063第六章力学性能塑性和屈服断裂和强度增韧疲劳磨耗110919文档格式.docx
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Y-屈服点屈服应力σy,屈服应变εy
σ<
σy,弹性区(y点前);
σ>
σy,塑性区(y点后)
D-冷拉点冷拉应力σd
YD:
应变软化:
ε↑,σ↓,DC:
颈缩阶段,CB:
取向硬化
B-断裂点断裂强度σb:
判断材料的强和弱;
断裂应变εb:
判断材料的变形程度;
判断材料的刚和软;
断裂能:
判断材料的脆和韧。
6.4.1.2根据材料的σ-ε行为,材料的五种类型
(1)硬而脆:
无屈服点,εb小(2%)(PS,PMMA)
(2)硬而韧:
Eσyσbεb大,无明显屈服点,有细颈(PA、PC)
(3)硬而强:
高Eσbεb小(5%)(PVC,HIPS)
(4)软而韧:
E小,无明显屈服点,εb很大(橡胶、软PVC)
(5)软而弱:
凝胶、溶胶塑料
“软”和“硬”用于区分模量的低或高,“弱”和“强”是指强度的大小,“脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很小,“韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高,有时可将断裂功作为“韧性”的标志。
6.4.1.3试验温度和试验速率对σ-ε曲线的影响
(1)温度(在没有松弛转变的温度范围内)
T↑→εb↑、σb↓,σ-ε曲线形状可能改变:
硬而脆→软而弱
(2)应变速率
增加应变速率和降低温度对应力-应变曲线的影响是等效的。
应变速率↑→延展性↓(变脆)E↑、σ↑、ε↓,曲线形状改变(相当于T↓)
(3)应变软化和应变硬化
ε↑→σ↓应变硬化:
ε↑→σ↑
结晶和取向(应变硬化)→使塑性不稳定区→稳定
6.4.2高聚物屈服过程的特征
6.4.2.1高聚物的屈服过程
脆性断裂-在材料出现屈服之前发生的断裂;
韧性断裂-在材料屈服之后的断裂。
由应力-应变曲线可以得出材料的以下参数:
杨氏模量,极限伸长度和抗张强度。
根据断裂前是否发生屈服来判断材料是延性还是脆性材料,由曲线下的面积还可求出断裂功。
初始阶段的斜率即为初始模量E。
(1)材料屈服-当材料在外力作用下产生明显塑性变形的临界状态。
高聚物的屈服过程的σ-ε曲线可分为三个区域:
普弹区(σ-ε为直线关系)、应变软化区、应变硬化区
(2)细颈现象:
塑性不稳定性(形变不均匀性)
出现细颈的原因:
a、截面不均,较小部位首先屈服
b、材质不均,薄弱区首先屈服(局部应力集中)
细颈形成的热效应:
拉伸→热效应→温度↑→σy↓
(3)冷拉和冷拉应力σd
应变软化和硬化相平衡(dσ/dε=0)→σd(冷拉成颈或去除外力)
→应变硬化,形变保持
(4)强迫高弹性
玻璃态高聚物在大外力作用下发生大形变。
这种形变在温度升高到Tg以上时能够回复,为了与普通的高弹形变区分开来,通常称为强迫高弹形变。
T≥Tg,高弹性
T<
Tg(T稍小于Tg),外力作用→σy<
σb,先屈服后断裂→产生强迫高弹性
→加热到Tg以上→形变回复
<
Tg(T远小于Tg),外力作用→σy>
σb,未屈服先断裂(脆性玻璃态)
→不产生强迫高弹性
脆化温度Tb:
σy=σb时对应的温度,则Tg~Tb→强迫高弹态,
Tb→脆性玻璃态
6.4.2.2高聚物屈服过程的特征
(1)屈服应变大:
金属0.01,高聚物≈0.2,如PMMA:
0.13(压缩),0.25(剪切)
(2)屈服后出现应变软化:
过屈服点后,ε↑,σ↓
(3)屈服应力对温度、应变速率有强烈的依赖性
应变速率↑→σY↑,(σb↑,E↑,εb↓)(与稳定细颈的形成有关)
T↑→σY↓
(4)屈服后体积略有缩小
(5)Bauschinger效应明显:
σY压缩>
σY拉伸(金属材料σY压缩=σY拉伸)
6.4.2.3聚合物的屈服判断
(1)Trasca(屈瑞斯卡)准则:
达到剪切应力σs时破坏(最大切应力理论)
(2)VonMises(米塞司)准则:
达到剪切应变εs产生破坏(最大变形能理论)
(3)Coulomb(库仑)屈服准则(适合于聚合物材料)
当屈服面上的剪切应力τ加上作用在该面上的法向应力的某个常数倍,而达到一定临界值时,即:
τ+μσn=σ0,就产生屈服。
(μ—内摩擦系数)
①σy压/σy拉=(1+μ)/(1-μ),μ≈0.05,σy压≈1.11σy拉
②在压缩或拉伸情况下,屈服应力随压力的增加而线性地增加。
③在压缩情况下,应力—应变曲线的斜率比拉伸时的大。
6.4.2.4高聚物的σy的其它影响因素
(1)所有的非晶和晶态高聚物,σy对压力P的依赖性有近似线性的关系。
P↑→σy↑,σy晶>σy非晶
(2)低模量高聚物的σy比高模量高聚物的σy受压力P的影响大。
(3)淬火对σy的影响:
改变了材料的聚集态结构。
PS:
110℃→冰水→σy,110℃→24h→室温→0.88σy;
PC:
110℃→冰水→σy,110℃→24h→室温→σy↑15%,ρ↑0.2%
(4)添加剂的影响
增塑剂和内润滑剂↑,σy↓
6.4.2.5高聚物屈服的微观解释
屈服行为必须与高聚物分子内部的结构联系起来,即发生屈服时分子构象的局部变化联系起来。
(1)自由体积理论:
外加应力增加分子链的活动性→Tg↓→链段运动
→完全屈服,但屈服时自由体积无增加。
(2)缠结破坏理论:
屈服时破坏了邻近分子间的相互作用,包括各种几何缠结和次价键力的破坏,较好解释材料在屈服后的应变软化现象。
(3)Argon理论:
高聚物发生塑性形变的阻力主要来自分子间的相互作用,分子扭曲的产生形变。
这种理论可以满意解释从00K~Tg范围内的玻璃化高聚物的塑性流动,并说明材料屈服之后的应变硬化是来自分子重排的熵阻力。
这种理论把屈服作为活化速度过程,建立在Eying等指出的应力促进热活化塑性形变微观机制基础上。
(4)Eying理论:
应力增加引起内粘度下降。
屈服过程包含了更大量的分子链段的协同运动。
6.4.3细颈
6.4.3.1细颈现象的形成
(1)细颈现象:
(2)细颈形成原因:
几何原因和应变软化
(3)细颈形成的必要条件:
Considere作图:
dσ真/dε=σ真/(1+ε)
(4)细颈形成的热效应:
拉伸→热效应→温度↑→σy↓
6.4.3.2高聚物的成颈
(1)非晶玻璃态高聚物(拉伸屈服、冷拉)
冷拉→链段沿拉伸方向取向伸展→强迫高弹形变→形成细颈
→取向态结构(稳定细颈尺寸)
取向态结构链段运动能力↓→Tg↑→取向方向刚性增加(应变硬化)
(2)部分结晶高聚物(成颈温度Tg<
T≈Tm)
部分结晶高聚物的应力应变曲线可分为三个阶段:
a.应力随应变线性地增加,试样被均匀拉长,伸长率可达百分之几到十几,到y点后,试样截面开始变得不均匀,出现一个或几个“细颈”,即进入第二阶段。
b.细颈与非细颈部分的横截面积分别维持不变,而细颈部不断扩展,非细颈部分逐渐缩短,直到整个试样完全变细为止。
在第二阶段的应变过程中应力几乎不变,最后,进入第三阶段。
c.成颈的试样又被均匀拉伸,此时应力又随应变的增加而增大,直到断裂为止。
冷拉→晶片相对滑移、非晶区分子链伸展→晶区发生倾斜和转动、沿拉伸方向重排→晶片内部发生滑移和分段→取向、细颈形成(二次晶体熔融-结晶的相转变过程:
①强迫高弹性②应变诱导结晶、取向)
成颈原因:
球晶片晶变形(片晶滑移、破裂,形成微丝结构)
6.4.4应力—应变曲线的影响因素
(1)温度的影响
在没有松弛转变的温度范围内,
T↑→E↓,ε↑,强度↓,分子间作用力↓,曲线形状改变:
(PMMA:
硬而脆→软而韧)。
(2)应变速率的影响
a.应变速率↑→延展性↓(变脆),E↑,σ↑,ε↓,形状改变(相当于降低温度)
b.应变速率较低时,断裂强度>屈服强度(取向和再结晶引起)
c.应变速率很高时,明显升温,必须同时考虑温度和应变速率的影响
(“断裂点轨迹”:
应力—应变曲线随温度和形变速率的变化)
(3)流体静压力的影响
a.P↑(给定温度)→T↓(给定压力):
E↑,曲线形状改变。
b.对不同高聚物有不同影响:
PVC:
P↑→脆,ε↓→→P↑→ε↑
PS、PI:
P↑→脆→韧
c.对模量的影响:
EP=E0+mP,m=2(5–4υ)(1-υ),υ—泊松比
(4)结晶度的影响
结晶度↑→σY↑,强度↑,E↑,硬度↑,刚度↑,ε↓,冲击↓
球晶尺寸:
大球晶→ε↓,韧性↓
(5)取向的影响
沿取向方向:
取向程度↑→强度↑↑,模量↑;
垂直取向方向:
强度低、易断裂
(6)分子量的影响
通常范围内对σy、E无影响,对断裂性能影响较大(σb=A-B/Mn)
(7)交联网络的影响
(8)增塑剂的影响
6.4.5银纹现象
(1)银纹现象
银纹:
高聚物在张应力作用下,于材料某些薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向,以至在材料表面或内部垂直于应力方向出现长度为100微米、宽度为10微米左右、厚度约为1微米的微细凹槽的现象。
银纹是聚合物所特有的现象。
玻璃态高聚物→拉应力→局部出现应力集中→产生塑性形变和取向
→产生垂直于拉应力的微细沟槽(银纹)→银纹断裂
(2)银纹的特点
银纹与裂纹不同:
银纹-银纹质,约含50%的微纤束,空穴50%;
裂纹-裂纹是空的。
(3)引发银纹的因素
应力因素:
产生有序银纹
环境因素:
产生无序银纹。
环境介质作用使引发银纹所需的应力或应变大为降低。
(4)银纹在脆性断裂中的作用
橡胶增韧塑料:
PS的增韧→HIPS
机理:
橡胶粒子引发周围PS相产生大量银纹并控制其发展,吸收塑性变形能,材料的韧性↑。
6.4.6应力发白现象及其对聚合物物理性能的影响
PP、PE、HIPS、ABS、高分子合金及填充聚合物等塑料制品在使用过程中受到拉伸、弯曲、冲击等外力作用时经常会出现发白现象。
若对已存在应力发白的试样进行热处理(如加热到Tg以上等)或在高压下拉伸,发白区能部分或全部消失。
应力发白的定义大致有两种:
一种是聚合物材料在应力作用下局部发白;
另一种认为聚合物材料在应力作用下产生大量银纹,银纹区内折光指数降低而呈现一片银白色。
后者将应力发白现象等同于银纹现象,而前者并不认为应力发白区就一定是银纹区。
应该说前者更具