极限性能新剖析实用教案

《极限性能新剖析实用教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《极限性能新剖析实用教案（92页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、9.1 应力(yngl)应变行为(a)(b)测试拉伸性质(xngzh)的样品第1页/共91页第一页，共92页。0 1 2 3 4 5121086420, 1000 psi, inch1psi = 6890Pa注意(zh y)细颈现象第2页/共91页第二页，共92页。聚合物典型应力-应变(yngbin)曲线 Winding 1961Elongation at breakUltimate strengthStressStrainYield stressElongation at yield五个重要(zhngyo)性质：(1)杨氏模量(2)屈服强度(3)抗张强度(4)断裂伸长率(5)断裂韧性第3页/

2、共91页第三页，共92页。量纲(lin n)=Pam/m=N/m2 m/m= J/m3以应力(yngl)应变曲线测定的韧性第4页/共91页第四页，共92页。应力-应变过程的不同(b tn)阶段五个阶段：I：弹性(tnxng)形变II：屈服III：应变软化IV：冷拉V：应变硬化 I II III IV V第5页/共91页第五页，共92页。聚合物应力(yngl)应变曲线的类型(b)(c)(d)应力(yngl)应变(yngbin)(a)第6页/共91页第六页，共92页。一些通用(tngyng)聚合物的力学性能评价材料 模量 屈服(qf) 强度 伸长率 断裂韧性弹性体PE，PTFEPCTFE，PPN6

3、6,PC,POM,ABSPMMA，PS，PVC热固性塑料(slio)低低中高高超高无低中高高无低低中高高高超高高高中低低中中高高低低第7页/共91页第七页，共92页。9.2 韧性(rn xn)与脆性响应外力作用(wi l zu yn)屈服(qf)银纹韧性响应脆性响应冷拉断裂高应力下的两类响应Ductile and Brittle第8页/共91页第八页，共92页。韧性响应：发生(fshng)屈服，屈服点后应力下降，出现细颈，可观察到剪切带屈服点PS 60C，compressive strain of 4%.polycarbonate第9页/共91页第九页，共92页。脆性响应：不发生(fshng)

4、应力下降，不出现细颈，出现银纹TEM of a craze in PS第10页/共91页第十页，共92页。(1)温度(2)应变(yngbin)速率0 10 20 30(MPa)227K293K303K313K323K333K决定(judng)脆或韧的因素第11页/共91页第十一页，共92页。当温度降低时，屈服应力升高比断裂应力升高快，到一临界温度，与断裂应力重合，这一温度称为脆化温度（脆-韧转变点）。当TTb时发生屈服。温度(wnd)温度(wnd)应力应力(a)温度的影响(b)应变速率的影响脆化温度断裂强度屈服强度Tb第12页/共91页第十二页，共92页。聚合物 PDMS NR PE POM

5、PC PA66 Tb 150 200 203 215 173 243 Tg 153 203 205 233 422 322一些(yxi)聚合物的玻璃化温度与脆化温度第13页/共91页第十三页，共92页。本质：剪切力作用(zuyng)下发生塑性流动剪切力何来？屈服(qf)现象：应力停止(tngzh)随应变增大第14页/共91页第十四页，共92页。剪张比1312不同(b tn)的受力形式有不同(b tn)的剪张比发生韧性或脆性响应的第三(d sn)重要因素：屈服(qf)判据第15页/共91页第十五页，共92页。应力可用一个(y )二阶张量描述 332313322212312111 ij323331

6、121311222321ZXY下标(xi bio)相同为张力下标(xi bio)不同为剪力第16页/共91页第十六页，共92页。 321000000 可以(ky)选择一组坐标系使全部剪力都为零：123最大的应力(yngl)记作1最小的应力(yngl)记作3第17页/共91页第十七页，共92页。斜截面(jimin)上的受力分析13第18页/共91页第十八页，共92页。2sin2cossincos/sin111111AFAFsF1n= F1cos F1s= F1sin 0 /4 /2A =A1/cos1引起(ynq)的最大剪应力为1/2cos =A1/A F1F1nF1sA1A第19页/共91页第

7、十九页，共92页。F3F3s2sin2cossinsin/cos333333AFAFsF3n= F3sin F3s= F3cos A =A3/sin3引起(ynq)的最大剪应力为3/21与3共同(gngtng)引起的最大剪应力为(1- 3) /2sin =A3/A F3nA3A0 /4 /2第20页/共91页第二十页，共92页。故最大剪应力为231故取剪张比为1312最大张应力为1剪张比越大越易屈服(qf)第21页/共91页第二十一页，共92页。Izod缺口周围 拉伸 简单(jindn)剪切 压缩 1 聚碳酸酯(j tn sun zh)氯醋共聚物LDPEPET 聚芳砜HDPE PP 尼龙(nl

8、ng) 聚甲醛PS 酚醛树脂PMMA室温屈服的材料第22页/共91页第二十二页，共92页。9.3 屈服(qf)与冷拉普通(ptng)显微镜 偏光显微镜屈服的本质是在剪切力作用下发生(fshng)流动，这种流动过程称冷拉第23页/共91页第二十三页，共92页。链段从一个平衡位置运动到另一个位置需要活化能U在温度(wnd)T具有活化能U的链段的几率为exp(- U/kT)施加力时，链段吸收了机械能b(b为常数)沿外力运动所需活化能为exp-(U- b)/kT反外力运动所需活化能为exp-(U+b)/kT，故kTbkTUkTbUkTbUsinhexp2expexp净流量冷拉模型(mxng)第24页/

9、共91页第二十四页，共92页。2)sinh(xxeex双曲正弦(zhngxin)：双曲余弦(yxin)：2)sinh(xxeex双曲正切(zhngqi)：xxxxeeeextgh)(第25页/共91页第二十五页，共92页。kTbkTbexp21sinhyyBAlog由此可得一定(ydng)温度下kTbkTUsinhexp净流量第26页/共91页第二十六页，共92页。yyBAlog冷拉过程应力与应变速率(sl)的关系Holt, PMMA 19680C22C50C82C115C5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4log (strain rate, sec-1)Yield stress,

10、108 dyn/cm230252015105温度(wnd)形变速率第27页/共91页第二十七页，共92页。Roetling, PMMA 196530C405060708090-6 5 -4 -3 -2 -1 0 log (strain rate, sec-1)/T, 106 dyn/cm2 K3020100温度(wnd)形变速率冷拉过程(guchng)应力与应变速率的关系第28页/共91页第二十八页，共92页。无定形聚合物的冷拉可逆性？强迫(qing p)高弹形变第29页/共91页第二十九页，共92页。球晶中的晶片 晶片变形 晶片解体 纤维(xinwi)晶生成形变增大结晶(jijng)聚合物冷

11、拉模型I第30页/共91页第三十页，共92页。结晶(jijng)聚合物冷拉模型II第31页/共91页第三十一页，共92页。拉伸(l shn)PE纤维的TEM(a)0% (b)400% (c)600%第32页/共91页第三十二页，共92页。9.4 银纹Craze: narrow zones of highly deformed and vioded polymerOptimists concentrate on plastic deformation in crazes as a source of toughness or stress relief in polymers, while pe

12、ssimists focus on crazing as the beginning of brittle fracture第33页/共91页第三十三页，共92页。 银纹的结构(jigu)(jigu)Craze thickness, mDistance from center of craze, mForceForce100 -50 0 50 1000.500.250第34页/共91页第三十四页，共92页。20080 银纹不空，其中为被拉伸的链银纹中的链有5060%的伸长率银纹中链的体积(tj)分数为4060%银纹仍有模量，约为本体的325%银纹是可逆的，能通过退火消除银纹的本质：张力(zhn

13、gl)作用下链段被迫伸展第35页/共91页第三十五页，共92页。一定温度下存在(cnzi)临界应变: c400030002000100000.01 0.1 1 10 100 1000E.(psi)t (hr)Ziegler & Brown 1955 PSEc = 1500psi c = 0.35%银纹的发生(fshng)临界应力：c=Ec最大发生时间(shjin)：tmaxtmax之后银纹不再发生临界应变以下不发生1psi = 6890Pa第36页/共91页第三十六页，共92页。聚合物 c(%) c(psi) tmax(h) E(psi) y(psi) Tg(C)PS 0.35 1600244

14、40k 10k 90PMMA 1.30 35000.1425k 13k 100PPO 1.5 570024380k 10k 210PC 1.8 610024340k 9k 145聚合物室温(sh wn)下的临界应变与临界应力1psi = 6890Pa第37页/共91页第三十七页，共92页。银纹增长(zngzhng)动力学Sauer, 1953, PS：)(/0ckdtdlPS中银纹增长(zngzhng)为恒速的0为银纹增长(zngzhng)的最低应力第38页/共91页第三十八页，共92页。Regel, 1956, PMMASato, 1966, PC)/ln(0ttalcac 为依赖温度(wn

15、d)与应力的常数，t0 为从施加外力开始银纹产生的时间PMMA中银纹减速(jin s)增长tadtdlttattalccc/)ln(ln)/ln(00第39页/共91页第三十九页，共92页。表明裂缝(li fng)是加速增长的CFFA F/AC1/2对比裂缝(li fng)增长裂缝(li fng)越长，局部应力越大第40页/共91页第四十页，共92页。(a)(b)(c)(d)（Argon）银纹生长机理(j l)模型第41页/共91页第四十一页，共92页。银纹对断裂(dun li)的影响裂缝从某个银纹中发展，该银纹称主银纹裂缝增长(zngzhng)前锋发生大量银纹，称次级银纹分子量越高，引发的银

16、纹越多第42页/共91页第四十二页，共92页。同步测量样品的伸长与体积(tj)，以体积(tj)变化分数对伸长率作图ASA：斜率(xil)为1，100%银纹化聚丙烯：曲线几乎为零，纯粹(chncu)剪切屈服0.040.030.020.010.00V/V0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06PPASA塑性形变性质(剪切屈服与银纹化)的区分第43页/共91页第四十三页，共92页。（1）溶剂的存在(cnzi)降低了材料的表面能，更容易产生新表面使裂缝（2）有机溶剂溶胀了表面，降低了Tg，使银纹可在低应力与低应变下生成。溶剂(rngj)银纹化两种机理(j l)环境应力开裂第

17、44页/共91页第四十四页，共92页。1.61.41.21.00.80.60.40.200 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20(cal/cm3)1/2PPOc, %Benier & Kambour 1968临界应变与溶度参数(cnsh)的关系第45页/共91页第四十五页，共92页。Sv0.60.50.40.30.20.102 4 6 8 10 12 14 16 18 20(cal/cm3)1/2PPOBenier & Kambour 1968平衡(pnghng)溶解度与溶度参数的关系S v 为 溶 剂 平 衡(pnghng)体积分数第46页/共91页第四十六页，共92页。一日(

18、y r)一题样品号MnMw重量(g)A1.21054.5105200B5.61058.9105200C10.010510.0105100聚合物混合物由三个样品(yngpn)组成，计算混合物的Mn与Mw 第47页/共91页第四十七页，共92页。9.5 断裂(dun li)与韧性Ability of a material to absorb energy and deform plastically before fracturing.断裂(dun li)前发生塑性形变吸收能量的能力什么(shn me)是韧性？第48页/共91页第四十八页，共92页。断裂可简单定义(dngy)为物体在外力作用下产生

19、新表面的过程即裂缝扩展(kuzhn)的过程第49页/共91页第四十九页，共92页。模型体系(tx)：无限大板，单位厚度（厚度1）00应力为0形变为9.5.1 Griffith理论(lln)第50页/共91页第五十页，共92页。模型体系：无限大板，单位(dnwi)厚度（厚度1）00应力(yngl)为0形变为EE/21/212120000单位面积储存(chcn)的应变能：0E拉伸功应力应变/2第51页/共91页第五十一页，共92页。产生长度为2a的裂缝，即产生长度为2a的新表面。表面能由释放(shfng)应变能来提供。002b2a表面(biomin)能 = 4a假设(jish)释放应变能的面积为直

20、径2a的圆2Eaa/21220220E所释放应变能为：第52页/共91页第五十二页，共92页。体系(tx)得能量：4a产生(chnshng)裂缝体系能量变化Ea2220002b2a体系(tx)失能量：Ea2-a4220第53页/共91页第五十三页，共92页。Ea42aa4a 20220E裂缝(li fng)扩展时的能量变化率为Ea420如果(rgu)裂缝顺利(shnl)扩展，材料断裂Ea420如果裂缝不扩展，材料保持完整第54页/共91页第五十四页，共92页。 /aEf临界点：Ea420从中解出临界(ln ji)应力Griffith公式(gngsh)第55页/共91页第五十五页，共92页。 /

21、aEfGriffith公式仅考虑了新表面(biomin)的生成即断裂所需能量仅为表面(biomin)功第56页/共91页第五十六页，共92页。以Gc代替4来代表(dibio)总的断裂功/aEGcfGriffith公式(gngsh)的改进 /aEf第57页/共91页第五十七页，共92页。/aEGcf(a)1/2=(EGc)1/2定义(dngy)强度因子：K=(a)1/2断裂韧性：Kc =(EGc)1/2第58页/共91页第五十八页，共92页。断裂韧性：Kc =(EGc)1/2E：/ MPa/(m/m) = N/m2 m/m = N/m2Gc: J/m2 = N m/m2 = N / m N/m2

22、 N / m = N2/m3 = N2/m4 m断裂韧性的量纲(lin n)：故Kc的量纲(lin n)为Pa m1/2一般用MPa m1/2第59页/共91页第五十九页，共92页。9.5.2 冲击(chngj)强度冲击强度测试可分为(fn wi)两类，摆锤式和落重式。摆锤冲击包括Izod式和Charpy式第60页/共91页第六十页，共92页。8mm10mm10mmIzodCharpy第61页/共91页第六十一页，共92页。h1h2冲击(chngj)强度=破坏单位厚度样品所需能量mJdWhh/)(21h0mJdWhh/)(20d第62页/共91页第六十二页，共92页。9.6 增强(zngqin

23、g)与增韧第63页/共91页第六十三页，共92页。Direction of stress(a)(b)ABCABCDEFG粒子增强(zngqing)机理第64页/共91页第六十四页，共92页。HS-CH2CH2CH2Si-(-OCH3)3HS-R-(-OMe)3 +HS-R-(-OMe)3HO-SiHS-RO-Si(OMe)2+ MeOHPR +HS-R-O-Si SR-O-Si+ PRH3-mercaptopropyltrimethoxysilane-巯丙基三甲氧基硅烷 过氧引发(yn f)剂EPDM+二氧化硅(r yng hu gu)体系过氧残基表面(biomin)自由基可向双键加成第65页

24、/共91页第六十五页，共92页。DilatometerWire to load cellCapillaryCylinder, 2.2cm diameter 30cm lengthSample spoolsJoint$JointBase plateWater测定拉伸(l shn)过程体积变化的装置第66页/共91页第六十六页，共92页。0.1(V-V0)/V0No silane, 抗张强度=3.6MPaAmyl silane, 3.6MPaMercoptosilane 9.3 MPaInitial strain energy, MJ/m30 2 4 6三甲氧基硅烷戊基硅烷第67页/共91页第六十

25、七页，共92页。9.6.2 增韧橡胶粒子的存在促进(cjn)了塑料相的形变，使塑料相易于发生剪切屈服或发生银纹。条件为： (1)使用温度必须高于橡胶的玻璃化温度。 (2)橡胶与塑料的溶度参数接近，但橡胶必须构成另一相，不能溶于塑料相中。 (3)橡胶粒子的尺寸不能小于基体内裂缝尺寸，亦即不能小于几十纳米，也不能大于0.30.5第68页/共91页第六十八页，共92页。不同的橡胶塑料组合获得的增韧效果不同。例如高抗冲聚苯乙烯(一种520聚丁二烯接枝的聚苯乙烯)主要发生银纹化；聚苯乙烯与聚苯醚的共混物是先发生剪切屈服，再产生银纹：在ABS中，如果橡胶粒子(lz)较小，就会发生剪切形变，如果粒子(lz)

26、较大，就会诱发银纹。第69页/共91页第六十九页，共92页。增韧机理(j l)I：微裂纹化橡胶(xingjio)粒子增韧第70页/共91页第七十页，共92页。HIPS：银纹宽度(kund)：2最佳粒子尺寸：110 ABS：银纹宽度(kund)：0.5最佳粒子尺寸：0.11 增韧机理(j l)II：压缩变形橡胶粒子增韧第71页/共91页第七十一页，共92页。增韧机理I：裂缝(li fng)弯曲刚性(n xn)粒子增韧Crack propagation第72页/共91页第七十二页，共92页。增韧机理II：裂缝(li fng)弯弓刚性(n xn)粒子增韧Primary crack frontDire

27、ction of propagationBowed crack front第73页/共91页第七十三页，共92页。增韧机理(j l)III：粒子架桥刚性(n xn)粒子增韧aablty第74页/共91页第七十四页，共92页。dd+Tcdd+TcTcTc/2Tc/2逾渗理论(lln)第75页/共91页第七十五页，共92页。1)6/(3/1rcccTd临界平面应力体积(tj)球分数3)/(ccrcscdSV第76页/共91页第七十六页，共92页。完第77页/共91页第七十七页，共92页。90.387.8716043.32510-12.2-23.3-34.4-42.2-48.4-53.8-67.8T

28、emperature C弹性体拉伸性质(xngzh)的时温等效性-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 108.27.87.47.06.6 6.25.85.4Tensile strength logb(Ts/T), Palog 1/RaT, s第78页/共91页第七十八页，共92页。ssTTTTTa6 .101)(86. 8log来自抗张强度来自断裂伸长率来自应力-应变(yngbin)曲线来自WLF方程Ts=263Klog aT12840-440 0 40 80 120T-Ts移动(ydng)的aT因子第79页/共91页第七十九页，共92页。 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1

29、0log 1/RaT, sTemperature C90.387.8716043.32510-12.2-23.3-34.4-42.2-48.4-53.8-67.86.05.04.03.02.01.00Ultimate strain b第80页/共91页第八十页，共92页。聚苯乙烯, 22C, 10-4sec-1-1+1-2+2Tensile50001000015000Compressive第81页/共91页第八十一页，共92页。增韧机理(j l)III：粒子架桥橡胶(xingjio)粒子增韧第82页/共91页第八十二页，共92页。玻璃化温度的影响要从裂缝扩展速率进行考虑。裂缝扩展的速度取决于声

30、速。在模量为3GPa的塑料(slio)基体中，冲击作用下裂缝扩展速率约为620m/s。如果裂缝半径为100nm，可推算出等效周期形变频率为109Hz。如果每个频率数量级可将Tg提高6-7C，109Hz下的Tg要比104Hz的低频率下的Tg高约60C 。可知增韧用弹性体的Tg应比使用温度低60C。按室温为20C考虑，橡胶的Tg应低于-40C，才能获得冲击强度的改进。第83页/共91页第八十三页，共92页。与结合产生(chnshng)包容线Increasing strain rate Decreasing temperatureStressStrainCDEFGBOA第84页/共91页第八十四页，

31、共92页。StressStrainOabcdef等时线 时间(shjin)从a增至f第85页/共91页第八十五页，共92页。将弹性体样条作不同程度的拉伸(l shn)，可发现断裂时间随拉伸(l shn)程度的增加而缩短。时温等效原理应用(yngyng)于静态力学性能log stress, dyne/cm27.17.06.9525%500%475%450%425%400%375%350%2.262.162.061.96log stress, psiLog t, sec1.0 2.0 3.0 4.0 5.0断裂(dun li)轨迹第86页/共91页第八十六页，共92页。在不同温度下进行同样的测试(

32、csh)，可得一组轨迹曲线通过时温等效(dn xio)原理可将这组曲线迭加为一条主曲线b为断裂(dun li)应力,T0/T为归一因子。T1T2T3T4T5sec,logbtT1T2T3T4T5)/log(TbAtlogb(T0/T)第87页/共91页第八十七页，共92页。用断裂(dun li)伸长率对log(bT0/T)作图得到断裂(dun li)包容线A区不断裂(dun li)：B区断裂(dun li)273log(TbblogAB第88页/共91页第八十八页，共92页。温度对应力-应变曲线(qxin)的影响-60-40-200PVC 5% per min0 3 6 9 12 15 18/

33、103psiStrain/%1412108642023C第89页/共91页第八十九页，共92页。50%/min5%/min0.5%/min0.05%/minPVC(23)0 3.0 6.0 9.0 12.0/psi9000750060004500300015000应变速率对应力-应变曲线(qxin)的影响第90页/共91页第九十页，共92页。谢谢您的观看(gunkn)！第91页/共91页第九十一页，共92页。NoImage内容(nirng)总结9.1 应力应变行为。链段从一个平衡位置(wi zhi)运动到另一个位置(wi zhi)需要活化能U。临界应力：c=Ec。聚合物室温下的临界应变与临界应力。同步测量样品的伸长与体积，以体积变化分数对伸长率作图。V/V。模型体系：无限大板，单位厚度（厚度1）。表面能由释放应变能来提供。摆锤冲击包括Izod式和Charpy式。例如高抗冲聚苯乙烯(一种520聚丁二烯接枝的聚苯乙烯)主要发生银纹化。谢谢您的观看第九十二页，共92页。