L
L
N
H
（1）温度
(1)
(3)
应力
(2)
(4)
应变
（2）应变速率
(1)
(3)
应力
(2)
(4)
应变
强迫高弹形变的定义
处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中屈服点后产生
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 Tg 附近，该形变则可完全回复，因此它在本质上 仍属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的链段运动 所引起的。 这种形变称为强迫高弹形变。
Stress
Yield stress
(4)断裂强度 (5)断裂伸长率 (6)断裂韧性
Strain
以应力应变曲线测定的韧性


d
量纲=Pam/m=N/m2 m/m= J/m3
材料在屈服点之前发生的断裂称为脆性断裂 brittle fracture ； 在屈服点后发生的断裂称为韧性断裂 ductile fracture 。
5.1.2细颈
1）细颈的形成原因
本质：剪切力作用下发生塑性流动 A0 F F
F
F
Fn F α F 正应力 0 A0 切向力 A Fs
A0 斜截面面积 A sin
F
法向力 Fn＝F·sinα
Fs＝F·cosα
A
法应力： n Fn 0 sin 2 切应力： S FS 0 sin cos 1 0 sin 2
A
plastic deformation 塑性形变
Strain hardening 应变硬化
A E A
O
A y
B
图 非晶态聚合物在玻璃态的应力-应变曲线
14
12 10 8 , 1000 psi
1psi = 6890Pa
6
4 2 0 0 1 2 3 , inch 4 5
~200
~80
银纹与裂纹的关系
Craze: narrow zones of highly deformed and voided polymer
裂缝
稳定银纹是聚合物屈服的机理，
不稳定银纹会引发裂缝，导致断裂
Optimists concentrate on plastic deformation in crazes as a source of toughness or stress relief in polymers, while pessimists focus on crazing as the beginning of brittle fracture
1 应变 柔量＝ ＝ 模量 应力
——反映材料抵抗形变的能力
主要受力方式：
简单拉伸
简单剪切 均匀压缩
简单拉伸： 受大小相等、方向相反、在一条直线上的力作用。 拉伸应力 = F/A0
l l0 l 拉伸应变 l l 0 0
拉伸比
l l0
杨氏模量 E = / 拉伸柔量 D = 1/E = /
简单剪切： 受大小相等、方向相反、不在一条直线上的力作用。
剪应力 = F/A0
s 剪应变 tg d
剪切模量 G = / 剪切柔量 J = 1/G = /
均匀压缩：受流体静压力作用
压缩应力 静压力 P V0
V0 V V 压缩应变 V0 V0
P
V
压缩模量 压缩柔量
施力：y≥ b当应力增加到 一定值（屈服应力）时，相 应链段运动的松弛时间降到 与外力的作用时间相当，被 冻结的高分子链段即能响应 产生大的形变，可见增加应 力与升高温度对松弛时间的 影响是相同的。
27
Tb
图 产生屈服的条件
Tg
Ⅱ、结晶聚合物
晶态聚合物在单向拉伸时典型的应力-应变曲线如下图：
B N
在不同条件下聚合物表现出的力学行为： 高弹性、粘弹性和流动性
极限力学行为（屈服、破坏与强度）：玻璃态和结晶态聚合物
5.1.0力学性质的基本物理量
强度 ：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。包括抗张强度、冲击 强度、弯曲强度、压缩强度、硬度、疲劳等。
应力 模量＝ 应变
5.1聚合物的屈服和断裂
聚合物的力学性质
• • • • 掌握聚合物的应力-应变曲线； 熟悉屈服现象与机理； 熟悉聚合物的强度、韧性和疲劳等概念； 掌握聚合物强度的影响因素 、增强方法和 机理； • 掌握聚合物韧性的影响因素 、增强方法和 机理。
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。
韧性断裂 (Ⅱ) 出现屈服 σ－ε关系是非线性的 粗糙 断裂伸长较大
断裂能较小
由张应力分量引起
断裂能较大
由切应力分量引起
脆性断裂与韧性断裂依赖于温度和应变速率：
温度或降低应变速率对断裂应力影响不大，对屈服应力 的影响显著。
断裂强度
当T<Tb时，应力下形变的后果是 脆性断裂 T>Tb时先发生屈服。
主要区别 形 变
剪切屈服 形变大几十~几百% 有明显的屈服点 体积不变 剪 切 力
银纹屈服 形变小 <10% 无明显的屈服点 体积增加 张 应 力 裂 缝
曲线特征 体 力 结 果 积
冷
拉
一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服
44
聚丙烯：曲线几乎为零，纯粹剪切屈服 ASA：斜率为1，100%银纹化
从分子运动解释非结晶聚合物应力－应变曲线
（Molecular motion during tensile test 拉伸过程中高分子链的运动）
普弹形变 小尺寸运动单元的运动引起键 长键角变化。
强迫高弹形变 在大外力作用下冻结的链 段沿外力方向取向 粘流形变 在分子链伸展后继续拉伸整 链取向排列，使材料的强度 进一步提高。形变不可回复
提高应变速率，会使Tb升高 缺口的存在，会使Tb大幅升高
2）断裂强度
Stress
（1）拉伸强度
P t bd
Strain
P：断开前试样承受的最大载荷； b：试样宽度； d：试样厚度
(2)拉伸模量
Et P / bd l / l 0
△P：形变较小时的载荷。 l0：试样长度
（3）抗弯强度
注意细颈 现象
应力-应变过程的不同阶段
五个阶段：
I：弹性形变 II：屈服 III：应变软化 IV：冷拉 V：应变硬化
I II III IV V
非晶态聚合物典型应力-应变曲线
重要参数：
Elongation at break
Elongation at yield
(1)杨氏模量 (2)屈服强度
Ultimate (3)屈服应变 strength
泊松比 = -y/x = -z/x
如果拉伸过程体积不变， 即V=0， 则 = 0.5
证明：
V=abl lnV = lna + lnb + lnl
d (ln V ) d (ln a) d (ln b) 1 d (ln l ) d (ln l ) d (ln l )
体积不变
3）银纹
2）剪切带
拉伸过程中，沿45°或135 °方向在材料内部或 表面出现剪切滑移变形带。
PS 60C，compressive strain of ~4%.
polycarbonate
3）银纹
在一定条件下，材料由应力集中而产生局部的
塑性形变和取向。
TEM of a craze in PS
银纹的结构
Pl0 f 1.5 2 bd
弯曲模量
Ef
3 Pl 0
P
P 2
l0
P 2
bd 3
δ：挠度，试样着力处的位移
5.1.5影响强度的因素
从分子水平上看，聚合物的断裂要破坏分子内的化 学键和分子间的范德华力与氢键。
内部结构的破坏可归结为以下三种情况：
20
图 非晶态聚合物的应力-应变曲线 （玻璃态）
聚合物应力－应变曲线的类型
(1)
(3)
应力
(2) (4)
(5)
应变
聚合物材料
模量 屈服 L L N
强度 L
伸长率 断裂 韧性
弹性体
PE，PTFE PCTFE，PP N66,PC,POM,ABS
HH
H
M M
L
M
L
M
M
H
H
M L L
H
H
H
H
H
H
PMMA，PS，PVC H 热固性塑料 HH
PV0 B V P
1 B
5.1.1应力－应变曲线
(a)
(b)
非晶态聚合物典型应力-应变曲线
Point of elastic limit 弹 性极限点
Yielding point 屈服点 Strain softening 应变软化
Y N D B
Breaking point 断裂点
B Y A
四个阶段。
被拉伸后材料都出现各向异性，且产生大的形变，室温不 能回复，产生强迫形变－“冷拉”
不同点：冷拉的温度范围：
非晶态Tb～Tg 结晶态Tg～Tm
对晶态聚合物拉伸过程，伴随着凝聚态结构的变化
30
冷拉 Cold drawing
★ 脆性聚合物在断裂前试样并没有明显
变化，断裂面一般与拉伸方向垂直，而 且很光洁
非晶和晶态聚合物的拉伸过 程本质上都属高弹形变，但其 产生高弹形变的温度范围不同， 而且在玻璃态聚合物中拉伸只 使分子链发生取向。 而晶态聚合物在拉伸伴随着 凝聚态结构的变化，包含晶 面滑移、晶粒的取向及再结 晶等相态的变化。