流變學(xué)第八章ppt課件(留存版)

　　

【正文】 結(jié)晶破壞，開始出現(xiàn)細(xì)頸，同時(shí)鏈段開始運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變，分子鏈段沿拉伸方向取向，并重新形成結(jié)晶。將斷裂點(diǎn) A、 B、 C等連接起來(lái)得到的曲線稱為包絡(luò)線 橡膠的斷裂行為 根據(jù)包絡(luò)線、可以分析橡膠的力學(xué)行為。一般應(yīng)力性質(zhì)變化時(shí)其斷裂行為變化趨勢(shì)如下 壓縮 簡(jiǎn)單剪切 拉伸 沖擊 延性減小 脆性增大 動(dòng)態(tài)負(fù)荷下，聚合物在 106— 107周期后破裂，同時(shí)應(yīng)力水平比靜態(tài)負(fù)荷下的屈服應(yīng)力或極限應(yīng)力低得多 在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力作用下，由于聚合物的蠕變，聚合物的斷裂強(qiáng)度降低 固體聚合物的屈服行為 在拉伸試驗(yàn)中固體聚合物發(fā)生屈服時(shí)，發(fā)生剪切變形。如果高分子鏈的排列方向是垂直于受力方向的，則斷列時(shí)可能是范德華力或氫鍵的破壞 聚合物微觀斷裂過(guò)程的三種模型示意圖 聚合物的斷裂涉及到化學(xué)鍵 (在碳鏈聚合物中為 C— C鏈 )的斷裂。如果我們使們不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的纖維，并用其強(qiáng)度對(duì)相應(yīng)的結(jié)晶度作圖，將會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)十分散亂，這充分說(shuō)明結(jié)晶度不是決定強(qiáng)度的主要因素 聚丙烯球晶尺寸與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系 實(shí)踐證明，現(xiàn)今的工藝水平尚不能保證在材料的表面和結(jié)構(gòu)中不存亂缺陷 (如表面劃痕、內(nèi)部夾雜、微孔、銀紋、裂縫、晶界、相界面等 )。一個(gè)具有尖銳裂縫的材料，有沒(méi)有有限的強(qiáng)度？為了得到一個(gè)滿意的答案，必須進(jìn)一步弄清楚發(fā)生斷裂的必要條件和充分條件。下述分子動(dòng)力學(xué)理論，則從微觀上闡明了斷裂的本質(zhì) Griffith理論本質(zhì)上是一個(gè)熱力學(xué)理論，它只考慮了為斷裂形成新表面所需要的能量之間的關(guān)系，沒(méi)有考慮聚合物材料斷裂的時(shí)間因素，這也是該理論的不足之處。從獲得的資料，不僅進(jìn) — 步證實(shí)了上述固體強(qiáng)度的分子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)．而且還了解到斷裂的詳細(xì)微觀歷程，它大致可分為 三個(gè)階段 第一階段： 由于結(jié)構(gòu)的不均一性，使負(fù)載分布不均勻，結(jié)果在一些鍵上應(yīng)力集中形成局部斷裂微點(diǎn)。因此，裂縫擴(kuò)展所需要的能量還應(yīng)包括這一區(qū)域的塑性功 ?p，即 ?＝ ?s＋ ?p。這樣，當(dāng)應(yīng)力集中到一定程度時(shí)就會(huì)達(dá)到和超過(guò)分子、原子的最大內(nèi)聚力而使材料破壞 . 。一般來(lái)說(shuō)，分子量越大，強(qiáng)度也越高， 在一定范圍內(nèi)，可用下式表示 nB MBA ??? （ 8－ 8） 分子量對(duì)屈服強(qiáng)度的直接影響不明顯，但影響脆性強(qiáng)度及斷裂行為。橡膠在溫度高于 Tg時(shí)，如氯丁膠屬于這種情況 ? 第二種情況 (圖 b)：在曲線有一點(diǎn)可畫出通過(guò) ?f＝ 0， ?＝ 0點(diǎn)的切線。而提高溫度和在低應(yīng)變速率下，分子鏈段有足夠的時(shí)間運(yùn)動(dòng)、因而表現(xiàn)出韌性 （ 3）應(yīng)力性質(zhì)的影響 在不同性質(zhì)應(yīng)力作用下，同一材料可表現(xiàn)山不同的斷裂行為。橡膠的斷裂過(guò)程與線型聚合物有所不同，在高于 Tg時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)交曲線中沒(méi)有屈服點(diǎn) 在不同應(yīng)變速率下 (或不同溫度下 )測(cè)定橡膠的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可得到如圖的結(jié)果。這種材料也稱為柔性材料，其柔性好。這種韌性斷裂稱為“非應(yīng)變硬化斷裂” 在屈服后應(yīng)力基本不變而應(yīng)變不斷增大，在試樣的某些部位截面則突然縮小，形成一個(gè)細(xì)頸。這部分變形也稱為普彈變形 斷裂機(jī)理： 脆性斷裂過(guò)程有兩個(gè)階段，首先由一最危險(xiǎn)處形成裂紋源并緩慢發(fā)展而形成鏡面區(qū)，這是第一階段。使材料發(fā)生疲勞斷裂所需經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)稱為材料的疲勞壽命， — 般用 Nf表示。材料所受的應(yīng)力水平越低，疲勞壽命越長(zhǎng)。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度 (臨界值 )時(shí)，斷裂立即發(fā)生，這是第二階段，即快速發(fā)展階段。形成細(xì)頸后繼續(xù)拉伸時(shí)，或者是細(xì)頸部分不斷地變得更細(xì)，或者是細(xì)頸直徑不變，出現(xiàn)細(xì)頸的肩部被拉伸成細(xì)頸部，但細(xì)頸越來(lái)越長(zhǎng)，這時(shí)應(yīng)力近似恒定。軟聚氯乙烯、低密度聚乙烯的斷裂屬于這種類型 5) 軟而弱的材料 ，它的模量低，但有 — 定延伸，斷裂強(qiáng)度低。圖中 OA、 OB、 OC等為在不同應(yīng)變速率下測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變曲線，應(yīng)變速率按圖中箭頭方向增大。施加流體靜壓力，可以使脆性固體表現(xiàn)在延性。說(shuō)明在該點(diǎn)的真應(yīng)力材料發(fā)生屈服，形成細(xì)頸 ? 第三種情況 (圖 c)：在曲線有兩點(diǎn)可通過(guò) ?f＝ 0， ?＝ 0點(diǎn)作切線，表示在第一個(gè)真應(yīng)力處發(fā)生屈服，并發(fā)生冷拉伸，然后在第二個(gè)真應(yīng)力處發(fā)生應(yīng)變硬化 固體聚合物的強(qiáng)度 材料的強(qiáng)度表征材料抵抗斷裂的能力。如聚乙烯的熔融指數(shù) (MFI)為 ，拉伸試驗(yàn)中材料屈服并發(fā)生冷拉伸和應(yīng)變硬化，當(dāng) MFI為 時(shí)則只發(fā)生屈服和冷拉伸，而當(dāng) MFI為 70，則僅有屈服發(fā)生 (3) 結(jié)晶和取向 結(jié)晶和取向狀況是高聚物極重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)晶狀況包括晶型、晶區(qū)尺寸和結(jié)晶區(qū)幾個(gè)方面。可以看出，裂縫對(duì)降低材料的強(qiáng)度起著重要作用，尤其是致命的銳利裂縫。聚合物材料的表面功除了以上兩項(xiàng)外，還有一項(xiàng)份量可能相當(dāng)大的粘彈性功，它是在裂縫傳播過(guò)程小產(chǎn)生的，并以熱的形式耗散掉。如聚丙烯薄膜中，絕大部分鏈段所承擔(dān)的應(yīng)力接近于外加的平均應(yīng)力，而有些鏈段承受的應(yīng)力則可高達(dá) (10～ 20) l08N/m2，實(shí)驗(yàn)側(cè)得：這種集中了應(yīng)力的鏈段數(shù)目與聚丙烯中非晶態(tài)部分的含量成正比 第二階段： 是集中了應(yīng)力的鍵，由于熱漲落而斷裂，同時(shí)生成亞微裂縫 (Submicrorack)。盡管如此，該理論在本質(zhì)上是建立在幾何性質(zhì)和靜態(tài)特性基礎(chǔ)上的，很少考慮材料的物理本質(zhì)。這樣，問(wèn)題就發(fā)生了。球晶的大小對(duì)結(jié)晶高聚物力學(xué)性能有明顯的影響 至于結(jié)晶度，近年來(lái)大量實(shí)驗(yàn)證明，它雖對(duì)模量和屈服應(yīng)力有較大影響，但對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響并沒(méi)有明顯的規(guī)律。如果高分子鏈的排列方向是平行于受力方向的，則斷裂時(shí)可能是化學(xué)鍵的斷裂或分子間的滑脫。很多聚合物在拉伸和彎曲試驗(yàn)中表現(xiàn)出脆性，而在其他應(yīng)力作用下可以發(fā)生屈服，甚至表現(xiàn)出高度的延性，壓疽試驗(yàn)是測(cè)定材料強(qiáng)度的一種方法，脆性材料在壓痕試驗(yàn)中表現(xiàn)出延性，材料表現(xiàn)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(xiàn)。由圖可見，隨著應(yīng)變速率的提高，斷裂應(yīng)力提高，而延伸率先升后降。固體狀態(tài)的低聚物，如熱塑性酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂的斷裂屆于這種類型，它們必須經(jīng)交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)才能作為材料使用 評(píng)判材料的力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)可歸納為下表 晶態(tài)聚合物的斷裂行為 未取向的結(jié)晶聚合物拉伸斷裂時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線通常如圖中 c的形狀，即發(fā)生細(xì)頸現(xiàn)象并有應(yīng)變硬化現(xiàn)象。這種斷裂也稱為“應(yīng)變硬化斷裂” 機(jī)理： 從微觀上來(lái)說(shuō)，在屈服點(diǎn)后高分子鏈段開始運(yùn)動(dòng)。脆性斷裂時(shí)斷裂面的特征是其截面積基本不變，即末留下永久變形。通常用材料的疲勞壽命與所受的應(yīng)力水平之間的關(guān)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