UPVC板材沖擊斷裂實(shí)驗(yàn)分析

呂 婧, 王 磊

(1.青島黃海學(xué)院 智能制造學(xué)院, 山東 青島 266500;2.中電科思儀科技股份有限公司, 山東 青島 266500)

UPVC(unplasticized polyvinyl chloride),通常稱為硬聚氯乙烯(PVC),是一種以PVC樹脂為原料,不含增塑劑的高分子材料,具有絕緣、耐腐蝕、重量輕等特點(diǎn)。目前已作為部分金屬的替代品廣泛應(yīng)用于建筑、化工、包裝、排水工程等相關(guān)領(lǐng)域。目前對(duì)UPVC的力學(xué)性能研究集中在準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究,徐惠儉[1]簡單分析了UPVC材料的加工方法以及各種添加劑和助劑的最佳使用量和各自的適用條件,提出可以通過添加改性劑來提高UPVC管的韌性從而達(dá)到提高UPVC管的抗沖擊能力的目的。羅筑等[2]將PVC材料制成對(duì)含穿透裂紋的三點(diǎn)彎試樣進(jìn)行試驗(yàn),分析了斷面粗糙度與斷裂能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并結(jié)合試樣斷口的形貌特征,探討了PVC材料的斷裂過程和機(jī)制。馮芷平等[3]提出沖擊試樣尺寸、試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)技術(shù)、溫度、試樣的成型工藝和試樣材質(zhì)不均勻等方面都會(huì)影響PVC材料的沖擊性能。

材料在爆炸、沖擊等動(dòng)荷載作用下會(huì)發(fā)生應(yīng)變率效應(yīng),使其表現(xiàn)出與準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下截然不同的性質(zhì)。例如,強(qiáng)度的成倍增加或塑性性能的嚴(yán)重改變,因此對(duì)材料在沖擊荷載作用下力學(xué)性能的研究是非常有必要的。為了更好地對(duì)UPVC板材在沖擊載荷作用下的力學(xué)性能進(jìn)行研究,基于前人的研究基礎(chǔ),根據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù),從彈塑性斷裂力學(xué)的角度出發(fā),對(duì)其進(jìn)行沖擊斷裂實(shí)驗(yàn)研究[4]。

1 沖擊斷裂試驗(yàn)方法

沖擊實(shí)驗(yàn)采用落錘沖擊試驗(yàn)裝置,可方便地調(diào)節(jié)錘頭的重量和高度,沖擊試驗(yàn)機(jī)下半部分是一個(gè)可升降的“V”字形支座,頂端跨距為180 mm,與準(zhǔn)靜態(tài)斷裂試驗(yàn)的支座跨距保持一致,方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和對(duì)比。

試件沖擊荷載作用下試件破壞的時(shí)間僅為幾毫秒,為了采集下試件破壞過程中的數(shù)字圖像,需建立一套高速數(shù)字圖像采集系統(tǒng)。高速數(shù)字圖像采集系統(tǒng)包括高速攝像機(jī)、TTL信號(hào)觸發(fā)器、PFV(photron FASTCAM viewer)軟件、具有千兆網(wǎng)卡的電腦、冷光源。最終建立由落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、高速數(shù)字圖像采集系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的沖擊斷裂試驗(yàn)系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試件采用三點(diǎn)彎試件,在試件的下表面用手鋸切出10 mm的機(jī)械口,然后用美工刀在該試件上切1 mm的尖口,形成純Ⅰ型試件和裂紋方位不對(duì)稱的復(fù)合型試件。實(shí)驗(yàn)開始前同樣對(duì)試件進(jìn)行制斑,然后用MTS810疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)置3 mm長裂紋,使預(yù)制的疲勞裂紋平直且與機(jī)械尖口形成理想尖裂紋。最終用于試驗(yàn)的試件規(guī)格為200 mm×50 mm×15 mm。疲勞裂紋預(yù)制好后,沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)UPVC材料的三點(diǎn)彎試件進(jìn)行沖擊斷裂試驗(yàn)[5]。沖擊斷裂試驗(yàn)用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)施加沖擊荷載,錘頭重量為8 kg,沖擊高度為250 mm。高速數(shù)字圖像采集系統(tǒng)采集下試件受沖擊荷載作用而發(fā)生斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展的數(shù)字圖像,高速攝像機(jī)與試件表面垂直,試驗(yàn)過程中采集裂紋擴(kuò)展的數(shù)字圖像,高速攝像機(jī)的拍攝速度分為5 000fps/s和30 000fps/s,對(duì)應(yīng)的分辨率分別是512×512pixel和512×64pixel。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集下落錘沖擊試件時(shí)的力與時(shí)間關(guān)系曲線(F-t)和加速度與時(shí)間關(guān)系曲線(a-t)。試驗(yàn)開始前將試件放置在落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)可升降的“V”字形支座上。為了方便后期數(shù)字圖像的處理,在每次試驗(yàn)前,都需要對(duì)采集的圖像進(jìn)行縱向和橫向標(biāo)定。

2 裂紋擴(kuò)展速度

UPVC試件在沖擊荷載作用下發(fā)生斷裂,用高速攝像機(jī)可拍攝下試件斷裂時(shí),裂紋擴(kuò)展的數(shù)字圖像。當(dāng)高速攝像機(jī)的拍攝速率為30 000fps/s時(shí),采集下純Ⅰ型和復(fù)合型加載方式下的數(shù)字圖像。

UPVC材料在受沖擊荷載作用時(shí),裂紋擴(kuò)展的速度并不是一個(gè)恒定的值,隨著高速裂紋擴(kuò)展量的增加及沖擊力的變化,裂紋的擴(kuò)展速度也會(huì)發(fā)生變化[6]。而且在純Ⅰ型和復(fù)合型兩種不同的加載方式下,裂紋的擴(kuò)展速度也不相同。根據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù),對(duì)采集下的含裂紋UPVC材料在沖擊荷載作用下裂紋擴(kuò)展的數(shù)字圖像進(jìn)行計(jì)算分析,可得出UPVC材料在純Ⅰ型和復(fù)合型的沖擊荷載作用下,裂紋擴(kuò)展速度v與裂紋擴(kuò)展量Δa之間的關(guān)系。

設(shè)x1、x2為前后兩張數(shù)字圖像計(jì)算出的裂紋在x方向上的擴(kuò)展量,y1、y2為裂紋在y方向上的擴(kuò)展量。因?yàn)楦咚贁z像機(jī)的拍攝速度為30 000 fps/s,前后兩張數(shù)字圖像拍攝的時(shí)間間隔就等于1/30 000 s。則沖擊荷載作用下裂紋擴(kuò)展速度的具體計(jì)算方法[7]為

(1)

根據(jù)式(1)和高速攝像機(jī)采集下的數(shù)字圖像,可計(jì)算出含裂紋UPVC材料在沖擊荷載作用下裂紋擴(kuò)展速度與高速裂紋擴(kuò)展量之間的變化關(guān)系,如表1所示。

表1 不同加載方式下裂紋擴(kuò)展速度

含裂紋的UPVC材料在純Ⅰ型加載方式下,錘頭接觸試件后的圖片的第12張數(shù)字圖像可以觀察到裂紋開始擴(kuò)展,每張圖片的拍攝間隔為1/30 000 s,則裂紋的啟裂時(shí)間為12/30 000=4×10-4s。在復(fù)合型加載方式下,可以觀察到裂紋開始擴(kuò)展的是錘頭接觸試件后的第7張數(shù)字圖像,則裂紋的啟裂時(shí)間為7/30 000≈2.33×10-4s。說明在相同的沖擊能作用下,復(fù)合型裂紋啟裂的時(shí)間比純Ⅰ型裂紋的啟裂時(shí)間早,在沖擊荷載作用下復(fù)合裂紋更容易啟裂,這可能與應(yīng)力波的入射和反射角有關(guān),這部分內(nèi)容今后可做更深入的研究。

純Ⅰ型裂紋的擴(kuò)展速度大于復(fù)合型裂紋的擴(kuò)展速度,兩種裂紋的擴(kuò)展速度都隨裂紋擴(kuò)展量的增加而減少。純Ⅰ型裂紋在x方向上的分速度為0,裂紋按照純Ⅰ型擴(kuò)展路徑擴(kuò)展。復(fù)合型裂紋在x和y方向上的分速度都不為0,y方向的裂紋擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于x方向,所以復(fù)合型裂紋按照復(fù)合型擴(kuò)展路徑擴(kuò)展,受Ⅰ型主導(dǎo)。

3 裂紋尖端位移場、應(yīng)變場分析

含裂紋UPVC材料在沖擊荷載作用下的斷裂試驗(yàn)位移場和應(yīng)變場用Vic2D計(jì)算軟件計(jì)算得出。通過Vic2D計(jì)算軟件對(duì)高速圖像采集系統(tǒng)采集下的數(shù)字圖像進(jìn)行計(jì)算,為了提高計(jì)算精度,Vic2D要求數(shù)字圖像的分辨率至少為512×512 pixel,因此在拍攝時(shí)將高速攝像機(jī)的拍攝速度設(shè)置為5 000 fps/s。

拍攝速度的降低,采集到的裂紋擴(kuò)展的圖片也相對(duì)較少,當(dāng)觀察到裂紋開始擴(kuò)展時(shí)裂紋尖端已受多股反射應(yīng)力波沖擊,無法計(jì)算出裂紋擴(kuò)展時(shí)的位移場和應(yīng)變場,所以在此只計(jì)算裂紋開始擴(kuò)展前的位移場和應(yīng)變場[8]。

圖2為用Vic2D軟件得出的純Ⅰ型和復(fù)合型加載方式下,裂紋啟裂時(shí)U、V方向位移場。圖3為用Vic2D軟件得出的純Ⅰ型和復(fù)合型加載方式下,裂紋啟裂時(shí)x方向、y方向和xy平面應(yīng)變場。用試件未受力時(shí)采集下的數(shù)字圖像為參考圖像,計(jì)算區(qū)域?yàn)?30×380 pixel,計(jì)算區(qū)域的分辨率盡量接近裂紋尖端,計(jì)算過程中選取子集大小為43 pixel。

圖2 裂紋啟裂前裂紋尖端位移場

圖3 裂紋啟裂前裂紋尖端應(yīng)變場

如圖2所示,裂紋啟裂前裂紋尖端的位移場與準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下位移場的分布形式基本相同,在純Ⅰ型加載方式下位移場呈對(duì)稱分布,在復(fù)合型加載方式下位移場向荷載施加方向偏移,說明將數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用于沖擊荷載作用下的斷裂問題是切實(shí)可行的。對(duì)圖3所示的裂紋尖端的應(yīng)變場的計(jì)算結(jié)果不太理想,認(rèn)為計(jì)算結(jié)果較差是因?yàn)閿?shù)字圖像的分辨率過低導(dǎo)致的,可以通過提高數(shù)字圖像分辨率來解決這一問題,但由于試驗(yàn)設(shè)備有限,所以當(dāng)拍攝速度為 5 000 fps/s 時(shí),分辨率最高只能到 512×512 pixel,影響了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

根據(jù)UPVC板材在沖擊載荷作用下斷裂試驗(yàn)過程中采集下來的數(shù)字圖像,得出了UPVC材料純Ⅰ型和復(fù)合型斷裂時(shí)的裂紋擴(kuò)展路徑及裂紋擴(kuò)展速率;通過Vic2D計(jì)算軟件計(jì)算UPVC試件在沖擊荷載作用下裂紋啟裂前的位移場與應(yīng)變場。最終得到以下結(jié)論:

1)根據(jù)采集圖片得出,相同的沖擊能作用下,復(fù)合型裂紋啟裂的時(shí)間比純Ⅰ型裂紋的啟裂時(shí)間早。

2)純Ⅰ型裂紋的擴(kuò)展速度大于復(fù)合型裂紋的擴(kuò)展速度,兩種裂紋的擴(kuò)展速度都隨裂紋擴(kuò)展量的增加而逐漸減小。純Ⅰ型裂紋按照純Ⅰ型擴(kuò)展路徑擴(kuò)展。復(fù)合型裂紋按照復(fù)合型擴(kuò)展路徑擴(kuò)展,受Ⅰ型主導(dǎo)。

3)裂紋啟裂前裂紋尖端的位移場與準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下位移場的分布形式基本相同,在純Ⅰ型加載方式下位移場呈對(duì)稱分布,在復(fù)合型加載方式下位移場向荷載施加方向偏移,說明將數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用于沖擊荷載作下的斷裂問題是切實(shí)可行的。