無規(guī)共聚丙烯材料的復合裂紋擴展研究*

吳健余，楊邦成，梁亞運

(昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明 650500)

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無規(guī)共聚丙烯材料的復合裂紋擴展研究*

吳健余，楊邦成，梁亞運

(昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明 650500)

采用MTS810型材料試驗機，對PP-R材料進行了復合裂紋擴展機理的研究，并對裂紋擴展路徑以及斷口形貌進行了分析。實驗的裂紋類型包括I型、偏離中心20mm、偏離中心40mm三種。實驗結(jié)果表明，在準靜態(tài)實驗工況下：預制疲勞裂紋長度在1.5mm以下時，即處于疲勞遲滯區(qū)域，三類裂紋呈現(xiàn)脆斷特征；預制疲勞裂紋長度在3mm以上時，裂紋尖端走出疲勞遲滯區(qū)域，三類裂紋都能得到穩(wěn)定裂紋擴展量，斷口出現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征。

無規(guī)共聚丙烯，復合裂紋，增韌遲滯，斷口形貌

伴隨著國家建設(shè)的提速，各種新型建筑材料正在建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的意義。無規(guī)共聚聚丙烯(Polypropylene Random，PP-R)材料就是其中之一[1]。PP-R材料具有韌性好、強度高等優(yōu)良的力學性能及良好的綜合性能，被廣泛運用于汽車，建筑材料等方面。它逐漸替代了傳統(tǒng)材料，在工程關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著日益重要的作用[2-4]。許穎盈[5]等人對PP材料拉伸性能的研究，得出溫度的改變對PP材料的拉伸性能產(chǎn)生影響。宋科[6]等人對PP材料疲勞損傷性能進行研究，得出材料具有增韌遲滯現(xiàn)象。除此之外，大量的科學工作者還對PP-R材料的各種性能做了大量的科學研究[7-10]。

但是，目前對PP-R材料疲勞與復合型斷裂性能機理研究的文獻還比較稀少。因此，對這些機理的研究，可以預知材料裂紋準靜態(tài)和高速擴展規(guī)律以及斷裂參數(shù)，建立準靜態(tài)斷裂判據(jù)。從而對該材料進行抗斷裂設(shè)計、結(jié)構(gòu)失效評及結(jié)構(gòu)剩余壽命估計等方面具有重要的理論和工程意義。本文采用準靜態(tài)實驗方法，對PP-R材料復合型裂紋的擴展性能，以及該材料的增韌遲滯效應(yīng)對裂紋穩(wěn)定擴展的研究。

1 復合裂紋擴展實驗技術(shù)

1.1 復合裂紋試件

三點彎實驗是一種簡單、成熟、可靠的實驗手段，并且試件易于加工制作：(1)參照金屬試件三點彎曲實驗的標準GB/T 6398-2000，將PP-R板材制作成規(guī)格為220mm×50mm×15mm的試件。(2)預制三種機械裂紋初始位置：Ⅰ型裂紋(裂紋位移中心線位置)、偏離中心線20mm(復合型裂紋A類)、偏離中心線40mm(復合裂紋B類)，且預制的機械裂紋長度均為10mm。在機械裂紋基礎(chǔ)上，繼續(xù)做出深度為1mm的裂紋尖端裂紋。三類裂紋位置及在MTS試驗機上加載方式如圖1(a)～(c)所示。

圖1 復合斷裂實驗及復合裂紋示意圖Fig.1 Mixed-mode crack propagation test and mixed-mode crack location

1.2 疲勞裂紋預制

載荷參數(shù)的確定方法：將每種試件選取其中一個進行靜載壓斷實驗，可獲得壓斷試件時的載荷最大值Fstatic。參照GB/T 6398-2000中相關(guān)三點彎曲疲勞試驗。在預制疲勞裂紋時，選取該最大載荷的60%～80%作為參考的實驗最大載荷Fmax，應(yīng)力比為0.1。經(jīng)實驗得純Ⅰ型試件中FIstatic=3480N，取FImax=2700N，F(xiàn)Imin=270N；用相同的方法可得，復合型A類的試件，得F20max=3000N，F(xiàn)20min=300N；對復合型B類的試件，得F40max=3900N，F(xiàn)40min=390N。

取定疲勞實驗加載實驗值后，將試件置于MTS 810試驗機上進行疲勞裂紋預制。在疲勞裂紋預制過程中仍出現(xiàn)疲勞裂紋遲滯現(xiàn)象[6]。純Ⅰ型裂紋在循環(huán)載荷作用8萬次左右，裂紋仍停滯不前，無法繼續(xù)擴展。此時裂紋長度大約為1mm左右；復合型A類裂紋在循環(huán)載荷作用9萬次左右，疲勞裂紋也停滯不前，裂紋長度約為1mm左右；復合型B類裂紋在循環(huán)載荷作用10萬次左右，同樣出現(xiàn)裂紋遲滯效應(yīng)。當出現(xiàn)這些狀況后停止實驗，并且將這些試件命名為試件組Ⅰ。疲勞遲滯現(xiàn)象，可能對后續(xù)的實驗產(chǎn)生影響。因此必須適當增加循環(huán)載荷值，讓裂紋尖端突破疲勞遲滯區(qū)[6]。當循環(huán)周次達到14～15萬次以上作用以后，裂紋尖端突破疲勞遲滯區(qū)的限制，三種疲勞裂紋開始繼續(xù)擴展。將這些通過疲勞遲滯區(qū)的試件組命名為試件組Ⅱ。

1.3 準靜態(tài)復合裂紋擴展實驗情況

為了得到這三種試件穩(wěn)定裂紋擴展量、裂紋擴展路徑和斷口形貌。我們首先在MTS材料試驗機上采用位移控制法，分別將預制完成疲勞裂紋的試件組Ⅰ和Ⅱ進行準靜態(tài)實驗。MTS試驗機壓頭固定(有力傳感器)，下支座以0.001mm/s的速度向上移動平穩(wěn)加載，實驗方式如圖1(d)所示。與此同時，用CCD照相機以等時間段的方式拍攝試件裂紋擴展狀態(tài)，以及記錄上錘頭傳感器的壓力值。

試件組Ⅰ為三種處于疲勞遲滯區(qū)的試件。由于裂尖增韌遲滯效應(yīng)，預制的疲勞裂紋長度很難超過1.5mm。對比表1、表2。表1為裂紋尖端停留在遲滯區(qū)域的準靜態(tài)實驗結(jié)果。由此可得，裂紋尖端停留在遲滯區(qū)時，只能夠捕捉得到及少量的準靜態(tài)實驗裂紋擴展，并且該材料能夠承受的最大載荷量也相對較小。隨后材料立即脆斷。因為該組材料的裂紋尖端仍然處于疲勞遲滯區(qū)內(nèi)。在進行準靜態(tài)實驗時，整個PP-R材料韌度依然很高，能夠承擔很大的應(yīng)變能。該遲滯區(qū)對裂紋擴展起到一定程度“阻隔”作用。由于裂紋擴展是一種應(yīng)變能釋放的形式。隨著整個加載系統(tǒng)的持續(xù)，材料儲存應(yīng)變能不斷積累。而裂紋的擴展量非常不明顯，這就導致PP-R材料難以將其積累的應(yīng)變能釋放出來；材料加載所積累的應(yīng)變能大于其產(chǎn)生微量裂紋擴展所釋放的應(yīng)變能。當應(yīng)變能達到或者超過材料本身所能承載的臨界應(yīng)變能時，材料必將達到其自身無法抵抗應(yīng)力應(yīng)變臨界值，即無法抵抗不斷積累的應(yīng)變能，隨即材料出現(xiàn)瞬間脆斷的現(xiàn)象。

試件組Ⅱ是三種裂紋尖端突破疲勞遲滯區(qū)域的材料，即試件預制的疲勞裂紋均超過3mm的PP-R材料。如表2所示，在進行準靜態(tài)實驗時，由于裂紋尖端脫離遲滯區(qū)的緣故，裂紋可以穩(wěn)定而且明顯的擴展。裂紋隨著作用力不斷加大時，裂紋尖端應(yīng)變能也不斷變大；裂紋擴展的過程是裂紋尖端附近應(yīng)變能積累和釋放的交替過程，即裂紋擴展就是應(yīng)變能釋放的過程。裂紋擴展到一定程度后，在裂紋擴展方向上未發(fā)生斷裂的稀薄部分，已經(jīng)無法繼續(xù)承擔此時的應(yīng)變能。于是發(fā)生突然脆斷的現(xiàn)象。

表1 試件組Ⅰ準靜態(tài)實驗情況Table 1 Quasi-static experiment of Group Ⅰ

表2 試件組Ⅱ準靜態(tài)實驗情況Table 2 Quasi-static experiment of Group Ⅱ

2 試驗結(jié)果與分析

如圖2所示，通過試件組Ⅱ的宏觀斷口形貌圖可以看出：在三種類型的裂紋擴展面上，無規(guī)共聚丙烯都呈現(xiàn)出從預制裂紋，到準靜態(tài)加載，再到瞬間脆斷的斷口形貌特征。圖2(a)為機械切口10mm；圖2(b)為預制的裂紋尖端1mm；圖2(c)為疲勞裂紋預制區(qū)域，其呈現(xiàn)出坑洼的疲勞凹凸坑這一斷口特征，這是一種典型的經(jīng)過疲勞載荷作用后的斷口形貌；圖2(d)為準靜態(tài)實驗下裂紋擴展，實驗過程比較緩慢，斷口呈現(xiàn)出撕扯的特征；圖2(e)為快速脆斷區(qū)域，斷口表現(xiàn)的平整。

圖2 實驗組Ⅱ試件宏觀斷口形貌(單位mm)Fig.2 Macroscopic fracture morphology of Group Ⅱ(unit mm)

圖3為三種試件的準靜態(tài)裂紋擴展路徑。經(jīng)過測量我們得到復合型A類裂紋開裂角度為18°、復合型B類的裂紋擴展角度為27°。三種類型試件的裂紋擴展方向均指向加載點。

圖3 試件組Ⅱ各類試件裂紋擴展路徑(單位mm)Fig.3 Crack propagation path of Group Ⅱ(unit mm)

對試件組Ⅱ進行準靜態(tài)復合斷裂試驗后，可獲得材料的載荷與裂紋長度變化曲線(F-Δa曲線，如圖4所示)。三種試件呈現(xiàn)如下趨勢：在施加載荷初始階段，裂紋隨著載荷的加大而快速擴展，即裂紋尖端處于擴展源階段；隨著后載荷幅值趨于穩(wěn)定，但裂紋仍然繼續(xù)擴展，即裂紋尖端處于穩(wěn)定擴展階段；裂紋穩(wěn)定擴展至一定階段后，載荷大小開始呈現(xiàn)快速下降趨勢。此時的裂紋仍然繼續(xù)擴展，裂紋尖端處在快速擴展。材料產(chǎn)生“失穩(wěn)”的斷裂力學特征。該階段，材料未擴展部分橫截面逐漸減少，導致橫截面上應(yīng)力值不斷增大。

圖4 準靜態(tài)裂紋擴展F-Δa曲線Fig.4 Curves of Quasi-static crack propagation

3 結(jié)論

(1)在進行疲勞裂紋預制時，裂紋處于擴展源階段，試件呈現(xiàn)增韌遲滯現(xiàn)象，裂紋很難擴展。適當增大循環(huán)載荷后，疲勞裂紋繼續(xù)穩(wěn)定擴展。

(2)裂紋尖端處于疲勞遲滯區(qū)域內(nèi)進行準靜態(tài)實驗時，PP-R材料存在阻礙裂紋的繼續(xù)擴展影響因素。當試件突破疲勞遲滯區(qū)域后，再進行準靜態(tài)實驗。裂紋可以得到繼續(xù)擴展，同時可以得到明顯的裂紋擴展路徑。復合型B類較A類遠離試件中線，因此裂紋開裂角比復合型A類的稍微大一些。這三種類型試件的斷裂過程都是從疲勞裂紋預制部位開始，沿著不同的裂紋開裂角，近似地向錘頭處擴展。

(3)依據(jù)斷裂力學與實驗現(xiàn)象表明，PP-R材料的準靜態(tài)實驗條件下斷裂過程依然可以分為疲勞擴展源階段、疲勞擴展穩(wěn)定階段以及裂紋快速擴展階段。從曲線可知，在實驗加載過程中，裂紋一直不斷地擴展，而載荷的大小卻反應(yīng)出先增大再減小的態(tài)勢。當載荷出現(xiàn)減小的趨勢時，試件開始失穩(wěn)，最終試件瞬間脆斷。這是PP-R材料的特性之一。

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Study on Mixed-mode Crack Growth of Polypropylene Random

WU Jian-yu，YANG Bang-cheng，LIANG Ya-yun

(Faculty of Civil Engineering and Mechanics，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，Yunnan，China)

I-mode and mixed-mode crack propagation mechanism of Polypropylene Random(PP-R) material was studied by MTS810 material testing machine，and the crack propagation path and microstructure of cross-section were analyzed.The crack types are include three：I-mode，deviation from the center with 20mm，and deviation from the center with 40mm.In the quasi-static test conditions，the experimental results showed that the crack length of prefabricated fatigue crack is less than 1.5mm，which is still in the region of fatigue crack toughening hysteresis. The three types of cracks showed the characteristic of brittle fracture.When the length of the prefabricated fatigue crack is more than 3mm，the crack propagation can be obtained in the three crack types，and the ductile fracture character is obvious.

polypropylene random，mixed-mode crack，toughening hysteresis，microstructure of cross-section

國家自然科學基金項目資助(NO.E090801)，昆明理工大學分析測試基金資助(NO.20150602)

TQ 325.1+4