06-3-第六章-力学性能-塑性和屈服-断裂和强度-增韧-疲劳-磨耗-110919 (3)

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。

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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：E σy σb εb大，无明显屈服点，有细颈（PA、PC） （3）硬而强：高 E σb εb 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）

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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

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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 < Tg （T稍小于Tg），外力作用 → σy < σb， 先屈服后断裂 → 产生强迫高弹

性

→ 加热到 Tg 以上 → 形变回复

T << Tg （T远小于Tg），外力作用 → σy > σb， 未屈服先断裂（脆性玻璃态）

→ 不产生强迫高弹性

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脆化温度Tb：σy＝σb时对应的温度，则 Tg ～ Tb → 强迫高弹态，

T < Tb → 脆性玻璃态

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）Von Mises（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） ① σy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。

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