化学化工论坛
blog.polymer.cn
  • 主题:

  • [原创] 聚合物材料可靠性分析原理(14)

进入用户个人空间
  • shituo
  • 称号:童生 
  • 等级:
  • 问题分数:0
  • 回复次数:0
  • 发表于:2018-03-15 8:27:25

聚合物材料可靠性分析原理(14)

石拓•著

2.1.3弯曲强度

材料的拉伸应力,是沿着材料方向的作用力,所引起的。所以,只要在材料的拉伸屈服强度内,除了材料的蠕变外,不会引起材料因为拉伸而塑性形变,或者断裂。

除了沿材料方向的作用力外,还有一种垂直于材料方向的作用力,这样的作用力,能够使得材料发生弯曲变形。聚合物材料的弯曲变形,基本有三种情况:(1)屈服弯曲,(2)弹性弯曲(3)弯曲断裂。

线型高分子聚合物拉伸强度的大小,与高分子链的结构取向有关。而受到垂直于材料方向的作用力时,抵抗弯曲的力的大小,基本上与高分子链的结构取向无关。更多的是,取决于高分子链节分子结构的组成。

通常情况下,在高分子的链节分子中,含有苯环结构的高分子链,比不含苯环的高分子链,具有更高的弯曲强度。例如,聚苯乙烯(PS)比聚乙烯,有更高的弯曲强度。含有苯环的尼龙(芳香聚酰胺),比不含苯环的尼龙,如尼龙6、尼龙66等,具有更高的弯曲强度。

线型高分子聚合物在弯曲的过程中,其高分子形态的变化,与拉伸时不同。拉伸应力除了范德华( van der Waals)力,还有高分子链的取向应力,以及高分子的键力,其中高分子的键力,是影响拉伸强度的主要因素。而在材料的弯曲过程中,除了范德华( van der Waals)力外,高分子链弯曲取向的应力,微乎其微,更多的是取决于高分子链的刚性。高分子链的刚性,是弯曲强度的主要贡献。线型高分子长链中的苯环结构,决定了高分子长链的刚性。

含有苯环结构的高分子材料的性能,以刚性居多。反之,更多的是柔性。所以,在聚合物材料合金的设计中,通常是取长补短,利用材料之间性能的不同特点,设计制造出满足要求的弯曲强度的材料。

定义2.1.3.1如果垂直于聚合物材料方向的作用力,达到材料承受塑性变形时的最大应力,称为聚合物材料的屈服弯曲强度,简称屈服弯曲强度,单位:MPa。

屈服弯曲属于聚合物材料的塑性变形。材料达到屈服点的应力,就是屈服弯曲强度。当材料屈服弯曲时,在屈服点附近的材料表面,将会产生白色的“云晕”。“云晕”是因为应力集中的表现,所以也称为“应力发白”。聚合物材料的应力发白,预示了塑性变形的开始。

聚合物材料在应力集中的地方,除了应力发白以外,因为塑性变形,所以,或者出现颈缩,或者发生断裂,因此而失去强度。由此可知,屈服弯曲强度可以是判别材料刚性与否的一个指标。而这个指标值就是聚合物材料,由刚性弯曲转变为塑性弯曲的临界应力。

定义2.1.3.2聚合物材料在弹性变形范围内,如果垂直于聚合物材料方向的作用力,使得材料达到规定的扰度(弯曲形变),此时材料所能承受的应力,称为静弯曲强度,单位:MPa。

根据定义2.1.3.2,聚合物材料的静弯曲强度,通常小于或等于屈服弯屈强度。因为材料的屈服,标志了材料的塑性变形。所以,材料的塑性弯曲与塑性拉伸(制造拉伸薄膜除外)一样,在实际的应用中,是不能被接受的。

静弯曲强度是聚合物材料固有的性能。所以,在工程应用中,静弯曲强度是一个重要的机械性能指标,也是选择材料的依据之一。

大都数的聚合物基复合材料,很少发生塑性变形,或者塑性变形不明显,特别是脆性聚合物材料。对于脆性材料而言,有时,材料还没有达到预先设定的静弯曲强度所规定的扰度,就已发生断裂。但是,大都数的聚合物基复合材料,有着非常高的静弯曲强度。

因此,对于聚合物材料的在应力弯曲过程中,发生的断裂应变,有如下定义:

定义2.1.3.3如果垂直于聚合物材料方向的作用力,达到材料断裂时的最大应力,称为断裂弯曲强度,单位:MPa。

在聚合物材料中,不是所有的材料,因为弯曲而发生断裂。一些韧性材料,例如,聚乙烯,尼龙610(PA610),PA66/EPDM合金材料等,具有塑性弯曲应变,没有断裂弯曲应变。因此,对于具有塑性弯曲应变的材料而言,除了静弯曲强度和屈服弯曲强度外,没有断裂弯曲强度。

事实上,材料受力弯曲的断裂与否,与材料自身的性质有关。而屈服弯曲与断裂弯曲,在一定程度上反映了材料的韧性。所以,可以利用聚合物材料的这一特性,作为比较聚合物材料韧性的指标。

屈服弯曲强度、静弯曲强度、断裂弯曲强度,统称弯曲强度(bending strength),或者抗弯强度、抗扰强度。用符号σb标示,单位:MPa(或N/m^2)。由定义2.1.3.1—2.1.3.3知,聚合物材料的弯曲强度均指:抵抗垂直于材料的作用力。

为了防止高分子链,因为来不及解脱自身的缠绕,或者与其它小分子的缠绕,所产生的应力而断裂。所以,在测试材料的弯曲强度时,作用在材料上的力,其数量的增加速度,是比较地缓慢。这个缓慢的速度,足以使得高分子链与链之间,或与其它小分子之间,不因为来不及解脱自身缠绕的应力,而发生断裂。

所以,从某种程度讲,弯曲强度是材料受力时,产生各种应变的极限强度。不同组分的聚合物材料,有着不同的弯曲强度。

2.1.4聚合物材料的荷载与弯曲屈服的关系

由固体聚合物材料在垂直荷载作用下,所引起的三种基本形态的形变(屈服弯曲、静弯曲和断裂弯曲)得知,三种形变形态都是属于材料受力弯曲的应力—应变。但是,只有其中的静弯应变,是属于弹性应变。因此静弯曲强度是聚合物材料的一个非常重要的指标,也是材料在弹性范围内的弯曲强度指标。

通常的弯曲强度测试(定),取截面为矩形,长为L的长条,作为测试弯曲强度的试样。测试的过程与原理,大致如下:

将试样搁在测试仪器的支架上(称为简支梁),支架的跨度为l。然后在试样的中心,即整个跨长的1/2处,加上一个垂直于试样,缓慢增加的作用力。此时,试样因为受力,而缓慢地发生弯曲变形,弯曲的力矩,即弯矩为M。

如果,被测材料的抗弯截面模量(断面模数)为W,那么根据“材料力学”理论,此时材料的弯曲强度σb与荷载的关系为:

(2-9)              σb =M/W

其中,M是弯矩,W是抗弯截面模量(断面模数)。

如果,垂直于聚合物材料作用力的速度,使得高分子链来不及通过解缠、位移来解脱应力。那么,此时材料的应力—应变,将发生本质上的变化。这种情况下材料的形变应力,称为冲击强度。

(待续)