吳健余 楊邦成 高啟林
(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,云南 昆明,650500)
由于高分子材料的力學(xué)韌性、絕緣耐壓性能優(yōu)異,以聚苯乙烯、聚氨酯、聚丙烯等為代表的塑料被廣泛應(yīng)用于建筑給排水、建筑裝修、汽車工程、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域。在這些高分子材料中,無規(guī)共聚聚丙烯(PP-R)具有質(zhì)量輕、取材廣泛、熱塑性性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn),被大量使用于各行各業(yè)[1]。
目前,對(duì)PP-R材料的研究主要集中于改性、疲勞、熱塑性與加工工藝等方面。潘亞敏等[2]用微注射成型法制備的等規(guī)共聚聚丙烯,經(jīng)過不同溫度退火后,其在拉伸與斷裂韌性方面得到不同程度提高。BUREAU等[3]研究了含有連續(xù)玻璃纖維的聚丙烯材料的不疲勞性能。但是對(duì)PP-R材料的準(zhǔn)靜態(tài)加載方式下斷裂性能以及疲勞損傷機(jī)理方面研究較少,導(dǎo)致該材料在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用受到一定阻礙。
下面通過疲勞裂紋預(yù)制試驗(yàn)、準(zhǔn)靜態(tài)斷裂試驗(yàn)以及掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)等,研究PP-R材料疲勞與準(zhǔn)靜態(tài)斷裂機(jī)理、斷裂行為。
PP-R板材,K4812,厚度為15 mm,中國石化集團(tuán)北京燕山石油化工有限公司。 SEM,JSM-6510F,日本電子株式會(huì)社; PP-R材料準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗(yàn)系統(tǒng),MTS-810,其最大測試載荷為100 kN,美國MTS System Corporation公司。
將PP-R板材制作成長×寬×厚為200 mm×50 mm×15 mm的矩形試件。純Ⅰ型裂紋需要在試件的中心部位制作深度為10 mm的機(jī)械刀口,為便于疲勞裂紋擴(kuò)展,在機(jī)械刀口基礎(chǔ)上,用刀片制作深度為1 mm的尖端裂紋。(I+II)型復(fù)合型裂紋需要在偏離中心線40 mm處制作類似機(jī)械刀口與尖端裂紋。
純Ⅰ型試件經(jīng)過5.5×105以上次的循環(huán)載荷、復(fù)合型試件經(jīng)過6.9×105以上次的循環(huán)載荷持續(xù)作用后,疲勞裂紋擴(kuò)展量達(dá)到目標(biāo)長度。兩種加載方式下,裂紋所在的橫截面剪切力不同,因此循環(huán)次數(shù)存在差異。
圖1(a)為純Ⅰ型加載方式:錘頭加載位置與裂紋位置在同一橫截面上(垂直方向),其裂紋擴(kuò)展路徑上僅受到垂直于裂紋擴(kuò)展面上的周期性變化的拉伸應(yīng)力作用,即裂紋擴(kuò)展主導(dǎo)因素為Ⅰ型應(yīng)力強(qiáng)度因子。圖1(b)為復(fù)合型加載方式:復(fù)合型的裂紋面上除受拉伸應(yīng)力之外,還受到周期性的剪切應(yīng)力作用,因此裂紋擴(kuò)展的主要因素為Ⅰ型應(yīng)力強(qiáng)度因子和Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子。
圖1 兩種類型試件裂紋準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)加載方式示意(單位:mm)
因錘頭加載的速度是0.001 mm/s,控制系統(tǒng)中將支座豎直向上的位移速度控制在0.001 mm/s。兩種裂紋類型的PP-R試件在準(zhǔn)靜態(tài)條件下,進(jìn)行純Ⅰ型和復(fù)合型加載方式。經(jīng)過一段加載時(shí)間后,獲得了純Ⅰ型裂紋與復(fù)合型裂紋兩種試件的斷口形貌。
參照GB/T 6398—2000對(duì)PP-R材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。
SEM觀察:將試樣經(jīng)液氮脆斷后,斷口噴金,觀察斷面形貌。
圖2為PP-R材料純Ⅰ型裂紋的宏觀斷口形貌。
圖2 PP-R材料純Ⅰ型裂紋的宏觀斷口形貌(單位:mm)
圖2中,a區(qū)域?yàn)轭A(yù)制機(jī)械刀口處位置,長度約為10 mm。b區(qū)域?yàn)槔妹拦さ犊讨频臋C(jī)械裂紋尖端,長度約為1 mm。c區(qū)域?yàn)槠诹鸭y穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū),斷面較其他區(qū)域顯得更粗糙一些,灰度值比其他擴(kuò)展區(qū)域也較深,并且呈現(xiàn)凹凸不均勻的“顆粒狀”特征以及明顯的“撕裂”現(xiàn)象。經(jīng)測量該區(qū)域的損傷厚度約為0.4 mm。綜上所述,c區(qū)域的斷裂形式可判定為韌性斷裂。d區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)靜態(tài)疲勞試驗(yàn)下裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域,有部分纖維呈現(xiàn)“撕扯”的現(xiàn)象,該部分產(chǎn)生較大的塑性變形,同時(shí)該區(qū)域的裂紋擴(kuò)展量較短。因此,在準(zhǔn)靜態(tài)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域(d區(qū)域),PP-R材料可判定為偏韌性斷裂,存在一定脆性斷裂。e區(qū)域?yàn)榱鸭y快速擴(kuò)展區(qū)域(瞬斷區(qū)),裂紋擴(kuò)展至該區(qū)域后,PP-R材料截面上應(yīng)力值不斷增大,當(dāng)裂紋擴(kuò)展方向上“未發(fā)生”斷裂區(qū)域無法承擔(dān)截面應(yīng)力值時(shí),材料失穩(wěn)迅速斷裂。該快速擴(kuò)展區(qū)域上斷面比較平整、光滑,PP-R材料屬于明顯的脆性斷裂。
圖3是PP-R復(fù)合型裂紋斷口形貌。圖3中,a,b區(qū)域分別為機(jī)械刀口與尖端裂紋口。c區(qū)域?yàn)槠诹鸭y預(yù)制區(qū)域,該形貌區(qū)域與純Ⅰ型的類似,出現(xiàn)不規(guī)整的“顆粒狀”凸起,且截面比較粗糙,有韌性斷裂的特征。d區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)靜態(tài)下裂紋擴(kuò)展區(qū)域,該區(qū)域裂紋面比較平整光滑,存在大量的塑性變形區(qū)域,有“撕扯”的痕跡,反映出一定的韌性斷裂的特征。e區(qū)域?yàn)榱鸭y高速擴(kuò)展區(qū)域,PP-R材料瞬間斷裂,斷面較光滑平整,存在少量的塑性變形與“撕扯”的痕跡,其斷裂方式為脆性斷裂。
圖3 PP-R復(fù)合型裂紋斷口形貌(單位:mm)
圖4為預(yù)制疲勞裂紋區(qū)域斷口形貌。
圖4 預(yù)制疲勞裂紋區(qū)域斷口形貌
圖4(a)中可以觀察到許多“絲帶狀”的纖維被撕扯斷的痕跡,也看到一些“坑洼狀”的纖維組織。從微觀層面上顯得很粗糙,反映到宏觀斷口截面上為“凹凸”的“顆粒狀”。從圖4(b)可以看出,許多微小的纖維被“拉扯”斷裂的痕跡,并且相互之間環(huán)抱組成許多“窩坑”,該“窩坑”與金屬材料疲勞試驗(yàn)的“韌窩”類似。因此,PP-R材料在穩(wěn)定疲勞裂紋擴(kuò)展階段屬于韌性斷裂的行為,且具有較強(qiáng)的韌性。這是由Ⅰ型加載方式作用下,垂直于裂紋面的方向存在拉伸應(yīng)力作用,隨著周期載荷的持續(xù)作用,裂紋尖端不斷受到拉扯和放松應(yīng)力作用,在材料薄弱地方出現(xiàn)凹陷。圖4從微觀角度解釋了圖2與圖3宏觀斷口的c區(qū)域的特征。
圖5為準(zhǔn)靜態(tài)條件下兩種類型試件的微觀斷口形貌特征,它們反應(yīng)出圖2與圖3中d區(qū)域的宏觀形貌特征。
圖5 準(zhǔn)靜態(tài)加載下裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段(放大3 000倍)
圖5(a)中,PP-R的微觀組織結(jié)構(gòu)并沒有出現(xiàn)纖維撕扯,拉斷等痕跡。在斷面上出現(xiàn)了“年輪狀”或“層疊狀”的條紋,且斷面比較平整。在位移控制加載過程中,隨著加載的持續(xù),裂紋尖端儲(chǔ)存的應(yīng)變能不斷積累與釋放。應(yīng)變能釋放的過程為裂紋擴(kuò)展的過程?!皩盈B狀”反映了PP-R試件的純Ⅰ型裂紋并不是連續(xù)擴(kuò)展,而成間斷進(jìn)行。因此在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)(圖2中d區(qū)域),裂紋擴(kuò)展呈現(xiàn)一定的韌性斷裂行為。
圖5(b)為復(fù)合型試件的微觀斷口形貌特征。該區(qū)域圖像反映出圖4中d區(qū)域的準(zhǔn)靜態(tài)加載下裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的特征。圖5(b)呈現(xiàn)“層疊狀”條紋,并且條紋之間存在一定的“傾斜度”“梯度”或者“坡度”,斷面不平整,呈現(xiàn)粗糙的形貌特征。由于預(yù)制裂紋面偏離錘頭的載荷面40 mm,在裂紋擴(kuò)展面上不僅受到縱向的拉伸應(yīng)力作用,而且存在剪切力作用,主應(yīng)力方向指向錘頭加載位置。在裂紋擴(kuò)展過程中較純Ⅰ型試件裂紋擴(kuò)展方式上存在一定的“坡度”。在斷裂形式上仍然存在一定的韌性,因此準(zhǔn)靜態(tài)加載下復(fù)合型裂紋屬于韌性斷裂。
圖6為準(zhǔn)靜態(tài)下快速擴(kuò)展階段斷口形貌。
圖6 準(zhǔn)靜態(tài)下放大快速擴(kuò)展階段斷口形貌(放大1 000倍)
從圖6(a)可以看出,純Ⅰ型試件的裂紋斷口面呈現(xiàn)出褶皺的形貌,且出現(xiàn)少量“河流狀”裂紋特征。該區(qū)域形貌比較光滑平整,并沒有出現(xiàn)如裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)中纖維“撕裂”的特征。所以純Ⅰ型試件為脆性斷裂。
圖6(b)為復(fù)合型試件的斷口形貌,呈現(xiàn)明顯的“階梯狀”層疊形貌特征,該階段裂紋擴(kuò)展方向存在一定夾角。但其斷裂位置仍然比較光滑平整,未出現(xiàn)纖維撕扯的形貌特征。所以復(fù)合型試件的斷裂形式為脆性斷裂。
a) 在疲勞裂紋預(yù)制階段,出現(xiàn)許多“帶狀”纖維、細(xì)小纖維被撕斷的特征。在疲勞載荷作用下,這些細(xì)小纖維圍成大量的“凹坑”,這些特征反映了PP-R材料在疲勞裂紋預(yù)制階段具有良好的韌性。
b) 準(zhǔn)靜態(tài)裂紋擴(kuò)展下,純Ⅰ型試件受到拉伸應(yīng)力作用且斷面上呈現(xiàn)“層疊”狀的條紋,具有一定韌性斷裂的特征。復(fù)合型試件在試驗(yàn)過程中受到拉伸應(yīng)力與剪切應(yīng)力的共同作用,其斷口具有一定“坡度”且斷面不平整、粗糙,屬于韌性斷裂。
c) 裂紋快速擴(kuò)展區(qū)域中,從宏觀斷口形貌可看出,PP-R材料在快速裂紋擴(kuò)展階段,裂紋面比較光滑平整,沒有毛刺等情況。因此其斷裂形式屬于典型的脆性斷裂。從微觀斷口分析,純Ⅰ型試件截面較平整,復(fù)合型試件截面出現(xiàn)“階梯”狀。兩者截面并未出現(xiàn)纖維撕扯的特征,屬于脆性斷裂。
[1] 安芳成. 聚丙烯行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及市場分析[J]. 化工進(jìn)展,2012,31(1):246-251.
[2] 潘亞敏,石素宇,常寶寶,等. 退火對(duì)等規(guī)聚丙烯微注射制品性能及結(jié)構(gòu)的影響[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2013,34(6):59-62.
[3] BUREAU M N, DENAULT J. Fatigue resistance of continuous glass fiber/polypropylene composites: Temperature dependence[J]. Polym Compos,2004,25(6):1785-1794.