高聚物的断裂和力学强度.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:何曼君主编:高分子物理何曼君主编:高分子物理金日光主编:高分子物理金日光主编:高分子物理Brostow:Failure of Plastics第一部分第一部分Part1 理论上,根据完全伸理论上,根据完全伸直链晶胞参数求得的聚直链晶胞参数求得的聚乙烯最高理论强度达乙烯最高理论强度达1.9x104MPa,是钢丝的是钢丝的几十倍。几十倍。实验室中,已经获得实验室中,已经获得高拉伸
2、聚酰胺纤维在液高拉伸聚酰胺纤维在液氮中的最高实际强度达氮中的最高实际强度达2.3x103MPa。在高分子材料诸多应用中,作为结构材料使用是其最常见、在高分子材料诸多应用中,作为结构材料使用是其最常见、最重要的应用。在许多领域,高分子材料已成为金属、木材、最重要的应用。在许多领域,高分子材料已成为金属、木材、陶瓷、玻璃等的代用品。陶瓷、玻璃等的代用品。引言引言 之所以如此,除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀之所以如此,除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀等优点外,还因为它具有较高的力学强度和韧性。等优点外,还因为它具有较高的力学强度和韧性。本章一方面介绍描述高分子材料宏观力学强度的物理
3、量和演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;另一方面从分子结构特点探讨影响高分子材料力学强化规律;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,为研制设计性能更佳的材料提供理论指导。度的因素,为研制设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机理。分子材料力学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鉴于高分子材
4、料力学状态的复杂性,以及力学状态与外部环境杂性,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。的使用环境和使用条件有关。主要内容及学习线索:主要内容及学习线索: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
5、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 图图7-1哑铃型标准试样哑铃型标准试样 常用的哑铃型标准试样如图常用的哑铃型标准试样如图7-1所示,试样中部为测试部分,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
6、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。设以一定的力设以一定的力F 拉伸试样,使两标距间的长度增至拉伸试样,使两标距间的长度增至,定义试样中的应力和应变为:,定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
7、。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,属于应变的同样这儿定义的应变为工程应变,属于应变的Euler度量。度量。(7-1)(7-2)典型高分子材料拉伸应力典型高分子材料拉伸应力-应变曲线如图应变曲线如图7-2所示。所示。应力应力应变应变图图7-2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。(2 2)越过)越过A点,应力应变曲线偏离直线,说明材料开
8、始发点,应力应变曲线偏离直线,说明材料开始发生塑性形变,极大值生塑性形变,极大值Y点称材料的屈服点,其对应的应力、应点称材料的屈服点,其对应的应力、应变分别称屈服应力(或屈服强度)变分别称屈服应力(或屈服强度)和屈服应变和屈服应变 。发生。发生屈服时,试样上某一局部会出现屈服时,试样上某一局部会出现“细颈细颈”现象,材料应力略现象,材料应力略有下降,发生有下降,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,材料应力又略有区越来越大。直到拉伸应变很大时,材料应力又略有上升(
9、成颈硬化),到达上升(成颈硬化),到达B点发生断裂。与点发生断裂。与B点对应的应力、点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度(或断裂强度)应变分别称材料的拉伸强度(或断裂强度)和断裂伸长和断裂伸长率率 ,它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。,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(7-3)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于高分子材料种类繁多
10、,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。图图7-3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)硬而脆型此类材料弹性
11、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%)。)。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。硬
12、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。硬而韧的材料,在拉伸过程中显示出明显
13、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乙烯制品在很(如拉伸速率)的影
14、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拉伸速率是很重要的。因此规定标
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- 高聚物 断裂 力学 强度
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