吴健余 杨邦成 高启林

(昆明理工大学建筑工程学院,云南 昆明,650500)

由于高分子材料的力学韧性、绝缘耐压性能优异,以聚苯乙烯、聚氨酯、聚丙烯等为代表的塑料被广泛应用于建筑给排水、建筑装修、汽车工程、医药卫生等领域。在这些高分子材料中,无规共聚聚丙烯(PP-R)具有质量轻、取材广泛、热塑性性能优异等优点,被大量使用于各行各业[1]。

目前,对PP-R材料的研究主要集中于改性、疲劳、热塑性与加工工艺等方面。潘亚敏等[2]用微注射成型法制备的等规共聚聚丙烯,经过不同温度退火后,其在拉伸与断裂韧性方面得到不同程度提高。BUREAU等[3]研究了含有连续玻璃纤维的聚丙烯材料的不疲劳性能。但是对PP-R材料的准静态加载方式下断裂性能以及疲劳损伤机理方面研究较少,导致该材料在工程领域中的应用受到一定阻碍。

下面通过疲劳裂纹预制试验、准静态断裂试验以及扫描电子显微镜(SEM)试验等,研究PP-R材料疲劳与准静态断裂机理、断裂行为。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

PP-R板材,K4812,厚度为15 mm,中国石化集团北京燕山石油化工有限公司。 SEM,JSM-6510F,日本电子株式会社; PP-R材料准静态加载试验系统,MTS-810,其最大测试载荷为100 kN,美国MTS System Corporation公司。

1.2 复合型裂纹预制

将PP-R板材制作成长×宽×厚为200 mm×50 mm×15 mm的矩形试件。纯Ⅰ型裂纹需要在试件的中心部位制作深度为10 mm的机械刀口,为便于疲劳裂纹扩展,在机械刀口基础上,用刀片制作深度为1 mm的尖端裂纹。(I+II)型复合型裂纹需要在偏离中心线40 mm处制作类似机械刀口与尖端裂纹。

纯Ⅰ型试件经过5.5×105以上次的循环载荷、复合型试件经过6.9×105以上次的循环载荷持续作用后,疲劳裂纹扩展量达到目标长度。两种加载方式下,裂纹所在的横截面剪切力不同,因此循环次数存在差异。

1.3 复合裂纹准静态试验

图1(a)为纯Ⅰ型加载方式:锤头加载位置与裂纹位置在同一横截面上(垂直方向),其裂纹扩展路径上仅受到垂直于裂纹扩展面上的周期性变化的拉伸应力作用,即裂纹扩展主导因素为Ⅰ型应力强度因子。图1(b)为复合型加载方式:复合型的裂纹面上除受拉伸应力之外,还受到周期性的剪切应力作用,因此裂纹扩展的主要因素为Ⅰ型应力强度因子和Ⅱ型应力强度因子。

图1 两种类型试件裂纹准静态试验加载方式示意(单位:mm)

因锤头加载的速度是0.001 mm/s,控制系统中将支座竖直向上的位移速度控制在0.001 mm/s。两种裂纹类型的PP-R试件在准静态条件下,进行纯Ⅰ型和复合型加载方式。经过一段加载时间后,获得了纯Ⅰ型裂纹与复合型裂纹两种试件的断口形貌。

1.4 性能测试

参照GB/T 6398—2000对PP-R材料进行三点弯曲疲劳试验。

SEM观察:将试样经液氮脆断后,断口喷金,观察断面形貌。

2 结果与讨论

2.1 宏观断口形貌分析

图2为PP-R材料纯Ⅰ型裂纹的宏观断口形貌。

图2 PP-R材料纯Ⅰ型裂纹的宏观断口形貌(单位:mm)

图2中,a区域为预制机械刀口处位置,长度约为10 mm。b区域为利用美工刀刻制的机械裂纹尖端,长度约为1 mm。c区域为疲劳裂纹稳定扩展区,断面较其他区域显得更粗糙一些,灰度值比其他扩展区域也较深,并且呈现凹凸不均匀的“颗粒状”特征以及明显的“撕裂”现象。经测量该区域的损伤厚度约为0.4 mm。综上所述,c区域的断裂形式可判定为韧性断裂。d区域为准静态疲劳试验下裂纹稳定扩展区域,有部分纤维呈现“撕扯”的现象,该部分产生较大的塑性变形,同时该区域的裂纹扩展量较短。因此,在准静态裂纹稳定扩展区域(d区域),PP-R材料可判定为偏韧性断裂,存在一定脆性断裂。e区域为裂纹快速扩展区域(瞬断区),裂纹扩展至该区域后,PP-R材料截面上应力值不断增大,当裂纹扩展方向上“未发生”断裂区域无法承担截面应力值时,材料失稳迅速断裂。该快速扩展区域上断面比较平整、光滑,PP-R材料属于明显的脆性断裂。

图3是PP-R复合型裂纹断口形貌。图3中,a，b区域分别为机械刀口与尖端裂纹口。c区域为疲劳裂纹预制区域,该形貌区域与纯Ⅰ型的类似,出现不规整的“颗粒状”凸起,且截面比较粗糙,有韧性断裂的特征。d区域为准静态下裂纹扩展区域,该区域裂纹面比较平整光滑,存在大量的塑性变形区域,有“撕扯”的痕迹,反映出一定的韧性断裂的特征。e区域为裂纹高速扩展区域,PP-R材料瞬间断裂,断面较光滑平整,存在少量的塑性变形与“撕扯”的痕迹,其断裂方式为脆性断裂。

图3 PP-R复合型裂纹断口形貌(单位:mm)

2.2 微观断口形貌分析

图4为预制疲劳裂纹区域断口形貌。

图4 预制疲劳裂纹区域断口形貌

图4(a)中可以观察到许多“丝带状”的纤维被撕扯断的痕迹,也看到一些“坑洼状”的纤维组织。从微观层面上显得很粗糙,反映到宏观断口截面上为“凹凸”的“颗粒状”。从图4(b)可以看出,许多微小的纤维被“拉扯”断裂的痕迹,并且相互之间环抱组成许多“窝坑”,该“窝坑”与金属材料疲劳试验的“韧窝”类似。因此,PP-R材料在稳定疲劳裂纹扩展阶段属于韧性断裂的行为,且具有较强的韧性。这是由Ⅰ型加载方式作用下,垂直于裂纹面的方向存在拉伸应力作用,随着周期载荷的持续作用,裂纹尖端不断受到拉扯和放松应力作用,在材料薄弱地方出现凹陷。图4从微观角度解释了图2与图3宏观断口的c区域的特征。

图5为准静态条件下两种类型试件的微观断口形貌特征,它们反应出图2与图3中d区域的宏观形貌特征。

图5 准静态加载下裂纹稳定扩展阶段(放大3 000倍)

图5(a)中,PP-R的微观组织结构并没有出现纤维撕扯,拉断等痕迹。在断面上出现了“年轮状”或“层叠状”的条纹,且断面比较平整。在位移控制加载过程中,随着加载的持续,裂纹尖端储存的应变能不断积累与释放。应变能释放的过程为裂纹扩展的过程。“层叠状”反映了PP-R试件的纯Ⅰ型裂纹并不是连续扩展,而成间断进行。因此在准静态条件下的裂纹稳定扩展区(图2中d区域),裂纹扩展呈现一定的韧性断裂行为。

图5(b)为复合型试件的微观断口形貌特征。该区域图像反映出图4中d区域的准静态加载下裂纹稳定扩展的特征。图5(b)呈现“层叠状”条纹,并且条纹之间存在一定的“倾斜度”“梯度”或者“坡度”,断面不平整,呈现粗糙的形貌特征。由于预制裂纹面偏离锤头的载荷面40 mm,在裂纹扩展面上不仅受到纵向的拉伸应力作用,而且存在剪切力作用,主应力方向指向锤头加载位置。在裂纹扩展过程中较纯Ⅰ型试件裂纹扩展方式上存在一定的“坡度”。在断裂形式上仍然存在一定的韧性,因此准静态加载下复合型裂纹属于韧性断裂。

图6为准静态下快速扩展阶段断口形貌。

图6 准静态下放大快速扩展阶段断口形貌(放大1 000倍)

从图6(a)可以看出,纯Ⅰ型试件的裂纹断口面呈现出褶皱的形貌,且出现少量“河流状”裂纹特征。该区域形貌比较光滑平整,并没有出现如裂纹稳定扩展区中纤维“撕裂”的特征。所以纯Ⅰ型试件为脆性断裂。

图6(b)为复合型试件的断口形貌,呈现明显的“阶梯状”层叠形貌特征,该阶段裂纹扩展方向存在一定夹角。但其断裂位置仍然比较光滑平整,未出现纤维撕扯的形貌特征。所以复合型试件的断裂形式为脆性断裂。

3 结论

a) 在疲劳裂纹预制阶段,出现许多“带状”纤维、细小纤维被撕断的特征。在疲劳载荷作用下,这些细小纤维围成大量的“凹坑”,这些特征反映了PP-R材料在疲劳裂纹预制阶段具有良好的韧性。

b) 准静态裂纹扩展下,纯Ⅰ型试件受到拉伸应力作用且断面上呈现“层叠”状的条纹,具有一定韧性断裂的特征。复合型试件在试验过程中受到拉伸应力与剪切应力的共同作用,其断口具有一定“坡度”且断面不平整、粗糙,属于韧性断裂。

c) 裂纹快速扩展区域中,从宏观断口形貌可看出,PP-R材料在快速裂纹扩展阶段,裂纹面比较光滑平整,没有毛刺等情况。因此其断裂形式属于典型的脆性断裂。从微观断口分析,纯Ⅰ型试件截面较平整,复合型试件截面出现“阶梯”状。两者截面并未出现纤维撕扯的特征,属于脆性断裂。

[1] 安芳成. 聚丙烯行业发展现状及市场分析[J]. 化工进展,2012,31(1):246-251.

[2] 潘亚敏,石素宇,常宝宝,等. 退火对等规聚丙烯微注射制品性能及结构的影响[J]. 郑州大学学报(工学版),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.