聚碳酸酯中低應(yīng)變率范圍下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

葛宇靜，白春玉，惠旭龍，舒挽

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065）

聚碳酸酯材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、突出的透明性以及較廣的溫度使用范圍等特點(diǎn)，在航空和汽車(chē)領(lǐng)域內(nèi)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由聚碳酸酯材料制成的透明件在服役過(guò)程中可能會(huì)受到高速?zèng)_擊等強(qiáng)動(dòng)載荷的作用，影響航空或汽車(chē)結(jié)構(gòu)的安全。作為一種高聚物，加載時(shí)間和溫度對(duì)其力學(xué)性能影響較大，表現(xiàn)出黏彈性和黏塑性，材料的屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力以及破壞應(yīng)變等性能都可能會(huì)隨著應(yīng)變率和溫度的變化而顯著變化。

目前，對(duì)聚碳酸酯的力學(xué)特性研究多數(shù)體現(xiàn)在準(zhǔn)靜態(tài)（<10-1s-1）和高應(yīng)變率范圍（>103s-1）內(nèi)[1-7]。準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)主要是利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)裝置，高應(yīng)變率試驗(yàn)主要是利用霍普金森壓桿/拉桿裝置。中、低應(yīng)變率（10-1~103s-1）試驗(yàn)設(shè)備主要包括高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)[8]、Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)[9]以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自主研制的中應(yīng)變率拉壓試驗(yàn)機(jī)[10]。由于設(shè)備不普及，對(duì)聚碳酸酯在此應(yīng)變率范圍的力學(xué)性能研究較少。然而，聚碳酸酯材料在例如鳥(niǎo)撞等沖擊載荷下多處于中、低應(yīng)變率范圍下的變形，因此有必要開(kāi)展聚碳酸酯材料中、低應(yīng)變率力學(xué)性能研究。

文中依托高速液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)聚碳酸酯材料進(jìn)行了一定溫度范圍內(nèi)中、低應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，揭示了應(yīng)變率和溫度對(duì)聚碳酸酯材料力學(xué)性能的影響。

1 動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)平臺(tái)為高速液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)（INSTRON VHS 160/100-20），如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)由水冷機(jī)組、液壓系統(tǒng)、機(jī)架和控制系統(tǒng)四部分組成，最大加載速度為20 m/s，可承受最大沖擊動(dòng)載為 100 kN。試驗(yàn)中利用試驗(yàn)機(jī)自帶的壓電傳感器測(cè)試試件的動(dòng)態(tài)拉伸載荷，利用高速攝像系統(tǒng)結(jié)合非接觸測(cè)試分析軟件測(cè)試試件的動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變。

聚碳酸酯材料的試驗(yàn)件為扁平狀啞鈴型，試驗(yàn)件尺寸見(jiàn)“GB/T 1040—92塑料拉伸性能試驗(yàn)方法”中的I型試驗(yàn)件。試驗(yàn)中試件的安裝狀態(tài)如圖2所示，夾具下部分固定在試驗(yàn)機(jī)上，調(diào)整夾具撐桿的長(zhǎng)度使得試驗(yàn)件在有效長(zhǎng)度內(nèi)被夾持，試驗(yàn)中將試驗(yàn)件安裝在夾具裝置中。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)液壓作動(dòng)筒結(jié)合氣體蓄能器提供加載能量，作動(dòng)筒在設(shè)定位置達(dá)到預(yù)定的加載速度，當(dāng)作動(dòng)筒和夾具上部分的凸臺(tái)碰觸后，作動(dòng)筒引導(dǎo)夾具上部分向上運(yùn)動(dòng)，從而拉伸試驗(yàn)件，實(shí)現(xiàn)恒定速率拉伸。

1.1 動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試

高速液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)載荷系統(tǒng)（DLC,Dynamic Load Cell）中的載荷傳感器可直接測(cè)得試驗(yàn)件的拉伸載荷。在較高應(yīng)變率下，試驗(yàn)機(jī)的共振效應(yīng)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果發(fā)生振蕩，可結(jié)合低通濾波和滑動(dòng)平均方法等進(jìn)行合理修正。

1.2 應(yīng)變測(cè)試

采用非接觸方法測(cè)量試件的應(yīng)變。如圖3所示，基于高速攝像技術(shù)的非接觸測(cè)試和分析系統(tǒng)可用來(lái)測(cè)試高速拉伸過(guò)程中試件的工程應(yīng)變。其通過(guò)在試驗(yàn)件標(biāo)距段標(biāo)注標(biāo)記（見(jiàn)圖 4），利用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集目標(biāo)區(qū)域的變形情況，結(jié)合非接觸分析軟件計(jì)算兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位移，進(jìn)而得到試件表面的動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光線(xiàn)情況調(diào)整曝光時(shí)間，高速攝像機(jī)和高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置為同步觸發(fā)。

1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)處理

由試驗(yàn)測(cè)得的載荷數(shù)據(jù)結(jié)合式（1）計(jì)算材料的工程應(yīng)力。由工程應(yīng)力和工程應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)合式（2）、式（3）計(jì)算真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變。由應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間微分計(jì)算實(shí)際應(yīng)變率，見(jiàn)式（4）。通過(guò)插值方法將應(yīng)力和應(yīng)變這兩套數(shù)據(jù)的采樣間隔時(shí)間一致起來(lái)，并確定應(yīng)力和應(yīng)變兩套數(shù)據(jù)的各自起始點(diǎn)，獲得工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線(xiàn)和真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)。

式中：F(t)為載荷傳感器測(cè)得的載荷；h為試驗(yàn)段厚度；w為試驗(yàn)段寬度；ε為非接觸分析系統(tǒng)計(jì)算得到的工程應(yīng)變；σT(t)為真實(shí)應(yīng)力；εT(t)為真實(shí)應(yīng)變；為應(yīng)變率。

1.4 性能測(cè)試工況

對(duì)聚碳酸酯板材試件進(jìn)行-40、-25、0、25、50、70 ℃等 6個(gè)溫度的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，目標(biāo)應(yīng)變率為0.055、0.55、5.5、55 s-1，應(yīng)變率取值以各工況下的實(shí)際應(yīng)變率進(jìn)一步確定。

2 結(jié)果分析

2.1 試件拉伸變形特征

圖5中的曲線(xiàn)是-40 ℃、目標(biāo)應(yīng)變率為0.055 s-1拉伸試驗(yàn)中的工程應(yīng)力曲線(xiàn)，變形包括6個(gè)階段，依次為：彈性變形、屈服、應(yīng)變軟化、冷拉、應(yīng)變硬化、斷裂。其中彈性變形階段表現(xiàn)出非線(xiàn)性變形。

2.2 應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)

圖6a為-40 ℃環(huán)境溫度下聚碳酸酯材料在應(yīng)變率0.06、0.58、5.74、53.92 s-1下的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)；圖6b為-25 ℃環(huán)境溫度下聚碳酸酯材料在應(yīng)變率0.06、0.56、5.68、51.29 s-1下的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)；圖6c為0 ℃環(huán)境溫度下聚碳酸酯材料在應(yīng)變率0.06、0.53、5.93、52.15 s-1下的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)；圖 6d為 25 ℃環(huán)境溫度下聚碳酸酯材料在應(yīng)變率 0.055、0.58、5.02、55.485 s-1下的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)；圖6e為50 ℃環(huán)境溫度下聚碳酸酯材料在應(yīng)變率 0.053、0.53、5.8、59.35 s-1下的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)；圖6f為70 ℃環(huán)境溫度下聚碳酸酯材料在應(yīng)變率0.065、0.64、6.6、60.76 s-1下的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)。

匯總各環(huán)境溫度同一目標(biāo)應(yīng)變率下聚碳酸酯的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)，應(yīng)變率取值為各環(huán)境溫度的實(shí)際應(yīng)變率均值。-40、-25、0、25、50、70 ℃溫度中聚碳酸酯在應(yīng)變率 0.06、0.57、5.8、55.5 s-1下的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)如圖7所示。

從圖6中可以看出，-40~70 ℃溫度范圍內(nèi)，聚碳酸酯的屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增大而增大，表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)變率敏感性，呈現(xiàn)應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。從圖7中可以看出，0.05~60 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)，聚碳酸酯的屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力隨著溫度的增大而減小，表現(xiàn)出較為明顯的溫度敏感性，呈現(xiàn)溫度軟化效應(yīng)。

聚碳酸酯在70 ℃、應(yīng)變率0.065 s-1下的屈服強(qiáng)度為59 MPa，而在-40 ℃、應(yīng)變率53.92 s-1下的屈服強(qiáng)度為102 MPa，屈服強(qiáng)度提升了約1倍。由此可見(jiàn)，構(gòu)建聚碳酸酯材料的本構(gòu)關(guān)系時(shí)需要考慮溫度和應(yīng)變率對(duì)力學(xué)性能的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

文中依托高速液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)和非接觸測(cè)試分析方法進(jìn)行了-40~70 ℃溫度范圍、0.05~60 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的單向拉伸試驗(yàn)，獲得了各溫度中低應(yīng)變率下的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)。在指定的溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)，最低溫度、最大應(yīng)變率下聚碳酸酯材料的屈服強(qiáng)度約為最高溫度、最小應(yīng)變率下屈服強(qiáng)度的2倍，呈現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)，數(shù)值模擬分析時(shí)應(yīng)在聚碳酸酯材料屬性模塊中體現(xiàn)出應(yīng)變率和溫度效應(yīng)。