1、L o g oL o g o第七章 高聚物的力学性质 L o g oL o g o本章学习目的本章学习目的v1 1、熟悉聚合物应力、熟悉聚合物应力-应变曲线、从该曲线所能获应变曲线、从该曲线所能获得的重要信息，以及各种因素对应力得的重要信息，以及各种因素对应力-应变曲线的应变曲线的影响。影响。v2 2、熟悉屈服现象和机理，银纹、剪切带的概念，、熟悉屈服现象和机理，银纹、剪切带的概念，了解屈服判据。了解屈服判据。v3 3、熟悉聚合物的强度、韧性和疲劳等概念。、熟悉聚合物的强度、韧性和疲劳等概念。v4 4、掌握聚合物强度的影响因素、增强方法和增强、掌握聚合物强度的影响因素、增强方法和增强机理。机理
2、。v5 5、掌握聚合物韧性的影响因素、增韧方法和增韧、掌握聚合物韧性的影响因素、增韧方法和增韧机理。了解断裂理论。机理。了解断裂理论。L o g oL o g o8.1 8.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服v8.1.1 8.1.1 聚合物的应力聚合物的应力-应变行为应变行为v应力应变试验是使用最广泛、非常重要而又实用应力应变试验是使用最广泛、非常重要而又实用的力学实验。应力应变试验在拉力的力学实验。应力应变试验在拉力F的作用下，试的作用下，试样沿纵轴方向以均匀的速率被拉伸，直到试样断裂样沿纵轴方向以均匀的速率被拉伸，直到试样断裂为止（为止（见见图图7-67-6）。v试验时试验时,测量加
3、于试样上的载荷和相应标线间长度测量加于试样上的载荷和相应标线间长度的改变的改变(l=l-l(l=l-l0 0)。若试样的初始截面积为。若试样的初始截面积为A A0 0，标距，标距的原长为的原长为l l0 0，则应力，则应力=F/A=F/A0 0 应变应变=l/l=l/l0 0 v从实验测得的应力、应变数据可绘制出应力应变从实验测得的应力、应变数据可绘制出应力应变曲线，曲线，见见图图8-28-2。L o g oL o g oAAEAYB屈服点屈服点弹性极限点弹性极限点断裂点断裂点ABAYB应变软化应变软化冷拉冷拉应变硬化应变硬化典型非晶态聚合物的拉伸应力典型非晶态聚合物的拉伸应力-应变曲线应变曲
4、线塑性塑性弹性弹性L o g oL o g ov应力应变曲线应力应变曲线反映的材料的力学性质反映的材料的力学性质v力力 学学 参参 量量 力力 学学 性性 质质 v弹性弹性 刚性刚性v屈服点屈服点 弹性（弹性（强弱、硬软和脆韧）强弱、硬软和脆韧）v断裂伸长断裂伸长 延性延性v屈服应力屈服应力 强度强度（或断裂强度、抗拉强度）（或断裂强度、抗拉强度）v应力应变曲线下部的面积（应力应变曲线下部的面积（断裂能）断裂能）韧性韧性v弹性线下部的面积弹性线下部的面积 回弹性回弹性L o g oL o g o“软软”和和“硬硬”用于区分模量的低或高。用于区分模量的低或高。“弱弱”和和“强强”是指强度的大小。
5、是指强度的大小。“脆脆”是指无屈服现象且断裂伸长很小。是指无屈服现象且断裂伸长很小。“韧韧”是指用一定的负荷就可克服链段运动或是指用一定的负荷就可克服链段运动或分子位移所需的能量，使运动发生，且形变分子位移所需的能量，使运动发生，且形变大，材料就韧。此时断裂伸长、断裂应力和大，材料就韧。此时断裂伸长、断裂应力和断裂功都较高。断裂功都较高。L o g oL o g ov应力应变曲线中：应力应变曲线中：vA A点：点：弹性极限点弹性极限点 A点时对应的模量点时对应的模量拉伸模量拉伸模量E EvY点：屈服点点：屈服点 Y点时对应的应力点时对应的应力屈服应力（屈服强度）屈服应力（屈服强度）y y Y点
6、时对应的应变点时对应的应变屈服应变（屈服伸长率）屈服应变（屈服伸长率）y yvB点：断裂点点：断裂点 B点对应的应力点对应的应力断裂应力（断裂强度）断裂应力（断裂强度）B B抗抗拉强度拉强度 B点对应的应变点对应的应变断裂伸长率断裂伸长率B B8.1.1.1 8.1.1.1 非晶态聚合物非晶态聚合物L o g oL o g ov以以Y Y点为界分为二部分：点为界分为二部分：v（1 1）Y Y点以前（弹性区域）：除去应力，材料能点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形。斜率恢复原样，不留任何永久变形。斜率 即为扬氏模量。即为扬氏模量。v（2 2）Y Y点以后（塑性区域）：除
7、去外力后，材料点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢复原样，而留有永久变形，我们称材料不再恢复原样，而留有永久变形，我们称材料“屈服屈服”了，了，Y Y点以后总的趋势是载荷几乎不增加点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多。但形变却增加很多。tg分析分析L o g oL o g o应变软化应变软化 弹性变形后继续施加载荷，则产生塑性形变，称为弹性变形后继续施加载荷，则产生塑性形变，称为继继续屈服续屈服，包括：，包括：应变软化应变软化：屈服后，应变增加，应力反而有稍许下跌：屈服后，应变增加，应力反而有稍许下跌的现象。的现象。呈现塑性不稳定性，最常见的出现呈现塑性不稳定性，最常见的出现细
8、颈细颈。塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。塑性形变产生热量，试样温度升高，变软。发生发生“取向硬化取向硬化”，应力急剧上升。，应力急剧上升。试样断裂。试样断裂。L o g oL o g o从应力从应力应变曲线还可获得的信息应变曲线还可获得的信息v发生脆性断裂的发生脆性断裂的条件条件是材料的脆性断裂强度是材料的脆性断裂强度低于低于其屈服强度，即其屈服强度，即B B Y Y 。聚合物的断裂行为聚合物的断裂行为脆性断裂脆性断裂韧性断裂韧性断裂 L o g oL o g ov发生脆性断裂时，发生脆性断裂时，断裂表面较光滑或略有粗断裂表面较光滑或略有粗糙糙，断裂面垂直于主拉伸方向，试样断裂后，断裂面
9、垂直于主拉伸方向，试样断裂后，其截面积基本不变，其截面积基本不变，残余形变很小。残余形变很小。v韧性断裂韧性断裂 材料发生材料发生屈服，屈服，超过屈服后发生超过屈服后发生断裂的现象。断裂的现象。v韧性断裂韧性断裂时，断裂面与主拉伸方向多成时，断裂面与主拉伸方向多成4545度度角，角，断裂表面粗糙断裂表面粗糙，有明显的屈服（塑性变，有明显的屈服（塑性变形、流动等）痕迹，形变不能立即恢复。形、流动等）痕迹，形变不能立即恢复。L o g oL o g o脆性断裂和韧性断裂的区别脆性断裂和韧性断裂的区别v 从拉伸应力从拉伸应力-应变曲线的形状和破坏是断面形状来区分：应变曲线的形状和破坏是断面形状来区分
10、：v 脆性断裂脆性断裂:试样在出现屈服点之前断裂；试样在出现屈服点之前断裂；断裂表面光滑，断裂能小。断裂表面光滑，断裂能小。v 韧性断裂韧性断裂:试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象；试样在拉伸过程中有明显屈服点和颈缩现象；短裂表面粗糙，断裂能大。短裂表面粗糙，断裂能大。左图脆性试样断裂表面的照片；右图韧性试样断裂表面的照片左图脆性试样断裂表面的照片；右图韧性试样断裂表面的照片L o g oL o g o 韧性表示在外力作用下材料变形破坏时外力韧性表示在外力作用下材料变形破坏时外力所作的功所作的功，可用，可用图图8.28.2中曲线下的面积大小中曲线下的面积大小表示。相当于拉伸试样直至断裂所消
11、耗的能表示。相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为量，单位为J Jm m-3-3，称，称断裂能或断裂功断裂能或断裂功。它是。它是表征拉伸材料断裂韧性的一个物理量。表征拉伸材料断裂韧性的一个物理量。面积大的为断裂韧性大的材料，反之为断裂面积大的为断裂韧性大的材料，反之为断裂韧性小的材料韧性小的材料。延伸率（断裂时的应变）越。延伸率（断裂时的应变）越大，断裂能越高。大，断裂能越高。L o g oL o g ov主要有温度、外力和外力作用速率主要有温度、外力和外力作用速率。v（1 1）温度）温度v温度不同，同一聚合物的应力温度不同，同一聚合物的应力-应变曲线形状也不同，应变曲线形状也不同，如如图
12、图8-38-3所示。所示。v当当温度很低时温度很低时（T TTTg g），应力随应变成正比，称弹，应力随应变成正比，称弹性形变区（可求出弹性模量性形变区（可求出弹性模量E E直线的斜率）。应直线的斜率）。应变不到变不到10%10%就发生断裂，如曲线就发生断裂，如曲线1 1所示。从分子机理来所示。从分子机理来看，该阶段的普弹性是由于高分子的键长、键角和小看，该阶段的普弹性是由于高分子的键长、键角和小运动单元的变化引起。运动单元的变化引起。影响应力影响应力-应变曲线的因素应变曲线的因素L o g oL o g ov当温度略升高后，应力当温度略升高后，应力-应变曲线出现一个转折点应变曲线出现一个转折
13、点Y，即屈服点。应力在即屈服点。应力在Y点处达到最大值点处达到最大值y y，过了，过了Y点，点，应力反而降低，试样应变继续增大，因温度仍低，继应力反而降低，试样应变继续增大，因温度仍低，继续拉伸，试样发生断裂，总续拉伸，试样发生断裂，总应变不超过应变不超过20%20%，如曲线，如曲线2 2所示。所示。v从没有屈服点到出现屈服点之间存在一个特征温度，从没有屈服点到出现屈服点之间存在一个特征温度，称为称为脆化温度脆化温度Tb。玻璃态高聚物只有处在。玻璃态高聚物只有处在Tb到到Tg的温的温度范围内，才能在外力的作用下实现强迫高弹形变。度范围内，才能在外力的作用下实现强迫高弹形变。只要温度只要温度T
14、Tb b，玻璃态高聚物就不能发生强迫高弹形，玻璃态高聚物就不能发生强迫高弹形变，必定发生脆性断裂。变，必定发生脆性断裂。强迫高弹形变是塑料具有韧强迫高弹形变是塑料具有韧性的原因，因此性的原因，因此Tb是塑料使用的最低温度是塑料使用的最低温度。L o g oL o g ov从分子机理来说，从分子机理来说，Tb相应于链节等较小运动相应于链节等较小运动单元开始运动的温度。单元开始运动的温度。影响影响Tb的结构因素主的结构因素主要是分子链的柔顺性，刚性越大，要是分子链的柔顺性，刚性越大，Tb降低，降低，同时同时Tg升高，因而塑料的使用温区升高，因而塑料的使用温区T(=T(=Tg -Tb ）增加）增加。
15、典型例子列于。典型例子列于表表9-19-1。L o g oL o g ov如温度继续升高到如温度继续升高到Tg以下几十度的范围时，应力以下几十度的范围时，应力-应应变曲线如曲线变曲线如曲线3所示。所示。屈服点后，主要样在不增加屈服点后，主要样在不增加外力或外力增加不大的情况下，能发生很大的应变外力或外力增加不大的情况下，能发生很大的应变（甚至可能有百分之几百），称（甚至可能有百分之几百），称大形变区，又称为大形变区，又称为强迫高弹形变强迫高弹形变，本质上与高弹形变一样，是链段运，本质上与高弹形变一样，是链段运动，但是在外力作用下发生的。动，但是在外力作用下发生的。只有让试样的温度只有让试样的温
16、度升到升到Tg附近，形变方可回复。在最后阶段，应力出附近，形变方可回复。在最后阶段，应力出现较明显的上升，直到最后断裂。现较明显的上升，直到最后断裂。L o g oL o g ov当温度升高到当温度升高到Tg以上时以上时（称应变硬化区，分子链易称应变硬化区，分子链易取向排列，强度提高）。取向排列，强度提高）。在不大的应力作用下，试在不大的应力作用下，试样形变显著增大，直到断裂前，应力才又出现一段样形变显著增大，直到断裂前，应力才又出现一段急剧的上升，见曲线急剧的上升，见曲线4。v总之，温度升高，材料逐步变得软而韧，断裂强度总之，温度升高，材料逐步变得软而韧，断裂强度下降，断裂伸长率增加；温度下
17、降时，材料逐步转下降，断裂伸长率增加；温度下降时，材料逐步转向硬而脆，断裂强度增加，断裂伸长率向硬而脆，断裂强度增加，断裂伸长率b b减小。减小。L o g oL o g ovPVC应力应力-应变曲线的温度依应变曲线的温度依赖性见赖性见图图8-48-4 （图中（图中T1T1T2T2T3T3T4T4）。）。随随T T，软而韧，软而韧,B B，B B。T T，硬而脆，硬而脆,B B，B B。vPMMAPMMA、PSPS、乙酸纤维素酯等，、乙酸纤维素酯等，其其应力应力-应变曲线均具有类似应变曲线均具有类似的温度影响规律。的温度影响规律。L o g oL o g o2、应变速率d/dtv同一聚合物试样
18、，在一定温度和同一聚合物试样，在一定温度和不同的拉伸速率下不同的拉伸速率下应力应力-应变曲线应变曲线形状也有很大变化，如形状也有很大变化，如图图8-58-5所示。所示。v应变速率应变速率，相当于，相当于TT。随。随d d/dt/dt，E E，y y，B B，B B 。在拉伸试验中，在拉伸试验中，d d/dt/dt与与TT是是等效的。等效的。v3 3、流体静压力、流体静压力 压力压力，模量，模量，阻止，阻止“颈缩颈缩”的的发生。发生。L o g oL o g ov从曲线的形状及从曲线的形状及y y和和b b的大小，可看出材料的性的大小，可看出材料的性能，并判断它的应用范围。如从能，并判断它的应用
19、范围。如从y y的大小，可判断的大小，可判断材料的强弱，而从材料的强弱，而从b b的大小（即曲线下的面积大的大小（即曲线下的面积大小），判断材料的脆性和韧性。如材料在拉伸到破小），判断材料的脆性和韧性。如材料在拉伸到破坏时，链段运动或分子位移基本上仍不能发生，或坏时，链段运动或分子位移基本上仍不能发生，或只是很小，此时材料就脆。若达到一定负荷，可以只是很小，此时材料就脆。若达到一定负荷，可以克服链段运动及分子位移所需的能量，这些运动就克服链段运动及分子位移所需的能量，这些运动就能发生，形变就大，材料就韧。若要使材料产生链能发生，形变就大，材料就韧。若要使材料产生链段运动及分子位移所需要的负荷较
20、大，材料就较强段运动及分子位移所需要的负荷较大，材料就较强及硬，见及硬，见图图20-320-3。L o g oL o g ov其典型的应力其典型的应力-应变曲线和试样外形如应变曲线和试样外形如图图8-6所示，所示，它比非晶聚合物的典型应力它比非晶聚合物的典型应力-应变曲线具有应变曲线具有更为明显更为明显的转折的转折。v整个曲线可分为三个阶段整个曲线可分为三个阶段：（1 1）第一段应力随应变线形地增加，试样被均匀拉长，）第一段应力随应变线形地增加，试样被均匀拉长，伸长率可达百分之几到十几。伸长率可达百分之几到十几。到到y y点后，试样截面开点后，试样截面开始变得不均匀，出现一个或几个始变得不均匀
21、，出现一个或几个“细颈细颈”。8.1.1.2 8.1.1.2 结晶聚合物结晶聚合物L o g oL o g ov（2 2）第二阶段）第二阶段细颈与非细颈部分的横截面积分别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，非细颈部分逐渐缩维持不变，而细颈部不断扩展，非细颈部分逐渐缩短短，直到整个试样完全变细为止。曲线表现为应力，直到整个试样完全变细为止。曲线表现为应力几乎不变，而应变不断增加，分子链高度取向，伸几乎不变，而应变不断增加，分子链高度取向，伸长率达百分之几百以上。长率达百分之几百以上。v（3 3）第三阶段即成颈的试样又被均匀拉伸，此时）第三阶段即成颈的试样又被均匀拉伸，此时应
22、力又随应变的增加而增大直到断裂为止。应力又随应变的增加而增大直到断裂为止。L o g oL o g ov结晶聚合物在单向拉伸过程中（见结晶聚合物在单向拉伸过程中（见图图8-78-7）分子排分子排列产生很大变化，尤是接近屈服点附近，分子链及列产生很大变化，尤是接近屈服点附近，分子链及其微晶在平行于拉伸方向上开始取向和重排，甚至其微晶在平行于拉伸方向上开始取向和重排，甚至有些晶体可能破裂成较小单位，在取向情况下再结有些晶体可能破裂成较小单位，在取向情况下再结晶。拉伸后的材料在熔点以下难以回复到原先未取晶。拉伸后的材料在熔点以下难以回复到原先未取向的状态，只有加热到熔点附近，才能回复到未拉向的状态，
23、只有加热到熔点附近，才能回复到未拉伸状态。因此这种结晶聚合物的大形变（其形变可伸状态。因此这种结晶聚合物的大形变（其形变可达达100%以上），就本质上说也是以上），就本质上说也是高弹性高弹性的。的。L o g oL o g o温度和应变速率对结晶聚合物的应力温度和应变速率对结晶聚合物的应力-应变曲线影响应变曲线影响v由由图图8-88-8和和图图8-98-9可见，不同的温度和应变可见，不同的温度和应变速率对结晶聚合物的应力速率对结晶聚合物的应力-应变曲线影响与应变曲线影响与非晶聚合物的基本相同。非晶聚合物的基本相同。L o g oL o g o结晶度和结晶形态对结晶聚合物的应力结晶度和结晶形态对
24、结晶聚合物的应力-应变曲线影响应变曲线影响v图图8-108-10说明结晶说明结晶度增加，屈服应度增加，屈服应力、强度、模量、力、强度、模量、硬度等提高，断硬度等提高，断裂伸长率、冲击裂伸长率、冲击性能等则下降。性能等则下降。v图图8-118-11说明球晶说明球晶大小对强度的影大小对强度的影响超过了结晶度响超过了结晶度的影响。大的球的影响。大的球晶使试样断裂伸晶使试样断裂伸长率和韧性降低。长率和韧性降低。L o g oL o g ov非晶态聚合物的拉伸与结晶聚合物的拉伸相似之处非晶态聚合物的拉伸与结晶聚合物的拉伸相似之处：v 两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变两种拉伸过程均经历弹性变形
25、、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以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能都不能自发回复自发回复，而加热升温到，而加热升温到Tg（或（或Tm）才产生回复。）才产生回复。故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是高弹形变。故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是高弹形变。该现象通常称为该现象通常称为“冷拉冷拉”。v成颈的原因成颈的原因：（：（1）相转变和双晶化；（）相转变和双晶化；（2）分子链）分子链的倾斜；（的倾斜；（3）片晶的破裂；（）片晶的破裂；（4）破裂的分子链和）破裂的分子链和被拉直的链段一起组成微丝结构被拉直的链段一起组成微丝结构片晶的变形。片晶的变形。L o g o
26、L o g o非晶态聚合物的拉伸与结晶聚合物的拉伸的区别非晶态聚合物的拉伸与结晶聚合物的拉伸的区别：非晶态非晶态 晶态晶态 冷拉温度冷拉温度 Tb至至Tg Tg至至Tm拉伸过程拉伸过程 分子链取向分子链取向 结晶被破坏，取向再结结晶被破坏，取向再结结构变化结构变化 没有相变没有相变 晶，相变过程，有细颈晶，相变过程，有细颈保持形变原因保持形变原因 链段运动被冻结链段运动被冻结 形变被微晶所固定形变被微晶所固定回复形变温度回复形变温度 Tg附近附近 Tm附近附近L o g oL o g ov聚合物材料在取向方向上的强度随取向程度增加而聚合物材料在取向方向上的强度随取向程度增加而很快增大，此时，分
27、子量和结晶度的影响较小，性很快增大，此时，分子量和结晶度的影响较小，性能主要由取向状况所决定。高度能主要由取向状况所决定。高度 取向时，垂直于取取向时，垂直于取向方向上材料向方向上材料 的强度很小，容易开裂。的强度很小，容易开裂。v取向方向，材料模量增大。平行方向上的模量比未取向方向，材料模量增大。平行方向上的模量比未取向时增大很多，而在垂直方向上的模量与未取向取向时增大很多，而在垂直方向上的模量与未取向时差别不大。时差别不大。v双轴取向时，在该双轴构成的平面内，性能不像单双轴取向时，在该双轴构成的平面内，性能不像单轴取向那样有薄弱的方向。为此，轴取向那样有薄弱的方向。为此，利用双轴取向，利用
28、双轴取向，可以改进材料的性能可以改进材料的性能。8.1.1.3 8.1.1.3 取向聚合物取向聚合物L o g oL o g o由于聚合物品种繁多，它们的断裂过程可分为以下五由于聚合物品种繁多，它们的断裂过程可分为以下五种类型，它们拉伸时的应力应变曲线如种类型，它们拉伸时的应力应变曲线如图图8-128-12。8.1.1.4 8.1.1.4 应力应变应力应变曲线的类型曲线的类型（1 1）硬而脆型）硬而脆型（2 2）硬而强型）硬而强型（3 3）硬而韧型）硬而韧型（4 4）软而韧型）软而韧型（5 5）软而弱型）软而弱型L o g oL o g o“软软”和和“硬硬”用于区分用于区分模量模量的低或高，
29、的低或高，“弱弱”和和“强强”是指是指强度强度的大小，的大小，“脆脆”是指无屈服现象而且是指无屈服现象而且断裂伸长很小，断裂伸长很小，“韧韧”是指其断裂伸长和断裂应力都是指其断裂伸长和断裂应力都较高的情况。较高的情况。（1 1）硬而脆型硬而脆型 如如图图8-128-12中的（中的（a a），），此类材料在此类材料在屈屈服点前服点前发生脆性断裂，断裂伸长率很小（发生脆性断裂，断裂伸长率很小（2%)2%)，应力，应力应变曲线的斜率大，即应变曲线的斜率大，即弹性模量高弹性模量高。同时断裂时的应。同时断裂时的应力较高，即具有力较高，即具有较高的断裂抗拉强度较高的断裂抗拉强度。在室温或室温。在室温或室温
30、之下，无定型聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树之下，无定型聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂等的断裂属于这种类型。脂等的断裂属于这种类型。说明说明L o g oL o g o（2 2）硬而强型硬而强型 如如图图8-12中的（中的（b b），此类材料），此类材料在在断裂前发生屈服，断裂前发生屈服，为韧性断裂为韧性断裂，但只有应力软化，但只有应力软化，断裂强度常低于屈服应力，断裂伸长率较小（大断裂强度常低于屈服应力，断裂伸长率较小（大约为约为5%5%），即，即断裂能小，韧性小断裂能小，韧性小。同时其屈服应。同时其屈服应力较高，力较高，弹性模量较高弹性模量较高。硬质聚氯乙烯制品属于。硬质聚氯乙烯制
31、品属于这种类型。这种类型。L o g oL o g o（3 3）强（硬）而韧型强（硬）而韧型 如如图图8-12中的（中的（c c），此），此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，并裂伸长率也很大，并发生应变硬化发生应变硬化，断裂强度高于，断裂强度高于屈服应力；应力应变曲线下的面积很大，说明屈服应力；应力应变曲线下的面积很大，说明材材料韧性好，是优良的工程材料料韧性好，是优良的工程材料。v强而韧的材料，在拉伸过程中显示出强而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、明显的屈服、冷拉或细颈现象冷拉或细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变
32、。，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。很多工程塑料如全部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如ABSABS、聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。于这种材料。L o g oL o g o（4 4）软而韧型软而韧型 如如图图8-128-12中的（中的（d d），），此类材料在较此类材料在较低的应力低的应力发生屈服，弹性模量较低，但断裂伸长率大发生屈服，弹性模量较低，但断裂伸长率大（200%200%1000%1000%），断裂应力较
33、低，应力应变曲线下），断裂应力较低，应力应变曲线下的面积较大。这种材料的面积较大。这种材料称为柔性材料称为柔性材料，其柔性好。各，其柔性好。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力应变特征。种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力应变特征。（5 5）软而弱型软而弱型 如如图图8-128-12中的（中的（e e），此类），此类材料弹性材料弹性模量低，断裂强度低，但有一定的断裂伸长率模量低，断裂强度低，但有一定的断裂伸长率。末硫。末硫化的橡胶和一些聚合物软凝胶具有这种特性，它们很化的橡胶和一些聚合物软凝胶具有这种特性，它们很少用作材料来使用。少用作材料来使用。L o g oL o g ov8.1.2.1
34、 “8.1.2.1 “成颈成颈”和和“冷拉冷拉”v大多数聚合物有屈服现象，最明显的屈服现象是拉大多数聚合物有屈服现象，最明显的屈服现象是拉伸中出现的伸中出现的细颈现象细颈现象。它是独特的力学行为。它是独特的力学行为。“成成颈颈”和和“冷拉冷拉”，是纤维和薄膜拉伸工艺的基础。，是纤维和薄膜拉伸工艺的基础。v产生细颈的原因：产生细颈的原因：（1 1）几何因素）几何因素 试样尺寸在各处的微小差异，导致应试样尺寸在各处的微小差异，导致应力的差异，在某一点将首先达到屈服点，使形变更力的差异，在某一点将首先达到屈服点，使形变更容易。容易。（2 2）应变软化）应变软化 应力集中的地方应力集中的地方应力最大处
35、应力最大处8.1.28.1.2 屈服屈服-冷拉机理和冷拉机理和Considere作图法作图法样条尺寸：横截面小的地方样条尺寸：横截面小的地方L o g oL o g ov聚合物在屈服和塑性变形时聚合物在屈服和塑性变形时,形变很大形变很大,试样的截面积试样的截面积缩小很多缩小很多,不能再用原始面积不能再用原始面积A A0 0来计算应力来计算应力(=F/(=F/A A0 0),),应用瞬时截面积应用瞬时截面积A A计算真应力计算真应力真真=F/A =F/A （8-18-1）v因因AAA。v假设试样变形时体积不变：即假设试样变形时体积不变：即 A=A=A A0 0l l0 0/l=A/l=A0 0/
36、（1+1+）（8-28-2）式中：式中：拉伸应变拉伸应变=l/ll/l0 0 拉伸比拉伸比=l/ll/l0 0=(=(l l0 0+l)/ll)/l0 0=1+=1+真应力真应力真真=F/A=F/AF/A=F/A0 0/(1+)=(1+)/(1+)=(1+)v真应力对应变作图，可得真应力真应力对应变作图，可得真应力-应变曲线。应变曲线。8.1.2.2 8.1.2.2 真应力真应力-应变曲线及其屈服判据应变曲线及其屈服判据L o g oL o g o因因Y Y点是工程应力点是工程应力-应变曲线极值点，应变曲线极值点，有有 d/d=0 d/d=0 （8-38-3）由式（由式（8-18-1）和式（）
37、和式（8-28-2）可得）可得真真=(1+)=(1+)（8-48-4）将式（将式（8-48-4）代入式（）代入式（8-38-3）可得）可得故有故有(1+)d(1+)d真真/d-/d-真真=0 =0 即即 dd真真/d=/d=真真/(1+)=/(1+)=真真/即即屈服点为真应力屈服点为真应力-应变曲线上由应变曲线上由=-1=-1点向曲线作点向曲线作切线的切点切线的切点（见（见图图8-13），对应的真应力就是屈服，对应的真应力就是屈服应力应力y y。)58(0)1()1(12真真ddddL o g oL o g o真应力真应力-应变曲线及屈服判据三种类型应变曲线及屈服判据三种类型AB0 1 2 3
38、 0 1 2 3 0 1 2 3 由由=0=0无法作无法作切线，不能成切线，不能成颈，颈，随负荷增随负荷增大材料均匀伸大材料均匀伸长长由由=0=0可作两可作两条切线，有两条切线，有两个点满足屈服个点满足屈服条件，条件，A A点时点时屈服点，屈服点，B B点点开始冷拉。开始冷拉。试试样既成颈又可样既成颈又可冷拉，且可得冷拉，且可得到稳定的细颈到稳定的细颈由由=0=0可作一可作一条切线，曲线条切线，曲线上有一个点满上有一个点满足足 ，此点，此点为 屈 服 点，为 屈 服 点，产生细颈，细产生细颈，细颈随负荷不断颈随负荷不断增加而变细，增加而变细，最后断裂最后断裂0dd真真真真真真真L o g oL
39、 o g ov(1)(1)银纹屈服银纹屈服银纹现象与应力发白银纹现象与应力发白v1)1)银纹现象银纹现象v很多聚合物，尤其是玻璃态透明聚合物（很多聚合物，尤其是玻璃态透明聚合物（PSPS、PMMAPMMA、PCPC）在储存及使用过程中，往往会在表面出现像陶）在储存及使用过程中，往往会在表面出现像陶瓷那样肉眼可见的微细裂纹，这些裂纹由于可强烈瓷那样肉眼可见的微细裂纹，这些裂纹由于可强烈反射可见光看上去是闪亮的，所以称为反射可见光看上去是闪亮的，所以称为银纹银纹。v银纹密度是本体的银纹密度是本体的50%50%，故折光指数不同，能产生，故折光指数不同，能产生白色反光。产生裂纹有一个最低临界应力和临界
40、伸白色反光。产生裂纹有一个最低临界应力和临界伸长率。长率。8.1.5 8.1.5 屈服机理屈服机理L o g oL o g ov裂纹一般在表面层，而进一步拉伸，会使裂纹一般在表面层，而进一步拉伸，会使裂纹向纵深发展而成为裂缝。应力越大，裂纹向纵深发展而成为裂缝。应力越大，裂纹的产生和发展越快。具有裂纹的材料裂纹的产生和发展越快。具有裂纹的材料还有原始试样一半以上的拉伸强度。还有原始试样一半以上的拉伸强度。v若把温度升高到若把温度升高到T Tg g以上，银纹会消失。故以上，银纹会消失。故裂纹具有可逆性裂纹具有可逆性。L o g oL o g ov拉伸试样在拉断前产生银纹化现象拉伸试样在拉断前产生
41、银纹化现象va a图为聚苯乙烯，图为聚苯乙烯，b b图为有机玻璃图为有机玻璃v注意银纹方向与应力方向垂直注意银纹方向与应力方向垂直L o g oL o g ovA A、聚合物受到张应力作用时，在材料某些薄弱环、聚合物受到张应力作用时，在材料某些薄弱环节上出现应力集中，而产生局部塑性形变和取向，节上出现应力集中，而产生局部塑性形变和取向，在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度100100m m、宽度、宽度1010m m、厚度、厚度1 1m m的微细凹槽或的微细凹槽或“裂裂纹纹”的现象。的现象。vB B、环境因素也会促进银纹产生，化学物质扩散到、环境因素也
42、会促进银纹产生，化学物质扩散到聚合物中，使微观表面溶胀或增塑，增加分子链段聚合物中，使微观表面溶胀或增塑，增加分子链段的活动性，玻璃化温度下降促进银纹产生。另外，的活动性，玻璃化温度下降促进银纹产生。另外，试样表面的缺陷和擦伤处也易产生银纹，或起始于试样表面的缺陷和擦伤处也易产生银纹，或起始于试样内部空穴或夹杂物的边界处，这些缺陷造成应试样内部空穴或夹杂物的边界处，这些缺陷造成应力集中，有利于银纹产生。力集中，有利于银纹产生。原因原因L o g oL o g ov现象：橡胶改性的现象：橡胶改性的PS：HIPS或或ABS在受到破坏时，在受到破坏时，其应力面变成乳白色，这其应力面变成乳白色，这就是
43、应力发白现象。就是应力发白现象。v应力发白和银纹化之间的应力发白和银纹化之间的差别差别在于银纹带的大小和在于银纹带的大小和多少，应力发白是由大量多少，应力发白是由大量尺寸非常小的银纹聚集而尺寸非常小的银纹聚集而成。成。2)应力发白应力发白L o g oL o g ov 现象现象：韧性聚合物在拉伸至屈服点时，常可：韧性聚合物在拉伸至屈服点时，常可见试样上出现与拉伸方向成见试样上出现与拉伸方向成4545角的剪切滑角的剪切滑移变形带，见移变形带，见图图8-23 。v 对韧性材料来说，拉伸时对韧性材料来说，拉伸时45 45 斜截面上的斜截面上的最大切应力首先达到材料的剪切强度，所以最大切应力首先达到材
44、料的剪切强度，所以首先出现与拉伸方向成首先出现与拉伸方向成45 45 的剪切滑移变的剪切滑移变形带形带-细颈细颈。v 因为变形带中分子链的取向度高，故变形逐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。步向整个试样扩展。(2)(2)剪切屈服剪切屈服L o g oL o g ov通常通常，韧性材料最大切应力首先达到抗剪强，韧性材料最大切应力首先达到抗剪强度，所以材料先屈服。度，所以材料先屈服。脆性材料最大切应力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，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。所以材料来不及屈服就已断裂。v因此因此韧性材料韧性材
45、料-断面粗糙断面粗糙-明显变形明显变形 脆性材料脆性材料-断面光滑断面光滑-断面与拉断面与拉 伸方向垂直伸方向垂直L o g oL o g o8.2 8.2 聚合物的断裂与强度聚合物的断裂与强度v8.2.1 脆性断裂与韧性断裂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收大量的能量，但是这种内在的韧性不是总是能表现出来的，由于加载方式、温度、应是能表现出来的，由于加载方式、温度、应变速率、试样形状、大小等的改变却会使韧变速率、试样形
46、状、大小等的改变却会使韧性变坏，甚至会脆性断裂，而材料的脆性断性变坏，甚至会脆性断裂，而材料的脆性断裂是工程上必须尽量避免的。裂是工程上必须尽量避免的。L o g oL o g o脆性脆性：的关系是线性（或微曲）的关系是线性（或微曲）断裂应变低于，断裂能不大，断裂应变低于，断裂能不大，断裂面光滑断裂面光滑韧性韧性：关系非线性关系非线性 断裂前形变大得多，断裂能很大，断裂前形变大得多，断裂能很大，断裂面粗糙断裂面粗糙L o g oL o g ov对聚合物材料，脆性还是韧性极大地取决对聚合物材料，脆性还是韧性极大地取决于实验条件：主要看于实验条件：主要看温度温度和和测试速率测试速率。v在恒定的应变
47、速率下：低温脆性形式向高在恒定的应变速率下：低温脆性形式向高温韧性形式转变温韧性形式转变v在恒定温度下：应变速率上升，表现为脆在恒定温度下：应变速率上升，表现为脆性形式；应变速率下降，表现为韧性形式性形式；应变速率下降，表现为韧性形式L o g oL o g o 在温度升高过程中，在温度升高过程中，材料发生脆材料发生脆-韧转变韧转变。两曲线交点。两曲线交点对应的温度称对应的温度称脆性脆性-韧性断裂转变温度韧性断裂转变温度T TB B （见下图（见下图)。右图右图 断裂强度和屈服强度断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势随温度的变化趋势虚线虚线高拉伸速率高拉伸速率 实线实线低拉伸速率低拉伸速率 对轻
48、度交联聚合物即橡胶而对轻度交联聚合物即橡胶而言，该温度言，该温度T TB B又称为又称为脆化温度脆化温度。温度高时，材料的断裂应力温度高时，材料的断裂应力B B 屈服应力屈服应力y y ，发生韧性，发生韧性断裂。断裂。L o g oL o g o应变速率的影响应变速率的影响v根据根据时温等效原理时温等效原理，应变速率，应变速率变化与温度变化等效，即变化与温度变化等效，即提高提高应变速率与降低温度等效应变速率与降低温度等效（见（见右右图图)。由图可见，应变速率由图可见，应变速率提高时，材料的屈服应力提高。提高时，材料的屈服应力提高。v从分子角度看，在低温和高应从分子角度看，在低温和高应变速率下，
49、分子链段不能运动，变速率下，分子链段不能运动，因而表现出脆性。而提高温度因而表现出脆性。而提高温度和在低应变速率下，分子链段和在低应变速率下，分子链段有足够的时间运动，因而表现有足够的时间运动，因而表现出韧性。出韧性。L o g oL o g ov8.2.2.1 8.2.2.1 实验方法和力学参数实验方法和力学参数v1 1、拉伸强度、拉伸强度v拉伸实验见拉伸实验见图图8-308-30,聚合物试样受大小相等聚合物试样受大小相等,方向相反方向相反的一对作用于同一条直线上的拉力。的一对作用于同一条直线上的拉力。v拉伸强度拉伸强度是在规定的实验温度、湿度和实验速度下，是在规定的实验温度、湿度和实验速度
50、下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷直至断裂前试样承在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷直至断裂前试样承受的最大载荷受的最大载荷P P与试样横截面（宽度与试样横截面（宽度b b和厚度和厚度d d的乘积）的乘积）的比值，常用的比值，常用t t表示，即表示，即 t t=P/=P/（bdbd）（N/mN/m2 2 或或PaPa）（8-308-30）8.2.2 8.2.2 聚合物的强度聚合物的强度L o g oL o g ov拉伸模量拉伸模量又称杨氏模量常由拉伸初始阶段的应力又称杨氏模量常由拉伸初始阶段的应力与应变计算，即与应变计算，即E EB B=t t/=(P/bd)/(l/l/=(P/bd)/(l/l0
