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1、第六节 聚合物的变形,聚合物由大分子链构成。这种大分子链一般具有柔性，整个分子可相对运动，分子不同链段之间也可相对运动。这种分子的运动依赖于温度和时间，具有明显的松弛特性(金属在高温下也具有松弛特性)。故聚合物材料的变形范围最宽，且强烈地依赖于温度和时间，表现为粘弹性，即介于弹性材料和粘性流体之间。,一、热塑性聚合物的变形,1、应力应变曲线L：比例极限；y：屈服强度；b：断裂强度。L：普通弹性变形，由键长和键角的变化引起，与呈线性关系。Ly：链段产生可恢复的运动，引起可恢复的变形， -曲线偏离线性。,y：聚合物屈服，同时出现应变软化,随后出现应力平台，最后出现应变强化，导致材料断裂。,屈服后产
2、生的是塑性变形，即外力去除后，留有永久变形。,温度对应力-应变行为的影响,随温度上升，材料的模量(线性段的斜率)、屈服强度和断裂强度下降，延性增加。在4，材料刚而脆；在60，材料刚而韧；。一般，在玻璃化温度Tg以下，只发生弹性变形。在Tg以上，产生粘性流动。,应变速率对应力-应变行为的影响,增加应变速率，相当于降低温度。即随应变速率的增加，材料变脆。,2、屈服与冷拉,比较以上两图可知，聚合物与金属相比有下的特点：强度低得多，而屈服应变和断裂伸长高得多；屈服后出现应变软化；屈服应力强烈地依赖温度和应变速率。,a. 屈服：,b. 冷拉现象：,现象：聚合物在拉伸到屈服点，工作段局部区域出现缩颈，在继
3、续拉伸时，缩颈不断沿试样扩展，直到整个工作段均匀变细后，才再度被均匀拉伸至断裂。冷拉：聚合物拉伸时出现的细颈伸展过程。,有些聚合物在屈服后能产生很大的塑性变形，其本质与金属也有很大不同。玻璃态高聚物在Tb-Tg之间、部分结晶高聚物在Tg-Tm之间典型拉伸应力-应变曲线及试样形状的变化过程。,Tb :脆化温度； Tg：玻璃化温度；Tm：结晶温度（熔点）。,冷拉产生的变形大部分将保留。机制：聚合物分子链段沿外力方向运动，同时发生分子链间的滑动，应力不增大，而应变增加。应用：聚合物的冷拉变形目前已成为制备高模量和高强度纤维的重要工艺。玻璃态聚合物的冷拉区间： Tb Tg ；部分结晶聚合物的冷拉区间：
4、TgTm。,c. 冷拉变形的恢复：,现象：玻璃态聚合物冷拉后残留的变形，在加热到Tg温度以上，形变基本上全能恢复。现象说明：冷拉中产生的变形属于强迫高弹性即在外力作用下被迫产生的高弹性。实质：Tg 以下被冻结的分子链段在外力作用下，克服摩擦阻力而运动，使分子链发生高度取向而产生大变形。,部分结晶高聚物冷拉后残留的变形，大部分须加热到Tm温度以上才能恢复。原因：结晶聚合物的冷拉过程伴随晶片取向、结晶的破坏和再结晶等。取向导致的硬化使缩颈能沿试样扩展而不断裂。取向的晶片在Tm以下是热力学稳定的，即在Tm以上才能恢复。,聚合物冷拉成细颈过程真应力在拉伸过程中一直上升，直至断裂。,3、剪切带与银纹,聚
5、合物的屈服塑性变形是以剪切滑移的方式进行。滑移变形局限于某一局部区域，形成剪切带。剪切带是具有高剪切应变的薄层，带内的分子链高度取向。,剪切带通常发生于材料的缺陷或裂纹处，或应力集中引起的高应变区。在结晶相中，除滑移外，剪切屈服还可以孪生等方式进行。,银纹：聚合物在玻璃态拉伸时，出现的肉眼可见的微细凹槽。类似于微小的裂纹，可发生光的反射和散射，看上去银光闪闪。银纹起源于试样表面并和拉伸轴垂直。银纹面之间由高度取向的纤维束和空穴组成，仍具有一定的强度。,二、热固性塑料的变形,热固性塑料是刚硬的三维网络结构，分子不易运动，在拉伸时表现很脆，但在压缩时仍然发生大量的塑性变形。,环氧树脂的Tg温度为1
6、00，是交联作用很强的聚合物，在室温下为刚硬的玻璃态。拉伸时像典型的脆性材料；压缩时则易剪切屈服，并有大量变形，而且屈服后出现应变软化。其剪切屈服过程是均匀的，试样均匀变形而无任何局部变形现象。,第七节 陶瓷材料的塑性变形,陶瓷材料具有强度高、重量轻、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点,作为结构材料，特别是高温结构材料极具潜力。但由于陶瓷材料的塑、韧性差，在一定程度上限制了它的应用。,一、陶瓷晶体的塑性变形,陶瓷晶体一般由共价键和离子键结合，多数陶瓷晶体结构复杂。在室温拉伸时，没有塑性，即弹性变形阶段结束后，立即脆性断裂。与金属材料有本质区别。,与金属材料相比，陶瓷晶体具有如下特点：陶瓷晶体的弹性模
7、量比金属大得多，常高出几倍。陶瓷晶体的弹性模量是组织敏感参量，与结合键有关，还与相的种类、分布及气孔率有关。陶瓷的压缩强度高于抗拉强度一个数量级。陶瓷的理论强度和实际断裂强度相差13个数量级。陶瓷晶体在高温下具有良好的抗蠕变性能，而且在高温下也具有一定的塑性。,这是由其原子键合特点决定的 。共价键晶体的键具有方向性，使晶体具有较高的抗晶格畸变和阻碍位错运动的能力，使共价键陶瓷具有比金属高得多的硬度和弹性模量。离子键晶体的键方向性不明显，但滑移不仅要受到密排面和密排方向的限制，而且要受到静电作用力的限制，因此实际可移动滑移系较少，弹性模量也较高。,陶瓷中因工艺缺陷导致的微裂纹，在裂纹尖端引起很高
8、的应力集中，裂纹尖端之最大应力可达到理论断裂强度或理论屈服强度。因陶瓷晶体中可动位错少，位错运动又困难，所以，一旦达到屈服强度就断裂了。因而使陶瓷晶体的抗拉强度远低于理论屈服强度。,陶瓷晶体塑性变形的特点,共价键晶体：共价键具有方向性，而且结合力很强，位错运动时必须破坏原子的键合，位错运动有很高的点阵阻力。不论是单晶体还是多晶体，都是脆的。,共价键对位错运动的影响,离子键晶体：,单晶体：在室温受压应力作用时可有较大的塑性变形，因为位错沿45方向运动，则在滑移过程中相邻晶面始终由库仑力保持相吸。多晶体：相邻晶粒必须协调地改变形状，由于滑移系较少难以实现，结果在晶界产生开裂，最终导致脆性开裂。,离
9、子键对位错的影响,二、非晶体陶瓷的变形,非晶体陶瓷（玻璃）的变形与晶体陶瓷的变形不同，表现为各向同性的粘滞性流动。原因：分子链等原子团在应力作用下相互运动引起变形，原子团之间的引力即为变形阻力。变形阻力与玻璃的黏度有关。黏度大，阻力大。黏度又与温度有关，即=0exp(+Q /RT)Q -粘滞变形的激活能； 0-常数。需要注意的是， Q 前为正号，所以，随温度的升高， 总是减小的。,温度和成分对玻璃粘度的影响。可见，利用改变玻璃组分，如加入Na2O等变质剂会打破网络结构，使原子团易于运动，降低玻璃的粘度。从图也可见，温度高，黏度小，阻力小。,在玻璃生产中利用表面压应力可使玻璃韧化，方法是：将玻璃加热到退火温度，快速冷却，玻璃表面收缩变硬，而内部仍很热，流动性很好，将玻璃变形，使表面的拉应力松弛，当玻璃心部冷却和收缩时，表面已刚硬，在表面产生残余压应力。因为一般的玻璃多因为表面微裂纹引起破裂，而韧化玻璃使表面微裂纹在附加压应力下不易萌生和扩展，因而不易破裂。,
