了解聚合物中的應(yīng)變率敏感性

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材料行為從根本上由時間和溫度的等效性決定。但處理器和設(shè)計人員往往會忽略這一原則。這里有一些指導。
粘彈性行為的一個基本原理是時間和溫度在確定材料行為方面的等效性。由于所有聚合物本質(zhì)上都是粘彈性的，因此該原理適用于所有塑料的機械性能。不幸的是，這些原則通常只在提供非常嚴格的數(shù)學處理的教科書中得到解決。實際意義往往會迷失在數(shù)學中；因此，設(shè)計塑料部件和指定原材料的工程師仍然沒有意識到這一非常重要的原則。

簡單地說，在負載下，溫度升高的影響也可以通過延長時間而不增加溫度的影響來觀察。例如，聚丙烯的模量可以從室溫下的 1600 MPa (232 kpsi) 降低到 60 C (140 F) 下的 800 MPa (116 kpsi)。模量是剛度的量度，定義為應(yīng)力除以應(yīng)變。如果我們在室溫下對這種 PP 梁施加 4 MPa (580 psi) 的應(yīng)力，我們會立即觀察到 0.25% 的應(yīng)變。如果我們在 60 C 對材料執(zhí)行相同的操作，我們會觀察到 0.50% 的更高應(yīng)變，這反映在由溫度升高引起的模量降低中。然而，如果我們在室溫下施加相同的 4 MPa 應(yīng)力，然后將該應(yīng)力保持 10 小時，我們將觀察到相同的總應(yīng)變?yōu)?0.50%。
在不增加溫度的情況下延長時間的影響也可以觀察到溫度升高的影響。

第一個 0.25% 會在我們施加壓力的那一刻發(fā)生，剩下的 0.25% 會在接下來的 10 小時內(nèi)發(fā)生，這種現(xiàn)象我們稱之為蠕變。在此示例中，時間-溫度等值是增加 40° C (104° F) 等于 10 小時。這種等效的細節(jié)因材料而異，甚至可以根據(jù)感興趣的溫度范圍對給定的材料有所不同。


應(yīng)變率是時間的倒數(shù)。較長的時間與較低的應(yīng)變率有關(guān)，而較短的時間與較高的應(yīng)變率有關(guān)。因此，較低的應(yīng)變率模擬了在較高溫度下觀察到的行為，而較高的應(yīng)變率反映了較低溫度下的行為。圖 1 顯示了該原理的一個示例。使用三種不同的應(yīng)變率在相同溫度下對 PP 材料進行拉伸測試，這由拉伸測試儀的十字頭移動的速度表示。在最慢的十字頭速度下，材料的屈服強度和模量處于最低值。

隨著速度的增加，屈服強度和模量也增加。僅僅由于應(yīng)變率的增加，材料似乎變得更堅固和更硬，這種效果也可以通過保持應(yīng)變率恒定并逐漸降低測試溫度來實現(xiàn)。

塑料材料和許多其他類型材料的一個重要行為原則是，隨著強度和剛度的增加，延展性降低。在拉伸試驗中，斷裂伸長率或極限伸長率被認為是延展性的相對量度。雖然圖 1 沒有顯示拉伸試驗的全尺寸，但觀察到在 5 毫米/分鐘的最慢十字頭速度下，極限伸長率超過 300%，而在 50 毫米/分鐘的斷裂值是 125 %，并以 500 mm/min 的速度進一步降低到 30%。

沖擊試驗是使用更高應(yīng)變率譜評估延展性的另一種方法。圖 2 和圖 3 顯示了在室溫下使用兩種不同的速度對 PVC 材料進行的儀表沖擊測試結(jié)果：分別為 15 英尺/秒和 5 英尺/秒。紫線表示樣品上的負載，而藍線表示在產(chǎn)生故障的過程中收集的能量。


圖 2 中的高速測試顯示負載在大約 3 毫秒的時間內(nèi)迅速增加。一旦測試達到最大值，負載就會迅速下降，這表明發(fā)生了脆性故障。幾乎所有產(chǎn)生故障所需的能量（總共 21 焦耳）都用于引發(fā)故障的過程，而產(chǎn)生最終故障所需的額外工作很少。


圖 3 所示的低速測試看起來像是在不同且更堅韌的材料上進行的。負載逐漸增加，部分原因是初始沖擊的速度較低。但是當達到峰值負載時，可以觀察到最重要的區(qū)別。這種材料不會立即失效，而是繼續(xù)管理事件的能量，將測試的時間范圍延長到 20 毫秒以上，這對于沖擊測試來說是永恒的。導致完全失效所需的總能量增加了大約 50% 至 32 焦耳。但最重要的是，由于沖擊速度的變化，破壞模式從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有浴?br />
這里說明的兩種變化，在 PP 的拉伸試驗和 PVC 的沖擊試驗中，也可以通過保持應(yīng)變速率相同并改變進行測試的溫度來產(chǎn)生。降低溫度與提高應(yīng)變率具有相同的效果，而提高溫度與降低應(yīng)變率具有相同的效果。如果您沒有被告知測試是如何執(zhí)行的，您將無法知道選擇了哪個更改。這就是重點——塑料也不行。

廖@@

有道理。。。

fytqqbom

找到好貼不容易，我頂你了，謝了

zkesedqm

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