[科普中国]-大形变

大形变（large deformation）是指物体的形变大到不能用微小形变来处理的情况。气体、岩石、橡胶态的高聚物等都能产生大形变。1

简介无定形或半结晶聚合物在受到压延或拉伸时变形的能力称为可延性。利用聚合物的可延性，通过压延和拉伸工艺可生产片材、薄膜和纤维。聚合物的可延性取决于材料产生塑性变形的能力和应变硬化作用。形变能力与固态聚合物的长链结构和柔性（内因）及其所处的环境温度（外因）有关；而应变硬化作用则与聚合物的取向程度有关。

玻璃态聚合物不能发生强迫高弹形变，只能发生因分子键长、键角变化所引起的高模量小变形（相对形变小于10%）的弹性行为，属于可恢复的普弹形变，几乎没有可延性。当温度高于脆化温度而仍低于玻璃化温度时，材料具有韧性，此时断裂应力大于屈服应力，在外力作用下，被冻结的高分子链段开始运动，出现了强迫高弹态所具有的不可恢复的大形变。当温度高于玻璃化温度而低于黏流温度时，材料在外力作用下产生宏观的不可恢复的塑性与延伸形变，在该形变过程中，材料被拉伸而变细、变薄。2

固体的形变实际的物体在外力作用下都要发生形变。当物体在外力作用下处于平衡状态时，若所受外力未超过一定的限度，所发生的形变则能在撤去外力后就随之消失，物体完全恢复原状，这种形变称为弹性形变。本章所研究的固体皆可视作弹性体。

通常，我们将弹性体在外力作用下发生的形变分成五种：拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转。其中，拉伸和压缩一般将引起固体体积的改变，称为体变，且拉伸与压缩两者可统一描述；而弯曲和扭转则是由拉、压和剪切这几种基本形变所形成的。

高分子合金的大形变在高分子合金体系中，不同组分聚合物的化学结构、聚集态结构可能不相同；在相同条件下，不同组分的聚合物可能处于不同的力学状态；不同组分的聚合物形成剪切带、银纹的难易程度、特点和发展趋势也可能不相同。这些因素使高分子合金在应力作用下的应力—应变行为复杂化，既有与一般聚合物相同的规律，又有其自身的特点。

1、弹性体分散相的应力集中效应

弹性体增韧塑料一般都是单相连续的形态结构。在通常条件下，树脂连续相处于玻璃态或结晶态，弹性体分散相呈现高弹态，属于典型的结构不均匀体系，弹性体分散相粒子起到了应力集中物的作用。当增韧塑料受到外力作用时，就产生应力集中效应。

应力集中效应的大小，可以用应力集中因子（材料承受的实际应力与平均应力的比值）表示。应力集中因子的大小与应力集中物和基体弹性模量的相对大小、应力集中物的形状、应力集中物间的距离、外力作用的方向等因素有关。

2、弹性体增韧塑料的拉伸性能

在弹性体增韧塑料中，除了分散相的应力集中效应外，还存在分散相组分和连续相组分的热膨胀系数的不同。如弹性体增韧塑料，弹性体的热膨胀系数通常比基体树脂的大，当共混体系由熔体冷却时，在弹性体颗粒周围的基体树脂中产生热缩应力。此热缩应力为一种静张力，可降低弹性体周围基体树脂的Tg，从而有利于在外力作用下的屈服。

基于以上讨论，对于分散相弹性模量低于基体树脂的橡胶增韧塑料，在拉伸力作用下，由于产生应力集中效应和热缩应力，易于使基体树脂在不太大的平均拉伸应力下引发大量银纹或剪切带，使材料的韧性上升，但屈服应力下降，断裂伸长率增加，拉伸强度下降，弹性模量也下降。

但是，剪切带形变和银纹化两种屈服机理对材料拉伸性能的影响是不同的。银纹多孔，靠连接银纹两银纹面间的微纤维持强度，模量低，所以形成大量银纹时材料的弹性模量下降的幅度大。

剪切形变则不同，剪切带的力学性能接近于未形变的聚合物材料，又不会增加材料的可渗性，应变损伤的程度较小。

屈服形变是韧性玻璃态聚合物力学行为的重要特征。对于橡胶增韧塑料体系，由于分散相橡胶颗粒的模量低，在外力作用下更易发生伸长形变，成为应力集中的中心。特别在橡胶颗粒的赤道上应力集中最大，在橡胶颗粒周围引发出大量银纹或剪切带导致材料产生局部的屈服应变。橡胶颗粒赤道附近的应力集中因子（最大主应力对施加应力之比）最大可达1.92。当橡胶颗粒中含有树脂包容物时应力集中因子有所下降。如HIPS体系中橡胶粒子赤道附近的应力集中因子为1.54~1.89。随着离颗粒表面的距离增加，应力集中因子迅速减小。当颗粒之间的距离小至一定程度，各颗粒的应力场之间会导致叠加效应，使应力集中因子进一步增大。应力集中因子增大有利于产生屈服形变。3

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学