聚合物的屈服与断裂课件

CollegeofMaterialsScienceandEngineeringLiaochengUniversity 聚合物的力学性能是其受力后的响应，如形变大小、形变的聚合物的力学性能是其受力后的响应，如形变大小、形变的可逆性及抗破损性能等。可逆性及抗破损性能等。在不同条件下聚合物表现出的力学行为：在不同条件下聚合物表现出的力学行为：很大外力作用下表现为：极限力学行为（屈服、断裂）很大外力作用下表现为：极限力学行为（屈服、断裂）很大外力作用下表现为：极限力学行为（屈服、断裂）很大外力作用下表现为：极限力学行为（屈服、断裂）强度强度：材料所能承受的最大载荷，表征了材料的受力极限，在材料所能承受的最大载荷，表征了材料的受力极限，在实际应用中具有重要的意义。实际应用中具有重要的意义。包括抗张强度、冲击强度、弯曲强度、压缩强度、硬度。包括抗张强度、冲击强度、弯曲强度、压缩强度、硬度。小外力作用下聚合物表现为：高弹性、粘弹性和流动性小外力作用下聚合物表现为：高弹性、粘弹性和流动性本章的主要内容本章的主要内容聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服聚合物的屈服机理聚合物的屈服机理聚合物的断裂与强度聚合物的断裂与强度厚度厚度d d宽宽度度b bP P图图1Instron5569电子万能材料试验机电子万能材料试验机（electronicmaterialtestingsystem）实验条件：一定温度下；试样在大外力实验条件：一定温度下；试样在大外力F的作用下以一定拉伸速率拉伸。的作用下以一定拉伸速率拉伸。温度：非晶态聚合物温度：非晶态聚合物Tb-Tg8 8.1聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服 注意细颈注意细颈现象现象AYBYieldingpoint屈服点屈服点Pointofelasticlimit弹性极限点弹性极限点Breakingpoint断裂点断裂点Strain softening 应变软化Cold drawing 冷拉Strain hardening 应变硬化应变硬化 8.1.1 8.1.1 聚合物的塑性和屈服聚合物的塑性和屈服一、典型非晶态聚合物的拉伸应力一、典型非晶态聚合物的拉伸应力-应变曲线应变曲线ABY你能解你能解释吗？释吗？弹性形变弹性形变屈服屈服应变软化应变软化应变硬化应变硬化断裂断裂从分子运动机理解释形变过程从分子运动机理解释形变过程 YBCD冷拉冷拉O弹性形变区，从直线的斜率可以求出杨氏模量，从分子机理弹性形变区，从直线的斜率可以求出杨氏模量，从分子机理来看，这一阶段的普弹性是由于高分子的键长、键角和小的运来看，这一阶段的普弹性是由于高分子的键长、键角和小的运动单元的变化引起的动单元的变化引起的,移去外力后这部分形变会立即完全恢复，不移去外力后这部分形变会立即完全恢复，不留下任何永久形变。留下任何永久形变。弹性形变区屈服（屈服（yield，又称应变软化点）点，超过了此点，冻结的链，又称应变软化点）点，超过了此点，冻结的链段开始运动。材料发生屈服，试样的截面出现段开始运动。材料发生屈服，试样的截面出现“细颈细颈”。此后。此后随应变增大，应力不再增加反而有所下降随应变增大，应力不再增加反而有所下降应变软化。应变软化。Y点点以后，试样呈现塑性行为以后，试样呈现塑性行为(塑性形变塑性形变)。细颈细颈:屈服时，试样出现的局部变细的现象。屈服时，试样出现的局部变细的现象。强迫高弹形变区（冷拉阶段），随拉伸不断进行，细颈沿试样强迫高弹形变区（冷拉阶段），随拉伸不断进行，细颈沿试样不断扩展直到整个试样都变成细颈，材料出现较大变形。强迫高不断扩展直到整个试样都变成细颈，材料出现较大变形。强迫高弹形变本质上与高弹形变一样，是链段的运动，但它是在外力作弹形变本质上与高弹形变一样，是链段的运动，但它是在外力作用下发生的。此时停止拉伸，去除外力形变不能恢复，但试样加用下发生的。此时停止拉伸，去除外力形变不能恢复，但试样加热到热到Tg以上的温度时，将试样进行退火处理，形变才可以缓慢恢以上的温度时，将试样进行退火处理，形变才可以缓慢恢复。复。强迫高弹形变产生的原因强迫高弹形变产生的原因或或玻璃态下链段的运动是如何发生的？玻璃态下链段的运动是如何发生的？松弛时间与应力的关系：松弛时间与应力的关系：由上式可见，由上式可见，越大，越大，越小，即外力降低了链段在外越小，即外力降低了链段在外力作用方向上的运动活化能，力作用方向上的运动活化能，因而缩短了沿力场方向的松因而缩短了沿力场方向的松弛时间，当应力增加致使链段运动松弛时间减小到与外力弛时间，当应力增加致使链段运动松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时，使得在玻璃态被冻结的链段能越作用时间同一数量级时，使得在玻璃态被冻结的链段能越过势垒而运动。链段开始由蜷曲变为伸展，产生强迫高弹过势垒而运动。链段开始由蜷曲变为伸展，产生强迫高弹变形。变形。也就是在也就是在外力外力的作用下，的作用下，如同升高温度一样，对链段运动如同升高温度一样，对链段运动起到某种起到某种“活化活化”作用。非晶聚合物中本来被冻结的链段被强作用。非晶聚合物中本来被冻结的链段被强迫运动，使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚合物迫运动，使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚合物仍处于玻璃态，当外力移去后，链段不能再运动，形变也就得仍处于玻璃态，当外力移去后，链段不能再运动，形变也就得不到回复，只有当温度升至不到回复，只有当温度升至T Tg g以上，使链段运动解冻，形变才以上，使链段运动解冻，形变才能复原。能复原。处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中屈服点后屈服点后产生产生的较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试样温度的较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试样温度升到其升到其T Tg g以上，该形变则可完全回复，因此它在以上，该形变则可完全回复，因此它在本质上本质上仍属高弹形变仍属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的，并非粘流形变，是由高分子的链段运动链段运动所引起的。所引起的。这种形变称为这种形变称为强迫高弹形变又称塑性形变强迫高弹形变又称塑性形变强迫高弹形变的定义强迫高弹形变的定义相同点：玻璃态聚合物在大应力条件下发生的这种高弹形变本质上与橡胶态聚合物的高弹形变是相同的，它们都是由链段运动所导致的高弹形变。讨论玻璃态聚合物的强迫高弹形变和橡胶高弹形变的异同讨论玻璃态聚合物的强迫高弹形变和橡胶高弹形变的异同：不同点：（1）橡胶的高弹形变发生在Tg温度以上（橡胶态），链段本身就具有了运 动能力；因此在小应力下就可以发生大形变；（2）橡胶的高弹形变当外力去除后可以自动回复。（3）玻璃态聚合物的高弹形变发生在Tg温度以下（玻璃态），链段本身不 具备运动能力，只是在很大的应力下使链段的运动解冻了，才可以发 生大形变，而且这种大形变只有当加热到Tg温度以上时才可以回复。应变（取向）硬化区，在应力的持续作用下，大量的链段应变（取向）硬化区，在应力的持续作用下，大量的链段开始运动，并沿外力方向取向，使材料产生大变形，链段的开始运动，并沿外力方向取向，使材料产生大变形，链段的运动和取向最后导致了分子链取向排列，使强度提高。因此运动和取向最后导致了分子链取向排列，使强度提高。因此只有进一步增大应力才使应变进一步发展，所以应力又一次只有进一步增大应力才使应变进一步发展，所以应力又一次上升上升“应变硬化应变硬化”。断裂断裂试样均匀形变，最后应力超过了材料的断裂强度，试样均匀形变，最后应力超过了材料的断裂强度，试样发生断裂。试样发生断裂。ConclusionConclusion：典型非晶态聚合物拉伸时形变经历普弹形变、应变软化典型非晶态聚合物拉伸时形变经历普弹形变、应变软化（屈服）、塑性形变（屈服）、塑性形变(plastic deformation(plastic deformation )（强迫高弹形变强迫高弹形变）、应变硬化四个阶段。、应变硬化四个阶段。应力应力-应变曲线描述了材料在大外力作用下的形变规律。应变曲线描述了材料在大外力作用下的形变规律。聚合物的屈服强度聚合物的屈服强度（Y Y点强度）点强度）聚合物的屈服伸长率聚合物的屈服伸长率（Y点伸长率）点伸长率）聚合物的杨氏模量聚合物的杨氏模量（OAOA段斜率）段斜率）聚合物的断裂强度聚合物的断裂强度（B B点强度）点强度）聚合物的断裂伸长聚合物的断裂伸长率（率（B B点伸长率）点伸长率）聚合物的断裂韧性聚合物的断裂韧性（曲线下面积）（曲线下面积）从曲线上可得评价聚合物力学性能的参数从曲线上可得评价聚合物力学性能的参数:(1)(1)温度温度a:TTg0 脆断脆断b:TTg050屈服后断屈服后断c:TTg几十度几十度5070韧断韧断d:Tg以上以上70无屈服无屈服TTExample-PVC二、影响聚合物应力二、影响聚合物应力-应变曲线的因素应变曲线的因素总之，总之，温度升高，材料逐步变软变韧，断裂强度下降，温度升高，材料逐步变软变韧，断裂强度下降，断裂伸长率增加；断裂伸长率增加；温度下降，材料逐步变硬变脆，断裂强度增加，温度下降，材料逐步变硬变脆，断裂强度增加，断裂伸长率减小断裂伸长率减小(2)(2)应变速率应变速率Strain rate速度速度速度速度即即增加增加应变速率应变速率与与降低温度降低温度的效应是的效应是等效的。等效的。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，告诉我们韧转变方式给我们以启发，告诉我们材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当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，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强的方法，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。塑料的非弹性体增韧改性技术度，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（后详，就是由此发展起来的（后详，P249P249）。）。比较图比较图7-4和和7 7-7可以发现，可以发现，升高环境温度和升高环境压升高环境温度和升高环境压力都能使高分子材料发生脆力都能使高分子材料发生脆-韧转变。但两种脆韧转变。但两种脆-韧转变方韧转变方式有很大差别。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，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。材料变得强而韧。(3)(3)环境压力环境压力 结晶聚合物的应力应变曲线结晶聚合物的应力应变曲线OA-普弹形变普弹形变YN屈服，缩颈（应变变大，应力屈服，缩颈（应变变大，应力下降）下降）ND强迫高弹形变强迫高弹形变DB-细颈化试样重新被均匀拉伸，细颈化试样重新被均匀拉伸，应变随应力增加应变硬化应变随应力增加应变硬化 一、晶态聚合物在单向拉伸时典型的应力一、晶态聚合物在单向拉伸时典型的应力-应变曲线应变曲线NYDBAO应应力力应变应变8.1.28.1.2晶态聚合物的应力一应变曲线晶态聚合物的应力一应变曲线 冷拉伸也属于强迫高弹形变，但两者的微观机理不尽相同。冷拉伸也属于强迫高弹形变，但两者的微观机理不尽相同。结结晶聚合物从远低于玻璃化温度直到熔点附近一个很大温区内都晶聚合物从远低于玻璃化温度直到熔点附近一个很大温区内都能发生冷拉伸能发生冷拉伸。在微观上，冷拉伸由于应力作用使原有的结晶。在微观上，冷拉伸由于应力作用使原有的结晶结构破坏，球晶、片晶被拉开分裂成更小的结晶单元，分子链结构破坏，球晶、片晶被拉开分裂成更小的结晶单元，分子链从晶体中被拉出、伸直，沿着拉伸方向排列。从晶体中被拉出、伸直，沿着拉伸方向排列。由之产生的形变由之产生的形变也不能复原，但加热到熔点附近形变能部分复原也不能复原，但加热到熔点附近形变能部分复原，因此晶态聚，因此晶态聚合物的大形变本质上也属高弹形变。合物的大形变本质上也属高弹形变。玻璃态聚合物的拉伸与结晶聚合物的拉伸相似之处玻璃态聚合物的拉伸与结晶聚合物的拉伸相似之处：即两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、强迫高弹形变以及即两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、强迫高弹形变以及应变硬化、断裂阶段，其中强迫高弹形变在室温时都不能自应变硬化、断裂阶段，其中强迫高弹形变在室温时都不能自发回复，而加热后则产生回复，本质上两种拉伸过程造成的发回复，而加热后则产生回复，本质上两种拉伸过程造成的大形变都是大形变都是链段运动所导致链段运动所导致高弹形变。高弹形变。该现象通常称为该现象通常称为“冷冷拉拉”。两种拉伸过程又有区别：两种拉伸过程又有区别：即产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉温度区即产生冷拉的温度范围不同，玻璃态聚合物的冷拉温度区间是间是T Tb b到到TgTg，而结晶聚合物则为而结晶聚合物则为TgTg至至TmTm；另一差别在于玻璃另一差别在于玻璃态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶态聚合物简单态聚合物在冷拉过程中聚集态结构的变化比晶态聚合物简单得多，它只发生分子链的取向，并不发生相变，而后者尚包得多，它只发生分子链的取向，并不发生相变，而后者尚包含有含有结晶的破坏，取向和再结晶等过程。结晶的破坏，取向和再结晶等过程。注意：（冷拉）强迫高弹形变，对于非晶聚合物，主要是注意：（冷拉）强迫高弹形变，对于非晶聚合物，主要是链段取向；对于结晶聚合物，主要是晶粒的变形。链段取向；对于结晶聚合物，主要是晶粒的变形。这与这与两种拉伸过程造成的大形变都是两种拉伸过程造成的大形变都是链段运动所导致链段运动所导致高弹高弹形变并不矛盾。形变并不矛盾。(1)(1)球晶大小球晶大小二、影响晶态聚合物应力二、影响晶态聚合物应力-应变曲线的因素应变曲线的因素聚丙烯应力聚丙烯应力-应变曲线与球晶尺寸的关系应变曲线与球晶尺寸的关系表表7-3聚丙烯拉伸性能与球晶尺寸的关系聚丙烯拉伸性能与球晶尺寸的关系球晶尺寸球晶尺寸/拉伸强度拉伸强度/MPa断裂伸长率断裂伸长率/1030.050010022.52520012.525 均匀小球晶能使材料的强度、伸长率、模量和韧性得到均匀小球晶能使材料的强度、伸长率、模量和韧性得到提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降。提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降。大量的均匀小球晶分布在材料内，起到类似交联点作用，大量的均匀小球晶分布在材料内，起到类似交联点作用，使材料应力使材料应力-应变曲线由软而弱型转为软而韧型，甚至转为有应变曲线由软而弱型转为软而韧型，甚至转为有屈服的硬而韧型（见上图）屈服的硬而韧型（见上图）因此改变结晶历史，如采用淬火，或添加成核剂，如在聚因此改变结晶历史，如采用淬火，或添加成核剂，如在聚丙烯中添加草酸酞作为晶种，都有利于均匀小球晶生成，从丙烯中添加草酸酞作为晶种，都有利于均匀小球晶生成，从而可以提高材料强度和韧性。而可以提高材料强度和韧性。(2)(2)结晶度结晶度一般影响规律是：一般影响规律是：1）随着结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹）随着结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹性模量均提高，但断裂伸长率和韧性下降。这是由于结晶使性模量均提高，但断裂伸长率和韧性下降。这是由于结晶使分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用增强所致。分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用增强所致。表表7-2聚乙烯的断裂性能与结晶度的关系聚乙烯的断裂性能与结晶度的关系结晶度结晶度/65758595断裂强度断裂强度/14.4182540断裂伸长率断裂伸长率/500300100208.1.3 8.1.3 取向聚合物的应力取向聚合物的应力-应变曲线应变曲线聚合物材料在取向方向上的强度随取向程度的增聚合物材料在取向方向上的强度随取向程度的增加而很快增大，此时，分子量和结晶度的影响较加而很快增大，此时，分子量和结晶度的影响较小，性能主要小，性能主要由取向状况所决定由取向状况所决定。高度取向时，。高度取向时，垂直于取向方向上材料的强度很小，垂直于取向方向上材料的强度很小，容易开裂容易开裂。取向方向上，材料的模量也增大。通常，平行方取向方向上，材料的模量也增大。通常，平行方向上模量比未取向时增大很多，而在垂直方向上向上模量比未取向时增大很多，而在垂直方向上模量与未取向时模量与未取向时差别不大差别不大。双轴取向时双轴取向时，在该双轴构成的平面内，性能不像，在该双轴构成的平面内，性能不像单轴取向那样有薄弱的方向。为此，利用双轴取单轴取向那样有薄弱的方向。为此，利用双轴取向，可以向，可以改进材料的性能。改进材料的性能。8.1.4 8.1.4 应力一应变曲线类型应力一应变曲线类型“软”和和“硬硬”用于区分模量的低或高，用于区分模量的低或高，“弱弱”和和“强强”是指是指强强度的大小，度的大小，“脆脆”是指无屈服是指无屈服现象而且断裂伸象而且断裂伸长很小，很小，“韧”是指其断裂伸是指其断裂伸长和和断裂断裂应力都力都较高的情况，有高的情况，有时可将断裂功作可将断裂功作为“韧性性”的的标志。志。按按照照拉伸拉伸过程中屈服点的表程中屈服点的表现、伸、伸长率大小以及断裂情况，率大小以及断裂情况，Carswell和和Nason将其大致分将其大致分为五种五种类型，即：硬而脆；硬而型，即：硬而脆；硬而强强；强强而而韧；软而而韧；软而弱。而弱。见图图表表1 1 五种应力五种应力-应变曲线的特征应变曲线的特征类型模量拉伸强度屈服点伸长率曲线下面积实例硬而脆高中无小（2%2%）小PSPS、PMMAPMMA、酚醛硬而强高高断裂点附近中（5%5%）中硬质PVCPVC强而韧高高高大100%100%大PA66PA66、PCPC、POMPOM软而韧低中无很大1000%1000%大软质PVCPVC、硫化橡胶软而弱低低低中中聚合物凝胶有三种材料的应力有三种材料的应力-应变曲线如图所示。应变曲线如图所示。A、哪种材料的弹性模量最高？、哪种材料的弹性模量最高？B、哪种材料的伸长率最大？、哪种材料的伸长率最大？C、哪种材料的韧性最高？、哪种材料的韧性最高？D、哪种材料的在断裂前没有明显、哪种材料的在断裂前没有明显的塑性变形？的塑性变形？E、判断顺丁橡胶、尼龙、判断顺丁橡胶、尼龙6、酚醛塑料分别、酚醛塑料分别对应哪种材料的曲线？对应哪种材料的曲线？0应变应力材料I材料II材料III屈服应变屈服应变弹性弹性线性线性B（屈服点）（屈服点）C断裂点断裂点塑性塑性以以B点为界分为二部分：点为界分为二部分：B点以前（弹性区域）：点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形。样，不留任何永久变形。斜率即为杨氏模量。斜率即为杨氏模量。B点以后（塑性区域）：点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢除去外力后，材料不再恢复原样，而留有永久变形，复原样，而留有永久变形，我们称材料我们称材料“屈服屈服”了，了，B点以后总的趋势是载荷几点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很乎不增加但形变却增加很多多8.2聚合物的屈服机理聚合物的屈服机理屈屈服服主主要要特特征征高聚物屈服点前形变是可以回复的，屈服点后高聚物将高聚物屈服点前形变是可以回复的，屈服点后高聚物将在恒应力下在恒应力下“塑性流动塑性流动”，即链段沿外力方向开始取向。，即链段沿外力方向开始取向。高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为10%-10%-20%20%（与金属相比）。金属（与金属相比）。金属0.010.01左右，高聚物左右，高聚物0.20.2左右左右。屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还非常屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还非常迅速。迅速。屈服应力对应变速率和温度都敏感。屈服应力对应变速率和温度都敏感。屈服发生时，拉伸样条表面产生屈服发生时，拉伸样条表面产生“银纹银纹”或或“剪切带剪切带”,继而整个样条局部出现继而整个样条局部出现“细颈细颈”。(1)Shearband剪切带剪切带在细颈出现之前试在细颈出现之前试样上出现与拉伸方样上出现与拉伸方向成向成45 角的剪切角的剪切滑移变形带滑移变形带聚合物屈服的表现形式聚合物屈服的表现形式(2)Crazing银纹银纹银纹现象为聚合物所特有，在张应力作用下，于材料某些薄银纹现象为聚合物所特有，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，以至于弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，以至于在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100100m m、宽宽度为度为10 10 m m左右、厚度约为左右、厚度约为1 1 m m的微细凹槽的现象的微细凹槽的现象分分类类环境银纹环境银纹溶剂银纹溶剂银纹应力银纹应力银纹1.1.剪切屈服现象及产生原因剪切屈服现象及产生原因横截面横截面A0,受到受到的应力的应力 0=F/A0拉伸中材料某个面受力分析拉伸中材料某个面受力分析剪切屈服：即在细颈发生前，试样表面出现与拉伸方向成剪切屈服：即在细颈发生前，试样表面出现与拉伸方向成4545度度角的剪切带。角的剪切带。(为什么？）为什么？）斜截面A受 力法向应力法向应力剪切应力剪切应力。任意截面上的剪切应力和法应力与截面倾角的关系任意截面上的剪切应力和法应力与截面倾角的关系=0 n=0 s=0=45 n=0/2 s=0/2=90 n=0 s=0对于试样中倾角为对于试样中倾角为=a+/2=a+/2的斜截面（它与第一个斜截面的斜截面（它与第一个斜截面相互垂直）进行同样处理，我们也可以得到：相互垂直）进行同样处理，我们也可以得到：n=0 0 Cos Cos2 2=0 Sin Sin 2 2 ss=0 0/2 Sin2=-/2 Sin2=-0 0/2 Sin 2/2 Sin 2 显然：显然：s=-=-as，这说明两个互相垂直的斜截面上的，这说明两个互相垂直的斜截面上的切应力大小相等、方向相反，而且它们总是同时出现的，之和切应力大小相等、方向相反，而且它们总是同时出现的，之和是一定值是一定值0，这种性质成为切应力双生互等定律。这种性质成为切应力双生互等定律。本质上，法向应力本质上，法向应力 与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉与材料的抗拉伸能力有关，而抗拉伸能力极限值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材伸能力极限值主要取决于分子主链的强度（键能）。因此材料在料在 作用下发生破坏时，往往伴随主链的断裂。作用下发生破坏时，往往伴随主链的断裂。切向应力切向应力 与材料的抗剪切能力相关，极限值主要取决与材料的抗剪切能力相关，极限值主要取决于分子间内聚力。材料在于分子间内聚力。材料在 作用下发生屈服时，往往发生作用下发生屈服时，往往发生分子链的相对滑移（图分子链的相对滑移（图7-15）。）。图图7-15垂直应力下的分子链断裂（垂直应力下的分子链断裂（a）和剪切应力下的分子链滑移（和剪切应力下的分子链滑移（b）在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力变化十在外力场作用下，材料内部的应力分布与应力变化十分复杂，断裂和屈服都有可能发生，处于相互竞争状态。分复杂，断裂和屈服都有可能发生，处于相互竞争状态。已知不同的高分子材料本征地具有不同的抗拉伸和抗已知不同的高分子材料本征地具有不同的抗拉伸和抗剪切能力。定义材料的最大抗拉伸能力为临界抗拉伸强剪切能力。定义材料的最大抗拉伸能力为临界抗拉伸强度度 ；最大抗剪切能力为临界抗剪切强度；最大抗剪切能力为临界抗剪切强度 。材料抵抗外力的方式材料抵抗外力的方式两两种种抗张强度：抵抗拉力的作用抗张强度：抵抗拉力的作用抗剪强度：抵抗剪力的作用抗剪强度：抵抗剪力的作用抗张强度什么面最大？抗张强度什么面最大？=0，n=0抗剪强度什么面最大？抗剪强度什么面最大？=45 或或135 ，s=0/2 若材料的若材料的 ，则在外应力作用下，往往材料的抗，则在外应力作用下，往往材料的抗拉伸能力首先支持不住，而抗剪切能力尚能坚持，此时材料拉伸能力首先支持不住，而抗剪切能力尚能坚持，此时材料破坏主要表现为以主链断裂为特征的脆性断裂，断面垂直于破坏主要表现为以主链断裂为特征的脆性断裂，断面垂直于拉伸方向（拉伸方向（=0=0），），断面光滑。断面光滑。若材料的若材料的 ，应力作用下材料的抗剪切能力首先，应力作用下材料的抗剪切能力首先破坏，抗拉伸能力尚能坚持，则往往首先发生屈服，分子链破坏，抗拉伸能力尚能坚持，则往往首先发生屈服，分子链段相对滑移，沿剪切方向取向，继之发生的断裂为韧性断裂，段相对滑移，沿剪切方向取向，继之发生的断裂为韧性断裂，断面粗糙，通常与拉伸方向的夹角断面粗糙，通常与拉伸方向的夹角=45=45。受到外力作用材料的破坏分两种情形受到外力作用材料的破坏分两种情形韧性材料拉伸为什么出现与拉伸方向成韧性材料拉伸为什么出现与拉伸方向成45角的角的剪切滑移变剪切滑移变形带形带并生成对称细颈？并生成对称细颈？韧性材料拉伸时，斜截面（韧性材料拉伸时，斜截面（=45）上的最大切应力首先）上的最大切应力首先增加到材料的剪切强度，因此材料屈服，并出现与拉伸方向增加到材料的剪切强度，因此材料屈服，并出现与拉伸方向成成4545角的角的剪切滑移变形带剪切滑移变形带。进一步拉伸时，剪切带中由于。进一步拉伸时，剪切带中由于分子链高度取向强度提高，暂时不发生进一步的变形。而其分子链高度取向强度提高，暂时不发生进一步的变形。而其边缘则进一步发生剪切变形。同样，在边缘则进一步发生剪切变形。同样，在135135的斜截面上也的斜截面上也发生剪切变形，发生剪切变形，因而试样逐渐生成对称的细颈，直至细颈扩因而试样逐渐生成对称的细颈，直至细颈扩展至整个试样。展至整个试样。表表7-1几种典型高分子材料在室温下几种典型高分子材料在室温下、的值的值(T=23)聚合物聚合物/MPa/MPaPSSANPMMAPVCPCPESPEEK40567467878012048734939405662 可以根据材料的本征强度对材料的脆、韧性规定一个判据：可以根据材料的本征强度对材料的脆、韧性规定一个判据：凡凡 的，发生破坏时首先为脆性断裂的材料为脆的，发生破坏时首先为脆性断裂的材料为脆性材料；性材料；凡凡 的，容易发生韧性屈服的材料为韧性材料。的，容易发生韧性屈服的材料为韧性材料。（1 1）剪切带是韧性聚合物在单向拉伸至屈服点时出现的与）剪切带是韧性聚合物在单向拉伸至屈服点时出现的与拉伸方向成约拉伸方向成约4545角倾斜的剪切滑移变形带角倾斜的剪切滑移变形带（2 2）剪切带的厚度约）剪切带的厚度约1 1m m，在剪切带内部，高分子链高度取，在剪切带内部，高分子链高度取向，剪切带内部没有空隙，因此，形变过程没有明显的体积向，剪切带内部没有空隙，因此，形变过程没有明显的体积变化变化（3 3）剪切带的产生与发展吸收了大量能量）剪切带的产生与发展吸收了大量能量(细颈扩展至整个细颈扩展至整个试样试样)。同时，由于发生取向硬化，阻止了形变的进一步发。同时，由于发生取向硬化，阻止了形变的进一步发展展总结剪切带的特点：总结剪切带的特点：（1 1）定义：）定义：银纹现象为聚合物所特有，银纹现象为聚合物所特有，是聚合物在是聚合物在张应力张应力作作用下，于材料的某些薄弱部分出现应力集中而产生局部的用下，于材料的某些薄弱部分出现应力集中而产生局部的塑塑性形变和取向性形变和取向，以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出，以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为现长度为100m100m，宽度为宽度为10m10m左右，厚度为左右，厚度为1m1m的微细凹槽的微细凹槽现象。现象。2.2.银纹屈服现象银纹屈服现象（2 2）特征：）特征：银纹不是空的，银纹体的密度为本体密度的银纹不是空的，银纹体的密度为本体密度的50%50%，折光指数也低于聚合物本体折光指数，因此在银纹和本体，折光指数也低于聚合物本体折光指数，因此在银纹和本体之间的界面上将对光线产生全反射现象，呈现银光闪闪的纹之间的界面上将对光线产生全反射现象，呈现银光闪闪的纹路（所以也称路（所以也称应力发白应力发白），），高度取向的高分子微纤高度取向的高分子微纤加热退火加热退火会使银纹消失（发生解取向）会使银纹消失（发生解取向）。银纹进一步发展银纹进一步发展裂缝裂缝脆性断裂。脆性断裂。银银纹纹的的扩扩展展中间分子中间分子链断裂链断裂扩展扩展形成裂纹形成裂纹（3 3）.银纹与裂缝的区别：裂缝是空的，内部无聚合物；而银银纹与裂缝的区别：裂缝是空的，内部无聚合物；而银纹内部并不是完全空的，含有纹内部并不是完全空的，含有4040左右的聚合物仍然具有强度左右的聚合物仍然具有强度和粘弹现象称为银纹质。银纹处的密度低，折光指数低，故和粘弹现象称为银纹质。银纹处的密度低，折光指数低，故在界面上出现全反射现象。在界面上出现全反射现象。银纹具有可逆性，在玻璃化温度以上退火时可回缩或者愈合，银纹具有可逆性，在玻璃化温度以上退火时可回缩或者愈合，再拉伸时，它会出现。银纹扩展会变成裂缝，最后整个材料再拉伸时，它会出现。银纹扩展会变成裂缝，最后整个材料断裂。断裂。张应力张应力作用下的聚合物作用下的聚合物局部区域局部区域的塑性形变。在应力集中的区域的塑性形变。在应力集中的区域分子链将受到较大的应力，导致沿应力方向高度取向，产生局部分子链将受到较大的应力，导致沿应力方向高度取向，产生局部的冷拉，由于局部的高度拉伸应变（的冷拉，由于局部的高度拉伸应变（10001000），造成了很大的横），造成了很大的横向收缩，这种局部的收缩要大于材料整体的横向收缩，结果在局向收缩，这种局部的收缩要大于材料整体的横向收缩，结果在局部性的取向链束或片层间形成一定的空的体积，并在表面上出现部性的取向链束或片层间形成一定的空的体积，并在表面上出现凹槽。也可以发生在材料内部形成内银纹。凹槽。也可以发生在材料内部形成内银纹。另外：环境和溶剂因素也可诱发银纹。另外：环境和溶剂因素也可诱发银纹。（4 4）.银纹产生的机理：银纹产生的机理：4.4.产生银纹的结果：产生银纹的结果：银纹可发展成裂缝，使材料的使用性能降低。银纹可发展成裂缝，使材料的使用性能降低。银纹的产生可以改善聚合物的力学性能，它在产生时吸收银纹的产生可以改善聚合物的力学性能，它在产生时吸收能量，提高了高聚物冲击强度。能量，提高了高聚物冲击强度。举例：举例：抗冲击塑料：在塑料（抗冲击塑料：在塑料（PSPS）中引入橡胶分散相（中引入橡胶分散相（TgTg低，形成两低，形成两相体系且边界黏着性好），橡胶颗粒在应力的作用下除了本身相体系且边界黏着性好），橡胶颗粒在应力的作用下除了本身的形变外，还可以引起颗粒周围的塑料相产生很多银纹，银纹的形变外，还可以引起颗粒周围的塑料相产生很多银纹，银纹的产生和塑性形变，消耗了大量的冲击能量同时由一个颗粒边的产生和塑性形变，消耗了大量的冲击能量同时由一个颗粒边缘产生的银纹可在附近的另一个橡胶颗粒上终止，防止了银纹缘产生的银纹可在附近的另一个橡胶颗粒上终止，防止了银纹发展成裂缝从而抑制了材料破坏起到增韧的作用。发展成裂缝从而抑制了材料破坏起到增韧的作用。下面总结：剪切和银纹屈服的特点下面总结：剪切和银纹屈服的特点银纹和剪切带均为分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象银纹和剪切带均为分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服主要区别主要区别剪切屈服剪切屈服银纹屈服银纹屈服材料形变材料形变材料形变大几十材料形变大几十几几百百%材料形变小材料形变小10%应力应力-应变曲线特征应变曲线特征有明显的屈服点有明显的屈服点无明显的屈服点无明显的屈服点材料体积材料体积体积不变体积不变体积增加体积增加应力应力剪切力剪切力张应力张应力结果结果强迫高弹形变强迫高弹形变（细颈）（细颈）裂缝裂缝如何区分断裂如何区分断裂形式？形式？关键看屈服屈服前前断脆脆性断裂屈服后后断韧韧性断裂 8.3 8.3 聚合物的断裂与强度聚合物的断裂与强度（一）（一）高分子材料的宏观断裂方式高分子材料的宏观断裂方式脆性断裂脆性断裂：屈服前断裂，不产生强迫形变。与材料的弹性响：屈服前断裂，不产生强迫形变。与材料的弹性响应相联系，在断裂前试样形变均匀，断裂时，裂纹迅速垂直应相联系，在断裂前试样形变均匀，断裂时，裂纹迅速垂直于应力方向，断裂面不显出明显的推迟形变，于应力方向，断裂面不显出明显的推迟形变，曲线是线曲线是线性的，性的，5%，形变的产生是由形变的产生是由剪切应力剪切应力引起的主要是链段运动的结果。引起的主要是链段运动的结果。表面粗糙，有凹凸不平的丝状物。表面粗糙，有凹凸不平的丝状物。试样发生脆性或者韧性断裂与材料结构有关，除此之外，试样发生脆性或者韧性断裂与材料结构有关，除此之外，同一材料是发生脆性或韧性断裂还与温度同一材料是发生脆性或韧性断裂还与温度T T 和拉伸速度和拉伸速度 有有关。关。PS试样脆性断裂表面的电镜照片试样脆性断裂表面的电镜照片增韧改性增韧改性PVC韧性断裂表面的韧性断裂表面的SEM照片照片 脆性断裂和韧性断裂断口形貌脆性断裂和韧性断裂断口形貌 材料脆韧转变与温度关系材料脆韧转变与温度关系Tb脆化温度，脆化点在一定速率下（不同温在一定速率下（不同温度）测定的断裂应力和度）测定的断裂应力和屈服应力，作屈服应力，作断裂应力断裂应力和和屈服应力屈服应力随温度的变随温度的变化曲线化曲线断裂应力断裂应力和和屈服应力屈服应力谁对应变速率更敏感？谁对应变速率更敏感？因此，因此，脆韧转变点脆韧转变点将随应变速率增加而移向高温，即在低应将随应变速率增加而移向高温，即在低应变速率时是韧性的材料，高应变速率时将会发生脆性断裂。变速率时是韧性的材料，高应变速率时将会发生脆性断裂。T TbT Tb b越低材料韧性越越低材料韧性越好好对材料一般使用温度一般使用温度为哪一段？（二）（二）高分子材料的强度高分子材料的强度1、理论强度和实际强度、理论强度和实际强度 对对碳碳链链聚聚合合物物，已已知知CC键键能能约约为为335378kJmol-1，相相当当于于每每键键的的键键能能为为56 1019J。这这些些能能量量可可近近似似看看作作为为克克服服成成键键的的原原子子引引力力 ，将将两两个个C原原子子分分离离到到键键长长的的距距离离 所所做做的的功功 。CC键长键长 ，由此算出一个共价键力，由此算出一个共价键力 为为（7-9）由由X射线衍射实验测材料的晶胞参数，可求得大分子链横截射线衍射实验测材料的晶胞参数，可求得大分子链横截面积。如求得聚乙烯分子链横截面为面积。如求得聚乙烯分子链横截面为 ，由，由此得到高分子材料的理论强度为：此得到高分子材料的理论强度为：理论强度是人们从化学结构可能期望的材料极限强度，由于理论强度是人们从化学结构可能期望的材料极限强度，由于高分子材料的破坏是由化学键断裂引起的，因此可从拉断化学高分子材料的破坏是由化学键断裂引起的，因此可从拉断化学键所需作的功计算其理论强度。键所需作的功计算其理论强度。实验观察到在玻璃态聚合物中存在大量尺寸在实验观察到在玻璃态聚合物中存在大量尺寸在100nm的孔的孔穴，聚合物生产和加工过程中又难免引入许多杂质和缺陷。穴，聚合物生产和加工过程中又难免引入许多杂质和缺陷。在材料使用过程中，由于孔穴的应力集中效应，有可能使孔在材料使用过程中，由于孔穴的应力集中效应，有可能使孔穴附近分子链承受的应力超过实际材料所受的平均应力几十穴附近分子链承受的应力超过实际材料所受的平均应力几十倍或几百倍，以至达到材料的理论强度，使材料在这些区域倍或几百倍，以至达到材料的理论强度，使材料在这些区域首先破坏，继而扩展到材料整体。首先破坏，继而扩展到材料整体。实际上高分子材料的强度比理论强度小得多，仅为几个到实际上高分子材料的强度比理论强度小得多，仅为几个到几十个几十个MPa。为什么实际强度与理论强度差别如此之大？为什么实际强度与理论强度差别如此之大？研究表明，材料内部微观结构的不均匀和缺陷是导致强度研究表明，材料内部微观结构的不均匀和缺陷是导致强度下降的主要原因。实际高分子材料中总是存在这样那样的缺下降的主要原因。实际高分子材料中总是存在这样那样的缺陷，如表面划痕、杂质、微孔、晶界及微裂缝等，这些缺陷陷，如表面划痕、杂质、微孔、晶界及微裂缝等，这些缺陷尺寸很小但危害很大。尺寸很小但危害很大。2.影响聚合物强度性能的因素影响聚合物强度性能的因素凡是有利于提高材料的弹性模量、有利于增加断裂过程的表面凡是有利于提高材料的弹性模量、有利于增加断裂过程的表面功和增加分子稳定性的因素，都使材料的强度提高；凡是使材功和增加分子稳定性的因素，都使材料的强度提高；凡是使材料形成弱点而增加应力分布的不均匀性的因素，都使材料的强料形成弱点而增加应力分布的不均匀性的因素，都使材料的强度下降。度下降。聚合物材料内在结构因素：一次结构、二次结构和三次结构三聚合物材料内在结构因素：一次结构、二次结构和三次结构三个方面进行讨论。个方面进行讨论。外在因素：温度、外力作用速度。外在因素：温度、外力作用速度。一、一次结构：一、一次结构：链节含有强极性基团或氢键的基团使得分子间作用力增大，链节含有强极性基团或氢键的基团使得分子间作用力增大，强度提高强度提高聚合物聚合物PPPVCN-610N-66强度强度Pa2528506183链节的极性对链节的极性对polymerpolymer强度的影响强度的影响交联：适当交联，总是提高聚合物的强度，但如果交交联：适当交联，总是提高聚合物的强度，但如果交联度太大，会使其脆性太大而失去应用价值。联度太大，会使其脆性太大而失去应用价值。交联剂当量浓度交联剂当量浓度0.10.31.02.53.58.0断裂强度断裂强度Pa6.471621.716.46.784.6 随着极性基团或氢键随着极性基团或氢键，强度，强度，但密度大，阻碍链段的，但密度大，阻碍链段的运动，材料的拉伸强度虽然提高但韧性下降。不能产生强迫运动，材料的拉伸强度虽然提高但韧性下降。不能产生强迫高弹形变高弹形变脆性断裂脆性断裂空间立构：结构规整和等规度高的聚合物因结晶而强度提高空间立构：结构规整和等规度高的聚合物因结晶而强度提高。无规立构含量对无规立构含量对PPPP性能影响性能影响无规立构含量无规立构含量抗张强度抗张强度Pa2.034.53.532.56.429Conclution：交联、结晶、增加链的刚性（分子链本身的刚性加上交联、结晶、增加链的刚性（分子链本身的刚性加上分子间相互作用力）有利于聚合物强度和耐热性的提分子间相互作用力）有利于聚合物强度和耐热性的提高。高。支化：支化破坏了链的规整性结晶度降低，还增加了分子支化：支化破坏了链的规整性结晶度降低，还增加了分子间的距离分子间力减小，都使强度降低。但是韧性有所提高。间的距离分子间力减小，都使强度降低。但是韧性有所提高。聚合物聚合物抗张强度抗张强度 b(%)支化程度支化程度LDPE715300支化多支化多HDPE212760支化少支化少支化度对聚合物力学性能的影响支化度对聚合物力学性能的影响二、二次结构：二、二次结构：链的刚性链的刚性 高分子链刚性高分子链刚性增加，聚合物强度增加，韧性下降，像主增加，聚合物强度增加，韧性下降，像主链含有芳杂环结构的聚合物其强度和模量比脂肪族主链高。链含有芳杂环结构的聚合物其强度和模量比脂肪族主链高。主链上含有大的侧基，刚性大。主链上含有大的侧基，刚性大。如如PE24.5N/m2，PS35.260N/m2，PET80N/m2分子量与分子量分布：分子量与分子量分布：分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）起决定性作用的结构参数。起决定性作用的结构参数。强强度度分子量分子量当分子量很小时，强度随着分子量增加而增加，当分子量很小时，强度随着分子量增加而增加，当分子量大到一定值，强度与分子量无关。当分子量大到一定值，强度与分子量无关。聚合物的冲击强度随着分子量的增大而增大。一般认为分聚合物的冲击强度随着分子量的增大而增大。一般认为分子量分布宽时，强度明显下降，这是因为低分子量的物质相当子量分布宽时，强度明显下降，这是因为低分子量的物质相当于增塑剂的缘故。分子量分布窄时刚好相反。于增塑剂的缘故。分子量分布窄时刚好相反。理论解释：理论解释：强度是由强度是由分子间作用力和化学键决定分子间作用力和化学键决定，分子间作用力具有，分子间作用力具有加和性，随着分子量的增加加和性，随着分子量的增加对应力应变曲线的影响对应力应变曲线的影响增加，当增加，当分子量小时分子间作用力小于化学键能，破坏主要发生在分分子量小时分子间作用力小于化学键能，破坏主要发生在分子间，当分子量大到子间，当分子量大到分子间作用力大于化学键能分子间作用力大于化学键能时，破坏主时，破坏主要发生在化学键上，强度与分子量无关。要发生在化学键上，强度与分子量无关。三、三次结构：三、三次结构：结晶度结晶度 表表8 8 聚乙烯强度与结晶度的关系聚乙烯强度与结晶度的关系结晶度结晶度（）（）657585断裂强度断裂强度14.41825断裂伸长断裂伸长500300100一般影响规律是：随着结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强一般影响规律是：随着结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹性模量均提高，但断裂伸长率和韧性下降。这是度、硬度、弹性模量均提高，但断裂伸长率和韧性下降。这是由于结晶使分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用增强由于结晶使分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用增强所致。所致。晶体尺寸：晶体尺寸：表表9PP球晶尺寸与力学性能的关系球晶尺寸与力学性能的关系球晶尺寸球晶尺寸（m）抗拉强度抗拉强度（N/m2）断裂伸断裂伸长长(%)1030050020225253012525小球晶：小球晶：y、t、断裂伸长率高。、断裂伸长率高。大球晶：下降大球晶：下降图图22球晶大小对应力应变曲线的影响球晶大小对应力应变曲线的影响 原因：原因：大量的均匀小球晶分布在材料内，起到类似交联点大量的均匀小球晶分布在材料内，起到类似交联点作用，使材料应力作用，使材料应力-应变曲线由软而弱型转为软而韧型，甚至应变曲线由软而弱型转为软而韧型，甚至转为有屈服的硬而韧型（见上图）转为有屈服的硬而韧型（见上图）因此改变结晶历史，如采用淬火，或添加成核剂，如在聚因此改变结晶历史，如采用淬火，或添加成核剂，如在聚丙烯中添加草酸酞作为晶种，都有利于均匀小球晶生成，从丙烯中添加草酸酞作为晶种，都有利于均匀小球晶生成，从而可以提高材料强度和韧性。而可以提高材料强度和韧性。结晶形态：同一类聚合物，伸直链强度最大，串晶次之，结晶形态：同一类聚合物，伸直链强度最大，串晶次之，球晶最小。球晶最小。取向：可使材料强度提高几倍几十倍，对纤维和薄膜，取取向：可使材料强度提高几倍几十倍，对纤维和薄膜，取向是提高性能必不可少的措施。向是提高性能必不可少的措施。原因：取向后分子沿外力的方向有序排列，断裂时主价键原因：取向后分子沿外力的方向有序排列，断裂时主价键比例增大，而使聚合物强度提高。比例增大，而使聚合物强度提高。注意：当外力与取向方向平行，强度高，垂直，强度低。注意：当外力与取向方向平行，强度高，垂直，强度低。应力集中应力集中:高聚物由于下列原因产生应力集中，尽管试高聚物由于下列原因产生应力集中，尽管试样受力没有达到破坏的程度，但是局部应力集中可以超过样受力没有达到破坏的程度，但是局部应力集中可以超过聚合物的强度。使强度降低。聚合物的强度。使强度降低。几何尺寸的不连续：空口，空隙，银纹，沟槽等几何尺寸的不连续：空口，空隙，银纹，沟槽等材料的不连续：杂质材料的不连续：杂质负荷的不连续：挂一个重物，载体上各处受力的程度不同，负荷的不连续：挂一个重物，载体上各处受力的程度不同，挂的地方首先破坏。挂的地方首先破坏。为了提高强度，必须消除应力集中，如人们将纤维作的很细，为了提高强度，必须消除应力集中，如人们将纤维作的很细，以消除缺陷，裂纹。以消除缺陷，裂纹。裂纹形状的影响：裂缝越尖，应力集中越严重，强度越低裂纹形状的影响：裂缝越尖，应力集中越严重，强度越低一般认为：裂缝一般认为：裂缝椭圆椭圆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 均均含含玻玻璃璃纤纤维维20-40%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，它们与纤维粘结在一起可以传递应力。图流动，它们与纤维粘结在一起可以传递应力。图7-24给出给出这种复合作用示意图。这种复合作用示意图。图图7-24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 材料受力时，首先由纤维承受应力，个别纤维即使发生断材料受力时，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制，断纤维仍能承受应力。树脂与纤维的粘结还具有得到抑制，断纤维仍能承受应力。树脂与纤维的粘结还具有抑制裂纹传播的效用。材料受力引发裂纹时，软基体依靠切抑制裂纹传播的效用。材料受力引发裂纹时，软基体依靠切变作用能使裂纹不沿垂直应力的方向发展，而发生偏斜，使变作用能使裂纹不沿垂直应力的方向发展，而发生偏斜，使断裂功有很大一部分消耗于反抗基体对纤维的粘着力，阻止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。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，使用前应采用化学或物理方法对表面改性，提高其璃纤维，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力。与基体的粘合力。复合作用原理复合作用原理图图7-25玻璃纤维增强玻璃纤维增强PP树脂，纤维表面未经处理树脂，纤维表面未经处理纤维含量：纤维含量：30%（w）图图7-26玻璃纤维增强玻璃纤维增强PP树脂，树脂，纤维表面经偶联处理纤维表面经偶联处理纤维含量：纤维含量：30%（w）拉伸强度由上图的拉伸强度由上图的40MPa增增至至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 基于上述机理也可得知，在基体中，即使纤维都已断裂，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面处理的短纤维，只要纤维具或者直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。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料、橡胶的技术都有很好的发展，部分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。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：（7-10）式中为式中为 纤维的拉伸屈服应力，纤维的拉伸屈服应力，为基体的剪切屈为基体的剪切屈服应力，服应力，d 为纤维直径。为纤维直径。纤维取向对断裂过程的影响纤维取向对断裂过程的影响图图7-27 7-27 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 图图7-28 7-28 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上。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上。不同温度下测定的不同温度下测定的PMMA的应力应变曲线。