（材料加工工程专业论文）应用基本断裂功方法对聚烯烃材料断裂行为的研究与表征.pdf

删川人学颂卜学位论义 y 6 5 42 7 2 应用基本断裂功方法对聚烯烃材料 断裂行为的研究与表征 材料加工工程专业 研究生：郑爱舞指导教师：谢邦互副教授 聚合物材料的断裂破坏特性是使用与选择聚合物材料所必需考虑的重 要因素，已有较为成熟的几种研究聚合物断裂行为的方法，如线弹断裂研究 方法与j 积分方法等，不太适合柔性聚合物或薄片状及薄膜试样的断裂分 析。近年来，一种较新的方法基本断裂功( e w f ) 方法，在国外引起了较大 的关注，它克服了以前方法的缺陷，可以用于评价柔性聚合物的断裂韧性， 关于它的理论及应用等各方面的研究仍在不断的进行和完善中。本论文从聚 烯烃材料长期断裂行为的研究出发，采用了基本断裂功方法对聚烯烃材料及 共混材料的断裂行为进行了研究与表征，同时中也研究了影响基本断裂功方 法应用及结果的一些因素，获得了很多有价值的信息，填补了成型方法与工 艺对基本断裂功结果影响的空白，为基本断裂功方法的应用与研究做出了一 些有意的工作。主要结果如下： 1 研究了试样尺寸与成型工艺对聚烯烃材料断裂行为的影响，结果表 明试样的比基本断裂功随厚度的增大而减小，但比非基本断裂功没有太大变 化；注射成型温度对基本断裂功方法的应用有较大的影响，较高的成型温度 有益于改善基本断裂功方法测试中试样载荷一位移曲线的相似性，从而提高 结果的可靠性；断裂性能不同的聚丙烯材料，在基本断裂功方法的应用上也 有所不同，具有韧性断裂特征的载荷一位移曲线的相似性较好，相对结果较 为可靠，而具有脆性断裂特征的则较差：不同成型方法对材料的断裂方式也 会产生影响，注射一压制成型试样相比注射成型试样的断裂有明显的缩颈过 程。 郑爱舞：应用基奉断裂功方法对聚烯烃材料断裂行为的研究i 表 ! i f 2 ，研究了四种长期破坏行为不同的管材专用共聚聚丙烯的断裂行为， 发现各材料的拉伸强度没有明显差距，冲击强度相近的几种材料中，长期破 坏行为较好的材料，比基本断裂功也较大。冲击强度很高的材料，比基本断 裂功却较小，耐长期破裂性也较差，说明基本断裂功结果比拉伸强度与冲击 强度可以更有效地揭示材料长期破坏行为的特征；共聚聚丙烯的晶粒尺寸较 大可能造成其比基本断裂功减小，致使其耐长期破裂行为较差。 3 研究了p p p o e 共混体系的断裂行为，发现少量p o e 可以产生空穴化 和银纹，并促使基体的剪切屈服，从而达到了增韧的效果。p o e 的加入量 在5 以上时对p p 材料d e n t 试样拉伸断裂曲线相似性有较大的改善，使 e w f 结果更可靠；p o e 的加入量低于5 时，可以较大地提高p p 的w e 。， 在5 到7 之间提高的幅度有所减小。所有p p 及p p p o e 共混物d e n t 试 样的断裂过程均可分为的裂纹扩展部分及断裂部分。 关键词：聚烯烃，断裂行为，断裂韧性，基本断裂功 p u 川大学倾i 学位论文 s t u d y i n g a n d c h a r a c t e r i z i n g t h ef r a c t u r e b e h a v i o ro fp o l y o l e f i nm a t e r i a l sb yt h ee s s e n t i a l w o r ko ff r a c t u r em e t h o d m a j o r ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：z h e n g a i 、 s u p e r v i s o r ：p r ox i eb a n g h u p o l y m e rf r a c t u r eb e h a v i o ro fi s ai m p o r t a n tf a c t o rf o ru s i n ga n dc h o o s i n g p o l y m e r m a t e r i a l s t h em e t h o d sw h i c ha r eu s e dt oc h a r a c t e r i z ep o l y m e r f r a c t u r e ， s u c ha sl i n e a re l a s t i cf r a c t u r em e c h a n i c sa n d j - i n t e g r a la n a l y s i s ，a r ev e r yd i f f i c u l t t oe v a l u a t et h ed u c t i l ep o l y m e ra n dd u c t i l et h i np o l y m e rs h e e t so rf i l m an e w m e t h o d ，t h e e s s e n t i a lw o r ko ff r a c t u r e ( e w f ) m e t h o d ，c a no v e r c o m et h e d i f f i c u l t i e sa n dh a sb e e nu s e dt od e t e r m i n et h ef r a c t u r e t o u g h n e s so fd u c t i l e p o l y m e r i nt h i s p a p e r ，t h ee s s e n t i a lw o r ko ff r a c t u r em e t h o di se m p l o y e dt o a n a l y z e t h ef r a c t u r eb e h a v i o ro fp o l y o l e f i nm a t e r i a l sa n dt h e i r b l e n d s ，a n d s e v e r a lf a c t o r sw h i c he f f e c tu s i n ga n dr e s u l t so ft h ee s s e n t i a lw o r ko ff r a c t u r e m e t h o da r ea l s os t u d i e ds o m ev a l u a b l ei n f o r m a t i o nw h i c hw i l lb eu s e f u lf o r u s i n ga n ds t u d y i n gt h e e s s e n t i a lw o r ko ff r a c t u r em e t h o da r e o b t a i n e d ，m a i n w o r ka n dc o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ： 1 e f f e c to fs p e c i m e nd i m e n s i o na n dm o u l d e d p r o c e s so n f r a c t u r eb e h a v i o ro f p o l y o l e f i nw a si n v e s t i g a t e d i t w a sf o u n dt h a tt h e s p e c i f i c e s s e n t i a lw o r ko f f r a c t u r ed e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h et h i c k n e s so fs p e c i m e n s ，b u tt h es p e c i f i c n o n e s s e n t i a lw o r ko ff r a c t u r ed i dn o t c h a n g e t h et e m p e r a t u r e o fi n j e c t i o n m o u l d i n g e f f e c t e da p p l i c a t i o no ft h em e t h o do fe s s e n t i a lw o r ko ff r a c t u r e ，a n da s e to fl o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e sf o rar a n g eo fl i g a m e n tl e n g t h so ft h ed e n t s p e c i m e n sw e r em o r eg e o m e t r i c a l l ys i m i l a rw h e nt h es p e c i m e n sw e r em o u l d e d 郑爱辨：心用占小断裂功方沾对聚烯烃丰j 料断裂行为的研究- l 表征 a th i g h e rp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r e ，a n dt h er e s u l t so fe w fw e r em o r er e l i a b l e i t w a sa l s of o u n dt h a tt h el o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e so f p o l y p r o p y l e n ew i t hd u c t i l e f r a c t u r eb e h a v i o rw e r em o r eg e o m e t r i c a l l ys i m i l a rt h a nt h a to fp o l y p r o p y l e n e w i t hb r i t t l ef r a c t u r eb e h a v i o r , a n dt h ee w fr e s u l t ss h o w nm o r er e l i a b l et h a nt h e l a t t e r t h ed i f f e r e n tp r o c e s s i n gm e t h o d sa l s oi n f l u e n c e dt h ef r a c t u r eb e h a v i o ro f p o l y m e r , t h a tw a s t h ei n j e c t c o m p r e s s e ds a m p l e ss h o w nm o r eo b v i o u s n e c k i n ga t f r a c t u r ep r o c e s st h a ni n j e c t e ds a m p l e s 2 f r a c t u r eb e h a v i o ro ff o u rt y p e so fc o - p o l y p r o p y l e n er e s i n sf o rp i p e ，w h i c h h a dd i f f e r e n tl o n gt e r mb e h a v i o r ，w , e r ea n a l y z e d i tw a sf o u n dt h a tt h ev a l u e so f y i e l ds t r e n g t ho ft h ef o u rm a t e r i a l sw e r ec l o s et oe a c ho t h e r ，a n da m o n gt h e m a t e r i a l sw i t hs i m i l a ri m p a c ts t r e n g t h ，t h ew eo ft h em a t e r i a lw i t hg o o dl o n g t e r mb e h a v i o rw a s h i g h e rt h a nt h a to f t h em a t e r i a l sw i t hb a d l o n gt e r mb e h a v i o r t h e c o p o l y p r o p y l e n ew i t hh i g hi m p a c ts t r e n g t hw a s a l s op r o b a b l yw i t h o u t g o o d l o n gt e r mf r a c t u r eb e h a v i o r s o ，i tc o u l db es a i dt h a tt h ee w fp a r a m e t e r sw e r e m o r eu s e f u lt oc h a r a c t e r i z e l o n gt e r mf r a c t u r eb e h a v i o ro fp o l y m e rt h a ny i e l d s t r e n g t h a n d i m p a c ts t r e n g t h a n i n c r e a s ei n c r y s t a lg r a i n s i z eo f c o - p o l y p r o p y l e n ep r o b a b l yr e s u l t e d i nad e c r e a s ei nt h e s p e c i f i c n o n e s s e n t i a l w o r ko ff r a c t u r e ，w h i c hi n d u c e dl e s sa b i l i t yi np r e v e n t i n gf r a c t u r ef o rl o n gt i m e 3f r a c t u r eb e h a v i o ro fp p p o eb l e n d sw a sa n a l y z e d i tw a sf o u n dt h a tl o w c o n t e n to fp o ec o u l dt o u g h e np pb yc a v i t a t i o n ，c r a c k i n ga n ds h e a ry i e l d i n gi n m a t r i x t h el o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e sw e r em o r eg e o m e t r i c a l l ys i m i l a rw h e nt h e p o ec o n t e n tw a sm o r et h a n5 a n dt h er e s u l t so fe w fw e r em o r er e l i a b l e i t w a sa l s of o u n dt h a tw e ，yo fp pw a s i m p r o v e dg r e a t l yw h e np o e c o n t e n tw a sl e s s t h a n5 a n di m p r o v e dl i g h t l yw i t hp o ec o n t e n ta t5 - 7 f r a c t u r ep r o c e s so f p pa n dp p p o eb l e n d sd e n t s a m p l e si n c l u d e sc r a c kg r o w t hr e g i o na n d f r a c t u r e r e g i o n k e yw o r d s ：p o l y o l e f i n ，f r a c t u r eb e h a v i o r , f r a c t u r et o t 【g h n e s s ，e s s e n t i a lw o r ko f f r a c t u r e p u 川火学坝i 。学位沦义 1概述 1 1 前言 聚合物材料由于重量轻、成本低、加1 ：容易，同时具何其他材料所没有 的一些特殊性质，因而在l ：程领域中获得了越来越多的应用。为了满足工程 中的使用要求，聚合物材料必须具有相适应的力学性能和断裂破坏行为，包 括材料的使用寿命及破坏方式等。例如用于制备供水管道的聚合物材料， 一个主要的性能指标是其耐长期破裂性，即进行工程设计时，不仅需要了解 聚合物的强度和刚性等常规力学性能，以及耐热、削老化、耐腐蚀等相关能 力，而且需要考察和评价材料及制件能否在工作应力作用下长达数十年不破 坏。材料在远低于其屈服强度或断裂强度的工作应力下的此类民期服役行为 的规律和特征与材料短期承受较高载荷的情况有很大的差异。目前评价和表 征聚合物材料的长期服役行为非常困难，例如对聚烯烃供水管道材料的评 价，根据i s o d i n1 5 8 7 4 2 2 9 8 的要求，必须将材料制成管材，检验其是否 能在1 1 0 ，承受环应力l9 m p a 的条件下达8 7 6 0 h 而无破裂t 2 , 3 l 。这样的测试 需要太长的时间，且材料必须成型为管材，对于材料选用、配方筛选等工作 都很不方便，甚至难以实现。因此探求较为简单易行，耗时较短，能有效评 价聚合物材料长期破坏行为的方法。直是人们关注的重要课题。 常规力学性能测试结果如屈服强度等难以反映材料的长期破坏行为，其 原因之一是未能考虑聚合物材料及其制品中的缺陷。聚合物材料在制造和加 工过程中，经常在材料内部形成一些应力集中源，如制件。 r 存在的气泡，灰 尘杂质，机械加工的缺口、锐角、切槽、表面划伤，以及材料中产生的银纹 等，这些缺陷的存在使聚合物制件极易在低应力卜形成裂纹并逐渐扩展从而 导致材料断裂破坏。冈此研究带裂纹的聚合物试样在低应力条件1 = 的断裂 过程及其行为特征具有重要的意义和价值i 。 此外，对聚合物材料断裂破坏行为的研究，可以揭示聚合物材料破坏的 原因、断裂机理以及和材料结构的关系，寻找可削弱或抑制促使聚合物材料 破坏的关键因素，以及探索改进材料氏期服役能力的途径，同时可以根据聚 郑爱舞：心用米奉断裂功方法对聚烯烃劓利断裂行为的| | i j 究o 表钲 合物材料的破坏规律，预测聚合物材料在r 程应i q = | 条件下的使用寿命，或安 全设计应力，也可为聚合物新材料的合成、分子设计提供指导，为聚合物材 料的成型、加工和热处理等工艺的选择提供科学依据。 聚烯烃材料是目前应用较为广泛的聚合物材料之一大量输水管都采用 了聚丙烯等材料。本工作欲以聚烯烃材料为对象，尝试选择实施过程相对较 为简单的测试观察方法，对材料的断裂过程和行为特征进行研究和比较，从 而加深对材料破坏行为的更本质、更深入、更全面的认识，为更有效、更准 确、更简便地表征、评价和预测聚合物材料的长期服役能力等性能指标奠定 必要的理论和应用基础。 1 2 聚合物的断裂韧性及其主要研究方法 1 2 1 断裂韧性的物理意义 断裂力学以裂纹体为研究对象，主要研究物体内的裂纹在什么条件下开 始扩展，即所谓起裂条件，以及裂纹起裂之后，将以什么方式扩展口】。其在 金属材料中的研究成果已经得到了较广泛的应用g i n 当满意的效果。由于聚 合物材料在制造和加工过程中，也经常在材料内部形成一些应力集中作用很 强的微小裂纹，这些缺陷的存在使聚合物制件极容易在较低应力下发生破 坏。因此人们也丌始根据断裂力学的观点去思考和分析聚合物材料的强度和 破坏问题，探询和研究聚合物材料在带裂纹条件下的应力分布、强度和破坏 准则。 断裂是材料的主要破坏形式，是其内部裂纹扩展的结果。裂纹扩展的 条件及方式与裂纹尖端附近的应力场直接相关，根据构件中裂纹所受外力作 用形式与裂纹面的相对关系，裂纹扩展可分为三种基本类型，如图1 1 所示。 其中i 型张丌型裂纹是最普遍也是最危险的，是断裂力学着重研究的对象， 许多实际情况都有可能简化成i 型断裂束处理。材料的断裂过程可分为裂纹 的产生，裂纹的扩展和当裂纹达到某临界尺寸时失稳快速扩展而断裂三个阶 段。通常使用韧性来反映材料抵抗断裂的能力，也即是材料抵抗裂纹扩展的 p q 川i 大学f 】j i ! i 学位论史 能力。裂纹扩展越困难，材料就越不易断裂。材料的韧性与其强度和塑性有 关，一般用材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的多少来表示。 f i g - 1 。1 t h r e em o d e so ff r a c t u r e 材料的韧性中，断裂韧性具有非常大的意义和价值。断裂韧性是把材料 中存在的裂纹考虑在内，建立的既能表示材料的强度又能反映材料韧性的性 能指标。根据材料的变形特点和裂纹体所处的应力条件等不同，材料的断裂 韧性可以采用多种形式来表示。例如，应力强度因子k 是描述裂纹尖端附 近局部区域应力场强弱程度的物理量： k=o(na ) 1 尼( 1 1 ) 式( 卜1 ) 巾0 为禾弓料所受的应力：0 为材料中的裂纹半氏。在外力作用下， k 随外力增加和裂纹扩展而增大，当应力强度因子达到某。临界值，即使外 力不再增加，裂纹也会急剧地扩展，即失稳扩展而断裂。这一临界值称作临 界应力强度因子： k ，= or ( n ) 1 7 2 ( 1 - 2 ) 即为断裂韧性，是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量。式( 卜2 ) 中0f 与材 判的强度有关，为裂纹失稳扩展所需的应j 。由此可以得到材料能安全服役， 不发生裂纹体失稳扩展而破坏的判捐： k k 。( 1 3 ) 除了用应力场强度，还可基于能量平衡原理和位移等来研究材料的裂纹 的失稳和扩展，如能量释放速率g ，积分及裂纹尖端的张丌位移c o d 等， 其临界值也可表征材判的断裂韧性。下面对目前较为成熟的研究断裂韧性的 方法进行简要介绍。 郑爱舞：舸用慕率断裂功力池对聚烯烃材车1 断裂行为的研究。，表 f l 122 线弹性断裂研究方法 g r i m t h 最早对线弹性断裂理论( l e f m ) 进行了叙述，为断裂力学的发 展奠定了基础。( j r i m t h 在研究玻璃和陶瓷材料的脆断强度时，基于能量平 衡原理提出了材料中存在的裂纹尺- , j 与其断裂时的应力问的定量化关系。首 先，g r i f f i t h 认为裂纹的存在是材料很易被破坏的原因，在裂纹扩展前，外 力所做的功以弹性能的形式储存在材料内，已有裂纹的扩展或新裂纹的形成 所产生的新的断裂表面所需要增加的表面能，由材料内部弹性储能的减少来 平衡。其次，为了解释材料实测强度与理论强度问较大的差异，g r i f f i t h 认 为这些弹性储能并不是均匀地分币j 于材料中，而是更多地集中分布于微裂纹 的附近，当使裂纹扩展引起的弹性储能的减少量大于或等于生成的断裂表面 能时，材料就发生断裂。 假设裂纹扩展面积为8 a ，在此过程中，外载荷所作的功为6 w p ，弹性 应变能的变化为8 u ，形成新裂纹所消耗的表面能为研，则裂纹扩展单位面 积系统所释放的能量称为能量释放速率g ，可表示为： a w p 0 u 旷百丽 ( 1 - 4 ) 当裂纹扩展单位面积系统所释放的能量大于或等于单位而积产生新裂纹表 面的能量时，裂纹丌始失稳扩展，即： 0 w a 1 iay i 一面赢 ( 1 - 5 ) 菏1 ， g 。2 等 ( 卜6 ) u ，k g 。即为裂纹扩展时能量释放率的临界值。当g g 。时，裂纹开始失稳 扩展，材料将发生断裂破坏。 临界应力强度因子也可根据线弹性断裂理论得到，在平面应力状态， k l 与g i 可以通过下式相互转换： g ，= k ；e ( 1 - 7 ) e 为材料的杨氏模量。 p q 川大学硕i 学位论文 根据a s f m 标准，k c 测试采用三点弯曲试样或紧凑拉伸试样进行断裂 实验。试样尺寸要求为： w = 2 b ，0 4 5 2 5 j i c a y ，w 2 2 b ( 1 - 1 2 ) 对一般韧性材料：j ，1 2 k j m 2 ，ov 5 0 m p a ，由式( 1 1 2 ) 可知：b 6 m m ， 试样较易制备。但对韧性很大的聚合物材料来说，j ，较大，而。，较小，则 所需试样尺寸如厚度等可能过大，难于制备。此外，j 积分法还有aa 测定 困难，难以保证精度等不足；有些材料无法得到钝化线；薄膜材料因不符合 尺寸要求而无法测试；对某些韧性聚合物无法得到唯一的j n 曲线等缺陷， 在很大程度限制了它的广泛应用 1 ”。因此j 积分方法至今未能在聚合物材 料的实用过程中得到普遍的推广。 近年发展较快的基本断裂功方法已在国外受到广泛重视2 _ ”】，不仅可用 于研究柔性聚合物的断裂行为，并具有不少独特的优点，是本文探讨和研究 的主要方法，下面将较为详细地阐述其相关内容。 郊爱辨：戍用桀奉断裂功方法对聚烯烃材料断裂行为的_ j f 究，表钉 1 3 基本断裂功方法 131 基本理论 基本断裂功( e s s e n t i a lw o r ko ff r a c t u r e ，e w f ) 方法最初是由b r o b e r g 提出并用十评价金属材料延性破坏的断裂韧性，后来经y _ wm a i 和b c o t t e r e l l 1 4 , 15 1 发展，并用来评价柔性聚合物、聚合物共混物及增韧聚合物的 断裂韧性。基本断裂功方法现己被e s i s ( e u r o p e a n s t r u c t u r a l i n t e g r i t ys o c i e t y ) 采用并制定为聚合物材料的测试方案 1 6 1 。 根据e w f 理论【t 4 , 15 1 ，拉断个带缺 口试样所需的总断裂功( t h e w o r ko f f r a c t u r e ) w f 可以分为两部分，即基本断 裂功w 。和非基本断裂功或塑性功( t h e n o n e s s e n t i a lo rp l a s t i cw o r ko ff i a c t u r e ) w 。，即 f i g 1 5d e s i g n a t i o no fd e n ts p e c i m e n s ，= 睨+ ( 1 13 ) 图1 - 5 为常采用的双边深缺口拉伸( d e e p d o u b l ee d g e n o t c h e d t e n s i o n ，d e n t ) 试样及其能量消耗区示意图。图中消耗在内部裂纹扩展区( i n n e rf r a c t u r e p r o c e s sz o n e ，i f p z ) 的能量郎为w 。，用于产生新的断裂表面。换言之，在聚 合物脆性断裂过程中，w 。是用于存裂纹尖端将材料拉成纤维状，并最终将 其拉断的那部分能量，参见图1 - 2 ( a ) ；而在聚合物的韧性断裂过程中，w 。 则是用于在裂纹尖端形成缩颈，并最终将其拉断的那部分能量，参见图 1 - 2 ( b ) 。图l 一5 中所示消耗在外部塑性区( o u t e rp l a s t i cz o n e ，o p z ) 的能量即为 w d 。 山于w 。是表面能，w 。是一体积能，对定厚度( t ) 的试样，w 。与韧 带( 1 i g a m e n t ) k 度即试样缺口剩余长度( ，) 成正比，w 。b - f 2 成正比，则公式( 1 - 1 3 ) 可写为： w ，= w 。i t + 腓。，! t( 1 - 1 4 ) 叫川i 夫学坝i 学位论文 经整理可得： w ，= w ，似= w 。+ 伽j ，( 1 1 5 ) 式中w f 为比总断裂功：w 。为比基本断裂功，即裂纹扩展单位面积所做的功； w p 为比非基本断裂功，也是单位体积的塑性功；p 为塑性区的形状因子，仅 与试样形状有关，如采用相同形状的试样，则p 为常数p w 。可用于比较材 料的比非基本断裂功的相对大小。 通过对试样裂纹尖端的分析12 , 1 3 i ，w e 又可以表示为： w e = d f i d 孑+ f i i c , 8 ) d 8 ( 1 - 1 6 ) 式( 1 1 6 ) 中的第一项代表了用于成颈的塑性功，第二项为涉及成颈的断裂功。 将式( 1 - 1 6 ) 与j 积分的定义式( 1 9 ) 相比，两式的第一项与第二项在理论上分 别是一致的，即表明w e 与j i c 等价，说明w c 也可用下表征材料的断裂韧性。 1 3 2 测试方法 从公式( 1 1 5 ) 中可看出w f 与f 应呈、v ， 线性关系。若采用双边缺d 拉伸试样在低 速应力f 拉伸，w f 为拉断单位面积试样所 需的能量，呵山载荷一位移曲线卜的面积 积分值求得。若使试样满足平面应力状态w e 的要求，为避免边界效应【1 4 】，仅需控制试 郑爱舞：旭用罐奉断裂功方法对聚烯烃材料断裂行为的研究1j 表钲 1 3 3 应用特点及意义 综上所述，基本断裂功方法可以较好地用_ r 评价材料的断裂韧性。并且， 与其他方法相比，基本断裂功方法具有对试样尺寸要求0 ：太严格，按式 ( 1 - 1 7 ) 的限制，试样制备较为容易，又适于表征柔性材料的断裂韧性。所 以，基本断裂功方法已广泛用于韧性聚合物、聚合物共混物及增韧聚合物、 填充复合物等弹塑性材料的断裂行为研究 1 2 - i 5 , 17 - 1 9 】。与j 积分方法相比，基 本断裂功方法的实验操作过程较为简便，还可用于薄片及薄膜的断裂行为研 究，弥补了j 积分的缺陷【2 0 】。 另外，与其它方法相比，基本断裂功方法在同一实验过程，不仅可以获 得表征聚合物材料断裂韧性的性能参数w 。，而且可得到表征聚合物材料断 裂过程中发生的塑性变形行为大小的性能参数w 。或p w p ，为准确评价聚合 物材料的破坏行为提供了更多的数据。 同时，通过对基本断裂功方法的载衙一位移曲线进行进一步分析和处 理，以及对试样拉伸断裂过程进行较为便利的适时观测和分析，可能为研究 聚合物材料的断裂机理和破坏行为提供更多的信息。 1 4 e w f 方法的研究现状及热点 1 4l 试样形状和测试条件 ( 1 ) 试样形状对e w f 结果的影响 目前，大量研究结果比较一致地表明试样形状对e w f 结果并没有较大 的影响，通常认为比基本断裂功是不依赖于试样形状的材料性能参数。如 y - wm a i l l 3 - 15 等人在对p a 6 6 ，h d p e ，高分子量及超高分子量聚乙烯等柔性 聚合物断裂韧性的研究中，进行了d e n t 与s e n t ( 币边缺口拉伸) 试样及 d c n f ( 中心缺口拉伸) 试样的比较实验，发现e w f 实验结果都非常接近。s h a s h e m i i2 1 i 在对p b t 薄膜的断裂行为研究中发现，d e n t 与s e n t 试样得到 的比基本断裂功w e 结果一致，仅s e n t 试样的比非基本断裂功1 3 w 。要稍大 一此 p u 川人学地f 。学位论义 ( 2 ) 试样尺、j | 对e w f 结果的影响 较为普遍的研究结果已说明试样的宽度和长度对e w f 结果没有太大影 响。如m l 1 m a s p o c h l ”】等人在列试样尺寸对等规聚丙烯i p p 断裂韧性的影 响的研究中发现，试样的宽度在3 0 6 0 m m ，| 王= 度( 央持k 度) 在4 0 1 0 0 r a m 的 范吲内，w 。与p w d 都基本保持不变。a ，a r k l l i r e y e v a l 2 3 l 等人在对p e t 薄膜断 裂韧性的研究中也发现，试样欧度在1 7 1 0 5 r a m 的范围内，e w f 结果基本 致。 但厚度对e w f 结果的影响，目前研究者们得出了颇为不同的实验结果 2 2 , 2 4 - 2 6 1 。y - wm a i t ”1 认为在某些柔性聚合物薄片试样中，平面应力平面应变 的转化可能发生在比式( 1 1 7 ) 所示更火的韧带长度范围，也就是说，平面 应力一平面应变的转化更大地取决于材料的性质和试样厚度。ym a r c h a l 2 7 1 等 人基r 此，在对e w f 方法的研究中，提出了一个提高基本断裂功测试精度 的统计方法。根据此方法可以精确确定发生应力应变转化的临界韧带长度， 找出临界韧带长度后，舍弃在临界韧带长度之前的点及与w r _ ，直线相距较远 的点，也就得到了一个较为精确的w 。值。同时他还指出实验试样的数目也 会极大地影响w c 值的精确计算。总之，对不同性质的材料而言，试样厚度 是否会显著地影响e w f 方法的实验结果，是在结果分析中值得注意且需要 进行深入研究的问题。 ( 3 ) 测试条件对e w f 结果的影响 从目前的研究结果来看，在一定的拉伸速度范罔内，比基本断裂功w e 应是与速度无关的参数。m l 1 m a s p o c h 【2 “等人在拉伸速度为2 1 0 0 m m m i n 的等规聚丙烯i p p 断裂韧性的研究中，j k a r g e r k o c s i s l 2 8 等人对无定形共聚 多酯a c o p 在拉伸速度为1 1 0 0 m m m i n 的断裂行为研究中，结果都表明， 拉伸速度对w 。与p w p 均没有较大影响。a a r k h i r e y e v a i 2 3 】等人在拉伸速度为 2 5 0 m m m i n 的p e t 薄膜断裂韧性的研究中发现，w e 没有变化，仅p w 。略 有增大。 另外测试温度对e w f 方法的影响，对不同材料而言有1 i 同的实验结 果。在对p e t 薄膜的研究中发现，在t 。以下的温度，w 。没有什么变化，在 k 以上时，w 。随温度升高而增加，在约1 2 0 。c 出现最大值，再y t 高温度， 郑爱摊：碰用皋奉断裂功方法对聚烯烃材利断裂行为的1 0 f 5 o 表 1 1 w 。下降：p w p 则只是在t g 出现最大值，其它温度都降低【2 3 】。df e r r e r b a l a s 等人在研究p p 薄膜时发现温度对塑性区尺寸有定的影响，但柔性较高的 聚合物d e n t 试样在高温下出现了颈缩现象而没有断裂扩展，无法得到可 靠的结果。 14 2 材料结构因素 ( 1 ) 分子量与分子量分布 聚合物平均分子量的大小和分子量多分散性的特点是影响材料强度等 力学性能的重要因素，平均分_ _ 量过小的材料其强度常常较低；多分散性 大的材料含有较多的低分子量成分，其制品易于产：生银纹和开裂。 j k a r g e r - k o c s i s 等人存对无定形共聚多酯a c o p 材料的平面应力断裂行 为的一系列研究中发现【2 4 , 2 8 , 3 0 , 3 1 1 ，材料的比基本断裂功w e 与a c o p 的内粘度 ( 分子量参数) 无关，其d e n t 试样在稍高过t 。的温度进行退火处理后，对 于链缠结密度较小的材料，其塑性区几乎可以恢复到原来的形状，即材料只 是发生了冷拉，并没有发，i 真f 的塑性变形；而对于链缠结密度较大的材料， 其塑性区则不能恢复，同时在颈缩的过程中还会发生冷结晶，由于缠结网络 结构与结晶的共同作用，将使材料在颈缩部分消耗大量的能量，从而提高了 材料的断裂功。之后，他们对不同分子量的p e n 进行了更深入的研究【3 “， 发现分子量高的p e n 材料在断裂过程中，裂纹扩展是比较稳定的状态，而 分子量较小的材料则在屈服后出现了不稳定的裂纹扩展，这可能是因为载荷 的再分配沿着较长的缠结分子链进行，分子量较大的材料内部的缠结点也较 多，可以更好地再次传递和分配载荷的缘故，这使分子量较小的材料的载荷 位移曲线相似性较差，总断裂功和缩颈部分断裂功的数据分散性也较大。 ( 2 ) 晶态与非晶念 聚合物的聚集态结构中有晶态和非晶态。结品性聚合物其结构并非全部 是晶体，往往是晶区和非晶区共存，晶区和非晶区的结构形态对力学性能、 强度和破坏特性都有重要影响。 结晶聚合物中存在两种非晶态，一种是通常的过冷熔体形成的非晶态， 另一种是晶区间的连接链形成的非品区。当结晶聚合物受拉力作用时，总是 晶片问的非晶区连接链先变形仲长至断裂，通常在晶区之间和片品之间的非 晶念中还会形成微孔洞，但由于受到周围晶体结构的限制，微孔洞的尺寸较 小。另一方面，由于聚合物晶体之问的连接链断裂位置较多，材料中晶片之 削t t 的非晶相都有可能引发成微裂纹。因此，结晶聚合物中微裂纹的浓度也高 于非晶聚合物，通常要高2 - 4 个数量级。非晶聚合物的微裂纹尺寸较大，浓 度较小，这是和它的无扰分子线团相互穿插堆积的聚集态结构相关的。一方 面，非晶聚合物不如结晶聚合物有众多的晶相间非晶区连接链断裂而引发微 裂纹：同时，在非晶聚合物中，一旦引发微裂纹后，它的扩展相对地说是比 较自由的，不象结晶聚合物那样，要受到周围晶相的限制。因此，非晶聚合 物中的微裂纹尺寸都比较大。 在对p a ，p e ，p o m 等材料研究的结果发现，随结晶度增大，材料的疲 劳裂纹扩展( f a t i g u ec r a c k