脆一韧转变理论(韧脆转变的定义)

脆一韧转变理论

关于脆一韧转变L,的解释,主要有应力场理论和横穿结晶(transcrytallization)渝渗理论。

应力场理论认为应力场的重叠和/或基体中局部的平面应变向平面应力的转变是韧性发生跃迁的原因。因为橡胶增韧聚合物(如PA)的橡胶粒子在外加应力场时,在其周围产生应力集中效应。由于分散相和基体模量的不同,应力集中于可能导致塑性变形如银纹或剪切屈服。当橡胶粒子相距很远时,一个粒子周围的应力场对其他粒子影响很小,基体的应力场是这些孤立的粒子的应力场间的简单加和。基体总应力场是橡胶颗粒应力场相互作用的叠加。

这样,使基体应力场的强度大为增强。产生塑性变形的幅度增加,表现为韧性。

横穿结晶主要是基于考虑聚合物基体的结晶结构这一重要因素。由于增韧粒子对结晶性聚合物有成核作用,而成核作用的强弱与材料两相的界面相互作用有着密切的关系。这一因素的存在使得结晶性聚合物的微观结晶形态,尤其是增韧粒子附近的晶粒尺寸和晶片排列的方式出现某种局部的特殊性。由于增韧聚合物复合材料的断裂机理在很大程度上取决于局部的形变,损伤与破坏机理,因此界面相互作用、结晶形态、断裂机理之间的关系应该与材料的脆一韧转变有关。

Bartczak及其合作者表明HDPE可以通过加入橡胶或碳酸钙粒子分散相而达到超韧。在Barcak的研究中,作者给出,HDPE的L,为0.6um,进一步证明1,是基体的特征材料性能与分散相粒子性能无关。在研究PP/POE和PP/CaCO,的脆一切转变后也得出,L,是基体的特征材料性能与分散相粒子性能无关。由此证明,L,是决定半结晶聚合物的、脆韧转变的单一参数。而且,L,只与基体聚合物有关,与填充粒子的性质、含量和大小均无关。

此外,根据固体力学、分散相引起的应力集中和粒径d、L,有关。而这里的共混物脆韧转变的判据仪和单参数L,有关,由此往往形成争论的焦点。
Muratoglu等首次把4,的存在与材料的一个特性联系起来。

认为当L减小到低于L,时,基体材料结晶取向发生了转变。结晶取向的转变直接与材料的脆一切转变有关。

从结晶学观点来看,晶面的滑移是聚合物晶体塑性变形的主要模式。

在局部限制条件许可的情况下,这种机理所导致的塑性应变要比其他机理大得多。

结晶学的晶片滑移是以两个矢量来表征的,即表示滑移面法线方向的(h,k,1)和滑移面中滑移方向的(u,v,w)对于特定的滑移系统,当对于滑移面内的滑移方向上的应力达到临界解析剪切应力(critical resolved shear stress,CRSs)时,位错运动将在滑移面上发生。对于一定的结晶体系,CRSS的大小与滑移的方向有关。PA6的单斜晶系的(001)面已被证实晶面滑移阻力是最小的。

Muratoglu等研究PA6/弹性体后认为,增韧粒子附近只存在a晶型,这种晶型的特点在于大分子链锯齿形平面(也称为氢键平面)呈纵向堆积。在靠近增韧粒子时,已知这些面为优先与界面对准。结果,正常的本体聚合物球晶结构变为生长来相互平行且垂直于第二相的片品结构所代替。这种取向的结晶结构,也称为横穿结晶(transrtallization),仅以一个有限的距离存在于基体相中。

Muratoglu等测出PA6中这种横穿晶体的厚度为L/2,即在靠近界面的尼龙形成了厚度大约为0.15 um的取向结晶层。在该取向结晶层中,尼龙以其(001)晶面平行于界面而优先取向。由于只有当平均基体层厚度小于L,材料才能发生从脆性到韧性的转变,因此,Muratoglu等把脆一韧转变归因于当横穿晶体跨越于分散相粒子之间而成功地在基体间实现渝渗所产生的相转变。这种基体相的变化如图2-20所示,图2-20(a)为L>L,图2-20(b)为LsL.

脆一韧转变理论(韧脆转变的定义)

Muratoglu等提出了一个增韧机理:橡胶粒子所起主要的增韧作用是提供一个适当的界面密度以在基体中产生横穿结晶。于是,在形变早期,粒子空洞化以释放在形变基体上的约束是非常重要的。由于在发生了空洞化的体系中,PA的结晶成分只有a晶型。这种晶型中,折叠链晶片间只有弱的范德瓦尔斯力,晶体比较容易沿氢键平面剪切开来。

结果分子链沿这些平面滑移构成了具有最低剪切力形变模型。于是材料的塑性变形由外力作用下这些滑移体系的相对取向所控制。材料总的塑性变形阻力下降,避免断裂从材料中的缺陷处引发,实现,性的显著提高。

特别的,由于氢键平面下平行于界面这种优先取向,基体材料在平行或垂直于外力上承受轴向形变,而与外力约呈450的部分容易变形有利于较大的塑形变形而得到超韧。

尽管有诸多不同的因素都影响到材料的脆一韧转变(例如,除为基体材料早期屈服提供屈服点外,精致的横穿晶体产生局部微观结构有利于消除缺陷结构,例如能促进在较高三轴应力下产生脆性响应的球形边界),是基体材料本身的大范围的塑性变形而得到的超韧。的确,从材料的微观形态也观察到局部材料的形变已超过了本体材料的自然拉伸率。

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