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第7章 聚合物的断裂和强度 4. 固体聚合物的屈服行为 4.1 固体聚合物的理论强度 4.3 聚合物材料实际断裂行为与结构 的关系 5. 聚合物断裂的裂缝理论 * * 1. 聚合物的断裂模式 1.1 根据断裂前吸收能量的大小 脆性和韧性断裂。 1.2 根据受载条件 ① 直接加载下的断裂; ② 疲劳断裂——材料在一个应力水平低于其断裂强度的交变应力作用下,经多次循环作用断裂; ③ 蠕变断裂——材料在一个低于其断裂强度的恒定应力的长期作用下发生断裂,也称静态疲劳。 ④ 环境应力开裂——材料在腐蚀性环境(包括溶剂)和应力的共同作用下发生开裂。 ⑤ 磨损磨耗—— 一种材料在与另一种材料的摩擦过程中,其表面材料以小颗粒形式断裂下来。 2. 聚合物的断裂过程和断裂强度 2.1 线型无定型聚合物的断裂过程(TTg) 脆性断裂——刚性、弹性模量、强度; 韧性断裂——应变软化、冷拉伸、细颈、韧性; 应力(σ) 应变 屈服点 应变软化 应变硬化 × 冷拉伸 2.3 橡胶的断裂 在高于Tg时,其应力-应变曲线中没有屈服点。 2.2 晶态聚合物的断裂行为 2.4 温度和应变速率对断裂行为的影响 ① 温度的影响 ② 应变速率的影响 ③ 应力性质的影响 应力(σ) 0 应变(ε) A B C D E F G G’ G’’ 应变速度增加, 温度降低 T(℃) TB σB σy 3. 固体聚合物的屈服行为 3.1 固体聚合物屈服行为的特点 ①屈服后聚合物一般发生应变软化, 屈服应力时的应变较小 ②对温度敏感 ③当温度高于玻璃化温度时,屈服应 力很快降为0 ④结晶聚合物屈服后,可以形成细颈, 并发生相变化 3.2 屈服和冷拉条件 工程应力: 真实应力: 则: 假定材料不可压缩,则: λ称为拉伸比。因此 屈服应力符合如下条件: 因为: 所以: 因为λ=1+ε,dλ=dε,所以: Considere作图法 ε σ’ σ 应力 λ -1 0 1 2 0 1 2 3 0 1 2 3 4 σ 不发生屈服 发生屈服形成细颈 发生屈服 发生冷拉伸 应变硬化 聚合物的微观断裂机理 化学键断裂 范德华力或氢键破坏 分子间滑落 聚合物的强度与单位面积上键的数目及键的强度有关。此外与氢键和分子间范德华力有关。 理论上计算一个聚乙烯分子链断裂所需的力(3~4)×10-9 N/键。 4.2 强度和模量的关系 (1)化学本性 马克三原则 ① ② ③ (2)分子量 (3)结晶和取向 2a 圆孔 椭圆孔 5.1 裂缝的应力集中 对圆孔形,应力: 对椭圆孔,应力: 当a≥b时, 5.2 Griffith断裂理论 4. 用粘度法测定某一PS试样的相对分子质量,实验是在苯溶液中30℃进行的,步骤是先称取0.1375g试样,配制成25mL的PS-苯溶液,用移液管移取10mL此溶液注入黏度计中,测量出流出时间t1=241.6s,然后依次加入苯5mL、5mL、10mL、10mL稀释,分别测得流出时间t2=189.7s,t3=166.0s,t4=144.4s,t5=134.2s。最后测得纯苯的流出时间t0=106.8s 。从书中查得PS-苯体系在30℃时的K=0.99×10-2,a=0.74。试计算试样的黏均分子质量。 1.028 1.056 1.108 1.164 1.263 ηsp/c 0.915 0.905 0.882 0.862 0.816 lnηr/c 0.257 0.352 0.554 0.776 1.262 ηSP =ηr-1 1.257 1.352 1.554 1.776 2.262 ηr=t/t0 134.2 144.4 166 189.7 241.6 t 1/4 1/3 1/2 2/3 1 c’ *
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