限强度 （强度）
低
中
高
高
线 断裂伸长 特 （延性）
中等 按屈服应力 低
中
高
点 应力应变曲
线下面积
小
中
小
中
大
（韧性）
❖ 例子
聚合物 力学类
型
聚合物 应力 —应变 曲线
软而弱
软而韧
硬而脆 硬而强 硬而韧
PS.PMMA.
ABS.PC.PE.
实 例
量
纵向单位宽度的增加
拉伸柔量：
柔
D 1
量
E
切变J 柔1量： 可压缩1 度：
G
B
不同材料的泊松比
材料名称 锌 钢 铜 铝 铅 汞
泊松比 0.21 0.25~0.35 0.31~0.34 0.32~0.36 0.45 0.50
材料名称 玻璃 石料
聚苯乙系 聚乙烯 有机玻璃 橡胶类
泊松比 0.25 0.16~0.34 0.33 0.38 0.33 0.49~0.50
❖ 玻璃态聚合物的拉伸与结晶聚合物的拉伸相似之处：
即两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变以及应 变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自发回复，而加 热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是 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，它只发生分子链的取向，并不发生相变，而后者尚包 含有结晶的破坏，取向和再结晶等过程。
几种常用的力学强度
❖ 拉伸强度 σt= P/bd （最大负荷/截面积)MPa 1 MPa = 9.8 kg/cm2 ≈ 10 kg/cm2
❖ 弯曲强度 σf = 1.5(Pl/bd) MPa
❖ 冲击强度 σi = W/bd Kgcm/cm2 注意!不同方法测量结果会有不同
常见塑料的拉伸和弯曲强度
l0
真应变：
l dli l l0 i
切应变： r tg
是偏斜角
压缩应变：
V V0
张应力： F
A0
真应力： F
Aຫໍສະໝຸດ Baidu
切应力：
s
F A0
压力P
杨氏模量E ： F A0
l l0
切变模量： 体积模量：
G＝ s F B P PV0
r A0tg
V
弹 性
泊淞比m m：
l l
模
横向单向单位宽度的
❖ 例子： 1. PS制品很脆，一敲就碎（脆性） 2. 尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性） 3. 轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几倍，力解除后基
本恢复原状（弹性） 4. 胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性） ❖ 力学性对温度和时间有强烈的信赖性。造成以上特点
的原因：归结为聚合物的长链分子结构。
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。
❖ 高聚物屈服特征的小结 （1） 屈服应变大 （2） 应变软化现象 （3） 屈服应力的应变速率依赖性 （4） 屈服应力的温度依赖性 （5） 流体静压力对屈服应力有影响
3.0
1.2～1.6
2.9～3.0 2.4～2.6 1.3 2.6 2.0～3.0 2.8 3.2
2.0～2.1
0.9
聚合物力学性质的特点
❖ 是已知材料中变性范围最宽的力学性质。即力学性质 的多样性。例如液体有软弹性、硬弹性、刚性、脆性、 韧性等。可以从纯粘性经粘弹性到纯弹性，为应用提 供了广阔的选择余地。
塑料名称
聚乙烯 聚苯乙烯 ABS塑料 有机玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 尼龙66 尼龙6 尼龙1010 聚甲醛 聚碳酸酯 聚砜 聚酰亚胺
聚苯醚
氯化聚醚 线性聚酯 聚四氟乙烯
拉伸强度 （MPa） 22～39 35.2～63.3 16.9～63.3 49.2～77.3 33.7～42.2 35.2～63.3 83 74～78 52～55 62～68 67 72～85 94.5
❖高弹性——高聚物特有
显示高弹性的温度范围(Tg~Tf) 分子量 温度范围(Tg~Tf)增宽 (Tg~Tf)的范围决定了橡胶的使用温度范围
❖粘弹性——力学行为对温度和时间 有强烈的依赖关系
为高聚物独特的力学行为 σ（应力） ε（应变） 在研究高聚物力学行为 T（温度） 时必须同时考虑
t（时间）
❖比强度特高
4、聚合物具有的应力-应变曲线类型：
（1）硬而脆 （聚苯乙烯，
PMMA等） （2）硬而韧 （尼龙等） （3）硬而强 （PVC与PS的
共混物） （4）软而韧 （橡胶） （5）软而弱
(无规PP)
❖ 五种不同类型材料的比较
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）
❖ 重点难点：应力-应变曲线，细颈和银纹现象的理解，
屈服判据，聚合物的增强与增韧。
本章内容
❖ 8.1 聚合物的塑性和屈服
8.1.1应力应变曲线 8.1.2 聚合物的屈服
❖ 8.2 高聚物的断裂和强度
8.2.1 脆性断裂与韧性断裂 8.2.2 聚合物的强度 8.2.3 断裂理论 8.2.4 影响聚合物强度和韧性的因素------增强与增韧 8.2.5 疲劳
表征材料力学性能的基本物理量
简单拉伸
F
受
力
l0
方
式
F
简单剪切
F θ F
均匀压缩
参数
, ,, , ,
受 外力F是与截面 外力F是与界面 材料受到的 力 垂直，大小相等，平行，大小相等，是围压力。 特 方向相反，作用 方向相反的两个 点 在同一直线上的 力。
两个力。
应变 应力
张应变： l l0
第八章 聚合物的 屈服和断裂
桂林工学院 材料与化学工程系
高分子教研室 彭锦雯 主讲
内容提要
❖ 教学内容：聚合物的塑性与屈服，聚合物的应力-应
变曲线，细颈，银纹，屈服判据；聚合物的断裂与强 度，断裂理论，影响聚合物强度的因素与增强，聚合 物的增韧。
❖ 基本要求：识别非晶态聚合物、晶态聚合物和取向聚
合物的应力-应变曲线，掌握细颈和银纹的现象与理论 解释，掌握屈服判据，区分脆性断裂与韧性断裂，明 确聚合物的强度概念，了解断裂理论，掌握影响聚合 物强度的因素及增强的手段，认识聚合物增韧的途径 与机理及影响因素。
E A A
断裂点B point: Breaking point
A 弹性极限应变 A弹性极限应力 B 断裂伸长率 B断裂强度 Y 屈服应力
❖ 应力：σ = F/A0 ❖ 应变：ε = ∆l / l0
❖ 材料的杨氏模量E为应力-应变曲线起始部分
的斜率
E = tgа = ∆σ /∆ ε
应力应变曲线形变过程分析 ❖ 弹性形变→屈服→应变软化→冷拉→应变硬化→断裂
86.5～89.5
42.3 80 14～25
伸长率 %
60～150 12～25 10～140 2～10 200～700 20～40 60 150 100～250 60～75 60～100 20～100 68
30～80
60～160 200 250～350
拉伸模量 （GPa） 0.84～0.95 2.8～3.5 0.7～2.9 3.2 1.2～1.4 2.5～4.2 3.2～3.3 2.6 1.6 2.8 2.2～2.4 2.5～2.9
（6） 高聚物屈服应力不等于压缩屈服应力
（7） 高聚物在屈服时体积稍有缩小
关于工程应力和真应力
❖ 应力: σ = F/A0 ❖ 真应力： σ 真= F/A
(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。
样，发生永久变形，材料屈服。 其中：
A点为屈服点，对应的应力和应
变为屈服应力 和y 屈服应变
ABy 段叫应变软化
BC 段颈缩阶段 CD 段取向硬化 D点发生断裂，对应的应力为抗
拉强度
B
应力应变曲线
弹性极限点 A point: Point of elastic limit
屈服点Y point: Yielding point
2.6～2.8
1.1 2.9 0.4
弯曲强度 （MPa） 25～40 61.2～98.4 25.3～94.9 91.4～119 42.2～56.2 70.3～112 100～110 100 89 91～92 98～106 108～127 ＞100
98～137
70～77 117 11～14
弯曲模量 （GPa） 1.1～1.4
橡胶.增塑. 固化酚醛树
聚合物凝胶 PVC.PE.PT 脂断裂前无 硬PVC
FE
塑性形变断
PA有明显 的屈服和塑 性形变.韧
裂前有银纹
性好
8.1.2 聚合物的屈服
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。
3.晶态聚合物的应力一应变曲线
整个曲线可分为三个阶段： 到y点后，试样截面开始变得不
均匀，出现 “细颈”。
晶态聚合物“冷拉”的原因： •Tm以下，冷拉：拉伸成颈（球晶中 片晶的变形） •非晶态：Tg以下冷拉，只发生分子 链的取向 •晶态：Tm以下，发生结晶的破坏， 取向，再结晶过程，与温度、应变 速率、结晶度、结晶形态有关。
比强度——单位重量材料能承受的最大负荷
几种金属材料和塑料(增强)的比强度
材料名称
高级合金钢 A3钢 铝合金 铸铁 聚乙烯 尼龙66 玻璃增强尼龙66 聚酯玻璃钢 环氧玻璃钢 玻璃增强聚碳酸酯 芳香聚酰胺纤维 聚酯纤维 超高分子量聚乙烯纤维 聚苯并噁唑(纤维)
比重
8.0 7.85 2.8 7.4 0.95 1.12 1.3～1.5 1.8 1.73 1.4 1.45 1.38 0.97 1.56