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  • 发表于:2018-03-26 8:38:07

聚合物材料可靠性分析原理(15)

石拓•著

2.1.5冲击强度

如果说,聚合物材料的弯曲,是静荷载下的应力—应变。那么,聚合物材料所受到的冲击,则是动荷载(冲击力)下的应力—应变。此时材料受到的应力,称为冲击强度(impact strenght),又称抗冲强度。

由于冲击过程的速度极快,几乎是瞬间完成,所以通常用材料所吸收的能量,来表示应力。

定义2.1.5.1聚合物材料抵抗冲击能的能力,称为冲击强度,或称抗冲强度。若以材料单位面积,所吸收的能量计,那么单位是kJ/m^2 。若以材料的单位宽度,所吸收的能量计,那么单位是kJ/m 。

任何材料,在实际的使用过程中,免不了受到外力的冲击。同一种聚合物材料,相同几何形状的构件,在相同的冲击力一次作用下,所发生的应变,只有三种(应变)结果,即:要么弹性变形,要么塑性变形,或者断裂。塑性变形和断裂,标志了材料被破坏。

因此,考察材料在冲击力作用下的应变,可以作为材料韧性的依据。例如,普通的无机玻璃具有静弯曲强度,也有具有拉伸强度。但是普通的无机玻璃,即使在没有任何缺陷的情况下,几乎没有抗冲强度。所以普通的无机玻璃属于典型的脆性材料。

考察聚合物材料的韧性与否,必须比较冲击时的塑性变形,或者断裂时的强度。由于高分子聚合物材料在加工过程中的因素影响了材质,因此材料难免存在自身的不足,并且这些不足是随机的分布在整个材料中,这就给了评判聚合物材料的韧性与否,带来了困难。

由于高分子聚合物的结构特点,以及构件的加工特点。注定了聚合物材料内部缺陷的随机性,例如高分子链的无规缠绕、成型过程中产生的应力分布等问题,都是随机的先天缺陷。这些缺陷是聚合物材料的薄弱环节。当其制品构件受到外力致命的瞬间冲击下,材料先天的薄弱环节首先屈服,导致扩散性破坏,使得构件失效。

由于聚合物材料自身薄弱环节的随机性,导致了被破坏的程度随机性。因此,同一种材料,同一几何形状的构件,用同一仪器测试,其冲击强度的数值,通常比较离散。并且每个构件的应变,也不一定相同,三种应变形态都有可能发生。

因此,通常的情况是,假如聚合物材料构件的表面,没有明显的缺陷,外力冲击的结果,通常以塑性应变居多。而无缺陷下的塑性应变,不足以用来评判,聚合物材料的韧性与脆性的依据。

一般地,判定某种聚合物材料的韧性与脆性,均以被测构件(试样)是否断裂为依据。并且用断裂时的冲击强度值,来比较材料的耐冲击力。因此,构件在冲击过程的断裂是判定材料,是否脆性的一个重要指标。

因为脆性材料的断裂,是自身的性质(脆性)所决定,例如聚苯乙烯(PS)、玻璃纤维增强的聚合物材料等,即使结构件在无缺陷的情况下,在冲击试验中,一定发生断裂,因此可以被判定为脆性材料。

通常情况下,表面无缺陷的聚合物材料试样,在冲击试验中,不易冲断。因为试样的冲不断,所以无法判别脆性与否。于是,想方设法在冲击试验中,要使得试样断裂。因此,在试样的表面,人为制造了容易发生断裂的缺陷。制造的缺陷通常有“钝缺口”和“尖缺口”等。带有缺口试样的冲击结果,称为缺口冲击强度,反之,称为无缺口强度。除此之外,冲击形式也有多种,例如,简支梁冲击(Charpy型)、悬臂梁冲击(Izod型)和落锤冲击等。

假如聚合物材料的试样,在有缺口的情况下冲击断裂,判为缺口脆性材料。假如不发生断裂,那么就是韧性材料了。例如,干态尼龙(PA)、双酚A聚砜(PSF),属于缺口脆性材料,湿态尼龙(PA)、高压聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE),则属于韧性材料。

聚合物材料作为工程材料,它的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度,是三个重要的机械性能指标。这三个性能指标,反映了材料在不同受力情况下的应力—应变。聚合物材料的这几种应力—应变,决定了材料在力学上适用的范围,同时也将伴随材料使用的终生,影响着材料的使用寿命。

聚合物材料的强度与韧性,始终是聚合物材料研制者的追求目标。但是,在追求材料强度的同时,必将失去部分的韧性,反之亦然。因此,聚合物材料的性能设计及可靠性要求的过程中,尽量均衡得失,满足要求。

事实上,任何材料的屈服与断裂,都必须十分的重视。这是因为已经超越了材料极限的应力—应变。因此,材料的屈服与断裂,是材料寿命可靠性的重要指标。

(待续)