07第七章高聚物的断裂和力学强度第一部分.ppt

第七章 高聚物的断裂和力学强度 Chapt.7 The Failure and Strength of Solid Polymers 计划学时：8-10学时 主要参考书： 何曼君主编：高分子物理 金日光主编：高分子物理 Brostow: Failure of Plastics * * 第一部分 Part 1 理论上，根据完全伸直链晶胞参数求得的聚乙烯最高理论强度达1.9x104MPa，是钢丝的几十倍。 实验室中，已经获得 高拉伸聚酰胺纤维在液 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、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。 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 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 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。 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。 主要内容及学习线索： 一、高分子材料的 拉伸应力-应变特性 应力－应变曲线及其类型 影响拉伸行为的外部因素 强迫高弹形变与“冷拉伸” 二、高分子材料的 断裂和强度 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 高分子材料的强度 高分子材料的增强改性 三、高分子材料的 抗冲击强度和增韧改性 抗冲击强度实验 影响抗冲击强度的因素 高分子材料的增韧改性 一、高分子材料的拉伸应力-应变特性 （一）应力－应变曲线及其类型 图7-1 哑铃型标准试样 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，标距长度为l0，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- 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。 设以一定的力 F 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： 注意此处定义的应力σ等于拉力除以试样原始截面积A0，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。同样这儿定义的应变为工程应变，属于应变的Euler度量。 （7-1） （7-2） 典型高分子材料拉伸应力-应变曲线如图7-2所示。 应力 应变 图7-2 典型的拉伸应力-应变曲线 曲线特征： （1）OA段，为符合虎克定律的弹性形变区，应力－应变呈直线关系变化，直线斜率 相当于材料弹性模量。 （2）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，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”现象，材料应力略有下降，发生“屈服软化”。 （3）随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，“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（成颈硬化），到达B点发生断裂。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 （7-3） 相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为J?m-3，称断裂能或断裂功。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－应变曲线具有多种形状。归纳起来，可分为五类 。 图7-3 高分子材料应力-应变曲线的类型 曲线的类型 （1）硬而脆型 （2）硬而强型 （3）硬而韧型 （4）软而韧型 （5）软而弱型 （3）硬而韧型 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，说明材料韧性好，是优良的工程材料。 （1）硬而脆型 此类材料弹性模量高（OA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。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。 （2）硬而强型 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5%）。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。 说明 （5