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应变率效应


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上个月,我们简要讨论了时间的影响,这是影响聚合物机械响应的第二个重要因素。时间的另一面是应变率。

塑料七星彩的加载速率是我们对其性能的看法的关键组成部分。高应变率—短时间内发生的事件—倾向于偏爱七星彩的弹性。弹性与诸如强度和刚度之类的特性所体现的承载性能有关。但是,应变率低—发生时间较长的事件—支持物质行为的粘性或能量衰减方面。粘性流与能量管理相关联,通常称为抗冲击性或韧性。

在这里我们可以看到时间与温度之间关系的另一种表现形式。我们知道,随着温度下降,七星彩变得更坚固,更硬,但抗冲击性降低,而温度升高则产生相反的响应。这表明通过改变应变率,我们将观察到与七星彩特性相同的影响,就像我们改变温度时一样。实际上,事实确实如此。

考虑这两个应用程序。首先涉及对PVC复合七星彩进行的冲击测试。这不是典型的缺口艾佐德冲击试验。这是一种落镖冲击试验,使用一种称为tup的仪器打击装置。换能器内部放置换能器使我们能够在撞击事件期间收集数千个数据点,并在测试结束后立即显示它们。

图1显示了在5英尺/秒的冲击速度下对PVC进行的这种冲击测试的图形结果。实线表示测试样品上的负载,而虚线表示测试过程中收集的能量。这两个都是作为时间的函数绘制的。当爆胎片与试样接触时,载荷曲线上升到最大值,然后在试样上施加增加的压力,从而导致载荷增加。

在某个时刻,载荷达到最大值,并随着变钝开始穿透样品而开始下降。随着这种穿透的发生,我们继续收集大量的额外能量,在测试结束时,我们可以看到,负载曲线下的面积在最大负载前后的时间范围内几乎均分。尽管整个事件在20毫秒内结束,但此结果是韧性响应的典型结果,表明该七星彩非常坚硬。如果我们在数据表上报告此结果,我们所看到的只是32焦耳(约23 ft-lb)的最终结果,但我们不知道七星彩如何破裂,因为在标准数据表上从未报告过失效模式。

图2显示了当撞击事件的速度增加到15 ft / sec时相同七星彩的响应。结果明显不同。首先,即使我们仅将速度提高了三倍,撞击事件仍持续3毫秒,缩短了七倍。另外,使样品失效所需的总能量下降至21 J,或约15 ft-lb。但是,这两种变化的原因都与故障模式的差异有关。在这种情况下,一旦达到最大负载,七星彩就会突然失效。几乎没有收集到额外的能量。这是脆性失效模式的特征。

因此,在保持温度恒定的同时,我们只需改变冲击事件的速度,就可以从延性破坏变为脆性破坏。如果我们从两个测试中检查了样本,我们会发现,延性破坏只会在样本上打一个小孔。这块移位的七星彩仍将附着在样本上。冲击区周围会明显出现应力变白;而且看不到裂缝。脆性破坏会在冲击区域周围出现锯齿状边缘,在该区域中,七星彩已从试样中去除,并且次要裂纹将从主要破坏区域扩散。尽管故障的能量固然重要,但故障模式在许多应用中也很关键,因为折断零件上的尖锐边缘可能构成额外的危险。这也解释了为什么汽车行业要求在对新七星彩进行鉴定时要求在两个速度下进行仪器化冲击测试。

有趣的是,如果我们检查该PVC的数据表,我们可以在两个不同温度下执行的缺口艾佐德冲击试验结果中看到这种从韧性转变为脆性的现象。该等级PVC的数据表报告值为8 ft-lb / in。在73 F时,但只有1 ft-lb / in。在0°F.因此,正如塑料七星彩存在从韧性到脆性的转变温度一样,也存在从韧性到脆性的转变应变率。

我们可以使用较低的应变率测试(例如拉伸测试)来观察这种行为。拉伸测试所施加的压力要比冲击测试长得多。拉伸测试可以持续30到300秒,而不是几毫秒。但是在更长的时间范围内,我们可以通过以不同的速率拉伸样品来改变应变速率。 ASTM方法允许十字头速度为0.2、2.0或20英寸/分钟(5、50或500毫米/分钟)。如果我们在给定七星彩上以所有这三种速度进行拉伸测试,我们将看到对获得的测量结果的影响。

图3显示了聚丙烯的结果。随着应变率的增加,我们测量到更高的屈服应力和拉伸模量。在该图中看不到以样品破裂的应变表示的测试结论。如果显示出来,我们将看到该七星彩以5 mm / min的速度伸长超过300%,以50 mm / min的速度伸长120%,以500 mm / min的速度伸长30%。较高的极限伸长率值与韧性的提高有关,因此这为我们提供了另一种负载性能与抗冲击性之间折衷方案的例证。它还强调了在报告结果时确保指定拉伸试验的应变速率的重要性。

图4显示了对另一种聚丙烯的拉伸试验结果。在这种情况下,应变率保持恒定并且温度变化。正如预期的那样,随着温度的升高,七星彩的强度和模量下降,从而模仿了应变率变化的影响。通过执行此简单的练习即可证明应变率和温度的等效性。遮盖两个图表上的标签,然后尝试确定曲线的变化是由温度变化还是由应变率变化引起的。这不可能。正如我们无法分辨出差异一样,聚合物也一样。

这两个练习都证明了应变速率和温度对聚合物机械性能的等效性。较高的应变率和较低的温度具有相同的效果,而较高的温度和较低的应变速率具有相同的效果。现在,我们已经确定了时间-温度等效性的这种附加含义,我们准备应对这张图片的第三个轴,即应力。我们下个月要做

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