第七章--高聚物的断裂和力学强度3-高分子物理-教学课件.ppt
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1、第七章第七章 高聚物的断裂和力学强度高聚物的断裂和力学强度 Chapt.7 The Failure and Strength of Solid Polymers 计划学时:计划学时:8-10学时学时主要参考书:主要参考书:金日光主编:高分子物理金日光主编:高分子物理Brostow:Failure of PlasticsG.H.Michler:Kunststoff-Mikromechanik第三部分第三部分Part3三、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高分分子子材材料料抗抗冲冲击击强强度度是是指指标标准准试试样样受受高高速速冲冲击击作作用用断断裂裂时时,单单
2、位位断断面面面面积积(或或单单位位缺缺口口长长度度)所所消消耗耗的的能能量量。它它描描述述了了高高分分子子材材料料在在高高速速冲冲击击作作用用下下抵抵抗抗冲冲击击破破坏坏的的能能力力和和材材料料的的抗抗冲冲击击韧韧性性,有有重重要要工工艺艺意意义义。但但它它不不是是材材料料基本常数,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)采采用用简简支支梁
3、梁式式冲冲击击试试验验时时,将将试试样样放放于于支支架架上上(有有缺缺口口时时,缺缺口口背背向向冲冲锤锤),释释放放事事先先架架起起的的冲冲锤锤,让让其其自自由由下下落落,打打断断试试样样,利利用用冲冲锤锤回回升升的的高高度度,求求出出冲冲断断试试样样所所消消耗的功耗的功A,按下式计算抗冲击强度:,按下式计算抗冲击强度:(7-11)式式中中分分别别为为试试样样冲冲击击断断面面的的宽宽和和厚厚,抗抗冲冲击击强强度度单单位位为为。若若实实验验求求算算的的是是单单位位缺缺口口长长度度所所消消耗耗的的能能量量,单位为单位为。图图7-29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
4、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
5、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。图图7-2材料拉伸实验的应力材料拉伸实验的应力-应变曲线应变曲线 脆性断裂和韧性断裂表面脆性断裂和韧性断裂表面 图图7-31 7-31 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图图7-32 7-32 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冲击击实实验验时时,有有时时在在试试样样上上预预置置缺缺
6、口口,有有时时不不加加缺缺口口。有有缺缺口口试试样样的的抗抗冲冲强强度度远远小小于于无无缺缺口口试试样样,原原因因在在于于有有缺缺口口试试样样已已存存在在表表观观裂裂纹纹,冲冲击击破破坏坏吸吸收收的的能能量量主主要要用用于裂纹扩展。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,因此预置缺口必须按标准严格操作。2
7、、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。度急剧增大。对结晶性聚合物,其玻璃化对结晶性聚合物,其玻璃化温度以上的抗冲击强度也比玻温度以上的抗冲击强度也比玻璃化温度以下的高,这是因为璃化温度以下的高,这是因为在玻璃化温度附近时,链段运在玻璃化温度附近时,链段运动释放,分子运动加剧,使应动释放,分子运动加剧,使应力集中效应减缓,部分能量会力集中效应减缓,部分能量会由于材料的力学损耗作用以热由于材料的力学损耗作用以热的形
8、式逸散。右图给出几种聚的形式逸散。右图给出几种聚丙烯试样的抗冲强度随温度的丙烯试样的抗冲强度随温度的变化,可以看出,在玻璃化温变化,可以看出,在玻璃化温度附近抗冲强度有较大的增长。度附近抗冲强度有较大的增长。图图7-33几种聚丙烯试样抗冲强度随几种聚丙烯试样抗冲强度随温度的变化温度的变化4、共混,共聚,填充的影响、共混,共聚,填充的影响实实验验发发现现,采采用用与与橡橡胶胶类类材材料料嵌嵌段段共共聚聚、接接枝枝共共聚聚或或物物理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。图图7-34CPE在在PVC/CPE共混物中的分散状态与共混时间的关系共混
9、物中的分散状态与共混时间的关系采用丁二烯与苯乙烯采用丁二烯与苯乙烯共聚得到高抗冲聚苯乙共聚得到高抗冲聚苯乙烯;采用氯化聚乙烯与烯;采用氯化聚乙烯与聚氯乙烯共混得到硬聚聚氯乙烯共混得到硬聚氯乙烯韧性体,都将使氯乙烯韧性体,都将使基体的抗冲强度提高几基体的抗冲强度提高几倍至几十倍。倍至几十倍。橡胶增韧塑料已发展橡胶增韧塑料已发展为十分成熟的塑料增韧为十分成熟的塑料增韧技术,由此开发出一大技术,由此开发出一大批新型材料,产生巨大批新型材料,产生巨大经济效益。经济效益。图图7-35CPE用量对用量对PVC/CPE共混物力学共混物力学性能的影响性能的影响共聚、共混改性效果共聚、共混改性效果与与此此相相反
10、反,若若在在聚聚苯苯乙乙烯烯这这样样的的脆脆性性材材料料中中添添加加碳碳酸酸钙钙之之类类的的粉粉状状填填料料,则则往往往往使使材材料料抗抗冲冲击击性性能能进进一一步步下下降降。因因为为填填料料相相当当于于基基体体中中的的缺缺陷陷,填填料料粒粒子子还还有有应应力力集集中中作作用,这些都将加速材料的破坏。用,这些都将加速材料的破坏。近近年年来来人人们们在在某某些些塑塑料料基基体体中中添添加加少少量量经经过过表表面面处处理理的的微细无机粒子,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。他他们们认认为为:橡橡胶胶粒粒子子能能提提高高脆脆性性塑塑料料的的韧韧
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- 第七 高聚物 断裂 力学 强度 高分子 物理 教学 课件
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