流變學第八章ppt課件-免費閱讀

　　

【正文】 其正確性已為實驗所證實 （ 8－ 23） 綜上所述，斷裂的分子理論指出了材料的宏觀斷裂系由應力活化了的鍵的斷裂這一微觀過程所控制，斷裂不單純是 — 種力學現象，而是一種力學和熱力學的綜合現象。由于無規熱漲落引起熱能或動能隨時可變、當它超過勢壘時，發生 A?B或 B?A的轉變，轉變時的頻率 ?為 ?????? ?? kTUe x p0??（ 8－ 19） 式中， ?0—— 原子熱振動的頻率，其值為 1012— 1013s1； U—— 勢壘高度即活化能； k—— 波爾茲曼常數； T——— 絕對溫度 在無應力狀態現下，如圖 (a)，由于斷裂狀態 B的勢能高于未斷裂狀態 A， B?A的幾率大于 A?B的幾率，故實際上不發生 A?B轉變，即不發生鍵的斷裂。歐文(Irwin)和奧羅萬 (Orwan)指出，這是由于裂縫根部材料在高應力作用下發生塑性形變多消耗功所致。 因此，裂縫失去穩定性的條件可表示為： ????? A??—— 材料中的內儲彈性能 A—— 裂縫面積； —— 每擴展單位面積裂縫時裂縫端點附近所釋放出來的彈性 能，稱為能量釋放率，是驅動裂縫擴展的原動力，以 ?標記。 此處， a為裂縫長度之半， ?為裂縫尖端的曲率半徑。如塑料雨農，一有裂口，稍不小心裂口就會蔓延而被撕開。根據斷裂對彈性能與表面能相等的原理，可以得到下列對線性力情況下的強度和模量的關系： ErT02 ?? ?（ 87） 式中， ?—— 比表面能，一般為 102103erg/cm2 (1erg/鍵＝ 10~7J)； r0—— 平衡態時原子間距離， 3 108cm ET 5102 ???對正弦變化應力函數： ET ??????? 101~51? 聚合物材料實際斷裂行為與結構的關系 (1)化學本性 從結構角度考慮，使聚合物具有結晶性，引入交聯鍵和增加分子鏈的剛性均有利于提高材料的強度 ， 材料的延性可用 ?B和 ?y的相互關系表示，有三種不同的情況： ① 脆性材料， ?B ?y，呈脆性斷裂； ② 部分延性材料， ?y ?B 3?y，在無凹口試驗中，呈廷性斷裂，但在有缺口試驗中，仍呈脆性斷裂； ③ 完全延性材料， ?B 3?y，呈延性斷裂 根據實驗結果．大多數成纖高聚物，屬于上述第二類。鍵的強度則決定于鍵的本性、類型。可能會有三種真應力應變曲線，如圖所示 三種真應力－應變曲線 ? 第一種情況 (圖 a)： d?f /d?總是大于 ?f /?，說明該材料不發生屈服。這種屈服變形隨試驗條件不同其大小和性質不向。對輕度交聯聚合物即橡膠而言，該溫度稱為脆化溫度 TB 脆性韌性轉變溫度 (2) 應變速率的影響 根據時溫等效原理，應變速率變化與溫度變化等效．即提高應變速率與降低溫度等效，降低應變速率與升高溫度等效。如保持應力不變，提高溫度則應變發展到與包絡線相交于 G?點，試樣斷裂。拉伸方向與原來單向拉伸取向方向相同。等細頸發展完全，即分子鏈完全取向后。硬聚氯乙烯的斷裂屬于這種類型 3) 強而韌的材料 ，它發生屈服，延伸率大，并發生應變硬化，斷裂強度高于屈服應力；同時模量高，斷裂強度也高，是高性能的材料。這種變形主要由鏈段運動產生，對線性聚合物來說，雖無交聯，但出于分子鏈的纏結，這種變形本質上大部分是彈性的，即可回復的。韌性斷裂可能會有幾種不同的情況 在屈服強度達到后應變發展不大時就發生斷裂，斷裂時的應力低于屈服應力 ?y。發生脆性斷裂的條件是材料的脆性斷裂強度低于其屈服強度 聚合物典型的斷裂行為 在脆性斷裂的應力應變區直線的斜率即為彈性模量，可以定義材料的兩個性能： 1) 剛性： 表示材料抵抗變形的能力，它的大小用彈性模量來衡量，也即應力應變圖中直線的斜率，斜率越大，模量越高，剛性越大，俗稱越硬 2) 強度： 斷裂時的應力高低表示材料的強度。直線的斜率為彈性模量。在這種破壞模式中，環境因素的作用是第一位的。根據斷裂的吸收能量的大小，可分為 脆性斷裂和韌性斷裂 。在材料的使用條件下，會受到各種不同的應力，如拉應力、彎矩、剪切、扭轉等。通常用材料的疲勞壽命與所受的應力水平之間的關系曲線表征材料的疲勞特征，這種曲線常稱為 S－ N曲線 (1) 直接加載下的斷裂 —— 材料在拉伸、壓縮、剪切等載荷作用下形變直至發生快速斷裂。不過，制件在摩擦中表面材料以碎屑形式掉落下來畢竟意味著斷裂是磨損磨耗的主要機理 。脆性斷裂時斷裂面的特征是其截面積基本不變，即末留下永久變形。從微觀上講，在應力超過 ?y后，應力已足以克服鏈段運動所需克服的勢壘，鏈段開始運動，甚至發生分子鏈之間相互滑移，即流動 超過屈服應力后應力一般略有下降。這種斷裂也稱為“應變硬化斷裂” 機理： 從微觀上來說，在屈服點后高分子鏈段開始運動。其應力應變關系為非線性的，如下圖 d所示 綜上所述，線型無定型聚合物的斷裂過程大致可分為以下六種類型，它們拉伸時的應力應變曲線如下圖所示 硬而脆的材料 硬而強的材料 強而韌的材料 軟而韌的材料 軟而弱的材料 弱而脆的材料 1) 硬而脆的材料 ，它在屈服點前發生脆性斷裂、應力應變曲線的斜率較大，即具有較高的彈性模量；同時斷裂時的應力較高，即具有較高的斷裂抗拉強度。固體狀態的低聚物，如熱塑性酚醛樹脂、環氧樹脂的斷裂屆于這種類型，它們必須經交聯形成網狀結構才能作為材料使用 評判材料的力學性能的標準可歸納為下表 晶態聚合物的斷裂行為 未取向的結晶聚合物拉伸斷裂時的應力應變曲線通常如圖中 c的形狀，即發生細頸現象并有應變硬化現象。重結晶應力與無定形聚合物的屈服應力在概念上是有區別的，但實際應用中往往不加區分 如果結晶聚合物已經取向拉伸，則有各向異性。由圖可見，隨著應變速率的提高，斷裂應力提高，而延伸率先升后降。溫度高于 400C時，它表現為韌性斷裂，隨溫度的上升延伸提高，屈服應力下降 溫度對斷裂行為的影響 屈服點 根據 IudwikDavidenkovOrowan脆性 — 延性轉交理論，假定脆性斷裂 (斷裂應力為 ?B) 和韌性斷裂 (屈服應力 ?y)是相互獨立的過程，它們對溫度有不同的依賴關系。很多聚合物在拉伸和彎曲試驗中表現出脆性，而在其他應力作用下可以發生屈服，甚至表現出高度的延性，壓疽試驗是測定材料強度的一種方法，脆性材料在壓痕試驗中表現出延性，材料表現被鋼球壓出凹痕而不致破裂，因此硬度也是脆性固體塑性的表現。工程應力應變曲線上的極大值出現時