高聚物断裂和力学强度PPT课件.ppt
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1、关于高聚物的断裂和力学强度第一张,PPT共八十七页,创作于2022年6月 本章一方面介绍描述高分子材料宏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;另一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分子材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,为研制设计性能更料力学强度的因素,为研制设计性能更佳的材料提供理论指导。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、控制其强度和破坏规律,进而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有目
2、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。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件密切相关,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环境和使用条件有关。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。第二张,PPT共八十七页,创作于2022年6月一、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与“冷拉伸冷拉伸”二、高
3、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第三张,PPT共八十七页,创作于2022年6月一、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
4、试样 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。第四张,PPT共八十七页,创作于2022年6月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至增至
5、,定,定义试样中的应力和应变为:义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,这种应力,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。同样这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。儿定义的应变为工程应变。应力应力应变应变第五张,PPT共八十七页,创作于2022年6月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,应力应变呈直线关系段,为符合虎克定律的弹性形变区,应力应变呈直线关系变化,直线斜率变化,直线斜率 相
6、当于材料弹性模量。相当于材料弹性模量。第六张,PPT共八十七页,创作于2022年6月(2 2)越过)越过A点,应力应变曲线偏离直线,说明材料开始发生塑性形变,点,应力应变曲线偏离直线,说明材料开始发生塑性形变,极大值极大值Y点称材料的屈服点,其对应的应力、应变分别称屈服应力(或点称材料的屈服点,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,试样上某一局部会出现屈服强度)和屈服应变。发生屈服时,试样上某一局部会出现“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,
7、在很长一个范围内曲线基本平坦,“细颈细颈”区越来越区越来越大。直到拉伸应变很大时,材料应力又略有上升(成颈硬化),到达大。直到拉伸应变很大时,材料应力又略有上升(成颈硬化),到达B点发点发生断裂。与生断裂。与B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极限强度和极限伸长率。伸长率,它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。(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,称断裂能或断裂,称断裂能或断裂功。它是表
8、征材料韧性的一个物理量。功。它是表征材料韧性的一个物理量。第七张,PPT共八十七页,创作于2022年6月 由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由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)软而弱型第八张,PPT共八十七页,创作于2022年6月(3)硬硬而而韧韧型型此此类类材材料料弹弹性性模模量量、屈屈服服应应力力及及断断
9、裂裂强强度度都都很很高高,断断裂裂伸伸长长率率也也很很大大,应应力力应应变变曲曲线线下下的的面面积积很很大大,说说明明材材料料韧韧性性好好,是优良的工程材料。是优良的工程材料。(1)硬而脆型)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,断裂强度较高。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
10、弹性模量高,断裂强度高,断裂伸长率小。通常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(大约为材料拉伸到屈服点附近就发生破坏(大约为5%)。硬质聚氯乙烯制品属于)。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。这种类型。说明说明第九张,PPT共八十七页,创作于2022年6月(5)软而弱型)软而弱型此类材料弹性模量低,断裂强度低,断裂伸长率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。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,断裂伸长率大此类材料弹性模量和屈服应力较低
11、,断裂伸长率大(20%1000%),断裂强度可能较高,应力应变曲线下的面积大。),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力应变特征。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力应变特征。硬而韧的材料,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
12、、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。第十张,PPT共八十七页,创作于2022年6月注意注意 材料拉伸过程还明显地受环境条件(如温度)和测试条件(如拉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乙烯制品在很慢速率下拉伸伸速率)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也会发生大于100%的断裂伸长率,显现出硬而韧型特点。的断裂伸长率,显现出硬而韧型特点。实际高分子材料的拉伸行为非常复杂,可能不具备上述典型性,或是几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
13、如有的材料拉伸时存在明显的屈服和种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显的屈服和“颈缩颈缩”,有的则,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。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。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。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。第十一张,PPT共八十七页,创作于2022年6月(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
14、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,表现动加剧,松弛过程加快,表现出材料模量和强度下降,伸长出材料模量和强度下降,伸长率变大,应力应变曲线形状率变大,应力应变曲线形状发生很大变化。发生很大变化。第十二张,PPT共八十七页,创作于2022年6月断裂强度断裂强度和屈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 随环境温度而发生变化,屈随环境温度而发生变化,屈服强度受温度变化
15、的影响更大些。服强度受温度变化的影响更大些。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。两曲线交点对应的温度称韧转变。两曲线交点对应的温度称脆脆-韧转变温度韧转变温度 。当环境温度小于当环境温度小于 时,材时,材料的料的 ,受外力作,受外力作用时,材料未屈服前先已断用时,材料未屈服前先已断裂,呈脆性断裂特征。裂,呈脆性断裂特征。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,出现细用时,材料先屈服,出现细颈和很大变形后才断裂,呈颈和很大变形后才断裂,呈韧性断裂特征。韧性断裂特征。第十三张,PPT共八十七页,创作于2022年6月2、拉伸速率的影响、拉伸
16、速率的影响 减慢拉伸速率与升高环境减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似温度对材料拉伸行为有相似的影响,这是时的影响,这是时-温等效原理温等效原理在高分子力学行为中的体现。在高分子力学行为中的体现。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 与脆与脆-韧转变温度相似,韧转变温度相似,根据图中两曲线交点,可以根据图中两曲线交点,可以定义脆定义脆-韧转变(拉伸)速韧转变(拉伸)速率率 。拉伸速率高于。拉伸速率高于 时,时,材料呈脆性断裂特征;低于材料呈脆性断裂特征;低于 时,呈韧性断裂特征。时,呈韧性断裂特征。拉伸速率对材料的
17、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 也有明显影也有明显影响响。第十四张,PPT共八十七页,创作于2022年6月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
18、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。第十五张,PPT共八十七页,创作于2022年6月 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,告诉我们材料增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。设计恰当的方法,就有可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度,实现既增韧又增强。能在增韧的同时,保持或提高材料的强度,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。塑料的非弹性体增韧改性技术就是由此发展起来的。比较图可以
19、发现,升高环境温度和升高环比较图可以发现,升高环境温度和升高环境压力都能使高分子材料发生脆境压力都能使高分子材料发生脆-韧转变。韧转变。但两种脆但两种脆-韧转变方式有很大差别。韧转变方式有很大差别。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。第十六张,PPT共八十七页,创作于2022年6月(三)(三)强迫高弹形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
20、重点介绍在特殊环境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。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,特别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、屈服、要注意在较低温度下的拉伸、屈服、断裂的情形。对于非晶聚合物,当环断裂的情形。对于非晶聚合物,当环境温度小于境温度小于 时,虽然材料处于玻时,虽然材料处于玻璃态,链段冻结,但在恰当速
21、率下拉璃态,链段冻结,但在恰当速率下拉伸,材料仍能发生百分之几百的大变伸,材料仍能发生百分之几百的大变形(参见图中形(参见图中T=80,60的情形),的情形),这种变形称强迫高弹形变。这种变形称强迫高弹形变。第十七张,PPT共八十七页,创作于2022年6月(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发)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。这种强迫生运动、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(高弹形变在外力撤消后,通过适当升温()仍可恢复或)仍可恢复或部分恢复。部分恢复。(1
22、 1)这种现象既不同于高弹态下的高弹形变,也不同于粘流态)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。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段)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,提高应力降低了链段在作用作用。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间,使得在力方向上的运动活化能,减少了链段运动的
23、松弛时间,使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。讨论讨论第十八张,PPT共八十七页,创作于2022年6月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”。结晶聚合物具有与。结晶聚合物具有与非晶聚合物相似的拉伸应力应变曲线。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熔点图中当环境温度低于熔点时(时(473聚甲醛聚甲醛 未增强未增强6866074.52.75383聚甲醛聚甲醛
24、增强增强8241.5425.59441均含玻璃纤维均含玻璃纤维20-40%第五十二张,PPT共八十七页,创作于2022年6月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。纤维具有高强度可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流动,它们与以承受高应力,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。图给出这种复合作用示意图。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。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第五十三张,PPT共八十七页,创作于2022年6月 材料受力时
25、,首先由纤维承受应力,个别纤维即使发生断裂,由于材料受力时,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抑制裂纹传播的效用。材料仍能承受应力。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,软基体依靠切变作用能使裂纹不沿垂直应力的方向受力引发裂纹时,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,使断裂功有很大一部分消耗于反抗基体对纤维的发展,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,阻止裂
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