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