---聚合物的力学性能课件

大家好大家好 聚合物的力学性能聚合物的力学性能 聚合物的力学性能的内涵聚合物的力学性能的内涵力学性能力学性能形变性能形变性能弹性弹性普弹普弹高弹高弹粘性粘性粘弹性粘弹性断裂性能断裂性能强度强度韧性韧性 固体高分子材料的力学性能，也就是研究固体高分子材料的力学性能，也就是研究受力后，它的受力后，它的尺寸稳定性和强度尺寸稳定性和强度问题，或者说是问题，或者说是形变的特征和破坏的规律形变的特征和破坏的规律问题。问题。研究力学性能有两个相关的目的。研究力学性能有两个相关的目的。1 1、获得描述聚合物力学行为的数据和一般规律。、获得描述聚合物力学行为的数据和一般规律。2 2、深入了解力学性能与分子结构的内在联系。、深入了解力学性能与分子结构的内在联系。聚合物力学性能的特点聚合物力学性能的特点 1 1、在所有的材料中，高分子材料的力学性能、在所有的材料中，高分子材料的力学性能可变性范围宽，性能多样，用途广。可变性范围宽，性能多样，用途广。2 2、具有独特的高弹性、具有独特的高弹性 3 3、具有显著的粘弹性、具有显著的粘弹性 4 4、强烈地温度和时间依赖性、强烈地温度和时间依赖性 5 5、强度低、模量低、但比强度（强度、强度低、模量低、但比强度（强度/密度）密度）高高 三种基本的应变类型三种基本的应变类型 简单拉伸简单拉伸 简单剪切简单剪切 均匀压缩均匀压缩此时讨论的为各向同性材料此时讨论的为各向同性材料简单拉伸简单拉伸 杨氏模量杨氏模量 E(MPa)-拉伸应力拉伸应力 -拉伸应变拉伸应变 F-F-拉伸力拉伸力 A AO O-试样原始截面积试样原始截面积 L LO O-试样原始长度试样原始长度 L-L-伸长长度伸长长度真实应力真实应力工程应力工程应力简单剪切简单剪切剪切模量剪切模量:G(MPa)剪切剪切应力力 剪切剪切应变=tg 体积模量：体积模量：B(Kg)P 流体静压力流体静压力V 体积变化体积变化 V0 原始体积原始体积均匀压缩均匀压缩三种应变模量的关系三种应变模量的关系对于各向同性的材料有对于各向同性的材料有 E=2G(1+)=3B(1-2)(泊松比泊松比):横向形变与纵向形变之比横向形变与纵向形变之比 一般材料一般材料约为0.20.5 注意注意!上述四个参数中只有两个是独立的上述四个参数中只有两个是独立的 常用的几种力学强度常用的几种力学强度当材料所受的外力超过材料的承受能力时，当材料所受的外力超过材料的承受能力时，材料就发生破坏。机械强度是衡量材料抵抗外力材料就发生破坏。机械强度是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在一定条件下材料所能承受的破坏的能力，是指在一定条件下材料所能承受的最大应力。最大应力。根据外力作用方式不同，主要有以下三种：根据外力作用方式不同，主要有以下三种：厚度厚度d宽度宽度b 在规定试验温度、湿度和在规定试验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上实验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸负荷，直至沿轴向施加拉伸负荷，直至试样被拉断。试样被拉断。PP 试样断裂前所受的最大负荷试样断裂前所受的最大负荷P P与试样横截面积之比与试样横截面积之比为抗张强度为抗张强度 t：t =P/b d（i i）抗张强度）抗张强度 衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。（iiii）抗弯抗弯强度强度 也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度的测定是在也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度的测定是在规定的试验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，规定的试验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。直至试样断裂。设试验过程中最大的负荷为设试验过程中最大的负荷为P，则抗弯强度，则抗弯强度 f为：为：f =1.5Pl0/bd2 Pdbl0/2l0/2抗弯强度测定试验示意图抗弯强度测定试验示意图（iiiiii）冲击强度（）冲击强度（impact stengthimpact stength)（i i）冲击强度也称抗冲强度冲击强度也称抗冲强度,定义为试样受冲击负荷定义为试样受冲击负荷时单位截面积所吸收的能量。是衡量材料韧性的一种时单位截面积所吸收的能量。是衡量材料韧性的一种指标。测定时基本方法与抗弯强度测定相似，但其作指标。测定时基本方法与抗弯强度测定相似，但其作用力是运动的，不是静止的。用力是运动的，不是静止的。试样断裂时吸收试样断裂时吸收的能量等于断裂时的能量等于断裂时冲击头所做的功冲击头所做的功W W，因此冲击强度为：因此冲击强度为：i=W/bd冲击强度测定试验示意图冲击强度测定试验示意图冲击头，以一定速度对试样实冲击头，以一定速度对试样实施冲击施冲击Pbl0/2l0/2d 高聚物的拉伸行为高聚物的拉伸行为应力应力 应变应变曲线曲线最常用于描述高聚物的力学性能最常用于描述高聚物的力学性能应力应变曲线的形状取决于应力应变曲线的形状取决于:化学结构化学结构化化学学组组成成 ,结结构构分分子子量量及及其其分分布布支支化化交交联联物理结构物理结构结结晶晶及及取取向向晶晶区区大大小小与与形形状状加加工工形形态态温度、速率温度、速率等等试验测试试验测试条件条件ABCDYO由拉伸试验可测得高聚物的应力由拉伸试验可测得高聚物的应力-应变曲线应变曲线OA：服从虎克定律，：服从虎克定律，直线斜率为直线斜率为E，普弹，普弹性，可逆性，可逆A：弹性极限点：弹性极限点Y：屈服点：屈服点屈服应力屈服应力屈服应变屈服应变ABCDYOB：断裂点断裂点断裂应力断裂应力断裂伸长率断裂伸长率CD：细颈、成颈、细颈、成颈、冷拉，塑性变形，冷拉，塑性变形，不可逆不可逆曲线下的面积：韧性曲线下的面积：韧性高分子材料的强弱由高分子材料的强弱由 大小来区分，软与硬由大小来区分，软与硬由E的高低来区分，韧与脆由曲线下的面积区分的高低来区分，韧与脆由曲线下的面积区分n屈服点屈服点Y:d /d =0 Y前部前部弹性区域弹性区域 E E大形变小可逆大形变小可逆 Y后部后部塑性区域塑性区域 E E小形变大不可逆小形变大不可逆n拉伸拉伸(断裂断裂)强度强度X X 屈服点屈服点Y前断裂前断裂脆性断裂脆性断裂 屈服点屈服点Y后断裂后断裂韧性断裂韧性断裂 （1）材料硬而脆：在较大应力作用下，材料仅发生）材料硬而脆：在较大应力作用下，材料仅发生较小的应变，并在屈服点之前发生断裂，具有高的模较小的应变，并在屈服点之前发生断裂，具有高的模量和抗张强度，但受力呈脆性断裂，冲击强度较差。量和抗张强度，但受力呈脆性断裂，冲击强度较差。e e（1）（2）e e（2）材料硬而强：在较大应力作用下，材料发生较）材料硬而强：在较大应力作用下，材料发生较小的应变，在屈服点附近断裂，具高模量和抗张强度小的应变，在屈服点附近断裂，具高模量和抗张强度由此可将高分子材料分为：由此可将高分子材料分为：e e（4）（4）材料软而韧：模量低，屈服强度低，断裂伸长）材料软而韧：模量低，屈服强度低，断裂伸长率大，断裂强度较高，可用于要求形变较大的材料。率大，断裂强度较高，可用于要求形变较大的材料。e e（3）（3 3）材料强而韧：具高模量和抗张强度，断裂伸长）材料强而韧：具高模量和抗张强度，断裂伸长率较大，材料受力时，属韧性断裂。率较大，材料受力时，属韧性断裂。以上三种聚合物由于强度较大，适于用做工程塑料。以上三种聚合物由于强度较大，适于用做工程塑料。e e（5）e e（6）（5）材料软而弱：模量低，屈服强度低，中等断）材料软而弱：模量低，屈服强度低，中等断裂伸长率。如未硫化的天然橡胶。裂伸长率。如未硫化的天然橡胶。（6）材料弱而脆：一般为低聚物，不能直接用做）材料弱而脆：一般为低聚物，不能直接用做材料。材料。玻璃态非晶高聚物的拉伸玻璃态非晶高聚物的拉伸应变软化应变软化应变硬化应变硬化冷拉冷拉典型的非典型的非晶聚合物晶聚合物的应力的应力-应应变曲线变曲线过程过程：弹性形变：弹性形变-屈服屈服-细颈（应变软化）细颈（应变软化）-冷拉冷拉-应变硬化应变硬化-断裂断裂物理参数物理参数：弹性模量：弹性模量E E、屈服强度、屈服应变、断、屈服强度、屈服应变、断裂伸长率、断裂强度、拉伸韧性（断裂能）裂伸长率、断裂强度、拉伸韧性（断裂能）温度和形变速率对非晶聚合物应力温度和形变速率对非晶聚合物应力应变曲线的影响因素应变曲线的影响因素温度影响温度影响 a)T Tg 脆性断裂、形变小、脆性断裂、形变小、b)T Tg 出出现屈服点形屈服点形变稍大稍大 前部前部 c)T Tg 进入高入高弹态、形、形变大大 不出不出现屈服点屈服点 拉伸速率的影响拉伸速率的影响 断裂强度断裂强度拉伸速率拉伸速率 相当于温度相当于温度 断裂伸长率断裂伸长率拉伸速率拉伸速率 相当于温度相当于温度 结晶高聚物的拉伸结晶高聚物的拉伸曲线可分为三个阶段曲线可分为三个阶段n试样均匀拉伸应力随应变线性试样均匀拉伸应力随应变线性 至至Yn出现出现”细径细径”并不断扩展并不断扩展,应力几乎恒定应力几乎恒定n成径后继续均匀拉伸成径后继续均匀拉伸,应力应力 直至断裂直至断裂n分子机理分子机理:发热软化理论发热软化理论 外力作用外力作用 缩径区分子链取向缩径区分子链取向 构象熵构象熵 S 减小减小,S0 放放热 缩径区附近温度径区附近温度 屈服屈服强强度度 容易容易变形使形使缩径径进一步一步扩大大 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 橡胶材料是重要的高分子材料之一橡胶材料是重要的高分子材料之一，在，在T Tg g以上，以上，处于聚合物特有的处于聚合物特有的高弹性力学状态高弹性力学状态。高弹性无疑是。高弹性无疑是这类材料显著的特征或说独特的性质，是材料中一这类材料显著的特征或说独特的性质，是材料中一项十分难得的可贵性能，被广泛用于各个领域，其项十分难得的可贵性能，被广泛用于各个领域，其作用是不可替代的。作用是不可替代的。橡胶的分子结构和高弹性的本质橡胶的分子结构和高弹性的本质长期以来一直长期以来一直受到人们的注视和研究；提高橡胶的受到人们的注视和研究；提高橡胶的耐寒性和耐热耐寒性和耐热性性即扩大橡胶的使用范围，成了人们新的课题。即扩大橡胶的使用范围，成了人们新的课题。高弹性的特点高弹性的特点 弹性：物体抵抗引起形变的外力，并于外弹性：物体抵抗引起形变的外力，并于外力解除后恢复原状的能力。力解除后恢复原状的能力。弹性体：能完全恢复原状的物体。弹性体：能完全恢复原状的物体。弹性体的类型弹性体的类型大外力、小形变大外力、小形变金属、晶体金属、晶体晶体弹性晶体弹性普弹性普弹性小外力，大形变小外力，大形变气体气体气体气体弹性弹性聚合物聚合物高弹性高弹性聚合物聚合物的形变的形变可逆的弹可逆的弹性形变性形变不可逆的塑性形变不可逆的塑性形变普弹性普弹性高弹性高弹性平衡态高弹形变（可逆平衡态高弹形变（可逆过程的形变）过程的形变）非平衡态高弹形变（松非平衡态高弹形变（松驰过程形变）驰过程形变）普弹形变普弹形变 高弹形变高弹形变 在弹性范围的伸长率(%)0.11 1000%或更高 拉伸时 冷却 变热 回缩时 变热 冷却 泊松比 y y，又在，又在TbTTg范围就范围就可能发生屈服。除剪切屈服外，聚合物还可发生可能发生屈服。除剪切屈服外，聚合物还可发生一种特殊的局部屈服现象一种特殊的局部屈服现象银纹化银纹化。（一）、屈服及其特征（一）、屈服及其特征 屈服：材料对抗永久形变的能力。屈服：材料对抗永久形变的能力。屈服点屈服点:曲线上第一次出现曲线上第一次出现或不变，而或不变，而之处。如图中之处。如图中Y Y点。以屈服点点。以屈服点为界，整条曲线被分成两部分。为界，整条曲线被分成两部分。点以前点以前弹性部分，除去弹性部分，除去，材料能，材料能恢复原样，不留任何永久变形。恢复原样，不留任何永久变形。点以后点以后塑性部分，除去塑性部分，除去，材料不，材料不能恢复原样，留有永久变形。能恢复原样，留有永久变形。聚合物屈服点的特征：聚合物屈服点的特征：1 1、聚合物屈服应变大。、聚合物屈服应变大。2 2、有应变软化、有应变软化屈服点后有一个应力不大的下屈服点后有一个应力不大的下降，又称屈服降，此时降，又称屈服降，此时，。、y y有显著的温度依赖性。有显著的温度依赖性。TT，y y；在超；在超过过T Tg g或或T Tm m后，后，y y=0=0、y y对静压力非常敏感，静压力对静压力非常敏感，静压力 ，y y、y y随结晶度的增大而增大。随结晶度的增大而增大。（二）冷拉伸（二）冷拉伸 结晶聚合物、玻璃态聚合物在一定条件下结晶聚合物、玻璃态聚合物在一定条件下都能进行冷拉。在拉伸过程中，聚合物的聚集都能进行冷拉。在拉伸过程中，聚合物的聚集态结构，因其原始结构不同而发生相应的变化。态结构，因其原始结构不同而发生相应的变化。聚合物在低温下被拉伸，屈服并全部成聚合物在低温下被拉伸，屈服并全部成为细颈的过程叫冷拉。冷拉伸是外力作用下玻为细颈的过程叫冷拉。冷拉伸是外力作用下玻璃态聚合物的大分子链段发生运动的过程，因璃态聚合物的大分子链段发生运动的过程，因此冷拉本质上是强迫高弹形变。此冷拉本质上是强迫高弹形变。冷拉或强迫高弹形变的条件冷拉或强迫高弹形变的条件:1 1、y yb b 应变软化，出现细颈应变软化，出现细颈 2 2、细颈稳定，直到整个式样变细、细颈稳定，直到整个式样变细应变应变硬化硬化 3 3、拉伸温度：非晶态聚合物：、拉伸温度：非晶态聚合物：T Tb bTT拉拉TTg g 结晶态聚合物：结晶态聚合物：T Tg gTT拉拉TTm m（三）脆化点及脆性（三）脆化点及脆性韧性韧性 1 1、脆化点的内涵、脆化点的内涵 脆化点又称脆点，脆折点，脆化温度脆化点又称脆点，脆折点，脆化温度(T(Tb b)在单向拉伸试验中，聚合物在某一温度下不在单向拉伸试验中，聚合物在某一温度下不再能屈服，而以脆性方式断裂，这一温度称为再能屈服，而以脆性方式断裂，这一温度称为聚合物的脆化温度聚合物的脆化温度.在负荷下强迫高弹性能完全消失的温度。在负荷下强迫高弹性能完全消失的温度。材料受强力作用时韧性断裂转变化脆性断材料受强力作用时韧性断裂转变化脆性断裂的温度裂的温度.脆化温度取材料不发生韧性破坏的最低温脆化温度取材料不发生韧性破坏的最低温度，也就是材料发生脆性破坏的最高上限温度。度，也就是材料发生脆性破坏的最高上限温度。T Tb b是塑料使用温度的下限，或者说是塑料使用温度的下限，或者说T Tb b是塑是塑料使用的最低温度。料使用的最低温度。T Tb b把聚合物的玻璃态分为：把聚合物的玻璃态分为：硬玻璃态硬玻璃态脆性玻璃态脆性玻璃态 T TT TT Tb b T TT Tb b拉伸，先屈服后断裂，显示韧性拉伸，先屈服后断裂，显示韧性 T TT Tb b拉伸，先脆断无屈服，高分子材料拉伸，先脆断无屈服，高分子材料像普通玻璃一样，它们的脆性使之失去了应像普通玻璃一样，它们的脆性使之失去了应用价值。用价值。聚合物的脆性是由于高分子链的链段活聚合物的脆性是由于高分子链的链段活动能力丧失所致。动能力丧失所致。强迫高弹形变是塑料具有韧性的原因。强迫高弹形变是塑料具有韧性的原因。（四）银纹现象（四）银纹现象 1 1、银纹、银纹 高分子材料在使用与储存过程中或在拉伸作高分子材料在使用与储存过程中或在拉伸作用下，由于应力及环境的影响，在材料某些薄弱用下，由于应力及环境的影响，在材料某些薄弱地方出现地方出现应力集中而产生局部的塑性形变与取向应力集中而产生局部的塑性形变与取向，在其表面或内部出现裂纹在其表面或内部出现裂纹。裂纹的折光指数低于。裂纹的折光指数低于聚合物本体的折光指数，在两者的界面上有全反聚合物本体的折光指数，在两者的界面上有全反射现象，看上去呈银色的发亮条纹，因此形象的射现象，看上去呈银色的发亮条纹，因此形象的称为称为“银纹银纹”，相应的开裂现象称为银纹化。，相应的开裂现象称为银纹化。银纹为高分子材料所特有，大多发生在非晶银纹为高分子材料所特有，大多发生在非晶态聚合物中，在一些结晶聚合物中也有出现。态聚合物中，在一些结晶聚合物中也有出现。银纹或裂纹与裂缝是有区别的：银纹或裂纹与裂缝是有区别的：裂裂 纹纹裂裂 缝缝裂而不断裂而断质量不为零或密度不为零 空 隙具可逆性不可逆具有一定强度不具强度 2、银纹的形成机理银纹的形成机理 引起银纹的基本因素是引起银纹的基本因素是张应力张应力，纯压缩力，纯压缩力不产生银纹（力学因素）。不产生银纹（力学因素）。其机理：张应力作用下，其机理：张应力作用下，聚合物局部区域聚合物局部区域的塑性形变的塑性形变。在材料应力集中区的分子链将受到。在材料应力集中区的分子链将受到较大的作用力，导致沿应力方向高度取向，产生较大的作用力，导致沿应力方向高度取向，产生局部冷拉局部冷拉。由于局部的高度拉伸应变（可达。由于局部的高度拉伸应变（可达1000%1000%），造成了很大的横向收缩，这种局部收），造成了很大的横向收缩，这种局部收缩要远大于整体的横向收缩，结果在局部性的取缩要远大于整体的横向收缩，结果在局部性的取向链束或片层间形成一定的空体积，并在表面上向链束或片层间形成一定的空体积，并在表面上出现微细凹槽。出现微细凹槽。3 3、银纹的特点、银纹的特点 （1 1）、银纹平面总是垂直于拉伸方向，聚）、银纹平面总是垂直于拉伸方向，聚合物呈局部塑性形变。合物呈局部塑性形变。（2 2）、银纹仍具有一定强度，其力学性质）、银纹仍具有一定强度，其力学性质具粘弹性（具粘弹性（T T或或，）（3 3）、银纹化使高分子链沿应力方向取）、银纹化使高分子链沿应力方向取向，伴随有体积膨胀，密度向，伴随有体积膨胀，密度 （4 4）、银纹内表面很大。）、银纹内表面很大。.（5 5）、银纹使材料变得不透明呈乳白色）、银纹使材料变得不透明呈乳白色应力发应力发白白白色是折光指数下降造成的，是数目众多而白色是折光指数下降造成的，是数目众多而尺寸非常小的银纹聚集在一起的表现，同时表面尺寸非常小的银纹聚集在一起的表现，同时表面质量变坏影响使用性能。质量变坏影响使用性能。（6 6）、银纹是裂缝的先导：银纹）、银纹是裂缝的先导：银纹裂缝裂缝断裂。断裂。降低材料的强度和使用寿命。另一方面在橡胶增降低材料的强度和使用寿命。另一方面在橡胶增韧的聚合物中，如抗冲击韧的聚合物中，如抗冲击PSPS，却正是利用橡胶颗，却正是利用橡胶颗粒周围的粒周围的PSPS在外力作用下容易产生大量银纺可吸在外力作用下容易产生大量银纺可吸收大量的能量，赋予聚合物冲击强度。收大量的能量，赋予聚合物冲击强度。聚合物的断裂和强度聚合物的断裂和强度 材料在力作用下的宏观破坏叫断裂。有快速材料在力作用下的宏观破坏叫断裂。有快速断裂，蠕变断裂，疲劳断裂，磨损断裂，应力开断裂，蠕变断裂，疲劳断裂，磨损断裂，应力开裂等方式或类型。裂等方式或类型。强度是指对断裂的抵抗能力强度是指对断裂的抵抗能力。断裂和强度是同一现象的正反两个方面断裂和强度是同一现象的正反两个方面。它们是。它们是力学性质的重要方面。人们对聚合物强度的要求力学性质的重要方面。人们对聚合物强度的要求越来越高，因此研究断裂的类型，断裂形态，断越来越高，因此研究断裂的类型，断裂形态，断裂机理和影响强度的因素，显得十分重要。裂机理和影响强度的因素，显得十分重要。断裂和强度问题同材料的化学和物理结构密断裂和强度问题同材料的化学和物理结构密切相关。切相关。（一）聚合物的理论强度和实际强度（一）聚合物的理论强度和实际强度 从分子水平来看，聚合物之所以具有强度，从分子水平来看，聚合物之所以具有强度，主要靠分子内的化学键合力，分子间的范德华主要靠分子内的化学键合力，分子间的范德华力和氢键。在理想的（均一的，无缺陷）情况力和氢键。在理想的（均一的，无缺陷）情况下，可从微观角度对聚合物的理论强度做出估下，可从微观角度对聚合物的理论强度做出估计。聚合物断裂时其内部结构的破坏可以归纳计。聚合物断裂时其内部结构的破坏可以归纳为以下为以下三种情况：三种情况：如（如（a a）所示，分子链按平行受力方向整）所示，分子链按平行受力方向整齐排列，断裂时断面的化学键同时被破坏，可齐排列，断裂时断面的化学键同时被破坏，可由键能数据粗略估计材料的理论强度：由键能数据粗略估计材料的理论强度：=350 x10=350 x103 3x5x10 x5x101818/6.023x10/6.023x102323x1.5x10 x1.5x10-10-10 1.9x101.9x101010(Pa)(Pa)实际上高分子材料即使高度取向，结晶，实际上高分子材料即使高度取向，结晶，实实 理理 如（如（b b）所示，材料断裂完全是由分子间）所示，材料断裂完全是由分子间滑脱造成的，那么就要破坏分子链尺寸范围内滑脱造成的，那么就要破坏分子链尺寸范围内的范德华力或氢键。对于分子间有氢键的聚合的范德华力或氢键。对于分子间有氢键的聚合物及仅有范德华力的聚合物，经计算可得，总物及仅有范德华力的聚合物，经计算可得，总的的molmol内聚能分别比共价键能大十倍以上及好内聚能分别比共价键能大十倍以上及好几十倍，所以，断裂完全是由分子间的滑脱是几十倍，所以，断裂完全是由分子间的滑脱是不可能的。不可能的。如图（如图（c c）所示，所有分子都按垂直于受）所示，所有分子都按垂直于受力方向排列，只需要克服断面部分的分子间力力方向排列，只需要克服断面部分的分子间力即可产生破坏。根据氢键和范德华力的解离能即可产生破坏。根据氢键和范德华力的解离能和作用范围，可以计算破坏一个氢键和一对范和作用范围，可以计算破坏一个氢键和一对范德华力键所需要的拉伸力，从而计算拉伸强度德华力键所需要的拉伸力，从而计算拉伸强度分别为分别为4.0 x104.0 x108 8papa和和1.2x101.2x108 8papa，它们与高取向，它们与高取向纤维的纵向拉伸强度实测值在同一数量级。纤维的纵向拉伸强度实测值在同一数量级。根据以上分析可以得出如下结论：根据以上分析可以得出如下结论：1 1、实实 =（1/1001/1001/10001/1000）理理 （不（不可能理想取向，应力分布不均匀，断裂的不同可能理想取向，应力分布不均匀，断裂的不同时性，即缺陷引起的应力集中及分子链的无序时性，即缺陷引起的应力集中及分子链的无序程度）程度）2 2、断裂过程首先在应力较大的区域发、断裂过程首先在应力较大的区域发生分子间力的破坏，继之发生部分化学键的断生分子间力的破坏，继之发生部分化学键的断裂，最后引起整个材料的破坏。裂，最后引起整个材料的破坏。3 3、合理的设计高分子材料的结构，减少、合理的设计高分子材料的结构，减少应力集中现象，可有效的提高材料的实际强度，应力集中现象，可有效的提高材料的实际强度，其发展潜力是巨大的。其发展潜力是巨大的。（二）、脆性断裂理论 在固体聚合物的任何实际应用和工程应用中，断裂条件必然是设计和使用的极限。研究强度的中心课题就是探讨断裂的机理和材料微观结构对断裂过程的影响，断裂理论能够描述断裂的机理和探讨断裂发生的条件，从而获得材料使用安全的保证和提高强度的途径。断裂理论分为以裂缝为基础的宏观断裂理论和以分子为基础的微观断裂理论。1、断裂的裂缝理论 实践证明，材料的表面和内部缺陷总是存在的。该理论认为，这些缺陷会使应力集中于尖端，当它达到和超过某一临界条件时，裂缝失去稳定性而扩展，最终在低的应力下引起材料的断裂。（1）裂缝的应力集中效应 由经验知，有裂缝的材料极易开裂，而且裂缝的锐度对裂缝的扩展有很大的影响，因为尖锐裂缝尖端处实际应力相当大。（2）格里菲思（Griffith）断裂 确定断裂的临界应力发生断裂的必要条件和充分条件 Griffith从能量平衡的观点研究了断裂过程，认为：断裂要产生新表面，产生新表面所需要的表面能=材料内部弹性储能的减少；弹性储能在材料中的分布是不均匀的，在其裂缝附近集中了大量的弹性储能，致使材料在裂缝处先行断裂。裂缝失去稳定性的条件为：-/A=q （*）式中，材料中的内储弹性能；A裂缝面积；-/A每扩展单位面积裂缝端点附近所释放出的弹性能，称为能量释放率，是驱动裂缝扩展的原动力。该值与应力的类型，大小，裂缝尺寸，试样几何形状等有关；q产生每单位面积裂缝的表面功，反映材料抵抗裂缝扩展的一种性质。2b2a00r均匀拉伸的无限大薄板上的椭圆裂缝 对无机玻璃，陶瓷等脆性材料其裂缝周围应力分布得：式中a无限大薄板上裂缝长度之半，张应力，E材料的弹性模量 把（*）代入（*）得到引起裂缝扩展的临界应力c （*）Griffith又假定脆性材料无塑性流动，裂缝增长所需要的表面功仅与表面能s有关。q=2s c=（2sE/a）1/2 此式即为著名的脆性固体断裂的Griffith能量判据方程，又称能量准则。该式表明，c正比2s和E而反比于a，对于裂缝长度为2a的任何材料，只要外应力 c，裂缝能稳定，材料有安全的保证。式中不出现尖端半径，故它适用于线裂缝的情况。把上式改写：c（a）1/2=（2sE）1/2 对于任何给定的材料，（a）1/2应当超过某个临界值才会发生断裂，（a）1/2叫做应力强度因子K K=（a）1/2 由K的定义可知，材料的断裂与外应力和裂缝长度的乘积有关。在一定下，只要a小于一定值，材料的使用就是安全的。材料的临界应力强度因子（KC）KC=c（a）1/2=（2sE）1/2 如果已知KC，同时又知道该材料受的应力值，便能算出材料不发生断裂允许的裂缝长，又可算出它所允许承受的应力。