聚合物与陶瓷的塑性变形在线视频

同学们

前面我们学习了金属材料的塑性变形

这节课我们学习聚合物

和陶瓷材料的塑性变形

首先我们学习热塑型的聚合物的变形

这样一个热塑性聚合物的应力应变曲线

大家可以看到

在这样一个曲线里面

σL σy σb

分别称为比例极限

屈服强度和断裂强度

当σ小于σL的时候

应力和应变呈线性的关系

这个时候主要是由于键长和键角的变化

引起的普弹性变形

当σ大于σL的时候

链段会发生可恢复的运动

会产生可恢复的变形

同时应力应变曲线会偏离线性的关系

当σ大于σy的时候

聚合物发生屈服

同时出现了应变软化

也就是应力随着应变的增加

而减小的现象

随后出现了应力的平台

也就是应力不变

而应变持续会增加

最后出现应变强化

导致材料的断裂

由于聚合物具有粘弹性

所以它的应力应变行为受温度

和应变速率的影响很大

随着温度的上升

有机玻璃的模量

屈服强度

断裂强度会降低

韧性会增加

在4度的时候

有机玻璃是典型的刚而脆的材料

但是在66度的时候

已变成了典型的韧性材料

它可以发生很大的塑性变形

一般来说

材料在玻璃化温度以下

只发生弹性变形

而在粘流温度以上会产生粘性流动

应变速率对于聚合物的应力应变行为的影响

是通过增加应变速率相当于降低了温度

这样一个影响规律

对于聚合物的模量和强度

比金属材料低得多

屈服应变和断裂伸长会比金属材料高得多

屈服以后会出现应变软化

那么屈服应力强烈的依赖着温度和应变速率

玻璃态的高聚物和部分结晶的高聚物的

典型的拉伸应力应变曲线

和试样的变化情况

通过图可以发现

在拉伸的初始阶段

试样工作段会被均匀的拉伸

到达屈服点以后

工作段局部区域出现了颈缩

继续拉伸的时候

颈缩区和未颈缩区的截面

都是基本保持不变的

但是缩颈区不断的沿着试样扩展

直到整个工作段均匀变细

才会才再度被均匀拉伸至断裂

如果试样在拉断前卸载或者试样

因被拉断而自动卸载

那么拉伸中产生的大部分变形

除少量的可以恢复外

大部分变形都将保留下来

这样一个过程叫做冷拉

玻璃态的聚合物经过冷拉以后残留的变形

表面上看是不可以恢复的塑性变形

但是我们只要把试样加热到玻璃化的

转变温度以上

这样一个形变基本全能恢复

这说明冷拉中产生的形变属于高弹性的范畴

这种在外力作用下被迫产生的

高弹性称为强迫高弹性

强迫高弹性产生的原因是在外力作用下

原来被冻结的链段

得以克服摩擦阻力而运动

使得分子链发生高度取向而产生了大的变形

部分的结晶高聚物冷拉后残留的变形

大部分必须在温度升高到熔点以上才能回复

原因主要是结晶态的聚合物的冷拉过程

是伴随着晶片的取向

结晶的破坏和再结晶这样一些过程

取向导致的硬化

使得缩颈能沿试样扩展而不断裂

取向的晶片在熔点以下是热力学稳定的

所以我们必须把它加热到熔点以上

才能进行恢复

那么对于聚合物的冷拉变形

目前已经成为制备高模量

和高强度纤维的一个重要工艺

聚合物的屈服塑性变形

是以剪切滑移的方式进行的

滑移变形可以局限在某一个局部的区域

形成剪切带

那么剪切带是具有高剪切应变的薄层

双折射度很高

说明剪切带内的分子链是高度取向的

剪切带通常发生在材料的缺陷或者裂缝处

或者应力集中引起的高应力区

而在结晶高聚物中

除了滑移以外剪切屈服

还可能通过孪生和马氏体转变的方式来得到

某一些聚合物在玻璃态拉伸的时候

会出现肉眼可见的微细凹槽

类似于微小的裂纹

它也可以发生光的反射和散射

通常起源于试样的表面

并且和拉伸轴垂直

这样一些微细凹槽也能反射光线

而看上去荧光闪闪的这样一些凹槽

我们叫做银纹

银纹和裂纹之间是有区别的

裂纹的两个张开面之间完全是空的

而银纹面之间是由高度取向的

纤维束和空穴组成

仍然具有一定的强度

那么银纹的形成

主要是由于材料在张应力的作用下

局部的屈服和冷拉造成的

对于热固性塑料的变形

和我们前面学的热塑性材料的

应力应变曲线又是有一些差别

热固性塑料是刚硬的三维网络结构

分子不易发生运动

在拉伸的时候表现出了脆性金属

或者陶瓷一样的变形特性

但是在压力应力的作用下

它们会发生比较大的塑性变形

我们可以通过环氧树脂在室温下单向拉伸

和压缩时候的应力应变曲线

来看到

环氧树脂的玻璃化温度大概是100度

这样一种交联作用很强的聚合物

在室温下它是刚硬的玻璃态

在拉伸的时候表现出来是典型的脆性材料

而在压缩时候容易发生剪切屈服

有很大量的塑形变形

而且屈服之后会出现应变软化

环氧树脂剪切屈服的过程是均匀的

试样均匀变形而无任何的局集化的现象

对于陶瓷材料而言

陶瓷晶体一般是由共价键和离子键结合

在室温静拉伸的时候

少数的几个简单晶体结构的晶体

比如说氯化钾

氧化镁

除了这样一些晶体以外

一般的陶瓷晶体的结构比较复杂

在室温下没有塑性

也就是说弹性变形阶段结束以后

立即发生了脆性断裂

这个与金属材料是有本质的差别

和金属材料相比

陶瓷材料具有以下的特点

一陶瓷晶体的弹性模量

比金属要大得多

会高出几倍

这主要是由于

陶瓷材料的原子键和特点决定的

它们的共价键强

具有方向性

使得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

具有比金属高的多的硬度和弹性模量

离子键晶体的键方向性不明显

但是滑移不仅受到密排面和密排方向的限制

而且会受到静电作用力的限制

所以对于离子键的陶瓷晶体而言

它可移动的滑移系也比较少

所以弹性模量也很高

二陶瓷晶体的弹性模量是组织敏感参数

不仅与结合键有关

还与相的种类

分布

气孔率有关系

而金属材料的弹性模量

是一个组织不敏感的参数

三对于陶瓷的抗压强度

对于陶瓷材料而言

它的压缩强度比抗拉强度要高一个数量级

而金属的抗拉强度和压缩强度一般相等

这主要是由于陶瓷材料中

总是会存在一些微裂纹

拉伸的时候微裂纹一旦达到临界尺寸

就会失稳扩展

发生断裂

而压缩的时候

裂纹或者闭合或者呈稳态的缓慢扩展

使得压缩强度会提高

四陶瓷的理论强度和实际断裂强度

相差大概1~3个数量级

引起陶瓷实际抗拉强度

远低于理论抗拉强度的原因

主要是由于它的缺陷

它的微裂纹

在裂纹尖端会引起很高的应力集中

尖端的最大应力可以达到理论断裂强度

或者理论屈服强度

所以使得陶瓷晶体的抗拉强度

远远低于理论的屈服强度

五和金属材料相比

陶瓷晶体在高温下

具有比较好的抗蠕变性能

而且在高温下会表现出一定的塑性

对于非晶体陶瓷的塑性变形

我们说玻璃的变形和晶体陶瓷不同

玻璃它是一个非晶体

表现为各项同性的粘滞性流动

分子链等原子团

在应力作用下相互运动引起变形

这样一些原子团之间的引力

就是我们的变形阻力

流动的阻力和它的粘度有关系

好

这就是我们这节课学的关于聚合物

和陶瓷材料的塑性变形

好

谢谢大家