有机玻璃在不同情况下的变化
拉伸试样几何尺寸工程实际应用中迫切需要知道MDYB23的断裂破坏应变。而这种材料的动态拉伸试验中存在许多困难。为了保证试样在有效段内断裂,并且有效捕获透射杆上的微小信号,试样设计为所示形状。大的圆弧过渡即保证了试样在有效段内断裂,又有效地降低了试样中应力集中现象的产生。为了有效地实现波阻抗的匹配和改进信噪比,在动态拉伸试验中将透射杆材料改为波阻抗较小的铝。这些方法更加有效地获得了MDYB23的动态拉伸性能。但是试样上的圆弧过渡却使得由Hopkinson杆得出的应力应变关系的可靠性受到了质疑。为了说明动态拉伸试验结果的有效性,在试验前通过直接在试样上贴应变片获得试样的应力应变关系,然后与分离式Hopkinson拉杆的入射杆和透射杆上应变片计算出的试样应力应变曲线进行比较,结果,表明了试样上应变片测得的应力应变关系与由分离式Hopkinson拉杆计算出的试样应力应变关系基本相同。即可认为本文建立的分离式Hopkinson拉杆装置所获得的MDYB23试样的应力应变曲线是可靠的。在高应变率试验中为了满足试样保温时间长、保温过程稳定等要求,采用反馈式加热系统,试样直接置于加热炉内。低的试验温度由液氮获得。因而使试验温度可从-55e到120e.安装于试样上的热电偶用来反馈并控制试样温度。当温度到达预定值后至少在该温度保持5分钟,使试样中的温度达到平衡后再开始进行试验。
试验结果分析准静态压缩试验结果如所示。从图中可以看出随着温度的上升,材料的屈服强度和弹性模量依次呈现下降趋势。80e和100e的曲线几乎重合,这一现象说明在温度达到或者接近有机玻璃的玻璃化转变温度Tg时材料发生了软化,强度已经非常小。不同温度下准静态压缩应力应变曲线中给出了MDYB23型有机玻璃准静态压缩试验中,材料屈服应力(R0.2)和弹性模量值随试验温度的变化曲线。从图中可以明显地看出,材料的屈服应力和弹性模量都随温度的升高而呈下降趋势。当温度上升到80e以上时,材料的弹性模量和屈服应力都趋于平缓,也就是中80e和100e曲线重合的现象;当温度低于-18e时,弹性模量的变化也十分缓慢,而屈服应力却没有表现出这一性质。即在较高温度下材料的刚度与强度都下降到一个定值。在温度较低时材料的刚度基本——上接——近于一个恒定的极限值,强度却随温度的下降(0e以下)呈现增强的趋势。高分子物理学认为接近玻璃化转变温度时,高聚物的分子链段由初始的/冻结0状态向/自由0状态转变。因此分子链段的运动变得相对容易,其力学状态介于固体与流体之间,从而表现为力学性能趋向于一个定值。静态压缩时弹性模量和屈服应力与试验温度的关系对于动态压缩试验,在应变率为5@102PS的情况下,由应力应变曲线可以看出,试验温度由40e上升到100e时MDYB23的动态模量的下降速度明显加快。而在试验温度为255e和218e时,MDYB23的动态模量几乎没有太大的变化。另外,在试验温度为40e或低于40e时,材料几乎没有发生塑性流动就断裂破坏了。当试验温度上升到80e时可以从应力应变曲线上看到,试样发生了一定的塑性流动变形以后才断裂破坏。当试验温度升高到100e时,应力应变曲线表现为非线性,在发生了很大的塑性流动变形后试样才断裂破坏。并且在试样断裂前,流动应力有小幅下降,即试样试验时的最大应力并不是试样断裂时的应力。
这可能是因为在较高温度下,分子链段的运动相对容易,当应力增大到一定的值时部分链段开始断裂失去承载能力,但仍有大部分分子链可以承受载荷直至试样断裂,因此在应力应变曲线上表现出了试样的破坏应力略低于最大应力的现象。应变率为时不同温度下压缩应力应变曲线所示的是应变率为2@103PS时的试验曲线,与应变率为5@102PS时类似,当试验温度大于等于80e时试样发生了塑性流动,在试验温度低于或等于15e时试样几乎未发生塑性流动就发生了断裂。但是,与应变率为时有所不同的是,应变率为时,试验温度较低时试样发生断裂时的破坏应变集中在左右,而应变率为的低温破坏应变在左右,断裂时的破坏应力大体相同(300MPa左右)。也就是说,应变率为2@103PS时的动态模量比5@102PS时的动态模量大。应变率为2@103PS和5@102PS的高温试验应力应变曲线也存在差异,即在高的压缩速率时试样没有明显的断裂点,而是在应力达到最大峰值后缓慢下降直到试样完全断裂。给出了三种应变率下压缩模量与温度的关系,可以看到随着应变率的增加,材料的模量也是增加的。也就是说这种材料存在应变率硬化现象。并且随着温度的升高,不同应变率的模量之间的差值是减小的,即这种应变率硬化现象与温度有关,随着温度的升高应变率硬化现象越来越不显著。综合、和可以看出,随着应变率的增加,同一温度下试样屈服应力或应力应变曲线上的最大应力也随着增加,即该材料的强度是随应变率增加而增加,亦即在试验中该材料表现出应变率强化现象。与动态压缩相比,MDYB23动态拉伸的特点是每一温度试验中,试样都发生了明显的塑性流动。值得注意的是这一塑性流动是应变硬化过程,即试样在拉伸加载脉冲作用下发生屈服后出现了随着应变的增加试样上应力亦随之增加的塑性流动过程。在中可以看到在试验温度为120e时的动态拉伸试验中,试样上应力出现了两个应力峰值,第二个峰值略高于第一个,试样在第二个应力峰值出现后被拉断。即表现出了典型的高聚物的应力应变曲线特点,在试样屈服后的塑性区域出现了应变软化区和应变硬化区。出现这种现象的原因可能是因为120e的试验温度接近或高于材料的定向成型温度,定向加工对材料性能的增强效果降低或消失,从而使材料表现出了普通高分子聚合物(未做定向加工时)的力学特性。
应变率为时动态拉伸应力应变曲线的本构模型对典型工程塑料所进行的一系列试验研究得出,在准静载荷到动态载荷范围内,典型高聚物的非线性粘弹性本构行为可以由如下非线性粘弹性本构关系来描述第一个积分项描述低应变率下的粘弹性响应,E1和H1分别是所对应的Maxwell单元的弹性常数和松弛时间;而后一个积分项描述高应变率下的粘弹性响应,E2和H2则分别是所对应的Maxwell单元的弹性常数和松弛时间。采用多个Maxwell单元粘弹性模型来得到有机玻璃的本构方程。在应变率为常数的情况下这一本构方程表示为式。其中Ei和Hi为第i个松弛模式的弹簧模量和松弛时间。即在这一方程中用离散松弛谱来代替材料的连续松弛谱。这一本构方程只在低、中应变率下与试验结果符合得较好该材料的动态压缩模量在低温时也趋于一个恒值。但在高温时却没在表现出与静态相同的现象,这可能是因为在高应变率下材料的玻璃化转变温度有所提高,而本试验中温度并没有达到或接近这一温度,从而没有观察到这一现象。值得注意的是,在动态拉伸试验中出现了在动态压缩中未观察到的塑性流动和应变硬化现象。在试验数据和已有模型的基础上改进并建立了一个新的本构关系方程,这一方程在很大的应变率范围内(1@10-42@103PS)与本试验的结果符合得较好。