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1、关于高聚物的断裂和力学强度现在学习的是第1页，共87页 本章一方面介绍描述高分子材料宏观力学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，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律，进而有目的地改善、提高材料性能，需要掌握高
2、分子材料力学强度变化的宏观规律和微观机理。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。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。现在学习的是第2页，共87页一、高分子材料的一、高分子材料的拉伸应力拉伸应力-应变特性应变特性应力应变曲线及其类型应力应变曲线及其类型影响拉伸行为的外部因素影响拉伸行为的外部因素强迫高弹形变与强迫高弹形变与“冷拉伸冷拉伸”二、高分子材料的二、高分子材料的断裂和强度
3、断裂和强度宏观断裂方式，脆性断裂和韧性断裂宏观断裂方式，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强度高分子材料的增强改性高分子材料的增强改性三、高分子材料的三、高分子材料的抗冲击强度和增韧改性抗冲击强度和增韧改性抗冲击强度实验抗冲击强度实验影响抗冲击强度的因素影响抗冲击强度的因素高分子材料的增韧改性高分子材料的增韧改性现在学习的是第3页，共87页一、高分子材料的拉伸应力一、高分子材料的拉伸应力-应变特性应变特性（一）应力应变曲线及其类型（一）应力应变曲线及其类型 哑铃型标准试样哑铃型标准试样 常用的哑铃型标准试样如图所示，试样中部为测试部分
4、，标距长度常用的哑铃型标准试样如图所示，试样中部为测试部分，标距长度为为l0，初始截面积为，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。试样上的应力、应变的变化，直到试样破坏。现在学习的是第4页，共87页设以一定的力设以一定的力F 拉伸试样，使两标距间的长度从拉伸试样，使两标距间的长度从增至增至，定义试样中的应力和应变为：，定义试样中的应力和应变为：注意此处定义的应
5、力注意此处定义的应力等于拉力除以试样原始截面积等于拉力除以试样原始截面积A0，这种应，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。义的应变为工程应变。应力应力应变应变现在学习的是第5页，共87页典型的拉伸应力典型的拉伸应力-应变曲线应变曲线 曲线特征：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，直线斜率变化，直线斜率 相当于材料弹性模量。相当于材料弹性模量。现在学习的是第6页，共87页（2 2）越过）越过A点
6、，应力应变曲线偏离直线，说明材料开始发生塑性形变，极点，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）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和屈服应变。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈细颈”现象，材料应力现象，材料应力略有下降，发生略有下降，发生“屈服软化屈服软化”。（3 3）随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，）随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈细颈”区越来越大。区越来越大。直到拉伸应变很大时，材料应力又略有上升（成
7、颈硬化），到达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。点发生断裂。与与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。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）曲线下的面积等于相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为Jm-3，称断裂能或断，称断裂能或断裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。裂功。它是表征材料韧性的一个物理量。现在学习的是第7页，共87页 由于高分子材料种类繁
8、多，实际得到的材料应力应变曲线具有多种形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，可分为五类状。归纳起来，可分为五类。高分子材料应力高分子材料应力-应变曲线的类型应变曲线的类型曲线的类型曲线的类型（1）硬而脆型）硬而脆型（2）硬而强型）硬而强型（3）硬而韧型）硬而韧型（4）软而韧型）软而韧型（5）软而弱型）软而弱型现在学习的是第8页，共87页（3）硬硬而而韧韧型型此此类类材材料料弹弹性性模模量量、屈屈服服应应力力及及断断裂裂强强度度都都很很高高，断断裂裂伸伸长长率率也也很很大大，应应力力应应变变曲曲线线下下的的面面积积很很大大，说说明明材材料料韧韧性性好好，是是
9、优优良良的工程材料。的工程材料。（1）硬而脆型）硬而脆型此类材料弹性模量高（此类材料弹性模量高（OA段斜率大）而断裂段斜率大）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。酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。（2）硬而强型）硬而强型此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长率小。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（大约为通常材料拉伸到屈服
10、点附近就发生破坏（大约为5%）。硬质聚氯乙）。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。烯制品属于这种类型。说明说明现在学习的是第9页，共87页（5）软而弱型）软而弱型此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。（4）软而韧型）软而韧型此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大（大（20%1000%），断裂强度可能较高，应力应变曲线下的），断裂强度可能较高，应力应变曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力应变特
11、面积大。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力应变特征。征。硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或硬而韧的材料，在拉伸过程中显示出明显的屈服、冷拉或细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增细颈现象，细颈部分可产生非常大的形变。随着形变的增大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变大，细颈部分向试样两端扩展，直至全部试样测试区都变成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、成细颈。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纤维素、硝酸纤维素等属于这种材料。硝酸纤维素等属于这种材料。现在学习的是第10页，共87页注意注意 材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测
12、试条件（如拉伸速材料拉伸过程还明显地受环境条件（如温度）和测试条件（如拉伸速率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也会发生率）的影响，硬而强型的硬质聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也会发生大于大于100%的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。的断裂伸长率，显现出硬而韧型特点。实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典型性，实际高分子材料的拉伸行为非常复杂，可能不具备上述典型性，或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显的屈服和或是几种类型的组合。例如有的材料拉伸时存在明显的屈服和“颈颈缩缩”，有的则没有；有的材料断裂强度高于屈服强度，有的则屈服，有的则没有；有的材料断裂强度
13、高于屈服强度，有的则屈服强度高于断裂强度等。强度高于断裂强度等。因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。因此规定标准的实验环境温度和标准拉伸速率是很重要的。现在学习的是第11页，共87页（二）（二）影响拉伸行为的外部因素影响拉伸行为的外部因素1、温度的影响、温度的影响聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变曲线随环境温度的变化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下）环境温度对高分子材料环境温度对高分子材料拉伸行为的影响十分显著。拉伸行为的影响十分显著。温度升高，分子链段热运温度升高，分子链段热运动加剧，松弛过程加快，表动加剧，松弛过程加快，表现出材料模量和强度下降，现
14、出材料模量和强度下降，伸长率变大，应力应变曲伸长率变大，应力应变曲线形状发生很大变化。线形状发生很大变化。现在学习的是第12页，共87页断裂强度断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势和屈服强度随温度的变化趋势 虚线虚线高拉伸速率高拉伸速率实线实线低拉伸速率低拉伸速率 材料的拉伸断裂强度材料的拉伸断裂强度 和屈服强度和屈服强度 随环境温度而发生变化，随环境温度而发生变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。屈服强度受温度变化的影响更大些。在温度升高过程中，材料发生脆在温度升高过程中，材料发生脆-韧转变。两曲线交点对应的温度韧转变。两曲线交点对应的温度称脆称脆-韧转变温度韧转变温度 。当环境温度小于当环境
15、温度小于 时，材料时，材料的的 ，受外力作用时，受外力作用时，材料未屈服前先已断裂，呈脆材料未屈服前先已断裂，呈脆性断裂特征。性断裂特征。环境温度高于环境温度高于 时，时，受外力作，受外力作用时，材料先屈服，出现细颈用时，材料先屈服，出现细颈和很大变形后才断裂，呈韧性和很大变形后才断裂，呈韧性断裂特征。断裂特征。现在学习的是第13页，共87页2、拉伸速率的影响、拉伸速率的影响 减慢拉伸速率与升高环境温减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的影度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时响，这是时-温等效原理在高温等效原理在高分子力学行为中的体现。分子力学行为中的体现。断裂强度和屈服强度随拉伸速
16、率的变化趋势断裂强度和屈服强度随拉伸速率的变化趋势实线低环境温度 虚线高环境温度 与脆与脆-韧转变温度相似，韧转变温度相似，根据图中两曲线交点，可以根据图中两曲线交点，可以定义脆定义脆-韧转变（拉伸）速韧转变（拉伸）速率率 。拉伸速率高于。拉伸速率高于 时，材料呈脆性断裂特征；时，材料呈脆性断裂特征；低于低于 时，呈韧性断裂时，呈韧性断裂特征。特征。拉伸速率对材料的断裂强度拉伸速率对材料的断裂强度 和屈服强度和屈服强度 也有明显影响也有明显影响。现在学习的是第14页，共87页3、环境压力的影响、环境压力的影响聚苯乙烯的应力聚苯乙烯的应力-应变曲线应变曲线随环境压力的变化（随环境压力的变化（T=
17、31）右图可见，右图可见，PSPS在低环境压力在低环境压力（常压）下呈脆性断裂特点，（常压）下呈脆性断裂特点，强度与断裂伸长率都很低。随强度与断裂伸长率都很低。随着环境压力升高，材料强度增着环境压力升高，材料强度增高，伸长率变大，出现典型屈高，伸长率变大，出现典型屈服现象，材料发生脆服现象，材料发生脆-韧转变。韧转变。研究发现，对许多非晶聚合研究发现，对许多非晶聚合物，如物，如PS、PMMA等，其脆等，其脆-韧转变行为还与环境压力有关。韧转变行为还与环境压力有关。现在学习的是第15页，共87页 这两种不同的脆这两种不同的脆-韧转变方式给我们以启发，告诉我们材料增韧转变方式给我们以启发，告诉我们
18、材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当的方法，就有可韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当的方法，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强度，实现既增韧又增强。能在增韧的同时，保持或提高材料的强度，实现既增韧又增强。塑料的非弹性体增韧改性技术就是由此发展起来的。塑料的非弹性体增韧改性技术就是由此发展起来的。比较图可以发现，升高环境温度和升高比较图可以发现，升高环境温度和升高环境压力都能使高分子材料发生脆环境压力都能使高分子材料发生脆-韧转变。韧转变。但两种脆但两种脆-韧转变方式有很大差别。韧转变方式有很大差别。两种脆两种脆-韧转变方式韧转变方式 升高温度使材料变韧，但其拉伸强度明
19、显下降。升高温度使材料变韧，但其拉伸强度明显下降。升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，材料变得强而韧。升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，材料变得强而韧。现在学习的是第16页，共87页（三）（三）强迫高弹形变与强迫高弹形变与“冷拉伸冷拉伸”已知环境对高分子材料拉伸行为有显著影响，这儿再重点介绍在特殊环境已知环境对高分子材料拉伸行为有显著影响，这儿再重点介绍在特殊环境条件下，高分子材料的两种特殊拉伸行为。条件下，高分子材料的两种特殊拉伸行为。1、非晶聚合物的强迫高弹形变、非晶聚合物的强迫高弹形变 聚甲基丙烯酸甲酯的应力聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变应变曲线随环境温度的变
20、化（常压下）曲线随环境温度的变化（常压下）研究高聚物拉伸破坏行为时，特别研究高聚物拉伸破坏行为时，特别要注意在较低温度下的拉伸、屈服、要注意在较低温度下的拉伸、屈服、断裂的情形。对于非晶聚合物，当环断裂的情形。对于非晶聚合物，当环境温度小于境温度小于 时，虽然材料处于玻璃时，虽然材料处于玻璃态，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，态，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分之几百的大变形材料仍能发生百分之几百的大变形（参见图中（参见图中T=80，60的情形），的情形），这种变形称强迫高弹形变。这种变形称强迫高弹形变。现在学习的是第17页，共87页（2 2）现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子
21、链段被强迫发生运动、）现象的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这种强迫高弹形变在外力伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（撤消后，通过适当升温（）仍可恢复或部分恢复。）仍可恢复或部分恢复。（1 1）这种现象既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘流）这种现象既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘流态下的粘性流动。这是一种独特的力学行为。态下的粘性流动。这是一种独特的力学行为。（3 3）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链段在作用）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链段在
22、作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种“活化活化”作用。从链段作用。从链段的松弛运动来讲，提高应力降低了链段在作用力方向上的运动活化能，的松弛运动来讲，提高应力降低了链段在作用力方向上的运动活化能，减少了链段运动的松弛时间，使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而减少了链段运动的松弛时间，使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。运动。讨论讨论现在学习的是第18页，共87页2、晶态聚合物的、晶态聚合物的“冷拉伸冷拉伸”结晶聚合物在不同温度下的应力结晶聚合物在不同温度下的应力-应变曲线应变曲线 结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种形变称结晶聚合物也能
23、产生强迫高弹变形，这种形变称“冷拉伸冷拉伸”。结晶聚合物。结晶聚合物具有与非晶聚合物相似的拉伸应力应变曲线。具有与非晶聚合物相似的拉伸应力应变曲线。图中当环境温度低于熔图中当环境温度低于熔点时（点时（473聚甲醛聚甲醛 未增强未增强6866074.52.75383聚甲醛聚甲醛 增强增强8241.5425.59441均含玻璃纤维均含玻璃纤维20-40%现在学习的是第52页，共87页纤维增强的机理纤维增强的机理 纤维增强塑料的机理是依靠两者复合作用。纤维具有高强度纤维增强塑料的机理是依靠两者复合作用。纤维具有高强度可以承受高应力，树脂基体容易发生粘弹变形和塑性流动，它可以承受高应力，树脂基体容易发
24、生粘弹变形和塑性流动，它们与纤维粘结在一起可以传递应力。图给出这种复合作用示意们与纤维粘结在一起可以传递应力。图给出这种复合作用示意图。图。纤维增强塑料的复合作用示意图纤维增强塑料的复合作用示意图现在学习的是第53页，共87页 材料受力时，首先由纤维承受应力，个别纤维即使发生断裂，材料受力时，首先由纤维承受应力，个别纤维即使发生断裂，由于树脂的粘结作用和塑性流动，断纤维被拉开的趋势得到抑由于树脂的粘结作用和塑性流动，断纤维被拉开的趋势得到抑制，断纤维仍能承受应力。树脂与纤维的粘结还具有抑制裂纹制，断纤维仍能承受应力。树脂与纤维的粘结还具有抑制裂纹传播的效用。材料受力引发裂纹时，软基体依靠切变作
25、用能使传播的效用。材料受力引发裂纹时，软基体依靠切变作用能使裂纹不沿垂直应力的方向发展，而发生偏斜，使断裂功有很大裂纹不沿垂直应力的方向发展，而发生偏斜，使断裂功有很大一部分消耗于反抗基体对纤维的粘着力，阻止裂纹传播。一部分消耗于反抗基体对纤维的粘着力，阻止裂纹传播。由此可见，纤维增强塑料时，纤维与树脂基体界面粘合性的好由此可见，纤维增强塑料时，纤维与树脂基体界面粘合性的好坏是复合的关键。对于与树脂亲合性较差的纤维，如玻璃纤维，坏是复合的关键。对于与树脂亲合性较差的纤维，如玻璃纤维，使用前应采用化学或物理方法对表面改性，提高其与基体的粘合使用前应采用化学或物理方法对表面改性，提高其与基体的粘合
26、力。力。复合作用原理复合作用原理现在学习的是第54页，共87页玻璃纤维增强玻璃纤维增强PP树脂，纤维树脂，纤维表面未经处理表面未经处理纤维含量：纤维含量：30%（w）现在学习的是第55页，共87页玻璃纤维增强玻璃纤维增强PP树脂，纤维表面经树脂，纤维表面经偶联处理偶联处理纤维含量：纤维含量：30%（w）拉伸强度由上图的拉伸强度由上图的40MPa增至增至87MPa冲击强度由上图的冲击强度由上图的16kJ.m-2增至增至34kJ.m-2现在学习的是第56页，共87页 基于上述机理也可得知，在基体中，即使纤维都已断裂，或者直基于上述机理也可得知，在基体中，即使纤维都已断裂，或者直接在基体中加入经过表
27、面处理的短纤维，只要纤维具有一定的长径接在基体中加入经过表面处理的短纤维，只要纤维具有一定的长径比，使复合作用有效，仍可以达到增强效果。实际上短纤维增强塑比，使复合作用有效，仍可以达到增强效果。实际上短纤维增强塑料、橡胶的技术都有很好的发展，部分已应用于生产实践。料、橡胶的技术都有很好的发展，部分已应用于生产实践。按复合作用原理，短纤维的临界长度按复合作用原理，短纤维的临界长度L Lc c可按下式计算：可按下式计算：式中为式中为 纤维的拉伸屈服应力，纤维的拉伸屈服应力，为基体的剪切屈服应为基体的剪切屈服应力，力，d 为纤维直径。为纤维直径。现在学习的是第57页，共87页纤维取向对断裂过程的影响
28、纤维取向对断裂过程的影响纤维平行于拉伸方向纤维平行于拉伸方向a)a)纤维脱离基体并拔出纤维脱离基体并拔出b)b)部分纤维脱离并拔出，纤维断裂部分纤维脱离并拔出，纤维断裂c)c)纤维与基体粘附良好，纤维断裂纤维与基体粘附良好，纤维断裂 纤维垂直于拉伸方向纤维垂直于拉伸方向a)a)纤维与基体分离，形成空洞纤维与基体分离，形成空洞b)b)斜纤维脱离基体，纤维断裂斜纤维脱离基体，纤维断裂c)c)裂纹在基体内或沿边界扩展裂纹在基体内或沿边界扩展 由此可见，纤维取向使材料出现各向异性。一般平行于纤维取向由此可见，纤维取向使材料出现各向异性。一般平行于纤维取向方向的材料强度高。断裂易发生在垂直于纤维取向方向
29、上。方向的材料强度高。断裂易发生在垂直于纤维取向方向上。现在学习的是第58页，共87页END of Chapt.7 Part 2现在学习的是第59页，共87页三、高分子材料的抗冲击强度和增韧改性三、高分子材料的抗冲击强度和增韧改性高高分分子子材材料料抗抗冲冲击击强强度度是是指指标标准准试试样样受受高高速速冲冲击击作作用用断断裂裂时时，单单位位断断面面面面积积（或或单单位位缺缺口口长长度度）所所消消耗耗的的能能量量。它它描描述述了了高高分分子子材材料料在在高高速速冲冲击击作作用用下下抵抵抗抗冲冲击击破破坏坏的的能能力力和和材材料料的的抗抗冲冲击击韧韧性性，有有重重要要工工艺艺意意义义。但但它它不
30、不是是材材料料基基本本常常数数，其量值与实验方法和实验条件有关。其量值与实验方法和实验条件有关。（一）（一）抗冲击强度实验抗冲击强度实验抗冲击强度抗冲击强度的测定方法的测定方法高速拉伸试验高速拉伸试验落锤式冲击试验落锤式冲击试验摆锤式冲击试验摆锤式冲击试验悬臂梁式（悬臂梁式（Izod）简支梁式（简支梁式（Charpy）现在学习的是第60页，共87页采采用用简简支支梁梁式式冲冲击击试试验验时时，将将试试样样放放于于支支架架上上（有有缺缺口口时时，缺缺口口背背向向冲冲锤锤），释释放放事事先先架架起起的的冲冲锤锤，让让其其自自由由下下落落，打打断断试试样样，利利用用冲冲锤锤回回升升的的高高度度，求求
31、出出冲冲断断试试样样所所消消耗耗的的功功A，按按下式计算抗冲击强度：下式计算抗冲击强度：式式中中分分别别为为试试样样冲冲击击断断面面的的 宽宽 和和 厚厚，抗抗 冲冲 击击 强强 度度 单单 位位 为为 。若若实实验验求求算算的的是是单单位位缺缺口口长长度度所所消消耗耗的的能能量量，单单位位为为。简支梁式冲击试验机（简支梁式冲击试验机（Charpy）示意图）示意图现在学习的是第61页，共87页拉伸断裂实验中，材料拉伸应力拉伸断裂实验中，材料拉伸应力-应变曲线下的面积（下图）相应变曲线下的面积（下图）相当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧性的大小。当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧
32、性的大小。很显然，断裂强度很显然，断裂强度高和断裂伸长率高和断裂伸长率大的材料韧性也好。大的材料韧性也好。但这个能量与抗冲击但这个能量与抗冲击强度不同。不同在于，强度不同。不同在于，两种实验的应变速率不两种实验的应变速率不同，拉伸实验速率慢而同，拉伸实验速率慢而冲击速率极快；拉伸曲冲击速率极快；拉伸曲线求得的能量为断裂时线求得的能量为断裂时材料单位体积所吸收的材料单位体积所吸收的能量，而冲击实验只关能量，而冲击实验只关心断裂区表面吸收的能心断裂区表面吸收的能量。量。材料拉伸实验的应力材料拉伸实验的应力-应变曲线应变曲线 现在学习的是第62页，共87页三三个个阶阶段段中中物物料料吸吸收收能能量量
33、的的能能力力不不同同，有有些些材材料料如如硬硬质质聚聚氯氯乙乙烯烯，裂裂纹纹引引发发能能高高而而扩扩展展能能很很低低，这这种种材材料料无无缺缺口口时时抗抗冲冲强强度度较较高高，一一旦旦存存在在缺缺口口则则极极容容易易断断裂裂。裂裂纹纹扩扩展展是是材材料料破破坏坏的的关关键键阶阶段段，因因此此材材料料增增韧韧改改性性的的关关键键是是提提高材料抗裂纹扩展的能力。高材料抗裂纹扩展的能力。冲击破坏过程虽然很快，但根据破坏原理也可分为三个阶段：冲击破坏过程虽然很快，但根据破坏原理也可分为三个阶段：一是裂纹引发阶段，二是裂纹扩展阶段，三是断裂阶段。一是裂纹引发阶段，二是裂纹扩展阶段，三是断裂阶段。冲击冲击
34、实验中材料受力及屈挠关系曲线实验中材料受力及屈挠关系曲线曲线下面积：白亮区域裂纹引发能 阴影区域裂纹扩展能 现在学习的是第63页，共87页脆性断裂和韧性断裂表面脆性断裂和韧性断裂表面 左图脆性试样断裂表面的照片；右图韧性试样断裂表面的照片左图脆性试样断裂表面的照片；右图韧性试样断裂表面的照片 左图脆性试样断裂表面的电镜照片；右图韧性试样断裂表面的电镜照片左图脆性试样断裂表面的电镜照片；右图韧性试样断裂表面的电镜照片现在学习的是第64页，共87页（二）影响抗冲击强度的因素（二）影响抗冲击强度的因素1、缺口的影响缺口的影响冲冲击击实实验验时时，有有时时在在试试样样上上预预置置缺缺口口，有有时时不不
35、加加缺缺口口。有有缺缺口口试试样样的的抗抗冲冲强强度度远远小小于于无无缺缺口口试试样样，原原因因在在于于有有缺缺口口试试样已存在表观裂纹，冲击破坏吸收的能量主要用于裂纹扩展。样已存在表观裂纹，冲击破坏吸收的能量主要用于裂纹扩展。另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力使局部材另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力使局部材料变形增大，变形速率加快，材料发生韧料变形增大，变形速率加快，材料发生韧-脆转变，加速破坏。脆转变，加速破坏。缺口曲率半径越小，应力集中效应越显著，因此预置缺口缺口曲率半径越小，应力集中效应越显著，因此预置缺口必须按标准严格操作。必须按标准严格操作。现在学习的是第65
36、页，共87页2、温度的影响温度的影响 温度升高，材料抗冲击强度随之增大。对无定形聚合物，当温度升温度升高，材料抗冲击强度随之增大。对无定形聚合物，当温度升高到玻璃化温度附近或更高时，抗冲击强度急剧增大。高到玻璃化温度附近或更高时，抗冲击强度急剧增大。对结晶性聚合物，其玻璃化温度以上对结晶性聚合物，其玻璃化温度以上的抗冲击强度也比玻璃化温度以下的高，的抗冲击强度也比玻璃化温度以下的高，这是因为在玻璃化温度附近时，链段运这是因为在玻璃化温度附近时，链段运动释放，分子运动加剧，使应力集中效动释放，分子运动加剧，使应力集中效应减缓，部分能量会由于材料的力学损应减缓，部分能量会由于材料的力学损耗作用以热
37、的形式逸散。右图给出几种耗作用以热的形式逸散。右图给出几种聚丙烯试样的抗冲强度随温度的变化，聚丙烯试样的抗冲强度随温度的变化，可以看出，在玻璃化温度附近抗冲强度可以看出，在玻璃化温度附近抗冲强度有较大的增长。有较大的增长。几种聚丙烯试样抗冲强度随温度的变化几种聚丙烯试样抗冲强度随温度的变化现在学习的是第66页，共87页3、结晶、取向的影响结晶、取向的影响对对聚聚乙乙烯烯、聚聚丙丙烯烯等等高高结结晶晶度度材材料料，当当结结晶晶度度为为40-60%时时，由由于于材材料料拉拉伸伸时时有有屈屈服服发发生生且且断断裂裂伸伸长长率率高高，韧韧性性很很好好。结结晶晶度度再再增增高高，材材料料变变硬硬变变脆脆
38、，抗抗冲冲击击韧韧性性反反而而下下降降。这这是是由由于于结结晶晶使使分分子子间间相相互互作作用用增增强强，链链段段运运动动能力减弱，受到外来冲击时，材料形变能力减少，因而抗冲击韧性变差。能力减弱，受到外来冲击时，材料形变能力减少，因而抗冲击韧性变差。从结晶形态看，具有均匀小球晶的材料抗冲击韧性好，而大球晶韧性从结晶形态看，具有均匀小球晶的材料抗冲击韧性好，而大球晶韧性差。球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材料受冲击力时差。球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材料受冲击力时易在薄弱环节破裂。易在薄弱环节破裂。对取向材料，当冲击力与取向方向平行，冲击强度因取向而提高，若冲击力与对
39、取向材料，当冲击力与取向方向平行，冲击强度因取向而提高，若冲击力与取向方向垂直，冲击强度下降。由于实际材料总是在最薄弱处首先破坏，因此取取向方向垂直，冲击强度下降。由于实际材料总是在最薄弱处首先破坏，因此取向对材料的抗冲击性能一般是不利的向对材料的抗冲击性能一般是不利的 现在学习的是第67页，共87页4、共混，共聚，填充的影响、共混，共聚，填充的影响实实验验发发现现，采采用用与与橡橡胶胶类类材材料料嵌嵌段段共共聚聚、接接枝枝共共聚聚或或物物理理共共混混的的方方法可以大幅度改善脆性塑料的抗冲击性能。法可以大幅度改善脆性塑料的抗冲击性能。CPE在在PVC/CPE共混物中的分散状态与共混时间的关系共
40、混物中的分散状态与共混时间的关系现在学习的是第68页，共87页采用丁二烯与苯乙烯共聚采用丁二烯与苯乙烯共聚得到高抗冲聚苯乙烯；采用得到高抗冲聚苯乙烯；采用氯化聚乙烯与聚氯乙烯共混氯化聚乙烯与聚氯乙烯共混得到硬聚氯乙烯韧性体，都得到硬聚氯乙烯韧性体，都将使基体的抗冲强度提高几将使基体的抗冲强度提高几倍至几十倍。倍至几十倍。橡胶增韧塑料已发展为十分成橡胶增韧塑料已发展为十分成熟的塑料增韧技术，由此开发出熟的塑料增韧技术，由此开发出一大批新型材料，产生巨大经济一大批新型材料，产生巨大经济效益。效益。CPE用量对用量对PVC/CPE共混物力学性能的影响共混物力学性能的影响共聚、共混改性效果共聚、共混改
41、性效果现在学习的是第69页，共87页在在热热固固性性树树脂脂及及脆脆性性高高分分子子材材料料中中添添加加纤纤维维状状填填料料，也也可可以以提提高高基基体体的的抗抗冲冲击击强强度度。纤纤维维一一方方面面可可以以承承担担试试片片缺缺口口附附近近的的大大部部分分负负荷荷，使使应应力力分分散到更大面积上，另一方面还可以吸收部分冲击能，防止裂纹扩展成裂缝。散到更大面积上，另一方面还可以吸收部分冲击能，防止裂纹扩展成裂缝。脆性基体中纤维对裂纹尖区的影响脆性基体中纤维对裂纹尖区的影响Wd纤维撕脱能，纤维撕脱能，Ws纤维滑动能，纤维滑动能，Wp纤维拔出能，纤维拔出能，Wmr基体脆断能基体脆断能韧性基体中纤维对
42、裂纹尖区的影响韧性基体中纤维对裂纹尖区的影响Wd纤维撕脱能，纤维撕脱能，Ws纤维滑动能，纤维滑动能，Wp纤纤维拔出能，维拔出能，Wmr基体断裂能，基体断裂能，Wm基体塑性变形能基体塑性变形能填充、复合改性效果填充、复合改性效果现在学习的是第70页，共87页与与此此相相反反，若若在在聚聚苯苯乙乙烯烯这这样样的的脆脆性性材材料料中中添添加加碳碳酸酸钙钙之之类类的的粉粉状状填填料料，则则往往往往使使材材料料抗抗冲冲击击性性能能进进一一步步下下降降。因因为为填填料料相相当当于于基基体体中中的的缺缺陷陷，填填料料粒粒子子还还有有应应力力集集中中作作用用，这这些些都将加速材料的破坏。都将加速材料的破坏。近
43、近年年来来人人们们在在某某些些塑塑料料基基体体中中添添加加少少量量经经过过表表面面处处理理的的微微细无机粒子，发现个别体系中，无机填料也有增韧作用。细无机粒子，发现个别体系中，无机填料也有增韧作用。现在学习的是第71页，共87页（三）高分子材料的增韧改性（三）高分子材料的增韧改性1、橡胶增韧塑料的经典机理橡胶增韧塑料的经典机理 橡胶增韧塑料的效果是十分明显的。无论脆性塑料或韧性塑橡胶增韧塑料的效果是十分明显的。无论脆性塑料或韧性塑料，添加几份到十几份橡胶弹性体，基体吸收能量的本领会大料，添加几份到十几份橡胶弹性体，基体吸收能量的本领会大幅度提高。尤其对脆性塑料，添加橡胶后基体会出现典型的脆幅度
44、提高。尤其对脆性塑料，添加橡胶后基体会出现典型的脆-韧转变。韧转变。关于橡胶增韧塑料的机理，曾有人认为是由于橡胶粒子本身吸收关于橡胶增韧塑料的机理，曾有人认为是由于橡胶粒子本身吸收能量，橡胶横跨于裂纹两端，阻止裂纹扩展；也有人认为形变时橡能量，橡胶横跨于裂纹两端，阻止裂纹扩展；也有人认为形变时橡胶粒子收缩，诱使塑料基体玻璃化温度下降。胶粒子收缩，诱使塑料基体玻璃化温度下降。研究表明，形变过程中橡胶粒子吸收的能量很少，约占总吸收能量研究表明，形变过程中橡胶粒子吸收的能量很少，约占总吸收能量的的10%，大部分能量是被基体连续相吸收的。另外由橡胶收缩，大部分能量是被基体连续相吸收的。另外由橡胶收缩引
45、起的玻璃化温度下降仅引起的玻璃化温度下降仅10左右，不足以引起脆性塑料在室温左右，不足以引起脆性塑料在室温下屈服。下屈服。现在学习的是第72页，共87页他他们们认认为为：橡橡胶胶粒粒子子能能提提高高脆脆性性塑塑料料的的韧韧性性，是是因因为为橡橡胶胶粒粒子子分分散散在在基基体体中中，形形变变时时成成为为应应力力集集中中体体，能能促促使使周周围围基基体体发发生生脆脆-韧韧转变和屈服。转变和屈服。Schmitt和和Bucknall等人根据橡胶与脆性塑料共混物在低于塑等人根据橡胶与脆性塑料共混物在低于塑料基体断裂强度的应力作用下，会出现剪切屈服和应力发白现料基体断裂强度的应力作用下，会出现剪切屈服和应
46、力发白现象；又根据剪切屈服是韧性聚合物（如聚碳酸酯）的韧性来源象；又根据剪切屈服是韧性聚合物（如聚碳酸酯）的韧性来源的观点，逐步完善橡胶增韧塑料的经典机理。的观点，逐步完善橡胶增韧塑料的经典机理。屈服的主要形式有：引发大量银纹（应力发白）和形成剪切屈屈服的主要形式有：引发大量银纹（应力发白）和形成剪切屈服带，吸收大量变形能，使材料韧性提高。剪切屈服带还能终止服带，吸收大量变形能，使材料韧性提高。剪切屈服带还能终止银纹，阻碍其发展成破坏性裂缝。银纹，阻碍其发展成破坏性裂缝。现在学习的是第73页，共87页橡胶粒子引发银纹示意图橡胶粒子引发银纹示意图ABS中两相结构示意图中两相结构示意图其中白粒子为
47、橡胶相其中白粒子为橡胶相应力作用下橡胶粒子变形，造成应力集中，应力作用下橡胶粒子变形，造成应力集中，引发银纹引发银纹现在学习的是第74页，共87页ABS中橡胶粒子引发银纹的电镜照片，中橡胶粒子引发银纹的电镜照片，其中黑粒子为橡胶相其中黑粒子为橡胶相现在学习的是第75页，共87页PVC/ABS共混物中共混物中ABS粒子引发粒子引发PVC基体产生基体产生银纹的电镜照片，银纹的电镜照片，ABS粒子中黑相为橡胶相粒子中黑相为橡胶相高抗冲高抗冲PS共聚物中橡胶粒子引发共聚物中橡胶粒子引发PS基体产生基体产生银纹的电镜照片银纹的电镜照片现在学习的是第76页，共87页剪切屈服带剪切屈服带拉伸作用下聚碳酸酯试
48、样中产生剪切屈服带的照片，拉伸作用下聚碳酸酯试样中产生剪切屈服带的照片，注意剪切屈服带与应力方向成注意剪切屈服带与应力方向成45度角，度角，出现剪切屈服带的区域开始出现出现剪切屈服带的区域开始出现“颈缩颈缩”现在学习的是第77页，共87页能量吸收示意图能量吸收示意图HIPS和体系在应力作用下塑料基体、橡胶粒子及引发的和体系在应力作用下塑料基体、橡胶粒子及引发的银纹吸收能量示意图，银纹吸收能量示意图，其中：其中：aM为塑料基体吸收的能量；为塑料基体吸收的能量；aK为橡胶粒子吸收的能量；为橡胶粒子吸收的能量；aC为银纹吸收的能量；为银纹吸收的能量；aB为最后断裂吸收的能量。注意为最后断裂吸收的能量
49、。注意银纹吸收了大量能量银纹吸收了大量能量左图为应力应变曲线图；右图为受力过程示意图左图为应力应变曲线图；右图为受力过程示意图现在学习的是第78页，共87页2、银纹化现象和剪切屈服带银纹化现象和剪切屈服带许许多多聚聚合合物物，尤尤其其是是玻玻璃璃态态透透明明聚聚合合物物如如聚聚苯苯乙乙烯烯、有有机机玻玻璃璃、聚聚碳碳酸酸酯酯等等，在在存存储储及及使使用用过过程程中中，由由于于应应力力和和环环境境因因素素的的影影响响，表表面面往往往往会会出出现现一一些些微微裂裂纹纹。有有这这些些裂裂纹纹的的平平面面能能强强烈烈反反射射可可见见光光，形形成成银银色色的的闪闪光光，故故称称为为银银纹纹，相相应应的的
50、开开裂裂现现象称为银纹化现象。象称为银纹化现象。银纹化现象银纹化现象拉伸试样在拉断前产生银纹化现象，拉伸试样在拉断前产生银纹化现象，a图为聚苯乙烯，图为聚苯乙烯，b图为有机玻璃图为有机玻璃注意银纹方向与应力方向垂直注意银纹方向与应力方向垂直现在学习的是第79页，共87页产生银纹的原因有两个：一是力学因素（拉应力、弯应力），二是产生银纹的原因有两个：一是力学因素（拉应力、弯应力），二是环境因素（与某些化学物质相接触）。环境因素（与某些化学物质相接触）。ABS试样在弯应力下产生银纹的电镜照片试样在弯应力下产生银纹的电镜照片LDPE试样在弯应力作用和在试样在弯应力作用和在n-丙醇中浸丙醇中浸泡时产生