11.2 聚合物的屈服与断裂Yielding and Fracture of Polymer ——研究聚合物的极限性质，即在较大外 力的持续作用或强大外力的短时作用后， 聚合物发生大形变直至宏观破坏或断裂。

11.2.1 聚合物的塑性与屈服 1. 应力-应变曲线 The stress-strain curves

Instron Tensile Testor 电子拉力机 Material testing machine 材料试验机

玻璃态聚合物在不同温度下的应力-应变曲线

典型非晶态聚合物的拉伸应力-应变曲线A point: Point of elastic limit 弹性极限点 Y point: Yielding point 屈服点

A E A

B point: Breaking point 断裂点

杨氏模量

A 弹性极限应变 A弹性极限应力 B 断裂伸长率 B断裂强度 Y 屈服应力

从分子运动机理解释形变过程

你能解 释吗？

弹性形变 断裂

屈服 应变硬化

应变软化 冷拉

从应力—应变曲线可以获得的被拉伸聚 合物的信息

聚合物的屈服强度(Y点强度) 聚合物的杨氏模量(OA段斜率) 聚合物的 断裂强度(B点强度) 聚合物的断裂伸长率(B点伸长率) 聚合物的断裂韧性(曲线下面积)

2. Stress-strain curves under various conditions 各种情况下的应力-应变曲线

(a) Different temperature 不同温度Temperature a: T<<Tg b: T<Tg c: T<Tg (几十度) d: T接近Tg

T

TExample-PVC 0°C 0~50°C 50~70°C 70°C Results 脆断 屈服后断 韧断 无屈服

(b) Different strain rate不同的拉伸速率

速度 速度

Strain rate

1 2 3 4

.

.

.

.

时温等效原理：拉伸速度快 =时间短 温度低

Example: PMMA

(c) Composition of Polymers 物质结构组成

a: 脆性材料 b: 半脆性材料 c: 韧性材料

酚醛或环氧树脂 PS, PMMA

PP, PE, PCNature rubber, PI

d: 橡胶

(d) Crystallization 结晶与非晶态聚合物 的拉伸机理相同 吗？

应变软化更明显 冷拉时晶片的倾斜 、滑移、转动，形 成微晶或微纤束

玻璃态聚合物与结晶聚合物的拉 伸比较相似之处：两种拉伸过程均经历弹性变形、屈服、发展大形变以及应变硬化等阶段，其中大形变在室温时都不能自发回复，而 加热后则产生回复，故本质上两种拉伸过程造成的大形变都是高 弹形变。该现象通常称为“冷拉”。

区别：(1)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Tb到Tg,而结晶聚合物则为Tg至Tm; (2)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 后者尚包含有结晶的破坏，取向和再结晶等过程。

(e) The Size of Spherulites 球晶大小

(f) The Degree of Crystallization 结晶度

Different types of stress-strain curve

Different types of stress-strain curve (P221)

硬而脆 硬而强 软而弱

硬而韧 软而韧

“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的情况。

11.2.2 聚合物的屈服

屈 服 高聚物在屈服点的应变相当大，剪切屈服应变为 主 10%-20%(与金属相比)。 要 屈服点以后，大多数高聚物呈现应变软化，有些还 特 非常迅速。 征 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“银纹”或“剪切 带”,继而整个样条局部出现“细颈”。

高聚物屈服点前形变是完全可以回复的，屈服点后 高聚物将在恒应力下“塑性流动”,即链段沿外力 方向开始取向。