强度和破坏

4.1.1　强度和破坏

我们知道，在外力作用下，物体将变形，同时在其内部产生一种与外力相抗衡的平衡力，单位面积上的这种平衡力称为应力。固体力学性能的基本特性，通常是以各种形式的形变(应变)-应力的关系来确定。如：

1.拉伸变形

抗张应力：σ=，抗张应变：ε=

对于理想弹性体来说，在弹性极限内，应变正比于应力，服从虎克定律：σ=Eε。其比例常数E称为抗张弹性模量(又称杨氏模量)，它表征了物体变形的难易程度。E愈大，拉伸变形愈困难。

2.压缩变形

P=B，式中：P为单位面积上的静压力；V为初始体积；ΔV是体积变化。

3.剪切变形

σ_S=Gε_S，式中：σ_S为剪功应力；ε_S为剪切应变。

对于同一种材料，E、B、G这三者之向的关系可通过泊松比来联系：

E=2G(H_μ)=3B(1－2μ)

若干常见材料的泊松比及杨氏模量列于表4-1中。

表4-1　不同材料的力学性能比较

*70%玻璃纤维增强；＊＊70%碳纤维增强。

聚合物材料的破坏过程常伴有不可逆形变(即流动)，不能用上述仅反映小形变特性的模量来表达，通常是以应力-应变曲线来反映这一过程。典型的应力-应变曲线如图4-1所示。由此图可获得反映破坏过程的力学参量：断裂强度σ_B、断裂伸长ε_B、屈服应力σ_Y(从该点开始，伸长不断增加而应力几乎不变或增大不多)、屈服伸长ε_Y、极限强度σ_A和断裂能S=σdε等。

图4-1　拉伸应力-应变曲线示意图(A.弹性极限；Y.屈服点；B.断裂点)

材料的破坏有脆性破坏和韧性破坏两种方式。它们通常可以从拉伸应力-应变曲线的形状和破坏时断面的形态来区分。试样在出现屈服点之前发生断裂，断裂表面光滑者为脆性破坏；试样在拉伸过程中有明显的屈服点和颈缩现象及断裂表面粗糙者为韧性破坏。图4-1所示曲线为应力-应变关系综合曲线，而对实际聚合物材料，通常是综合曲线的一部分或是其变异形式，如图4-2所示。

根据这些曲线的形状特点，可将聚合物分为如下五类：软而弱(a)；软而韧(b)；硬而脆(c)；硬而强(d)；硬而韧(e)。由图4-2中各曲线的形状可明显地看出，具有大的断裂伸长和高的断裂强度的材料是韧性最好的。这样的材料在拉伸时都有明显的屈服现象和塑性形变，如图中(e)所示。相反，断裂伸长很小，断裂前无塑性形变的材料是脆性的，如图中的(c)所示，这类材料在断裂试样上一般还会出现银纹，银纹通常开始出现于表面，在垂直于应力方向上发展。这些材料的应力-应变曲线特点可参见表4-2所示。

表4-2　聚合物应力-应变曲线特点及其分类

续表

图4-2　聚合物应力-应变曲线类型