高聚物的斷裂和力學(xué)強(qiáng)度

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1、第七章高聚物的斷裂和力學(xué)強(qiáng)度Chapt.7TheFailureandStrengthofSolidPolymers計(jì)劃學(xué)時(shí)：8-10學(xué)時(shí)主要參考書：何曼君主編：高分子物理金日光主編：高分子物理Brostow:FailureofPlastics第一部分Part1理論上，根據(jù)完全伸直鏈晶胞參數(shù)求得的聚乙烯最高理論強(qiáng)度達(dá)1.9x104MPa，是鋼絲的幾十倍。實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)獲得高拉伸聚酰胺纖維在液氮中的最高實(shí)際強(qiáng)度達(dá)2.3x103MPa。在高分子材料諸多應(yīng)用中，作為結(jié)構(gòu)材料使用是其最常見、最重要的應(yīng)用。在許多領(lǐng)域，高分子材料已成為金屬、木材、陶瓷、玻璃等的

2、代用品。引言之所以如此，除去它具有制造加工便利、質(zhì)輕、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)外，還因?yàn)樗哂休^高的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。本章一方面介紹描述高分子材料宏觀力學(xué)強(qiáng)度的物理量和演化規(guī)律；另一方面從分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)探討影響高分子材料力學(xué)強(qiáng)度的因素，為研制設(shè)計(jì)性能更佳的材料提供理論指導(dǎo)。為了評(píng)價(jià)高分子材料使用價(jià)值，揚(yáng)長(zhǎng)避短地利用、控制其強(qiáng)度和破壞規(guī)律，進(jìn)而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高分子材料力學(xué)強(qiáng)度變化的宏觀規(guī)律和微觀機(jī)理。鑒于高分子材料力學(xué)狀態(tài)的復(fù)雜性，以及力學(xué)狀態(tài)與外部環(huán)境條件密切相關(guān)，高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度和破壞形式也必然與材料的使用環(huán)境和使用條件有關(guān)。主要內(nèi)容

3、及學(xué)習(xí)線索：一、高分子材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性應(yīng)力－應(yīng)變曲線及其類型影響拉伸行為的外部因素強(qiáng)迫高彈形變與“冷拉伸”二、高分子材料的斷裂和強(qiáng)度宏觀斷裂方式，脆性斷裂和韌性斷裂斷裂過程，斷裂的分子理論高分子材料的強(qiáng)度高分子材料的增強(qiáng)改性三、高分子材料的抗沖擊強(qiáng)度和增韌改性抗沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)影響抗沖擊強(qiáng)度的因素高分子材料的增韌改性一、高分子材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性（一）應(yīng)力－應(yīng)變曲線及其類型圖7-1啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖7-1所示，試樣中部為測(cè)試部分，標(biāo)距長(zhǎng)度為l0，初始截面積為A0。研究材料強(qiáng)度和破壞的重要實(shí)驗(yàn)手段是測(cè)量材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特

4、性。將材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，以規(guī)定的速度均勻拉伸，測(cè)量試樣上的應(yīng)力、應(yīng)變的變化，直到試樣破壞。設(shè)以一定的力F拉伸試樣，使兩標(biāo)距間的長(zhǎng)度增至，定義試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)椋鹤⒁獯颂幎x的應(yīng)力σ等于拉力除以試樣原始截面積A0，這種應(yīng)力稱工程應(yīng)力或公稱應(yīng)力，并不等于材料所受的真實(shí)應(yīng)力。同樣這兒定義的應(yīng)變?yōu)楣こ虘?yīng)變，屬于應(yīng)變的Euler度量。（7-1）（7-2）典型高分子材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7-2所示。應(yīng)力應(yīng)變圖7-2典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線曲線特征：（1）OA段，為符合虎克定律的彈性形變區(qū)，應(yīng)力－應(yīng)變呈直線關(guān)系變化，直線斜率相當(dāng)于材料彈性模量。（2）越過A點(diǎn)

5、，應(yīng)力－應(yīng)變曲線偏離直線，說明材料開始發(fā)生塑性形變，極大值Y點(diǎn)稱材料的屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度）和屈服應(yīng)變。發(fā)生屈服時(shí)，試樣上某一局部會(huì)出現(xiàn)“細(xì)頸”現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降，發(fā)生“屈服軟化”。（3）隨著應(yīng)變?cè)黾樱诤荛L(zhǎng)一個(gè)范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細(xì)頸”區(qū)越來越大。直到拉伸應(yīng)變很大時(shí)，材料應(yīng)力又略有上升（成頸硬化），到達(dá)B點(diǎn)發(fā)生斷裂。與B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度）和斷裂伸長(zhǎng)率，它們是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限伸長(zhǎng)率。（4）曲線下的面積等于（7-3）相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，單位為J?m-3，

6、稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個(gè)物理量。由于高分子材料種類繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有多種形狀。歸納起來，可分為五類。圖7-3高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型曲線的類型（1）硬而脆型（2）硬而強(qiáng)型（3）硬而韌型（4）軟而韌型（5）軟而弱型（3）硬而韌型此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強(qiáng)度都很高，斷裂伸長(zhǎng)率也很大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積很大，說明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。（1）硬而脆型此類材料彈性模量高（OA段斜率大）而斷裂伸長(zhǎng)率很小。在很小應(yīng)變下，材料尚未出現(xiàn)屈服已經(jīng)斷裂，斷裂強(qiáng)度較高。在室溫或室溫之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯

7、、酚醛樹脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。（2）硬而強(qiáng)型此類材料彈性模量高，斷裂強(qiáng)度高，斷裂伸長(zhǎng)率小。通常材料拉伸到屈服點(diǎn)附近就發(fā)生破壞（大約為5%）。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類型。說明（5）軟而弱型此類材料彈性模量低，斷裂強(qiáng)度低，斷裂伸長(zhǎng)率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。（4）軟而韌型此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長(zhǎng)率大（20%～1000%），斷裂強(qiáng)度可能較高，應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積大。各種橡膠制品和增塑聚氯乙烯具有這種應(yīng)力－應(yīng)變特征。硬而韌的材料，在拉伸過程中顯示出明顯的屈服、冷拉或細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形

8、變的增大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測(cè)試區(qū)都變成細(xì)頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維素、