文档介绍：第七章高聚物的断裂和力学强度 The Failure and Strength of Solid Polymers
计划学时:8-10学时
主要参考书:
何曼君主编:高分子物理
金日光主编:高分子物理
Brostow: Failure of Plastics
第一部分 Part 1
理论上,,是钢丝的几十倍。
实验室中,已经获得
高拉伸聚酰胺纤维在液
氮中的最高实际强度达
。
在高分子材料诸多应用中,作为结构材料使用是其最常见、最重要的应用。在许多领域,高分子材料已成为金属、木材、陶瓷、玻璃等的代用品。
引言
之所以如此,除去它具有制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀
等优点外,还因为它具有较高的力学强度和韧性。
本章一方面介绍描述高分子材料宏观力学强度的物理量和演化规律;另一方面从分子结构特点探讨影响高分子材料力学强度的因素,为研制设计性能更佳的材料提供理论指导。
为了评价高分子材料使用价值,扬长避短地利用、控制其强度
和破坏规律,进而有目的地改善、提高材料性能,需要掌握高
分子材料力学强度变化的宏观规律和微观机理。
鉴于高分子材料力学状态的复
杂性,以及力学状态与外部环境
条件密切相关,高分子材料的力
学强度和破坏形式也必然与材料
的使用环境和使用条件有关。
主要内容及学习线索:
一、高分子材料的
拉伸应力-应变特性
应力-应变曲线及其类型
影响拉伸行为的外部因素
强迫高弹形变与“冷拉伸”
二、高分子材料的
断裂和强度
宏观断裂方式,脆性断裂和韧性断裂
断裂过程,断裂的分子理论
高分子材料的强度
高分子材料的增强改性
三、高分子材料的
抗冲击强度和增韧改性
抗冲击强度实验
影响抗冲击强度的因素
高分子材料的增韧改性
一、高分子材料的拉伸应力-应变特性
(一)应力-应变曲线及其类型
图7-1 哑铃型标准试样
常用的哑铃型标准试样如图7-1所示,试样中部为测试部分,标距长度为l0,初始截面积为A0。
研究材料强度和破坏的重要实验手段是测量材料的拉伸应力-
应变特性。将材料制成标准试样,以规定的速度均匀拉伸,测量
试样上的应力、应变的变化,直到试样破坏。
设以一定的力 F 拉伸试样,使两标距间的长度增至,定义试样中的应力和应变为:
注意此处定义的应力σ等于拉力除以试样原始截面积A0,这种应力称工程应力或公称应力,并不等于材料所受的真实应力。同样这儿定义的应变为工程应变,属于应变的Euler度量。
(7-1)
(7-2)
典型高分子材料拉伸应力-应变曲线如图7-2所示。
应力
应变
图7-2 典型的拉伸应力-应变曲线
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。
(2)越过A点,应力-应变曲线偏离直线,说明材料开始发生塑性形变,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。发生屈服时,试样上某一局部会出现“细颈”现象,材料应力略有下降,发生“屈服软化”。
(3)随着应变增加,在很长一个范围内曲线基本平坦,“细颈”区越来越大。直到拉伸应变很大时,材料应力又略有上升(成颈硬化),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,称断裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。
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
曲线的类型
(1)硬而脆型
(2)硬而强型
(3)硬而韧型
(4)软而韧型
(5)软而弱型
(3)硬而韧型此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高,断裂伸长率也很大,应力-应变曲线下的面积很大,说明材料韧性好,是优良的工程材料。
(1)硬而脆型此类材料弹性模量高(OA段斜率大)而断裂
伸长率很小。在很小应变下,材料尚未出现屈服已经断裂,断裂强度较高。在室温或室温之下,聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲
酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。
(2)硬而强型此类材料弹性模量高,断裂强度高,断裂伸长率小。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏(大约为5%)。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。
说明