脆性断裂、韧性断裂、韧脆性转变温度，本文带你搞懂！
发布时间：2024-03-12
PC材料在拉伸或剪切的应力状态下会发生微、细观结构变化，随着微缺陷的逐渐累积，材料内部微细结构状态便逐步形成了不可逆的耗散过程——即材料损伤。损伤的积累会导致材料宏观力学性能的劣化，最终导致宏观开裂或材料破坏。
从断裂的性质来分，高分子材料的宏观断裂可分为脆性断裂和韧性断裂两大类。
一、概念辨析
断裂：裂纹萌生+裂纹扩展
韧性断裂定义：断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑变的断裂过程。
韧性断裂特点：断裂过程较慢，消耗大量的塑性变形能。
断口的特征：暗灰色（纤维状断口对光的反射能力很弱）、纤维状（众多细微裂纹不断扩展和相互连接造成）。宏观上可见到明显的“韧窝”
脆性断裂定义：断裂前及断裂过程中基本上不产生明显宏观塑变的断裂过程。
脆性断裂的特点：没有明显预兆，突然发生的快速断裂过程，具有很大的危险性。
断口的特征：断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。
容易发生韧性断裂的材料：高分子材料和塑性较好的金属材料。
容易发生脆性断裂的材料：淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃。
韧脆断裂不同断口
二、断裂发生的原因
受应力的作用，PC 材料在内部杂质（或第二相粒子）周围会产生微孔洞形核，导致在材料成形过程中产生应力和应变集中，晶体原子间的结合力受到了破坏。而局部的应力集中形成孔洞，孔洞随变形扩大，又导致应力场更不均匀。
于是，经过较大的塑性变形后，新孔洞的形核不断增多，孔洞之间的韧带断裂会引起孔洞连接、长大、聚合，最终由于微孔洞的聚合而形成宏观裂纹直至材料的断裂。
孔核成型、长大、聚合过程简单图示
材料是否发生韧性断裂，不仅取决于材料的内部组织及成分，材料的形状体积，而且受各种外界条件对它的影响，如屈服应力、加载速度、温度等因素。
三、各因素对韧性断裂的影响
1、应力状态对韧性断裂的影响
强度和韧性是材料普遍存在的矛盾，一般情况下，断裂韧性随着屈服强度的提高而降低。
2、加载速度对韧性断裂的影响
研究表明，聚碳酸酯材料的屈服强度随着应变率的增大而增大，而韧性随加载速度的增大而降低。
3、温度对韧性断裂的影响
温度升高时，屈服极限下降，裂纹尖端的塑性区尺寸相应增大，断裂韧性提高，抵抗裂纹扩展的能力增强。
温度影响材料的整个变形过程，包括材料内部的位错运动、组员之间的扩散、在结晶过程及其相变过程。
4、材料厚度对韧性断裂的影响
对于受载的裂纹体，应力强度因子 KI 是描述裂纹尖端应力场强弱的力学参量。构件承受的载荷增大时，KI 也随着增大，当 KI 增大到一个临界值时，带裂纹的构件就会发生断裂。这一临界值称为断裂韧性 KC 或 KIC，代表了材料抵抗裂纹不稳定扩展的能力。断裂韧性 KC 或 KIC 则是材料本身的固有属性，两者不同点在于 KC 是平面应力状态下的断裂韧性，KC 受试样厚度的影响，随着厚度的增加，KC 逐渐减小，当厚度增加到一定程度，KC 称为一恒定值，与厚度无关，只与材料有关，这个值就是 KIC。材料的屈服强度越高，由 KC 过渡到 KIC 的材料厚度越大。
四、抗冲击性能的测试
衡量 PC 材料抗冲击性能的测试方法常选用—悬臂梁缺口冲击强度（Izod notched impact strength）。即缺口试样在悬臂梁冲击强度破坏过程中所吸收的能量（冲击功）与试样原始横截面积之比。单位为千焦每平方米，KJ/m2。
冲击测试仪
冲击功=（冲击弹性功+塑性功+撕裂功）+空气阻力+机身振动+轴承与测量机构的摩擦+试样的飞出等。
冲击功为试验断裂前吸收的能量，有确切的物理意义。
冲击强度是一个缺口截面的平均值，但实际上缺口截面的受力情况极不均匀，塑变和试样所吸收的功主要集中在缺口附近，故取平均值毫无物理意义，成为纯粹的数学量。
材料在测试环节发生的断裂形式不同，即韧性断裂和脆性断裂的区别，直观体现在测量数据的巨大波动。处于韧脆转变点附近的数据的巨大波动（或巨大改观）可能造成材料品质及工艺调整的误判。
五、韧脆转化点附近的两极分化
对聚碳酸酯而言，随着温度的降低，材料的冲击值下降，低于冷脆转变温度（也叫冷脆温度或韧脆性转变温度）位错运动受阻，材料的断裂强度小于屈服强度，来不及塑性变形就发生断裂，即发生脆性断裂。
试样厚度增加会进一步提高残余应力值，缺口冲击试验中，缺口提供初始萌生裂纹，过大的应力集中会使裂纹在初期扩展过程中发生脆断，这种脆断将从断裂源区一直延伸到雾区直至末端带状区，断裂形式表现为直线延伸式的脆性断裂。
转自——链塑网公众号
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