樣條類型對汽車用PP高速拉伸測試的影響

宋翠翠 龐承煥 吳博 羅明

(金發(fā)科技股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，塑料改性與加工國家工程實驗室，廣東 廣州，510663)

分析測試

樣條類型對汽車用PP高速拉伸測試的影響

宋翠翠 龐承煥 吳博 羅明

(金發(fā)科技股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，塑料改性與加工國家工程實驗室，廣東 廣州，510663)

在應(yīng)變速率為100.00,10.00,1.00,0.10,0.01 s-1時對1A,1BA,S3A樣條進(jìn)行拉伸測試，從阻尼比、載荷震蕩幅度、載荷最大值、載荷加載速度、斷裂伸長率等考察在不同應(yīng)變速率下樣條類型對汽車用聚丙烯(PP)拉伸測試的影響。結(jié)果表明，采用1BA樣條測試時，系統(tǒng)阻尼比較大，載荷震蕩幅度小，載荷加載速度快，且斷裂伸長率隨著應(yīng)變速率增加降低。在進(jìn)行拉伸測試尤其是高速拉伸測試時，首選1BA樣條。

聚丙烯 汽車 高速拉伸測試 樣條類型 載荷 阻尼比

聚丙烯(PP)適于制作一般機(jī)械零件、耐腐蝕零件和絕緣零件。近年來，越來越多汽車制造商選擇PP作為汽車保險杠、防擦飾條、門內(nèi)柱及車門護(hù)板等汽車部件。在汽車進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、選材過程中，需要對汽車碰撞過程進(jìn)行模擬，而車用材料在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是汽車碰撞模擬成功的關(guān)鍵。材料在高應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線常由高速拉伸試驗機(jī)測得，而目前高速拉伸測試面臨很多問題，如載荷震蕩嚴(yán)重、慣性力影響、系統(tǒng)阻尼比(ζ)較小等。這些因素都嚴(yán)重影響高速拉伸測試的準(zhǔn)確性。而解決這些問題的方法之一是選擇合適類型的樣條。目前國際上關(guān)于高速拉伸測試的樣條的類型并沒有統(tǒng)一，也沒有相關(guān)資料進(jìn)行研究?，F(xiàn)選取3種不同類型的樣條，研究樣條的類型對汽車用PP在不同應(yīng)變速率下測試結(jié)果的影響。

1 試驗部分

1.1 原料和試驗設(shè)備與樣條類型

PP，GOD040，茂名市創(chuàng)聯(lián)科技發(fā)展有限公司。

高速拉伸試驗機(jī)，HTM2512，德國Zwick公司。

設(shè)備參數(shù)：拉伸速度0.01～12.00 m/s，最大載荷25 kN，可測試溫度-100～250 ℃。

應(yīng)變測量方式：橫梁位移或非接觸式引伸計。

樣條類型：GB 1040—2006 1A樣條、1BA樣條、S3A樣條。

1.2 不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變測試

通常材料在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00 s-1下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是計算機(jī)輔助工程(CAE)模擬分析所必需的。然而制備成不同類型樣條的材料在不同應(yīng)變速率下反應(yīng)的力學(xué)行為是不同的。針對這種情況，選取1BA，1A，S3A樣條進(jìn)行在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行試驗，研究不同樣條類型PP樣條在不同應(yīng)變速率下動態(tài)力學(xué)行為。測試曲線如圖1～3所示。

由圖1～3可以看出，雖然測試的是同一種PP，但由于采用了不同類型的樣條測試，使得應(yīng)力-應(yīng)變曲線相差很大。本試驗將詳細(xì)從ζ、載荷震蕩幅度、載荷加載速度以及斷裂伸長率分布來分析樣條類型對車用PP拉伸測試的影響。

2 分析與討論

2.1 樣條類型對高速拉伸測試系統(tǒng)ζ的影響

HTM2512型高速拉伸試驗機(jī)實質(zhì)上是一個阻尼系統(tǒng)，傳感器對階躍信號的響應(yīng)在很大程度上取決于ζ和固有頻率。固有頻率由傳感器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定，固有頻率越高，傳感器的響應(yīng)越快。當(dāng)傳感器的固有頻率為常數(shù)時，傳感器的響應(yīng)取決于ζ。ζ直接影響超調(diào)量和振蕩次數(shù)。當(dāng)ζ為0時，為臨界阻尼，超調(diào)量為 100%，產(chǎn)生等幅振蕩，達(dá)不到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)ζ大于1時，為過阻尼，無超調(diào)也無振蕩，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間較長；當(dāng)ζ小于1時，為欠阻尼，衰減振蕩，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需時間隨ζ的減小而加長[1]。實際使用中常按稍欠阻尼調(diào)整，ζ在0～0.7，ζ越大，調(diào)節(jié)時間越短，在高速拉伸測試中，收斂速度越快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間越短，同時避免力的震蕩。本試驗采用3種樣條——1A，1BA，S3A樣條進(jìn)行測試，計算出HTM2512型高速拉伸測試儀測試3種樣條時的ζ，結(jié)果1A，1BA，S3A樣條ζ(ζ1A，ζ1BA，ζS3A)分別為0.04,0.06,0.03。

可見，采用1A，1BA，S3A樣條進(jìn)行測試時，發(fā)現(xiàn)ζS3A小于ζ1A，ζ1A小于ζ1BA, 當(dāng)采用1BA樣條進(jìn)行測試時，系統(tǒng)ζ最大，在高速拉伸測試中載荷收斂較快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間越短，可以很大程度上避免力的震蕩，測試效果最佳。

2.2 樣條類型對載荷的影響

2.2.1 樣條類型對載荷震蕩的影響

在進(jìn)行高速拉伸測試時，載荷的數(shù)據(jù)震蕩現(xiàn)象是中高應(yīng)變率試驗普遍存在的問題，因為載荷震蕩，無法確定最大載荷，也無法準(zhǔn)確描述在拉伸過程中載荷的變化情況，進(jìn)而影響汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及選材。載荷震蕩的影響因素之一便是不合適的試件尺寸，當(dāng)采用1A，1BA，S3A樣條進(jìn)行高速拉伸測試時，對其載荷震蕩幅度進(jìn)行評估，結(jié)果如表1所示。

由表1可見，無論采用哪種樣條進(jìn)行測試，載荷震蕩的現(xiàn)象都是存在的。采用1BA樣條進(jìn)行測試時，載荷震蕩幅度最小，1A樣條次之，采用S3A樣條測試時載荷震蕩幅度最大。當(dāng)采用S3A樣條進(jìn)行應(yīng)變速率為100.00 s-1的測試時，載荷震蕩幅度可達(dá)552.31 N，且整個測試過程中，載荷震蕩明顯。圖4為采用S3A樣條應(yīng)變速率為100.00 s-1時載荷隨時間的變化曲線。由圖4可見，因為其載荷震蕩過大，導(dǎo)致測試時很難判定樣條斷裂點，進(jìn)而影響對樣品高速下拉伸性能的評估。

2.2.2 樣條類型對最大載荷的影響

最大載荷可以反映出材料在特定情況下吸收能量的大小，從而間接反映材料在撞擊過程中吸收能量的能力，為選材提供重要的參數(shù)。將 1A,1BA,S3A樣條進(jìn)行高速拉伸測試，對其最大載荷進(jìn)行評估，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，采用不同樣條測試出的Fmax是不同的。設(shè)高速拉伸測試儀的精度等級為p，則其絕對誤差為p·Fnom(Fnom為高速拉伸試驗機(jī)的最大量程)。測量的絕對誤差與被測量值真實值之比稱為相對誤差(△X)[1]?！鱔越小，測量結(jié)果相對越準(zhǔn)確。采用1A,1BA,S3A樣條進(jìn)行應(yīng)變速率為100.00,10.00，1.00，0.10，0.01 s-1測試時，相對誤差為p·Fnom/Fmax。當(dāng)高速拉伸試驗機(jī)的量程以及精度等級都確定后，p·Fnom值也是確定的，影響系統(tǒng)相對誤差大小的因子為Fmax，F(xiàn)max越大，相對誤差越小。根據(jù)表2可知，HTM2512型高速拉伸試驗機(jī)測試1A樣條時，相對誤差最小，測試效果最佳。

2.3 樣條類型對載荷加載速度的影響

載荷加載的速度可以影響測試的結(jié)果。如鋼材樣品的測試，載荷加載過快會導(dǎo)致彈性段數(shù)據(jù)的丟失。但在汽車用材料的高速拉伸測試中，因為要用CAE軟件模擬汽車的撞擊行為，汽車撞擊則是在瞬間受到很大的力，因此測試時載荷加載越快越好。載荷加載的快慢可以用拉伸測試所得曲線中屈服前的近直線段的斜率來表示，斜率越大，載荷加載越快。經(jīng)過計算，1A，1BA，S3A樣條的高速拉伸測試所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線中(圖1、圖2、圖3)屈服前近直線段的斜率相應(yīng)為718.00,3 910.00,1 262.22。

采用1BA樣條測試時，載荷加載速度最快，S3A樣條次之。因此，當(dāng)采用HTM2512型高速拉伸試驗機(jī)進(jìn)行車用PP的高速拉伸測試時，優(yōu)選1BA樣條。

2.4 樣條類型對斷裂伸長率測試的影響

斷裂伸長率一直是拉伸測試關(guān)注的焦點，它可以評價材料的力學(xué)性能、反應(yīng)材料的韌性。采用1A，1BA，S3A樣條進(jìn)行應(yīng)變速率為100.00，10.00，1.00，0.10，0.01 s-1的拉伸測試，得出斷裂伸長率如表3所示。

PP是應(yīng)變敏感性材料，即斷裂伸長率隨著應(yīng)變速率的增加而降低。采用1A樣條與1BA樣條測試時，得出的應(yīng)變速率與斷裂伸長率的關(guān)系與此規(guī)律相符。而采用S3A樣條測試時得出的應(yīng)變速率與斷裂伸長率的關(guān)系是無規(guī)律的。所以，從測試斷裂伸長率角度出發(fā)，當(dāng)采用HTM2512型高速拉伸試驗機(jī)測試時，優(yōu)選1A與1BA樣條。

3 結(jié)論

當(dāng)采用HTM2512型高速拉伸試驗機(jī)進(jìn)行車用PP測試時：a) 1BA樣條測試效果相對較好，建議在條件允許的情況下，盡量不選擇S3A樣條進(jìn)行高速拉伸測試；b) 3種試樣載何震蕩效果上都存在缺點，高速拉伸的試樣規(guī)格需要進(jìn)一步優(yōu)化；c) 雖然測試的是同一種材料，但是只是改變了樣條的形式，3種樣條測試得出的屈服應(yīng)力有很大差異，其原因則有待進(jìn)一步探索。

[1] 周春花. 萬用表量程選擇與誤差分析[J]. 中國科技博覽，2011，(33):439.

可提高聚烯烴性能的離子聚合物添加劑

據(jù)“Additives for Polymers,2015,(4):1”報道，全球功能性添加劑制造商Total Cray Valley開發(fā)出了一種新的添加劑，可以提高聚烯烴的性能如拉伸強(qiáng)度、熱變形溫度(HDT)和彎曲模量。該離子聚合物的添加劑作為Cray Valley dymalink系列的一部分，是在美國得克薩斯州舉行2015種國際聚烯烴會議上展出并由該公司的全球業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Anthony marozsan以題為“提高聚烯烴的性能的離子添加劑”來發(fā)布的。

(由中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司南京研究院

杜雪娟供稿)

應(yīng)用范圍廣的清機(jī)料

據(jù)“www.ptonline.com”報道，紐約州Depew舒曼塑料Dyna-Purge Div.推出了有突破技術(shù)的清機(jī)料Dyna-Purge D2。據(jù)報道，用創(chuàng)新洗滌配方制備的Dyna-Purge D2有較寬的加工溫度范圍。

Dyna-Purge Div.副總裁蒂姆·卡特勒報告指出：一項獨(dú)立研究表明，Dyna-PurgeD2與機(jī)械式(研磨)清機(jī)料和化學(xué)清機(jī)料相比，清理廢料快，減少停機(jī)時間，這樣可以節(jié)省時間和金錢，它降低清洗成本和廢品率，不需要任何處理直接混合使用；機(jī)械、非研磨性的清機(jī)料Dyna-PurgeD2采用了“三動”技術(shù)，徹底清潔和去除螺桿、機(jī)筒以及模具或模頭中的廢料；在350～625 F(319.8～594.8 ℃)，它能有效清除所有樹脂。隨著Dyna-PurgeD2的推出，加工者可以在2種特殊優(yōu)惠中選擇其中一種優(yōu)惠：免費(fèi)使用10磅(約4.546 kg)清機(jī)料Dyna-PurgeD2的樣品；或購買1箱重55磅(24.947 56 kg)清機(jī)料Dyna-PurgeD2，以確保用戶覺得它性能比當(dāng)前市場上清機(jī)料好，如果用戶不滿意將全額退還1箱Dyna-PurgeD2的費(fèi)用。

耐熱和熱傳導(dǎo)好的尼龍

據(jù)“www.ptonline.com”報道，2014年10月在德國Fakuma展會展出了帝斯曼工程塑料(在美國密歇根州伯明翰)開發(fā)出的新型專用牌號尼龍。帝斯曼工程塑料推出下一代暗黑色耐熱的Stanyl尼龍46和Akulon尼龍6。這些新牌號尼龍是針對汽車發(fā)動機(jī)罩下面部件開發(fā)的，如進(jìn)氣歧管、管道和增壓空氣冷卻器，那里的溫度高達(dá)250 ℃。 帝斯曼工程塑料還展示了用熱傳導(dǎo)好的Stanyl TC尼龍46制備的LED(發(fā)光二級管)照明散熱片。

(以上由中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司南京研究院

嚴(yán)淑芬供稿)

廣 告 信 息

封2 中國石化揚(yáng)子石化南京研究院塑料專用料新品(彩色)

封3 《現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用》宣傳頁(彩色)

廣01 山西省化工研究所(有限公司)塑料助劑(黑白)

廣02 征稿簡則(黑白)

Effects of Specimen Type on High Speed Tensile Test of PP for Automobile

Song Cuicui Pang Chenghuan Wu Bo Luo Ming

(Research and Development Center，Kingfa Science and Technology Co., Ltd., National Engineering Laboratory for Plastic Modification and Processing, Guangzhou,Gudong,510663)

Specimen 1A, 1BA, S3A were selected to test under the strain rates of 100.00,10.00, 1.00,0.10, and 0.01 s-1,respectively. At different strain rates, the effects of specimen types on the tensile test of PP for automobile such as damping ratio,load volatility,maximum load, load loading speed, elongation at break were investigated. The result shows that the darmping ratio of system is big,and load volatility is small,and load loading speed is fast,and the elongation at break decreases with strain rates increasing as using 1BA specimen.So, the specimen of 1BA is perferred during tensile test, especially at high speed tensile test.

poplypropylene; automobile; high speed tensile test；specimen type；load；damping ratio

2014-06-11;修改稿收到日期:2015-03-15。

宋翠翠，大連理工大學(xué)碩士，現(xiàn)為研發(fā)測試工程師。E-mial:songcuicui@kingfa.com。