改性聚丙烯的Ⅰ型疲劳裂纹及断面微观形貌研究

2016-11-30毕文栋

中国新技术新产品 2016年17期

关键词：增韧聚丙烯微观

毕文栋

（沈阳华晨金杯汽车有限公司，辽宁沈阳 110168）

改性聚丙烯的Ⅰ型疲劳裂纹及断面微观形貌研究

毕文栋

（沈阳华晨金杯汽车有限公司，辽宁沈阳 110168）

聚丙烯作为一种优良的化工材料，在生活中的应用是十分广泛的，经过不断地研究、探索，人们通过在聚丙烯中添加各种材质，逐渐研制出了多种改性聚丙烯，使得聚丙烯的多种性能得到了加强，扩宽了聚丙烯的应用范围。为了更好地对改性聚丙烯的性能进行了解，本文从改性聚丙烯疲劳裂纹的概述出发，对Ⅰ型疲劳裂纹及断面微观形貌进行了相关实验，并对实验结果进行了讨论，希望可以对改性聚丙烯疲劳损伤性能的研究工作起到一定的帮助作用。

改性聚丙烯；疲劳裂纹；疲劳损伤；断面微观形貌

改性聚丙烯是在聚丙烯的基础上发展而来的，内部结构结晶度比较高，不宜发生断裂现象，具有良好的力学性能；在高温的影响下不容易发生变形，耐热性能良好；化学性质稳定，不容易与酸碱物质发生反应，防腐效果比较明显；介电系数较高，具有很强的绝缘性能，可以作为绝缘材料使用。由于改性聚丙烯的众多优点，在很多领域都得到了应用，改性聚丙烯经常是作为承载和抗冲击部件进行使用的，在应变载荷的作用下经常发生断裂现象，为了更好地对改性聚丙烯进行利用，就需要制定有效的措施，对其疲劳损伤性能进行实验研究。

1.疲劳裂纹的概述

1.1疲劳损伤及疲劳裂纹的分类

以改性聚丙烯为原材料制成的各种构件，在实际应用中内部结构会发生各种变化，出现各种缺陷，影响构件的正常使用，从损伤力学理论方面对疲劳损伤进行分类，主要包括脆性损伤、延性损伤、蠕变损伤、低周疲劳损伤、高周疲劳损伤等几种，不同损伤产生的原理不同，在研究损伤情况的时候，需要先判断损伤的类型。疲劳损伤引起的疲劳裂纹也是分为不同类型的，根据裂纹的几何特征可以分为表面裂纹、穿透裂纹、深埋裂纹，根据裂纹的力学特征，可以将裂纹分为张开型、滑开型、撕开型3种，又可以分别叫作I型裂纹、II型裂纹和III型裂纹，本文主要针对I型裂纹进行研究。

1.2疲劳裂纹的形成与扩展

改性聚丙烯制成的各种构件，长期处于超负荷运载的状态下，内部结构难以承受负荷，会慢慢出现细小裂纹，在外力的继续作用下，细小裂纹不断扩展、变大，导致部件性能越来越差，逐渐失去应用效果，造成损失。根据疲劳裂纹扩展程度的不同，一般将疲劳过程分为3个阶段，包括初级阶段、材料表面内部损伤阶段、损伤裂纹连续扩展阶段，在这个过程中，疲劳裂纹会呈现出持续增长的状态，对于晶体和非晶体塑料来说，其扩展速率与应力强度因子幅度有关，两者之间的关系遵循Paris公式；对于热韧性高分子塑料来说，其扩展速率与能量释放率幅度有关，材料的细小裂纹会在外力的持续作用下，慢慢加剧变大，直到最后材料失效。

2.对改性聚丙烯的Ⅰ型疲劳裂纹及断面微观形貌的研究

2.1具体试验

基于疲劳裂纹的形成和扩展原理，选用相应的改性聚丙烯材料，对I型裂纹疲劳裂纹及断面微观形貌进行了相关研究。这里选用的材料是燕山石化公司研制的K4812改性聚丙烯，该材料的厚度为22mm，使用到的设备仪器主要包括材料疲劳试验机、数控车床、扫描电子显微镜等，在选用试验设备仪器的时候，需要根据实际要求，选择型号合适、品质优良的种类，避免因设备仪器的质量问题影响实验结果。

在制备试验样本的时候，以金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法为参考，对选用的材料进行处理，利用数控机床将其加工成3点弯试件，按照所需材料的尺寸，将材料切割开，为了在材料上形成Ⅰ型裂纹，需要在机械切口上切一个1.5mm的尖口，完成实验材料的制备。为了便于后期对裂纹的观察，需要在切口旁2mm出画一条直线，在放大镜的帮助下，以尖口为标准，将其进行均匀地划分，并标出准确的刻度值。

利用疲劳试验机对制备好的试样进行相关操作，在疲劳试验机上下往复运动的作用下，模拟出裂纹所承受的应力载荷，试样的裂纹会不断扩展、变大，然后用光学显微镜对尖口进行观察，对比自身所带有的刻度与之前标记的刻度之间的区别，每当裂纹扩展0.5mm时，对机械的循环次数进行记录，对最终记录结果进行分析，得出裂纹扩展情况与疲劳试验机循环次数之间的关系。

2.2实验结果与讨论

（1）疲劳损伤性能的测试与分析

在对试样施加应力载荷的时候，需要先进行静载试验，对试验所需的试验载荷进行确定，当确定最大断裂载荷后，为了确保实验结果的准确性，一般会将其最大断裂载荷数值的60%设定为初始应力值，然后调整疲劳试验机的各项参数，进行分组试验。先对试样施加初始应力，然后对实验结果进行观察，发现在试验初期，裂纹会随着设备的循环进行扩展，当达到某一临界值的时候，就会出现增韧效果，裂纹不会在进行扩展，此时应该调整设备所提供的应力值，突破疲劳裂纹的增韧区域，为了得到更加详细准确的数据，后续的试验过程中，需要根据裂纹扩展程度的不同，对载荷进行分阶段调整，最后得出具体数值结果。对每组试样进行同样的操作，对比不同组别的试验结果。

对不同组别的试验数据进行整理、计算、处理，可以发现改性聚丙烯Ⅰ型疲劳裂纹的扩展主要分为扩展源、稳定、快速扩展3个阶段，不同阶段的裂纹表现形式是不一样的，第一阶段，裂纹会在应力的作用下，开始萌生扩展，但是扩展趋势不是很明显，而且当达到材料的增韧临界点的时候，扩展情况将会出现迟滞现象，不再继续变化，只有改变载荷时，裂纹才会继续扩展。裂纹在稳定扩展阶段时，其扩展速率大致会呈现出一种直线形态，上升趋势比较平稳。疲劳裂纹的快速扩展阶段可以分为两部分，第一部分的扩展速率变化比较平缓，虽然没有第二阶段平稳，但是也可以将其变化曲线看做一条直线；当进入第二部分的时候，疲劳裂纹的扩展速率几乎呈直角上升状态，变化趋势非常明显，直至突破试件所能承受的极限，材料彻底断裂。

（2）断面微观形貌分析

在对改性聚丙烯的裂纹进行断面微观形貌分析的时候，为了提高分析结果的可靠性，除了对宏观疲劳区断口进行比较之外，还需要比较静载试件断口与疲劳试件断口之间的不同，通过比较可以发现，疲劳试件的疲劳区域远远大于静载试件的疲劳区域，断口的粗糙程度也比静载试件的要高。疲劳试件的疲劳区组织结构发生变化，纤维的出现变形现象，表现为片状滑移形态。

对疲劳裂纹不同扩展阶段的断面微观形貌进行研究，分别选取3个扩展阶段以及断裂时的试样，在显微镜下进行观察。在疲劳裂纹出现增韧效果之前，内部结构的晶体颗粒之间有着紧密的连接关系，主要以大颗粒聚合物的形态存在，没有明显的拉裂现象。当疲劳裂纹的增韧区被突破以后，晶体结构会发生非常明显的变化，出现隆起现象，以多种形态表现出来，有的絮状物拉丝形成的小范围结构与森林相似；有的结晶体壁上由于平面应力作用下形成的“薄膜状”大范围凸起的层状物等，与增韧之前的断面形貌相比，存在很大的差异。到疲劳裂纹继续扩展，进入快速扩展阶段后，断面会变得较为平滑，并且伴有穿晶断裂现象出现。当试件失去性能，完全断裂时，断面的表面没有颗粒状的晶体结构出现，同时也没有发生隆起现象，断面形貌变得更加光滑，符合脆性断裂的断面形貌特征。

3.改性聚丙烯的Ⅰ型疲劳裂纹及断面微观形貌研究的结论

经过试验可以知道改性聚丙烯的Ⅰ型疲劳裂纹扩展分为3个阶段，分别是裂纹扩展源阶段、裂纹扩展稳定阶段、裂纹快速扩展阶段，在不同阶段，裂纹所表现出来的扩展趋势是不同的，在第一扩展阶段时期，裂纹在增韧区内呈现出缓慢的扩展趋势，到达到增韧区临界点时，裂纹不再继续扩展；当改变载荷，使改性材料突破增韧区后，裂纹扩展速率呈稳定上升的直线趋势，直线会有一个较为固定的斜率；进入第三扩展阶段之后，直线的斜率变大，裂纹扩展速率明显加快，在荷载的作用下，短时间内就会发生断裂。

通过光学显微镜对疲劳裂纹的断面形貌进行观察，疲劳区在增韧之前，其结构形态主要是大颗粒的晶体聚合物，拉丝现象不明显；当裂纹扩展进入到第二阶段，断面形貌就变得多样化，会出现絮状物拉丝、层状物凸起，以及微薄膜和微纤维等结构；疲劳裂纹进行继续扩展，其表面结构会变得平滑，很难发现有大颗粒的晶体聚合物结构；彻底断裂之后，断面会变得更加光滑，上面分布有类似于河流状的纹理，没有结晶体和凸起物。