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力学

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试述外界条件对断裂行为的影响。

正确答案: 1.温度的影响所有聚合物的屈服点随着温度上升而明显下降。因聚合物在冷冻温度下是很脆的,聚合物的屈服应力σy,以Tg或Tm为界。在该温度以上,分子链段热运动加剧,松
弛过程加快,聚合物软化,材料的σy、模量和强度下降,伸长率变大。
在温度升高过程中,材料发生脆-韧转变。两曲线交点对应的温度称脆性-韧性断裂转变温度TB。温度低时,材料的脆性断裂应力σB<屈服应力σy,因此当外力首先达到σB时,发生脆
性断裂。σB随温度下降的变化率较σy随温度的变化率小,因而两条曲线之间会在某个温度
相交,该温度就是脆性-韧性断裂转变温度TB。对轻度交联聚合物即橡胶而言,该温度又称为脆化温度。温度高时,材料的断裂应力σB>屈服应力σy,发生韧性性断裂。
2.应变速率的影响根据时温等效原理,应变速率变化与温度变化莫测等到效,即提高应变速率与降低温度等效。从分子角度看,在低温和高温应变速率下,分子链段不能运动,因而表现出脆性。而提高温度和在低应变速率下,分子链段有足够的时间运动,因而表现出韧性。
3.应力性质的影响在不同性质应力作用下,同一材料可表现出不同的断裂行为。施加流体静压力,可使脆性固体表现出延性。如固化的酚醛树脂在拉伸试验中表现出脆性断裂,而在纯剪切或压力下有可能表现出延性。很多聚合物在拉伸和弯曲试验时表现出脆性,而在其他应力作用下可发生屈服,甚至表现出高度的延性。压痕试验是测定材料强度的一种方法,脆性材料在压痕试验中表现出延性,材料被钢球压出凹痕而不破裂,因此硬度也是脆性固体塑性的表现。
4.环境压力的影响研究发现,对许多非晶聚合物,如PS、PMMA等,其脆-韧转变行为还与环境压力有关。右图可见,PS在低环境压力(常压)下呈脆性断裂特点,强度与断裂伸长率都很低。随着环境压力升高,材料强度增高,伸长率变大,出现典型屈服现象,材料发生脆-韧转变。
答案解析:
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