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063第六章力学性能塑性和屈服断裂和强度增韧疲劳磨耗110919
第六章高聚物的力学性能(3)
6.4高聚物的塑性和屈服
6.4.1应力—应变曲线的类型
应力:
由外力或物体中的永久形变或物体受到非均匀温度等因素的影响,从而引起物体内部单位面积上产生的内力。
应变:
当材料受到外力作用时,所处的条件使它不能产生惯性移动时,它的几何形状将发生变化,这种变化称为应变。
弹性模量:
弹性模量=应力/应变。
对于理想的弹性固体,应力与应变关系服从虎克定律。
模量愈大,愈不容易变形,材料刚度愈大。
三种基本类型弹性模量:
杨氏模量、剪切模量、体积模量。
拉伸强度:
轴向拉伸直到试样被拉断为止,断裂前试样承受的最大载荷P与试样的宽度b和厚度d的乘积的比值。
硬度:
衡量材料表面抵抗机械压力能力的一种指标。
分为布氏、洛氏和邵氏等几种。
6.4.1.1大应变的应力—应变曲线(拉伸试验)
σ-ε曲线类型四个特征点:
A、Y、D、B
A-A点前σ-ε线性关系(σ<σL),E=σL/εL,E=tgα=Δσ/Δε
Y-屈服点屈服应力σy,屈服应变εy
σ<σy,弹性区(y点前);σ>σy,塑性区(y点后)
D-冷拉点冷拉应力σd
YD:
应变软化:
ε↑,σ↓,DC:
颈缩阶段,CB:
取向硬化
B-断裂点断裂强度σb:
判断材料的强和弱;
断裂应变εb:
判断材料的变形程度;
弹性模量:
判断材料的刚和软;
断裂能:
判断材料的脆和韧。
6.4.1.2根据材料的σ-ε行为,材料的五种类型
(1)硬而脆:
无屈服点,εb小(2%)(PS,PMMA)
(2)硬而韧:
Eσyσbεb大,无明显屈服点,有细颈(PA、PC)
(3)硬而强:
高Eσbεb小(5%)(PVC,HIPS)
(4)软而韧:
E小,无明显屈服点,εb很大(橡胶、软PVC)
(5)软而弱:
凝胶、溶胶塑料
“软”和“硬”用于区分模量的低或高,“弱”和“强”是指强度的大小,“脆”是指无屈服现象而且断裂伸长很小,“韧”是指其断裂伸长和断裂应力都较高,有时可将断裂功作为“韧性”的标志。
6.4.1.3试验温度和试验速率对σ-ε曲线的影响
(1)温度(在没有松弛转变的温度范围内)
T↑→εb↑、σb↓,σ-ε曲线形状可能改变:
硬而脆→软而弱
(2)应变速率
增加应变速率和降低温度对应力-应变曲线的影响是等效的。
应变速率↑→延展性↓(变脆)E↑、σ↑、ε↓,曲线形状改变(相当于T↓)
(3)应变软化和应变硬化
应变软化:
ε↑→σ↓应变硬化:
ε↑→σ↑
结晶和取向(应变硬化)→使塑性不稳定区→稳定
6.4.2高聚物屈服过程的特征
6.4.2.1高聚物的屈服过程
脆性断裂-在材料出现屈服之前发生的断裂;
韧性断裂-在材料屈服之后的断裂。
由应力-应变曲线可以得出材料的以下参数:
杨氏模量,极限伸长度和抗张强度。
根据断裂前是否发生屈服来判断材料是延性还是脆性材料,由曲线下的面积还可求出断裂功。
初始阶段的斜率即为初始模量E。
(1)材料屈服-当材料在外力作用下产生明显塑性变形的临界状态。
高聚物的屈服过程的σ-ε曲线可分为三个区域:
普弹区(σ-ε为直线关系)、应变软化区、应变硬化区
(2)细颈现象:
塑性不稳定性(形变不均匀性)
出现细颈的原因:
a、截面不均,较小部位首先屈服
b、材质不均,薄弱区首先屈服(局部应力集中)
细颈形成的热效应:
拉伸→热效应→温度↑→σy↓
(3)冷拉和冷拉应力σd
应变软化和硬化相平衡(dσ/dε=0)→σd(冷拉成颈或去除外力)
→应变硬化,形变保持
(4)强迫高弹性
玻璃态高聚物在大外力作用下发生大形变。
这种形变在温度升高到Tg以上时能够回复,为了与普通的高弹形变区分开来,通常称为强迫高弹形变。
T≥Tg,高弹性
T →加热到Tg以上→形变回复 T< →不产生强迫高弹性 脆化温度Tb: σy=σb时对应的温度,则Tg~Tb→强迫高弹态, T 6.4.2.2高聚物屈服过程的特征 (1)屈服应变大: 金属0.01,高聚物≈0.2,如PMMA: 0.13(压缩),0.25(剪切) (2)屈服后出现应变软化: 过屈服点后,ε↑,σ↓ (3)屈服应力对温度、应变速率有强烈的依赖性 应变速率↑→σY↑,(σb↑,E↑,εb↓)(与稳定细颈的形成有关) T↑→σY↓ (4)屈服后体积略有缩小 (5)Bauschinger效应明显: σY压缩>σY拉伸(金属材料σY压缩=σY拉伸) 6.4.2.3聚合物的屈服判断 (1)Trasca(屈瑞斯卡)准则: 达到剪切应力σs时破坏(最大切应力理论) (2)VonMises(米塞司)准则: 达到剪切应变εs产生破坏(最大变形能理论) (3)Coulomb(库仑)屈服准则(适合于聚合物材料) 当屈服面上的剪切应力τ加上作用在该面上的法向应力的某个常数倍,而达到一定临界值时,即: τ+μσn=σ0,就产生屈服。 (μ—内摩擦系数) ①σy压/σy拉=(1+μ)/(1-μ),μ≈0.05,σy压≈1.11σy拉 ②在压缩或拉伸情况下,屈服应力随压力的增加而线性地增加。 ③在压缩情况下,应力—应变曲线的斜率比拉伸时的大。 6.4.2.4高聚物的σy的其它影响因素 (1)所有的非晶和晶态高聚物,σy对压力P的依赖性有近似线性的关系。 P↑→σy↑,σy晶>σy非晶 (2)低模量高聚物的σy比高模量高聚物的σy受压力P的影响大。 (3)淬火对σy的影响: 改变了材料的聚集态结构。 PS: 110℃→冰水→σy,110℃→24h→室温→0.88σy; PC: 110℃→冰水→σy,110℃→24h→室温→σy↑15%,ρ↑0.2% (4)添加剂的影响 增塑剂和内润滑剂↑,σy↓ 6.4.2.5高聚物屈服的微观解释 屈服行为必须与高聚物分子内部的结构联系起来,即发生屈服时分子构象的局部变化联系起来。 (1)自由体积理论: 外加应力增加分子链的活动性→Tg↓→链段运动 →完全屈服,但屈服时自由体积无增加。 (2)缠结破坏理论: 屈服时破坏了邻近分子间的相互作用,包括各种几何缠结和次价键力的破坏,较好解释材料在屈服后的应变软化现象。 (3)Argon理论: 高聚物发生塑性形变的阻力主要来自分子间的相互作用,分子扭曲的产生形变。 这种理论可以满意解释从00K~Tg范围内的玻璃化高聚物的塑性流动,并说明材料屈服之后的应变硬化是来自分子重排的熵阻力。 这种理论把屈服作为活化速度过程,建立在Eying等指出的应力促进热活化塑性形变微观机制基础上。 (4)Eying理论: 应力增加引起内粘度下降。 屈服过程包含了更大量的分子链段的协同运动。 6.4.3细颈 6.4.3.1细颈现象的形成 (1)细颈现象: 塑性不稳定性(形变不均匀性) (2)细颈形成原因: 几何原因和应变软化 (3)细颈形成的必要条件: Considere作图: dσ真/dε=σ真/(1+ε) (4)细颈形成的热效应: 拉伸→热效应→温度↑→σy↓ 6.4.3.2高聚物的成颈 (1)非晶玻璃态高聚物(拉伸屈服、冷拉) 冷拉→链段沿拉伸方向取向伸展→强迫高弹形变→形成细颈 →取向态结构(稳定细颈尺寸) 取向态结构链段运动能力↓→Tg↑→取向方向刚性增加(应变硬化) (2)部分结晶高聚物(成颈温度Tg< 部分结晶高聚物的应力应变曲线可分为三个阶段: a.应力随应变线性地增加,试样被均匀拉长,伸长率可达百分之几到十几,到y点后,试样截面开始变得不均匀,出现一个或几个“细颈”,即进入第二阶段。 b.细颈与非细颈部分的横截面积分别维持不变,而细颈部不断扩展,非细颈部分逐渐缩短,直到整个试样完全变细为止。 在第二阶段的应变过程中应力几乎不变,最后,进入第三阶段。 c.成颈的试样又被均匀拉伸,此时应力又随应变的增加而增大,直到断裂为止。 冷拉→晶片相对滑移、非晶区分子链伸展→晶区发生倾斜和转动、沿拉伸方向重排→晶片内部发生滑移和分段→取向、细颈形成(二次晶体熔融-结晶的相转变过程: ①强迫高弹性②应变诱导结晶、取向) 成颈原因: 球晶片晶变形(片晶滑移、破裂,形成微丝结构) 6.4.4应力—应变曲线的影响因素 (1)温度的影响 在没有松弛转变的温度范围内, T↑→E↓,ε↑,强度↓,分子间作用力↓,曲线形状改变: (PMMA: 硬而脆→软而韧)。 (2)应变速率的影响 a.应变速率↑→延展性↓(变脆),E↑,σ↑,ε↓,形状改变(相当于降低温度) b.应变速率较低时,断裂强度>屈服强度(取向和再结晶引起) c.应变速率很高时,明显升温,必须同时考虑温度和应变速率的影响 (“断裂点轨迹”: 应力—应变曲线随温度和形变速率的变化) (3)流体静压力的影响 a.P↑(给定温度)→T↓(给定压力): E↑,曲线形状改变。 b.对不同高聚物有不同影响: PVC: P↑→脆,ε↓→→P↑→ε↑ PS、PI: P↑→脆→韧 c.对模量的影响: EP=E0+mP,m=2(5–4υ)(1-υ),υ—泊松比 (4)结晶度的影响 结晶度↑→σY↑,强度↑,E↑,硬度↑,刚度↑,ε↓,冲击↓ 球晶尺寸: 大球晶→ε↓,韧性↓ (5)取向的影响 沿取向方向: 取向程度↑→强度↑↑,模量↑;垂直取向方向: 强度低、易断裂 (6)分子量的影响 通常范围内对σy、E无影响,对断裂性能影响较大(σb=A-B/Mn) (7)交联网络的影响 (8)增塑剂的影响 6.4.5银纹现象 (1)银纹现象 银纹: 高聚物在张应力作用下,于材料某些薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向,以至在材料表面或内部垂直于应力方向出现长度为100微米、宽度为10微米左右、厚度约为1微米的微细凹槽的现象。 银纹是聚合物所特有的现象。 玻璃态高聚物→拉应力→局部出现应力集中→产生塑性形变和取向 →产生垂直于拉应力的微细沟槽(银纹)→银纹断裂 (2)银纹的特点 银纹与裂纹不同: 银纹-银纹质,约含50%的微纤束,空穴50%; 裂纹-裂纹是空的。 (3)引发银纹的因素 应力因素: 产生有序银纹 环境因素: 产生无序银纹。 环境介质作用使引发银纹所需的应力或应变大为降低。 (4)银纹在脆性断裂中的作用 橡胶增韧塑料: PS的增韧→HIPS 机理: 橡胶粒子引发周围PS相产生大量银纹并控制其发展,吸收塑性变形能,材料的韧性↑。 6.4.6应力发白现象及其对聚合物物理性能的影响 PP、PE、HIPS、ABS、高分子合金及填充聚合物等塑料制品在使用过程中受到拉伸、弯曲、冲击等外力作用时经常会出现发白现象。 若对已存在应力发白的试样进行热处理(如加热到Tg以上等)或在高压下拉伸,发白区能部分或全部消失。 应力发白的定义大致有两种: 一种是聚合物材料在应力作用下局部发白;另一种认为聚合物材料在应力作用下产生大量银纹,银纹区内折光指数降低而呈现一片银白色。 后者将应力发白现象等同于银纹现象,而前者并不认为应力发白区就一定是银纹区。 应该说前者更具
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