第6章高聚物的力学强度ppt课件.ppt

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1、第6章高分子材料的力学强度及破坏本章主要内容第1节高分子材料的应力-应变特性1．1应力－应变曲线及其类型1．2影响应力-应变行为的外部因素1．3关于屈服变形的讨论1．4强迫高弹形变与“冷拉伸”第2节高分子材料的破坏和强度2．1宏观破坏方式2．2关于断裂过程的讨论2．3高分子材料的强度2．4高分子材料的增强改性第3节聚合物断裂力学3．1线弹性断裂力学3．2弹塑性断裂理论，J积分第4节高分子材料的抗冲击性能和增韧改性4．1抗冲击强度4．2影响抗冲击性能的因素4．3高分子材料的增韧改性第1节高分子材料的应力-应变特性1．1应力－应变曲线及其类型1．1．1单轴拉伸实验图6-1哑铃型标准试

2、样示意图（6-2）（6-1）注意此处定义的应力σ等于拉力除以试样原始截面积A0，这种应力称为工程应力或标称应力（nominalstress）；相应地，ε称为工程应变或标称应变（nominalstrain）图7-2典型的拉伸应力-应变曲线典型高分子材料拉伸应力-应变曲线（2）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。（3）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

3、能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。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。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（a）硬而脆型（b）硬而强型（c）硬而韧型（d）软而韧型（e）软而弱型曲线的类型（a）（b）虚线为工程应力曲线；实线为真应力曲线图6-4（a）圆柱形压缩实验样品；（b）聚碳酸酯的拉伸和压缩应力-应变曲线对比看出压缩强度往往大于拉伸强度。对拉伸实验，工程应力曲线比真应力曲线低；对压缩实验，工程应力曲线比真应力曲线高

4、。1．1．2单轴压缩实验1．2．1温度的影响图7-4聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变曲线随环境温度的变化（常压下）环境温度对高分子材料拉伸行为的影响十分显著。温度升高，分子链段热运动加剧，松弛过程加快，表现出材料模量和强度下降，伸长率变大，应力－应变曲线形状发生很大变化。材料的拉伸断裂强度和屈服强度随环境温度而发生变化。屈服强度受温度变化的影响更大些。1．2影响应力-应变行为的外部因素图7-5断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势虚线——高拉伸速率实线——低拉伸速率在温度升高过程中，材料发生脆-韧转变。两曲线交点对应的温度称脆-韧转变温度。当环境温度小于时，材料的＜，受外力作用时，材料未

5、屈服前先已断裂，呈脆性断裂特征。环境温度高于时，＞，受外力作用时，材料先屈服，出现细颈和很大变形后才断裂，呈韧性断裂特征。材料的脆-韧转变1．2．2形变速率的影响减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。图7-6断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势实线——低环境温度虚线——高环境温度与脆-韧转变温度相似，根据图中两曲线交点，可以定义脆-韧转变（拉伸）速率。拉伸速率高于时，材料呈脆性断裂特征；低于时，呈韧性断裂特征。拉伸速率对材料的断裂强度和屈服强度也有明显影响。1．2．3环境压力的影响图7-7聚苯乙烯的应力-应变曲线随环境

6、压力的变化（T=31℃）右图可见，PS在低环境压力（常压）下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低。随着环境压力升高，材料强度增高，伸长率变大，出现典型屈服现象，材料发生脆-韧转变。研究发现，对许多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆-韧转变行为还与环境压力有关。两种转变方式有很大差别。温度升高使材料变韧，但同时材料拉伸强度明显受损。另一方面，升高环境压力也使材料变韧，在增韧同时材料的强度也得到提高，材料变得强而韧。两种脆-韧转变的差别1）剪切屈服图6-11拉力作用下聚碳酸酯试样中产生“颈缩”和剪切屈服带的照片注意剪切屈服带与应力方向成45度角，出现剪切屈服带的区域开始出现“颈缩

7、”剪切屈服是最重要的屈服形式。拉伸应力-应变实验中，试样发生屈服时在试样中部经常出现“颈缩”（neck-down）现象，颈缩处出现与拉伸方向大约成45°角的肩形斜面。剪切屈服时材料内部的微结构，包括晶区、分子束、分子链都会沿剪切方向发生相对滑移，消耗大量变形能。在压缩形变、弯曲形变屈服时，材料内部都可能发生剪切屈服。剪切屈服时材料宏观体积不变。1．3关于屈服变形的讨论2）拉伸屈服（a）（b）图6-12结晶聚合物的拉伸屈服a,聚丙烯试样中球晶间出现微细纤维（SEM照片）b,聚氨酯试