改性聚丙烯的Ⅰ型疲勞裂紋及斷面微觀形貌研究

畢文棟

（沈陽華晨金杯汽車有限公司，遼寧 沈陽 110168）

改性聚丙烯的Ⅰ型疲勞裂紋及斷面微觀形貌研究

畢文棟

（沈陽華晨金杯汽車有限公司，遼寧 沈陽 110168）

聚丙烯作為一種優(yōu)良的化工材料，在生活中的應(yīng)用是十分廣泛的，經(jīng)過不斷地研究、探索，人們通過在聚丙烯中添加各種材質(zhì)，逐漸研制出了多種改性聚丙烯，使得聚丙烯的多種性能得到了加強，擴寬了聚丙烯的應(yīng)用范圍。為了更好地對改性聚丙烯的性能進(jìn)行了解，本文從改性聚丙烯疲勞裂紋的概述出發(fā)，對Ⅰ型疲勞裂紋及斷面微觀形貌進(jìn)行了相關(guān)實驗，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了討論，希望可以對改性聚丙烯疲勞損傷性能的研究工作起到一定的幫助作用。

改性聚丙烯；疲勞裂紋；疲勞損傷；斷面微觀形貌

改性聚丙烯是在聚丙烯的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)晶度比較高，不宜發(fā)生斷裂現(xiàn)象，具有良好的力學(xué)性能；在高溫的影響下不容易發(fā)生變形，耐熱性能良好；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不容易與酸堿物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，防腐效果比較明顯；介電系數(shù)較高，具有很強的絕緣性能，可以作為絕緣材料使用。由于改性聚丙烯的眾多優(yōu)點，在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，改性聚丙烯經(jīng)常是作為承載和抗沖擊部件進(jìn)行使用的，在應(yīng)變載荷的作用下經(jīng)常發(fā)生斷裂現(xiàn)象，為了更好地對改性聚丙烯進(jìn)行利用，就需要制定有效的措施，對其疲勞損傷性能進(jìn)行實驗研究。

1.疲勞裂紋的概述

1.1疲勞損傷及疲勞裂紋的分類

以改性聚丙烯為原材料制成的各種構(gòu)件，在實際應(yīng)用中內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生各種變化，出現(xiàn)各種缺陷，影響構(gòu)件的正常使用，從損傷力學(xué)理論方面對疲勞損傷進(jìn)行分類，主要包括脆性損傷、延性損傷、蠕變損傷、低周疲勞損傷、高周疲勞損傷等幾種，不同損傷產(chǎn)生的原理不同，在研究損傷情況的時候，需要先判斷損傷的類型。疲勞損傷引起的疲勞裂紋也是分為不同類型的，根據(jù)裂紋的幾何特征可以分為表面裂紋、穿透裂紋、深埋裂紋，根據(jù)裂紋的力學(xué)特征，可以將裂紋分為張開型、滑開型、撕開型3種，又可以分別叫作I型裂紋、II型裂紋和III型裂紋，本文主要針對I型裂紋進(jìn)行研究。

1.2疲勞裂紋的形成與擴展

改性聚丙烯制成的各種構(gòu)件，長期處于超負(fù)荷運載的狀態(tài)下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以承受負(fù)荷，會慢慢出現(xiàn)細(xì)小裂紋，在外力的繼續(xù)作用下，細(xì)小裂紋不斷擴展、變大，導(dǎo)致部件性能越來越差，逐漸失去應(yīng)用效果，造成損失。根據(jù)疲勞裂紋擴展程度的不同，一般將疲勞過程分為3個階段，包括初級階段、材料表面內(nèi)部損傷階段、損傷裂紋連續(xù)擴展階段，在這個過程中，疲勞裂紋會呈現(xiàn)出持續(xù)增長的狀態(tài)，對于晶體和非晶體塑料來說，其擴展速率與應(yīng)力強度因子幅度有關(guān)，兩者之間的關(guān)系遵循Paris公式；對于熱韌性高分子塑料來說，其擴展速率與能量釋放率幅度有關(guān)，材料的細(xì)小裂紋會在外力的持續(xù)作用下，慢慢加劇變大，直到最后材料失效。

2.對改性聚丙烯的Ⅰ型疲勞裂紋及斷面微觀形貌的研究

2.1具體試驗

基于疲勞裂紋的形成和擴展原理，選用相應(yīng)的改性聚丙烯材料，對I型裂紋疲勞裂紋及斷面微觀形貌進(jìn)行了相關(guān)研究。這里選用的材料是燕山石化公司研制的K4812改性聚丙烯，該材料的厚度為22mm，使用到的設(shè)備儀器主要包括材料疲勞試驗機、數(shù)控車床、掃描電子顯微鏡等，在選用試驗設(shè)備儀器的時候，需要根據(jù)實際要求，選擇型號合適、品質(zhì)優(yōu)良的種類，避免因設(shè)備儀器的質(zhì)量問題影響實驗結(jié)果。

在制備試驗樣本的時候，以金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法為參考，對選用的材料進(jìn)行處理，利用數(shù)控機床將其加工成3點彎試件，按照所需材料的尺寸，將材料切割開，為了在材料上形成Ⅰ型裂紋，需要在機械切口上切一個1.5mm的尖口，完成實驗材料的制備。為了便于后期對裂紋的觀察，需要在切口旁2mm出畫一條直線，在放大鏡的幫助下，以尖口為標(biāo)準(zhǔn)，將其進(jìn)行均勻地劃分，并標(biāo)出準(zhǔn)確的刻度值。

利用疲勞試驗機對制備好的試樣進(jìn)行相關(guān)操作，在疲勞試驗機上下往復(fù)運動的作用下，模擬出裂紋所承受的應(yīng)力載荷，試樣的裂紋會不斷擴展、變大，然后用光學(xué)顯微鏡對尖口進(jìn)行觀察，對比自身所帶有的刻度與之前標(biāo)記的刻度之間的區(qū)別，每當(dāng)裂紋擴展0.5mm時，對機械的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行記錄，對最終記錄結(jié)果進(jìn)行分析，得出裂紋擴展情況與疲勞試驗機循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。

2.2實驗結(jié)果與討論

（1）疲勞損傷性能的測試與分析

在對試樣施加應(yīng)力載荷的時候，需要先進(jìn)行靜載試驗，對試驗所需的試驗載荷進(jìn)行確定，當(dāng)確定最大斷裂載荷后，為了確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般會將其最大斷裂載荷數(shù)值的60%設(shè)定為初始應(yīng)力值，然后調(diào)整疲勞試驗機的各項參數(shù)，進(jìn)行分組試驗。先對試樣施加初始應(yīng)力，然后對實驗結(jié)果進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在試驗初期，裂紋會隨著設(shè)備的循環(huán)進(jìn)行擴展，當(dāng)達(dá)到某一臨界值的時候，就會出現(xiàn)增韌效果，裂紋不會在進(jìn)行擴展，此時應(yīng)該調(diào)整設(shè)備所提供的應(yīng)力值，突破疲勞裂紋的增韌區(qū)域，為了得到更加詳細(xì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，后續(xù)的試驗過程中，需要根據(jù)裂紋擴展程度的不同，對載荷進(jìn)行分階段調(diào)整，最后得出具體數(shù)值結(jié)果。對每組試樣進(jìn)行同樣的操作，對比不同組別的試驗結(jié)果。

對不同組別的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計算、處理，可以發(fā)現(xiàn)改性聚丙烯Ⅰ型疲勞裂紋的擴展主要分為擴展源、穩(wěn)定、快速擴展3個階段，不同階段的裂紋表現(xiàn)形式是不一樣的，第一階段，裂紋會在應(yīng)力的作用下，開始萌生擴展，但是擴展趨勢不是很明顯，而且當(dāng)達(dá)到材料的增韌臨界點的時候，擴展情況將會出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，不再繼續(xù)變化，只有改變載荷時，裂紋才會繼續(xù)擴展。裂紋在穩(wěn)定擴展階段時，其擴展速率大致會呈現(xiàn)出一種直線形態(tài)，上升趨勢比較平穩(wěn)。疲勞裂紋的快速擴展階段可以分為兩部分，第一部分的擴展速率變化比較平緩，雖然沒有第二階段平穩(wěn)，但是也可以將其變化曲線看做一條直線；當(dāng)進(jìn)入第二部分的時候，疲勞裂紋的擴展速率幾乎呈直角上升狀態(tài)，變化趨勢非常明顯，直至突破試件所能承受的極限，材料徹底斷裂。

（2）斷面微觀形貌分析

在對改性聚丙烯的裂紋進(jìn)行斷面微觀形貌分析的時候，為了提高分析結(jié)果的可靠性，除了對宏觀疲勞區(qū)斷口進(jìn)行比較之外，還需要比較靜載試件斷口與疲勞試件斷口之間的不同，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，疲勞試件的疲勞區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜載試件的疲勞區(qū)域，斷口的粗糙程度也比靜載試件的要高。疲勞試件的疲勞區(qū)組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維的出現(xiàn)變形現(xiàn)象，表現(xiàn)為片狀滑移形態(tài)。

對疲勞裂紋不同擴展階段的斷面微觀形貌進(jìn)行研究，分別選取3個擴展階段以及斷裂時的試樣，在顯微鏡下進(jìn)行觀察。在疲勞裂紋出現(xiàn)增韌效果之前，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的晶體顆粒之間有著緊密的連接關(guān)系，主要以大顆粒聚合物的形態(tài)存在，沒有明顯的拉裂現(xiàn)象。當(dāng)疲勞裂紋的增韌區(qū)被突破以后，晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生非常明顯的變化，出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，以多種形態(tài)表現(xiàn)出來，有的絮狀物拉絲形成的小范圍結(jié)構(gòu)與森林相似；有的結(jié)晶體壁上由于平面應(yīng)力作用下形成的“薄膜狀”大范圍凸起的層狀物等，與增韌之前的斷面形貌相比，存在很大的差異。到疲勞裂紋繼續(xù)擴展，進(jìn)入快速擴展階段后，斷面會變得較為平滑，并且伴有穿晶斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)試件失去性能，完全斷裂時，斷面的表面沒有顆粒狀的晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，同時也沒有發(fā)生隆起現(xiàn)象，斷面形貌變得更加光滑，符合脆性斷裂的斷面形貌特征。

3.改性聚丙烯的Ⅰ型疲勞裂紋及斷面微觀形貌研究的結(jié)論

經(jīng)過試驗可以知道改性聚丙烯的Ⅰ型疲勞裂紋擴展分為3個階段，分別是裂紋擴展源階段、裂紋擴展穩(wěn)定階段、裂紋快速擴展階段，在不同階段，裂紋所表現(xiàn)出來的擴展趨勢是不同的，在第一擴展階段時期，裂紋在增韌區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出緩慢的擴展趨勢，到達(dá)到增韌區(qū)臨界點時，裂紋不再繼續(xù)擴展；當(dāng)改變載荷，使改性材料突破增韌區(qū)后，裂紋擴展速率呈穩(wěn)定上升的直線趨勢，直線會有一個較為固定的斜率；進(jìn)入第三擴展階段之后，直線的斜率變大，裂紋擴展速率明顯加快，在荷載的作用下，短時間內(nèi)就會發(fā)生斷裂。

通過光學(xué)顯微鏡對疲勞裂紋的斷面形貌進(jìn)行觀察，疲勞區(qū)在增韌之前，其結(jié)構(gòu)形態(tài)主要是大顆粒的晶體聚合物，拉絲現(xiàn)象不明顯；當(dāng)裂紋擴展進(jìn)入到第二階段，斷面形貌就變得多樣化，會出現(xiàn)絮狀物拉絲、層狀物凸起，以及微薄膜和微纖維等結(jié)構(gòu)；疲勞裂紋進(jìn)行繼續(xù)擴展，其表面結(jié)構(gòu)會變得平滑，很難發(fā)現(xiàn)有大顆粒的晶體聚合物結(jié)構(gòu)；徹底斷裂之后，斷面會變得更加光滑，上面分布有類似于河流狀的紋理，沒有結(jié)晶體和凸起物。

結(jié)語

利用有效的手段和相關(guān)的設(shè)備儀器，對改性聚丙烯的Ⅰ型疲勞裂紋及斷面微觀形貌進(jìn)行試驗研究，能夠?qū)ζ淦趽p傷性能進(jìn)行更加全面、深刻地了解，根據(jù)其具體性能，加以更加科學(xué)、合理地利用，降低用改性不丙烯材料制成的構(gòu)件發(fā)生斷裂，而引起的各種損失，使這種材料在未來的發(fā)展中得到更好的應(yīng)用。

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