流變學第八章ppt課件(更新版)

　　

【正文】 〕 (2)分子量 分子鏈化學成分決定以后，分子量及其分布對強度有較大的影響。此外氫鍵和分子間范德華力也是決定材料強度的因素。過 ?f＝ 0， ?＝ 0這點畫不出該曲線的切線。如溫度較低，屈服后發生強迫高彈性，形變大，而且大部分變形是彈性的，但被凍結，升高溫度可以回復。下圖為聚丙烯在不同拉伸速率時的斷裂行為，由圖可見，在高拉伸速率時的行為與低溫時相同，表現為延伸較小，韌性降低 聚丙烯在不同拉伸速率時的斷裂行為 從分子角度看，在低溫和高應變速率下，分子鏈段不能運動，因而表現出脆性。但如果試樣處于D時，則提高溫度時，應力應變不會與包絡線相交，而與 OA相交 溫度和應變速率對斷裂行為的影響 (1) 溫度的影響 溫度對線型聚合物的斷裂行為有很大影響。如取向程度已相當高，則拉伸時不再發生屈服，延伸率也較小；如取向程度較低，則可能有較大的延伸 拉伸方向與原來取向的方向垂直，則如果脆性斷裂強度低于重結晶應力，即在重結晶前斷裂，則發生脆性斷裂，強度較低；如重結晶應力較低，則斷裂過程類似于未取向的結晶聚合物，分子鏈在垂直方向重新取向和結晶，最后得到與原取向方向垂直的新結晶聚合物，最后經應變硬化斷裂 拉伸的影響 ．橡膠的斷裂 橡膠為輕度交聯的聚合物，其平衡應力應變關系已在第 5章中進行了討論。應力開始上升，即進一步變形要克服分子間的力甚至鍵力，即發生應變硬化。工程塑料如聚碳酸酯的斷裂屬于這種類型 4) 軟而韌的材料 ，它在較低的應力發生屈服，模量較低，但斷裂延伸較大，斷裂應力也較低。其中有部分變形可能涉及分子的滑移即流動。這種材料雖有韌性，但韌性很小、其強度應以屈服應力表示。強度表示固體材料對其本身破壞的阻力，也即阻止它的斷裂或者阻止它的不可逆形變時的最大應力。如前所述，形變的發生只涉及鍵的拉伸、彎曲和鍵角變化，是可完全回復的變形。應力雖然是必要的因素，但居于第二位。根據受載條件的不同，可分為以下幾類： 直接加載下的斷裂 疲勞斷裂 蠕變斷裂 環境應力開裂 磨損磨耗 (2) 疲勞斷裂 —— 材料在一個應力水平低于其斷裂強度的交變應力作用下，經多次循環作用而斷裂；材料的疲勞過程是材料中微觀局部損傷的擴展過程。聚合物作為 — 種材料，用途廣泛，對性質的要求是多種多樣的，其中力學性質尤為重要。當應力水平低于某個臨界值時，材料不出現疲勞斷裂。很難說磨損磨耗的機理純粹是材料的斷裂過程，因為制件在摩擦中產生的熱量能使材料升溫，溫度過高時，會引起材料的局部熔化、降解和氧化反應等。這個階段產生的斷面是粗糙區，從宏觀上看斷口呈一個面，實際上有許多凸凹不平的局部斷裂特征。發生屈服時的應力稱為屈服應力，用 ?y表示。這種現象稱為冷拉伸，或冷流動：在冷拉伸后應力會出現上升的現象，稱為應力硬化，最后發生斷裂。延伸率 (斷裂時的應變 )越大，斷裂能愈高 如果線性聚合物的溫度高于 Tg，它又處于高彈態，因此這時應力應變曲線中沒有屈服點．或者說它的 ?y＝ 0。末硫化的橡膠的斷裂屬于這種類型 6) 弱而脆的材料 ，它發生脆性斷裂，而且模量很低。 拉伸時出現細頸的應力稱為重結晶應力或強迫高彈性應力，是結晶聚合物的重要機械性能之一。 A、 B、 C各點為不同應變速率時的斷裂點。如圖所示，在溫度低于 400C時，它表現為脆性斷裂，模量和斷裂強度隨溫度的升高而降低。例如固化的酚醛樹脂在拉伸試驗中表現出脆性斷裂，而在純剪切或壓力下有可能表現出延性。下圖畫出了工程應力應變曲線和真應力應變曲線。從分子結構的角度來看，聚合物之所以具有抵抗外力破壞的能力，主要靠分子內的化學鍵力和分子間的范德華力和氫鍵 聚合物斷裂的微觀機理有的三種可能。為： drdU??由圖中曲線 b，顯然 r r0時， ?0，此時為引力； r r0時， ?0，此時為斥力；在 r＝ r0時，引力和斥力相等， ?=0 (84) 如果使鍵破壞則需作功，此功實際上就是鍵能： ??? 00 r drU ? (85) 若 r0為原點，原子間距拉長的形變 x為橫坐標，力 ?為縱坐標，可作出下圖所示的曲線 成鍵原子間作用力隨原子間距的變化 顯然，此曲線的極大值 ?max即是單個鍵的強度。而取向狀況又可分為晶區取向和非晶區取向。在一薄板上刻出一園孔，施以平均張應力 ?0，在孔邊上與 ?0方向成 ?角的切向應力分量 ?t可表示為： ???? 2c o s2 00 ??t （ 8－ 9） 此式指出，在通過圓心并和應力平行的方向上 (?＝ 0)，孔邊切向應力等于 ?0。 在這種情況下，裂縫尖端處的最大張應力 ?m表示為： ????? aam 00 221 ???????????（ 8－ 11） Griffith斷裂理論 按照上述觀點，當裂縫尖端變成無限的尖銳，即 ??0時，材料的強度就小到可以忽略的程度。它指出，對于長度為 2a的某裂縫，只要外應力 ??c，裂縫能穩定，材料有安全的保證 212???????aE sc ???Ea sc ??? 2)( 21 ?應力強度因子KI 21)( aK c ????KI的定義告訴我們，材料的斷裂與外應力和銀紋長度的乘積有關。裂縫斷裂理論是現今工程斷裂力學助理論基礎，這一理論已能對脆性斷裂作定量分析：對于金屬的韌性和疲勞斷裂時裂縫擴展的速率以及橡膠的撕裂強度、環境強度等亦作出了完善的解釋。可近似 ?????? ?? kTU ABe x p0* ?? （ 8－ 20） ???? 0UU ABUAB為應變下 A?B的勢壘 （ 8－ 21） ?????? ??? kTU ???? 00* e x p（ 8－ 22） U0為未應變時 UAB的值， ?為常數，稱為活化體積，它與聚合物的分子結構和分子間力有關，其值大致與原子鍵離解的活化體積相當 為了衡量材料的強度，規定必須有一定數目的鍵破裂，以致剩余的完整鍵失去承載的能力。下圖示意了大分子鏈降解生成亞微裂縫的過程 最后： 初始亞微裂縫聚集成大的主裂縫，引起固體的最終斷裂 由大分子鏈降解生成亞微裂縫示意圖 對聚合物內初始亞微裂縫的發生和聚集的進一步觀測研究，有人認為，在機械應力作用下初始亞微裂縫發展到宏觀裂縫可分為兩個主要階段： 第一階段為初始亞微裂縫的逐漸積累，即其密度的增加 第二階段是包括初級亞微裂縫的聚集，即其大小的增大