1、第八章第八章 高聚物的断裂和力学强度高聚物的断裂和力学强度The Failure and Strength of Solid Polymers 本章一方面介绍描述高分子材料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；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。计性能更佳的材料提供理论指导。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
2、料性能，需要掌握高分子材料力学坏规律，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。强度变化的宏观规律和微观机理。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。环境和使用条件有关。一、高分子材料的一、高分子材料的拉伸应力拉伸应力-应变特性应变特性应力应变曲线及其类型应力应变曲线及其类型影响拉伸行为的外部因素影响拉伸行为的外部因素强迫高弹形变与强迫高弹形变
3、与“冷拉伸冷拉伸”二、高分子材料的二、高分子材料的断裂和强度断裂和强度宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂宏观断裂方式，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强度高分子材料的增强改性高分子材料的增强改性三、高分子材料的三、高分子材料的抗冲击强度和增韧改性抗冲击强度和增韧改性抗冲击强度实验抗冲击强度实验影响抗冲击强度的因素影响抗冲击强度的因素高分子材料的增韧改性高分子材料的增韧改性一、高分子材料的拉伸应力一、高分子材料的拉伸应力-应变特性应变特性（一）应力应变曲线及其类型（一）应力应变曲线及其类型 哑铃型标准试样哑铃型标准试样 常用的哑铃型标准
4、试样如图所示，试样中部为测试部分，常用的哑铃型标准试样如图所示，试样中部为测试部分，标距长度为标距长度为l0，初始截面积为，初始截面积为A0。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。试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。0l0AF000lllll 设以一定的力设以一定的力 F 拉伸试样，使两标距间的长度从拉伸试样，使两标距间的长度从 增增至至 ，定义试样中的应力和应变为：，定义
5、试样中的应力和应变为：注意此处定义的应力注意此处定义的应力等于拉力除以试样原始截面积等于拉力除以试样原始截面积A0，这，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。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。同样这儿定义的应变为工程应变。应力应力应变应变l典型的拉伸应力典型的拉伸应力-应变曲线应变曲线 曲线特征：曲线特征：（1）OA段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力应变呈直段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力应变呈直线关系变化，直线斜率线关系变化，直线斜率 相当于材料弹性模量。相当于材料弹性模量。Edd（2 2）越过）越过A点，应力应变
6、曲线偏离直线，说明材料开始发生塑点，应力应变曲线偏离直线，说明材料开始发生塑性形变，极大值性形变，极大值Y点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度）和屈服应变。发生屈服时，试样上某一局屈服应力（或屈服强度）和屈服应变。发生屈服时，试样上某一局部会出现部会出现“细颈细颈”现象，材料应力略有下降，发生现象，材料应力略有下降，发生“屈服软化屈服软化”。（3 3）随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，）随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈细颈”区越来越大。直到拉伸应变很大时，材料应力又略有上升（成颈区越来越大。直到拉伸
7、应变很大时，材料应力又略有上升（成颈硬化），到达硬化），到达B点发生断裂。与点发生断裂。与B点对应的应力、应变分别称材料点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）和断裂伸长率，它们是材料发生破坏的拉伸强度（或断裂强度）和断裂伸长率，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。的极限强度和极限伸长率。BdW0（4）曲线下的面积等于）曲线下的面积等于相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为Jm-3，称断，称断裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。由于高分子材料种类繁多，实际得到的材料应力应变曲线由
8、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，可分为五类具有多种形状。归纳起来，可分为五类。高分子材料应力高分子材料应力-应变曲线的类型应变曲线的类型曲线的类型曲线的类型（1）硬而脆型）硬而脆型（2）硬而强型）硬而强型（3）硬而韧型）硬而韧型（4）软而韧型）软而韧型（5）软而弱型）软而弱型（3）硬而韧型）硬而韧型 此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都此类材料弹性模量、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。明材料韧性好，是优良的工程材料。（1）硬而脆型
9、）硬而脆型 此类材料弹性模量高（此类材料弹性模量高（OA段斜率大）而断裂段斜率大）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。酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。（2）硬而强型）硬而强型 此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长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
10、氯乙烯制品属于这种类型。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。说明说明（5）软而弱型）软而弱型 此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。（4）软而韧型）软而韧型 此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大（长率大（20%1000%），断裂强度可能较高，应力应变），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。力应变特征。硬而韧
11、的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或硬而韧的材料，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、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。硝酸纤维素等属于这种材料。注意注意 材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件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
12、乙烯制品在很（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慢速率下拉伸也会发生大于100%的断裂伸长率，显现出硬而的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。韧型特点。实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典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的屈服和“颈缩颈缩”，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈，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。服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。因此规定标准的实验环境温度和标准
13、拉伸速率是很重要的。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）（二）影响拉伸行为的外部因素影响拉伸行为的外部因素1、温度的影响、温度的影响聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变曲线随环境温度的变化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下）环境温度对高分子材料环境温度对高分子材料拉伸行为的影响十分显著。拉伸行为的影响十分显著。温度升高，分子链段热运温度升高，分子链段热运动加剧，松弛过程加快，动加剧，松弛过程加快，表现出材料模量和强度下表现出材料模量和强度下降，伸长率变大，应力降，伸长率变大，应力应变曲线形状发生很大变应变曲线形状发生很大变化。化。断裂强度断裂强度和屈
14、服强度随温度的变化趋势和屈服强度随温度的变化趋势 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 材料的拉伸断裂强度材料的拉伸断裂强度 和屈服强度和屈服强度 随环境温度而发生随环境温度而发生变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。by 在温度升高过程中，材料发生脆在温度升高过程中，材料发生脆-韧转变。两曲线交点对韧转变。两曲线交点对应的温度称脆应的温度称脆-韧转变温度韧转变温度 。tT 当环境温度小于当环境温度小于 时，时，材料的材料的 ，受外，受外力作用时，材料未屈服前力作用时，材料未屈服前先已断裂，呈脆性断裂特先已断裂，呈脆性断裂特征。征。t
15、Ty 环境温度高于环境温度高于 时，时，受外力作，受外力作用时，材料先屈服，出现用时，材料先屈服，出现细颈和很大变形后才断裂，细颈和很大变形后才断裂，呈韧性断裂特征。呈韧性断裂特征。tTybb2、拉伸速率的影响、拉伸速率的影响 减慢拉伸速率与升高环减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时相似的影响，这是时-温等温等效原理在高分子力学行为效原理在高分子力学行为中的体现。中的体现。b断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势实线低环境温度 虚线高环境温度y 与脆与脆-韧转变温度相韧转变温度相似，根据图中两曲线交似，根据图中
16、两曲线交点，可以定义脆点，可以定义脆-韧转韧转变（拉伸）速率变（拉伸）速率 。拉伸速率高于拉伸速率高于 时，时，材料呈脆性断裂特征；材料呈脆性断裂特征；低于低于 时，呈韧性断时，呈韧性断裂特征。裂特征。ttt 拉伸速率对材料的断裂强度拉伸速率对材料的断裂强度 和屈服强度和屈服强度 也有明也有明显影响显影响。3、环境压力的影响、环境压力的影响聚苯乙烯的应力聚苯乙烯的应力-应变曲线应变曲线随环境压力的变化（随环境压力的变化（T=31）右图可见，右图可见，PSPS在低环境压力在低环境压力（常压）下呈脆性断裂特点，（常压）下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低。随强度与断裂伸长率都很低。随着环境压力
17、升高，材料强度增着环境压力升高，材料强度增高，伸长率变大，出现典型屈高，伸长率变大，出现典型屈服现象，材料发生脆服现象，材料发生脆-韧转变。韧转变。研究发现，对许多非晶聚合研究发现，对许多非晶聚合物，如物，如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韧转变行为还与环境压力有关。韧转变行为还与环境压力有关。这两种不同的脆这两种不同的脆-韧转变方式给我们以启发，告诉我们韧转变方式给我们以启发，告诉我们材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当的方法，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强的方法，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强度，实现既增韧又增
18、强。塑料的非弹性体增韧改性技术度，实现既增韧又增强。塑料的非弹性体增韧改性技术就是由此发展起来的。就是由此发展起来的。比较图可以发现，升高环境温度比较图可以发现，升高环境温度和升高环境压力都能使高分子材料和升高环境压力都能使高分子材料发生脆发生脆-韧转变。但两种脆韧转变。但两种脆-韧转变韧转变方式有很大差别。方式有很大差别。两种脆两种脆-韧转变方式韧转变方式 升高温度使材料变韧，但其拉伸强度明显下降。升高温度使材料变韧，但其拉伸强度明显下降。升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，材料变得强而韧。升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，材料变得强而韧。（三）（三）强迫高弹形
19、变与强迫高弹形变与“冷拉伸冷拉伸”已知环境对高分子材料拉伸行为有显著影响，这儿再重点介绍在特殊已知环境对高分子材料拉伸行为有显著影响，这儿再重点介绍在特殊环境条件下，高分子材料的两种特殊拉伸行为。环境条件下，高分子材料的两种特殊拉伸行为。1、非晶聚合物的强迫高弹形变、非晶聚合物的强迫高弹形变 聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变曲线随环境温度的变化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下）研究高聚物拉伸破坏行为时，研究高聚物拉伸破坏行为时，特别要注意在较低温度下的拉伸、特别要注意在较低温度下的拉伸、屈服、断裂的情形。对于非晶聚屈服、断裂的情形。对于非晶聚合物，当环境温度小于合物
20、，当环境温度小于 时，虽时，虽然材料处于玻璃态，链段冻结，然材料处于玻璃态，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分之几百的大变形（参见发生百分之几百的大变形（参见图中图中T=80，60的情形），这的情形），这种变形称强迫高弹形变。种变形称强迫高弹形变。gT（2 2）现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫）现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（）仍可恢复或
21、部分恢复。仍可恢复或部分恢复。TgT（1 1）这种现象既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘）这种现象既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘流态下的粘性流动。这是一种独特的力学行为。流态下的粘性流动。这是一种独特的力学行为。（3 3）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种“活化活化”作用。从链段的松弛运动来讲，提高应力降低了链作用。从链段的松弛运动来讲，提高应力降低了链段在作用力方向上的运动活化能，减少了链段运动的松弛时段在作用力方向上
22、的运动活化能，减少了链段运动的松弛时间，使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。间，使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。讨论讨论 2、晶态聚合物的、晶态聚合物的“冷拉伸冷拉伸”结晶聚合物在不同温度下的应力结晶聚合物在不同温度下的应力-应变曲线应变曲线 结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种形变称结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种形变称“冷拉伸冷拉伸”。结晶聚。结晶聚合物具有与非晶聚合物相似的拉伸应力应变曲线。合物具有与非晶聚合物相似的拉伸应力应变曲线。图中当环境温度低于图中当环境温度低于熔点时（熔点时（473聚甲醛聚甲醛 未增强未增强6866074.52.75383聚甲醛聚甲醛 增强增
23、强8241.5425.59441 均含玻璃纤维均含玻璃纤维20-40%纤维增强的机理纤维增强的机理 纤维增强塑料的机理是依靠两者复合作用。纤维具有高纤维增强塑料的机理是依靠两者复合作用。纤维具有高强度可以承受高应力，树脂基体容易发生粘弹变形和塑性强度可以承受高应力，树脂基体容易发生粘弹变形和塑性流动，它们与纤维粘结在一起可以传递应力。图给出这种流动，它们与纤维粘结在一起可以传递应力。图给出这种复合作用示意图。复合作用示意图。纤维增强塑料的复合作用示意图纤维增强塑料的复合作用示意图 材料受力时，首先由纤维承受应力，个别纤维即使发生断材料受力时，首先由纤维承受应力，个别纤维即使发生断裂，由于树脂的
24、粘结作用和塑性流动，断纤维被拉开的趋势裂，由于树脂的粘结作用和塑性流动，断纤维被拉开的趋势得到抑制，断纤维仍能承受应力。树脂与纤维的粘结还具有得到抑制，断纤维仍能承受应力。树脂与纤维的粘结还具有抑制裂纹传播的效用。材料受力引发裂纹时，软基体依靠切抑制裂纹传播的效用。材料受力引发裂纹时，软基体依靠切变作用能使裂纹不沿垂直应力的方向发展，而发生偏斜，使变作用能使裂纹不沿垂直应力的方向发展，而发生偏斜，使断裂功有很大一部分消耗于反抗基体对纤维的粘着力，阻止断裂功有很大一部分消耗于反抗基体对纤维的粘着力，阻止裂纹传播。裂纹传播。由此可见，纤维增强塑料时，纤维与树脂基体界面粘合性由此可见，纤维增强塑料时
25、，纤维与树脂基体界面粘合性的好坏是复合的关键。对于与树脂亲合性较差的纤维，如玻的好坏是复合的关键。对于与树脂亲合性较差的纤维，如玻璃纤维，使用前应采用化学或物理方法对表面改性，提高其璃纤维，使用前应采用化学或物理方法对表面改性，提高其与基体的粘合力。与基体的粘合力。复合作用原理复合作用原理玻璃纤维增强玻璃纤维增强PP树脂，树脂，纤维表面未经处理纤维表面未经处理纤维含量：纤维含量：30%（w）玻璃纤维增强玻璃纤维增强PP树脂，纤维树脂，纤维表面经偶联处理表面经偶联处理 纤维含量：纤维含量：30%（w）拉伸强度由上图的拉伸强度由上图的40MPa增至增至87MPa冲击强度由上图的冲击强度由上图的16
26、kJ.m-2增至增至34 kJ.m-2 基于上述机理也可得知，在基体中，即使纤维都已断裂，基于上述机理也可得知，在基体中，即使纤维都已断裂，或者直接在基体中加入经过表面处理的短纤维，只要纤维具或者直接在基体中加入经过表面处理的短纤维，只要纤维具有一定的长径比，使复合作用有效，仍可以达到增强效果。有一定的长径比，使复合作用有效，仍可以达到增强效果。实际上短纤维增强塑料、橡胶的技术都有很好的发展，部分实际上短纤维增强塑料、橡胶的技术都有很好的发展，部分已应用于生产实践。已应用于生产实践。按复合作用原理，短纤维的临界长度按复合作用原理，短纤维的临界长度L Lc c可按下式计算：可按下式计算：ymyf
27、cdL,2式中为式中为 纤维的拉伸屈服应力，纤维的拉伸屈服应力，为基体的剪切屈为基体的剪切屈服应力，服应力，d 为纤维直径。为纤维直径。yf,ym,纤维取向对断裂过程的影响纤维取向对断裂过程的影响纤维平行于拉伸方向纤维平行于拉伸方向a)a)纤维脱离基体并拔出纤维脱离基体并拔出b)b)部分纤维脱离并拔出，纤维断裂部分纤维脱离并拔出，纤维断裂c)c)纤维与基体粘附良好，纤维断裂纤维与基体粘附良好，纤维断裂 纤维垂直于拉伸方向纤维垂直于拉伸方向a)a)纤维与基体分离，形成空洞纤维与基体分离，形成空洞b)b)斜纤维脱离基体，纤维断裂斜纤维脱离基体，纤维断裂c)c)裂纹在基体内或沿边界扩展裂纹在基体内或
28、沿边界扩展 由此可见，纤维取向使材料出现各向异性。一般平行于纤维由此可见，纤维取向使材料出现各向异性。一般平行于纤维取向方向的材料强度高。断裂易发生在垂直于纤维取向方向上。取向方向的材料强度高。断裂易发生在垂直于纤维取向方向上。END of Chapt.7 Part 2三、高分子材料的抗冲击强度和增韧改性三、高分子材料的抗冲击强度和增韧改性 高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。它描述了高分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能它描述了高
29、分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能力和材料的抗冲击韧性，有重要工艺意义。但它不是材料力和材料的抗冲击韧性，有重要工艺意义。但它不是材料基本常数，其量值与实验方法和实验条件有关。基本常数，其量值与实验方法和实验条件有关。（一）（一）抗冲击强度实验抗冲击强度实验抗冲击强度抗冲击强度的测定方法的测定方法高速拉伸试验高速拉伸试验落锤式冲击试验落锤式冲击试验摆锤式冲击试验摆锤式冲击试验悬臂梁式（悬臂梁式（Izod）简支梁式（简支梁式（Charpy）采用简支梁式冲击试验时，将试样放于支架上（有缺口采用简支梁式冲击试验时，将试样放于支架上（有缺口时，缺口背向冲锤），释放事先架起的冲锤，让其自由下时，缺
30、口背向冲锤），释放事先架起的冲锤，让其自由下落，打断试样，利用冲锤回升的高度，求出冲断试样所消落，打断试样，利用冲锤回升的高度，求出冲断试样所消耗的功耗的功A，按下式计算抗冲击强度：，按下式计算抗冲击强度：dbAIs式中式中 分别为试样冲击分别为试样冲击断面的宽和厚，抗冲击强度单断面的宽和厚，抗冲击强度单位为位为 。若实验求算的。若实验求算的是单位缺口长度所消耗的能量，是单位缺口长度所消耗的能量，单位为单位为 。db和2mkJ1mkJ简支梁式冲击试验机（简支梁式冲击试验机（Charpy）示意图）示意图bb 拉伸断裂实验中，材料拉伸应力拉伸断裂实验中，材料拉伸应力-应变曲线下的面积（下应变曲线下
31、的面积（下图）相当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧性图）相当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧性的大小。很显然，断裂强度的大小。很显然，断裂强度 高和断裂伸长率高和断裂伸长率 大的材大的材料韧性也好。料韧性也好。但这个能量与抗冲击但这个能量与抗冲击强度不同。不同在于，强度不同。不同在于，两种实验的应变速率不两种实验的应变速率不同，拉伸实验速率慢而同，拉伸实验速率慢而冲击速率极快；拉伸曲冲击速率极快；拉伸曲线求得的能量为断裂时线求得的能量为断裂时材料单位体积所吸收的材料单位体积所吸收的能量，而冲击实验只关能量，而冲击实验只关心断裂区表面吸收的能心断裂区表面吸收的能量。量。材料拉伸实
32、验的应力材料拉伸实验的应力-应变曲线应变曲线 三个阶段中物料吸收三个阶段中物料吸收能量的能力不同，有些能量的能力不同，有些材料如硬质聚氯乙烯，材料如硬质聚氯乙烯，裂纹引发能高而扩展能裂纹引发能高而扩展能很低，这种材料无缺口很低，这种材料无缺口时抗冲强度较高，一旦时抗冲强度较高，一旦存在缺口则极容易断裂。存在缺口则极容易断裂。裂纹扩展是材料破坏的裂纹扩展是材料破坏的关键阶段，因此材料增关键阶段，因此材料增韧改性的关键是提高材韧改性的关键是提高材料抗裂纹扩展的能力。料抗裂纹扩展的能力。冲击破坏过程虽然很快，但根据破坏原理也可分为三个阶冲击破坏过程虽然很快，但根据破坏原理也可分为三个阶段：一是裂纹引
33、发阶段，二是裂纹扩展阶段，三是断裂阶段。段：一是裂纹引发阶段，二是裂纹扩展阶段，三是断裂阶段。冲击冲击实验中材料受力及屈挠关系曲线实验中材料受力及屈挠关系曲线曲线下面积：白亮区域裂纹引发能 阴影区域裂纹扩展能 脆性断裂和韧性断裂表面脆性断裂和韧性断裂表面 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 左图脆性试样断裂表面的电镜照片；右图韧性试样断裂表面的电镜照片左图脆性试样断裂表面的电镜照片；右图韧性试样断裂表面的电镜照片（二）影响抗冲击强度的因素（二）影响抗冲击强度的因素1、缺口的影响缺口的影响 冲击实验时，有时在试样上预置缺口
34、，有时不加缺口。冲击实验时，有时在试样上预置缺口，有时不加缺口。有缺口试样的抗冲强度远小于无缺口试样，原因在于有有缺口试样的抗冲强度远小于无缺口试样，原因在于有缺口试样已存在表观裂纹，冲击破坏吸收的能量主要用缺口试样已存在表观裂纹，冲击破坏吸收的能量主要用于裂纹扩展。于裂纹扩展。另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力使局部材料变形增大，变形速率加快，材料发生韧使局部材料变形增大，变形速率加快，材料发生韧-脆脆转变，加速破坏。缺口曲率半径越小，应力集中效应转变，加速破坏。缺口曲率半径越小，应力集中效应越显著，因此预置缺口必须按标准严格操作。越显著
35、，因此预置缺口必须按标准严格操作。2、温度的影响温度的影响 温度升高，材料抗冲击强度随之增大。对无定形聚合物，当温度升高，材料抗冲击强度随之增大。对无定形聚合物，当温度升高到玻璃化温度附近或更高时，抗冲击强度急剧增大。温度升高到玻璃化温度附近或更高时，抗冲击强度急剧增大。对结晶性聚合物，其玻璃化温对结晶性聚合物，其玻璃化温度以上的抗冲击强度也比玻璃化度以上的抗冲击强度也比玻璃化温度以下的高，这是因为在玻璃温度以下的高，这是因为在玻璃化温度附近时，链段运动释放，化温度附近时，链段运动释放，分子运动加剧，使应力集中效应分子运动加剧，使应力集中效应减缓，部分能量会由于材料的力减缓，部分能量会由于材料
36、的力学损耗作用以热的形式逸散。右学损耗作用以热的形式逸散。右图给出几种聚丙烯试样的抗冲强图给出几种聚丙烯试样的抗冲强度随温度的变化，可以看出，在度随温度的变化，可以看出，在玻璃化温度附近抗冲强度有较大玻璃化温度附近抗冲强度有较大的增长。的增长。几种聚丙烯试样抗冲强度随温度的变几种聚丙烯试样抗冲强度随温度的变化化3、结晶、取向的影响结晶、取向的影响 对聚乙烯、聚丙烯等高结晶度材料，当结晶度为对聚乙烯、聚丙烯等高结晶度材料，当结晶度为40-60%时，时，由于材料拉伸时有屈服发生且断裂伸长率高，韧性很好。结晶度由于材料拉伸时有屈服发生且断裂伸长率高，韧性很好。结晶度再增高，材料变硬变脆，抗冲击韧性反
37、而下降。这是由于结晶使再增高，材料变硬变脆，抗冲击韧性反而下降。这是由于结晶使分子间相互作用增强，链段运动能力减弱，受到外来冲击时，材分子间相互作用增强，链段运动能力减弱，受到外来冲击时，材料形变能力减少，因而抗冲击韧性变差。料形变能力减少，因而抗冲击韧性变差。从结晶形态看，具有均匀小球晶的材料抗冲击韧性好，而大球从结晶形态看，具有均匀小球晶的材料抗冲击韧性好，而大球晶韧性差。球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材晶韧性差。球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材料受冲击力时易在薄弱环节破裂。料受冲击力时易在薄弱环节破裂。对取向材料，当冲击力与取向方向平行，冲击强度因取向而提对取
38、向材料，当冲击力与取向方向平行，冲击强度因取向而提高，若冲击力与取向方向垂直，冲击强度下降。由于实际材料总高，若冲击力与取向方向垂直，冲击强度下降。由于实际材料总是在最薄弱处首先破坏，因此取向对材料的抗冲击性能一般是不是在最薄弱处首先破坏，因此取向对材料的抗冲击性能一般是不利的利的 4、共混，共聚，填充的影响、共混，共聚，填充的影响 实验发现，采用与橡胶类材料嵌段共聚、接枝共聚或物理实验发现，采用与橡胶类材料嵌段共聚、接枝共聚或物理共混的方法可以大幅度改善脆性塑料的抗冲击性能。共混的方法可以大幅度改善脆性塑料的抗冲击性能。CPE在在PVC/CPE共混物中的分散状态与共混时间的关系共混物中的分散
39、状态与共混时间的关系 采用丁二烯与苯乙烯共采用丁二烯与苯乙烯共聚得到高抗冲聚苯乙烯；聚得到高抗冲聚苯乙烯；采用氯化聚乙烯与聚氯乙采用氯化聚乙烯与聚氯乙烯共混得到硬聚氯乙烯韧烯共混得到硬聚氯乙烯韧性体，都将使基体的抗冲性体，都将使基体的抗冲强度提高几倍至几十倍。强度提高几倍至几十倍。橡胶增韧塑料已发展为橡胶增韧塑料已发展为十分成熟的塑料增韧技术，十分成熟的塑料增韧技术，由此开发出一大批新型材由此开发出一大批新型材料，产生巨大经济效益。料，产生巨大经济效益。CPE用量对用量对PVC/CPE共混物力学性能的影响共混物力学性能的影响共聚、共混改性效果共聚、共混改性效果 在热固性树脂及脆性高分子材料中添
40、加纤维状填料，也可以提高在热固性树脂及脆性高分子材料中添加纤维状填料，也可以提高基体的抗冲击强度。纤维一方面可以承担试片缺口附近的大部分负基体的抗冲击强度。纤维一方面可以承担试片缺口附近的大部分负荷，使应力分散到更大面积上，另一方面还可以吸收部分冲击能，荷，使应力分散到更大面积上，另一方面还可以吸收部分冲击能，防止裂纹扩展成裂缝。防止裂纹扩展成裂缝。脆性基体中纤维对裂纹尖区的影响脆性基体中纤维对裂纹尖区的影响Wd纤维撕脱能，纤维撕脱能，Ws纤维滑动能，纤维滑动能，Wp纤维拔出能，纤维拔出能，Wmr基体脆断能基体脆断能韧性基体中纤维对裂纹尖区的影响韧性基体中纤维对裂纹尖区的影响Wd纤维撕脱能，纤
41、维撕脱能，Ws纤维滑动能，纤维滑动能，Wp纤维拔出能，纤维拔出能，Wmr基体断裂能，基体断裂能，Wm基体塑性变形能基体塑性变形能填充、复合改性效果填充、复合改性效果 与此相反，若在聚苯乙烯这样的脆性材料中添加碳酸钙与此相反，若在聚苯乙烯这样的脆性材料中添加碳酸钙之类的粉状填料，则往往使材料抗冲击性能进一步下降。之类的粉状填料，则往往使材料抗冲击性能进一步下降。因为填料相当于基体中的缺陷，填料粒子还有应力集中作因为填料相当于基体中的缺陷，填料粒子还有应力集中作用，这些都将加速材料的破坏。用，这些都将加速材料的破坏。近年来人们在某些塑料基体中添加少量经过表面处理的近年来人们在某些塑料基体中添加少量
42、经过表面处理的微细无机粒子，发现个别体系中，无机填料也有增韧作用。微细无机粒子，发现个别体系中，无机填料也有增韧作用。（三）高分子材料的增韧改性（三）高分子材料的增韧改性1、橡胶增韧塑料的经典机理橡胶增韧塑料的经典机理 橡胶增韧塑料的效果是十分明显的。无论脆性塑料或韧性橡胶增韧塑料的效果是十分明显的。无论脆性塑料或韧性塑料，添加几份到十几份橡胶弹性体，基体吸收能量的本领塑料，添加几份到十几份橡胶弹性体，基体吸收能量的本领会大幅度提高。尤其对脆性塑料，添加橡胶后基体会出现典会大幅度提高。尤其对脆性塑料，添加橡胶后基体会出现典型的脆型的脆-韧转变。韧转变。关于橡胶增韧塑料的机理，曾有人认为是由于橡
43、胶粒子本关于橡胶增韧塑料的机理，曾有人认为是由于橡胶粒子本身吸收能量，橡胶横跨于裂纹两端，阻止裂纹扩展；也有人身吸收能量，橡胶横跨于裂纹两端，阻止裂纹扩展；也有人认为形变时橡胶粒子收缩，诱使塑料基体玻璃化温度下降。认为形变时橡胶粒子收缩，诱使塑料基体玻璃化温度下降。研究表明，形变过程中橡胶粒子吸收的能量很少，约占研究表明，形变过程中橡胶粒子吸收的能量很少，约占总吸收能量的总吸收能量的10%，大部分能量是被基体连续相吸收的。，大部分能量是被基体连续相吸收的。另外由橡胶收缩引起的玻璃化温度下降仅另外由橡胶收缩引起的玻璃化温度下降仅10左右，不足左右，不足以引起脆性塑料在室温下屈服。以引起脆性塑料在
44、室温下屈服。他们认为：橡胶粒子能提高脆性塑料的韧性，是因为橡他们认为：橡胶粒子能提高脆性塑料的韧性，是因为橡胶粒子分散在基体中，形变时成为应力集中体，能促使周胶粒子分散在基体中，形变时成为应力集中体，能促使周围基体发生脆围基体发生脆-韧转变和屈服。韧转变和屈服。Schmitt和和Bucknall等人根据橡胶与脆性塑料共混物在低等人根据橡胶与脆性塑料共混物在低于塑料基体断裂强度的应力作用下，会出现剪切屈服和应力于塑料基体断裂强度的应力作用下，会出现剪切屈服和应力发白现象；又根据剪切屈服是韧性聚合物（如聚碳酸酯）的发白现象；又根据剪切屈服是韧性聚合物（如聚碳酸酯）的韧性来源的观点，逐步完善橡胶增韧
45、塑料的经典机理。韧性来源的观点，逐步完善橡胶增韧塑料的经典机理。屈服的主要形式有：引发大量银纹（应力发白）和形成屈服的主要形式有：引发大量银纹（应力发白）和形成剪切屈服带，吸收大量变形能，使材料韧性提高。剪切屈剪切屈服带，吸收大量变形能，使材料韧性提高。剪切屈服带还能终止银纹，阻碍其发展成破坏性裂缝。服带还能终止银纹，阻碍其发展成破坏性裂缝。橡胶粒子引发银纹示意图橡胶粒子引发银纹示意图ABS中两相结构示意图中两相结构示意图其中白粒子为橡胶相其中白粒子为橡胶相 应力作用下橡胶粒子变形，造成应力作用下橡胶粒子变形，造成应力集中，引发银纹应力集中，引发银纹ABS中橡胶粒子引发银纹的电镜照片，中橡胶粒
46、子引发银纹的电镜照片，其中黑粒子为橡胶相其中黑粒子为橡胶相PVC/ABS共混物中共混物中ABS粒子引发粒子引发PVC基体基体产生银纹的电镜照片，产生银纹的电镜照片，ABS粒子中黑相为橡胶相粒子中黑相为橡胶相高抗冲高抗冲PS共聚物中橡胶粒子引发共聚物中橡胶粒子引发PS基基体产生银纹的电镜照片体产生银纹的电镜照片剪切屈服带剪切屈服带拉伸作用下聚碳酸酯试样中产生剪切屈服带的照片，拉伸作用下聚碳酸酯试样中产生剪切屈服带的照片，注意剪切屈服带与应力方向成注意剪切屈服带与应力方向成45度角，度角，出现剪切屈服带的区域开始出现出现剪切屈服带的区域开始出现“颈缩颈缩”能量吸收示意图能量吸收示意图HIPS和体系
47、在应力作用下塑料基体、橡胶和体系在应力作用下塑料基体、橡胶粒子及引发的银纹吸收能量示意图，粒子及引发的银纹吸收能量示意图，其中：其中：aM 为塑料基体吸收的能量；为塑料基体吸收的能量；aK 为橡胶粒子为橡胶粒子吸收的能量；吸收的能量；aC 为银纹吸收的能量；为银纹吸收的能量；aB为最后断为最后断裂吸收的能量。注意银纹吸收了大量能量裂吸收的能量。注意银纹吸收了大量能量左图为应力应变曲线图；右图为受力过程示意图左图为应力应变曲线图；右图为受力过程示意图2、银纹化现象和剪切屈服带银纹化现象和剪切屈服带许多聚合物，尤其是玻璃态透明聚合物如聚苯乙烯、许多聚合物，尤其是玻璃态透明聚合物如聚苯乙烯、有机玻璃
48、、聚碳酸酯等，在存储及使用过程中，由于应有机玻璃、聚碳酸酯等，在存储及使用过程中，由于应力和环境因素的影响，表面往往会出现一些微裂纹。有力和环境因素的影响，表面往往会出现一些微裂纹。有这些裂纹的平面能强烈反射可见光，形成银色的闪光，这些裂纹的平面能强烈反射可见光，形成银色的闪光，故称为银纹，相应的开裂现象称为银纹化现象。故称为银纹，相应的开裂现象称为银纹化现象。银纹化现象银纹化现象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银纹化现象，a图为聚苯乙烯，图为聚苯乙烯，b图为有机玻璃图为有机玻璃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 产生银纹的原因有两个：一是力学因素（拉应力
49、、弯应力），产生银纹的原因有两个：一是力学因素（拉应力、弯应力），二是环境因素（与某些化学物质相接触）。二是环境因素（与某些化学物质相接触）。ABS试样在弯应力下产生银纹的电镜照片试样在弯应力下产生银纹的电镜照片 LDPE试样在弯应力作用和在试样在弯应力作用和在n-丙丙醇中浸泡时产生环境应力开裂的照醇中浸泡时产生环境应力开裂的照片片 银纹和裂缝不同。银纹和裂缝不同。裂缝是宏观开裂，内裂缝是宏观开裂，内部质量为零；而银纹部质量为零；而银纹内部有物质填充着，内部有物质填充着，质量不等于零，该物质量不等于零，该物质称银纹质，是由高质称银纹质，是由高度取向的聚合物纤维度取向的聚合物纤维束构成。银纹具有
50、可束构成。银纹具有可逆性，在压应力下或逆性，在压应力下或在在 以上温度退火处以上温度退火处理，银纹会回缩或消理，银纹会回缩或消失，材料重新回复光失，材料重新回复光学均一状态。学均一状态。gT PS试样的银纹内部的不同内容试样的银纹内部的不同内容 a,细网目式的纤维编织物；细网目式的纤维编织物；b,纤维编织物，中部与边缘有亮区；纤维编织物，中部与边缘有亮区；c,粗糙的纤维编织物；粗糙的纤维编织物；d,边缘有排列的空洞边缘有排列的空洞PS试样中的一条大银纹，试样中的一条大银纹，银纹长银纹长45微米，最宽处宽约微米，最宽处宽约2微米微米结晶高聚物中球晶间的破坏，结晶高聚物中球晶间的破坏，a,聚氨酯试
