聚四氟乙烯内管拉伸强度、断裂伸长率和冲击韧性的“作用和地位”之争(final).doc

聚四氟乙烯内管拉伸强度、断裂伸长率和冲击韧性的“作用、地位”之争驻胶带股份军代表室 廖振魁 王宝康 孙 毅摘 要：国军标中，氟内管要求只有抗拉强度和断裂伸长率，无冲击韧性，企业在生产时有意提高抗拉强度；近年氟塑料软管性能不稳定，内厂外场故障高居不下。就此现状，本文对三项指标的“作用、地位”，进行深入研究和探讨。关键词：氟内管 拉伸强度、断裂伸长率和冲击韧性 作用和地位一、 问题来由因历史原因和行业特点，企业在考核聚四氟乙烯软管组件内管性能的时候，主要考核其抗拉强度、断裂伸长率、相对密度等，而其中对抗拉强度情有独钟，GJB2837-97聚四氟乙烯软管组件规范中也只有抗拉强度大于一指标的要求，误认为抗拉强度越高越好。生产时有意识地将内管的抗拉强度要求越做越高，最高的达到了48.5MPa（国军标指标:16MPa），是指标的3倍多；通常内管的断裂伸长做到300%左右（国军标指标:250%），仅略大于指标。因GJB2837-97中，指标中没有对冲击韧性提出要求，因此企业从来都不用此指标考核内管性能。可以看出企业在生产软管组件考核内管性能、质量时，优先考虑抗拉强度，其次考虑断裂伸长率，而对冲击韧性根本不予考虑。抗拉强度、断裂伸长率、冲击韧性三项力学性能指标（以下简称三项指标），其在软管组件聚四氟乙烯内管起到什么作用、其地位如何？三项性能值的高低对软管的性能有什么影响？近年部队软管爆破故障常发生与抗拉强度偏高是否有一定的关联？如何优化和分配内管的三项指标？就这些问题，本文从理论分析和试验验证着手，进行深入研究和探讨。二、 作用、地位分析1、 聚四氟乙烯软管组件简介软管组件由聚四氟乙烯内管、不锈钢增强钢丝层和金属接头组成。聚四氟乙烯软管组件用于输送各型飞机的高、中、低液体和气体介质，承受的工作压力从5MPa到35MPa。聚四氟乙烯软管组件质量、性能的好坏是直接与飞机的使用性能、安全相关的，而氟塑料内管在软管组件中起非常重要的作用。由于液压系统高压橡胶软管性能、寿命存在较大的问题，已全由聚四氟乙烯软管组件所取代。因此，现国内所有飞机的液压系统液压软管基本都是使用聚四氟乙烯软管组件。2、 三项指标在内管中的作用意义不管是金属材料还是非金属材料，拉伸强度、断裂伸长率和冲击韧性是考核材料机械性能最主要的三项指标，此三项指标对聚四氟乙烯内管的来说都有深刻的、不同的含义。1）拉伸强度拉伸强度达到一定的数值是保证内管其功能的基本要求，这一定的数值即是GJB2837的指标要求，虽然军标未对其作上限要求，但应清楚的是此值不宜太高。这是因为通常同一材料的拉伸强度和塑性、冲击韧性是相背离的，高的拉伸强度必然带来塑性和冲击韧性的下降，而对聚四氟乙烯软管的内管要的是其高的塑性和冲击韧性，软管的耐压的程度主要是靠外层的增强钢丝层来保证的。内管的塑性和韧性下降，相对而言内管变得的较脆，其对缺口敏感性特别强，也极易产生微损伤和应力集中，疲劳强度会迅速下降。2）断裂伸长率断裂伸长包括弹性和塑性伸长，内管高的断裂伸长率指标有三个方面的含义：其一是在扣压过程中，因内管有良好的弹性和塑性，内管的内壁在扣压力的作用下而产生弹性变形和永久的塑性变形，并和接头的密封槽紧密的结合，不至于因扣压时变形过大（特别是密封槽的直角和锐角处产生的非常大的塑性变形）而产生裂纹或微裂纹；其二是是内管外层的增强钢丝一方面对内管起到增强的作用，另一方面也会对内管起到一定的切割破坏作用，从分解使用或脉冲试验过的软管组件的内管可以看到较深的钢丝镶嵌痕迹，此痕迹是避免不了的（见图1），若内管的塑性好此变形仅是塑性变形，对内管的性能影响不大，否则便会产生微裂纹形成疲劳源。 图1 内管钢丝嵌痕3）冲击韧性抗拉强度和断裂伸长率是一静态指标，它们都是在拉伸试验机上在缓慢加载即静载荷试验条件下测定的性能指标，它们不能反映高聚物在受突然载荷即冲击载荷时的性能。而真正考核材料的疲劳性能的指标还是冲击韧性，冲击韧性高的塑料其柔软性好，使用时间长。对聚四氟乙烯软管组件而言，不管是脉冲试验还是在使用过程中其受到大的载荷都是重复性的冲击载荷，对软管造成的损伤主要还是来自此种载荷。这一点从试验中也可看出，软管组件很少因内管的抗拉强度较低而造成软管组件耐压试验或爆破压力试验时的静力破坏；在静力试验通过的情况下，只要软管组件存在性能上的质量问题，在脉冲试验上肯定是过不了关的。对同一种材料，冲击韧性通常和拉伸强度是成一定的反比例关系，而和塑性存在一定的正相关关系（这种比例不是线性的）。我们已经清楚了冲击韧性作用，但还有一个概念需要阐明，就是高分子材料的韧性和冲击韧性的区别，二者的物理意义是不一样的，在高分子材料中所起的作用也是不一样的。高分子材料抗冲击韧性是指标准试样受高速冲击作用断裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量，它描述了高分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能力和材料的抗冲击韧性。而高分子的韧性是标准试样缓慢拉伸断裂所消耗的能量，在拉伸断裂实验中，材料拉伸应力-应变曲线下的面积（见图2）相当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧性的大小。很显然，抗拉强度b高和断裂伸长率b大的材料韧性也好。但这个能量不等同抗冲击韧性，不同在于，两种实验的应变速率不同，拉伸实验速率慢而冲击速率极快；拉伸曲线求得的能量为断裂时材料单位体积所吸收的能量，而冲击实验只关心断裂区表面吸收的能量。材料的韧性和抗拉强度、断裂伸长率一样是材料的静态力学指标，而抗冲击韧性却是材料的高速动态力学指标。高分子材料实际断裂过程中也是冲击载荷造成的裂纹产生、扩展和断裂的过程，即相当于断裂面上吸收能量的过程（不是整个材料产生塑性变形，最后产生断裂），这与试验室抗冲击韧性测定的性质是一致的。因此，冲击韧性和高分子材料的力学寿命是息息相关的，而韧性是材料弹性模量和塑性的大小的表征。图2 高分子材料拉伸实验的应力-应变曲线（TTg） 3、 作用、地位分析软管主要承受的是承载液体产生的脉冲载荷，其包括大脉冲和小脉冲，大脉冲是设备刚开始工作时由零载荷冲到最大载荷(Pmax)所产生，其远大于工作压力(Pt)；小脉冲是设备工作过程中所产生的循环载荷，其值是在工作压力附近作上下脉动（插图3）。软管实际受力并非静态载荷，而是脉冲的疲劳载荷。从外场和试验室软管的破坏形式（不包括使用因素造成的破坏）来看，软管的破坏也通常是内管的疲劳破坏，而非静力破坏力。这是因为在软管中，内管仅承担小部分的耐压作用，而其抵抗管内压力主要是靠外层的缠绕、编织钢丝增强层，外层增强层的强度通常能满足抗静压力的要求；而内管在塑性不够的情况下，扣压、缠图3 软管脉冲载荷图绕或编织过程中会造成对内管的损伤（损伤分两种，一种是可见微裂纹，另一虽然是不可见的损伤，但造成了结晶晶体的破坏或是打断了或削弱部分高分子的链接，使得塑料脆性增加），这种损伤在解剖软管组件时是显而易见的（插图4）。内管存在在此种损伤后，在损伤处将造成应力集中，在应力集中效应的作用下，实际引起裂纹扩展的应力将远远低于其b ；使用过程中，在管内液体脉冲载荷的作用下，会因内管的冲击韧性不够，缺口敏感性强，而造成裂纹快速扩展，最终造成穿透性疲劳裂纹。 图4 内管扣压部分的裂纹从冲击破坏试验原理来分析，冲击破坏过程虽然很快，但也可分为三个阶段：一是裂纹引发阶段，二是裂纹扩展阶段，三是断裂阶段。破坏过程是高聚物物料吸收能量的过程（见图5），要提高高聚物抗冲击破坏的能力，主要是要提高其裂纹引发能和扩展能。对聚四氟乙烯内管而言，避免内管的原始裂纹是保证和提高其裂纹引发能的关键，若在扣压等生产过程中产生了原始裂纹，那冲击破坏直接就会进入裂纹扩展阶段，增加内管的可塑性是保证生产过程中不产生原始裂纹的关键；裂纹扩展是内管破坏的关键阶段，延缓裂纹的扩展速率就能提高内管的使用寿命，而提高内管的冲击韧性是提高材料抗裂纹扩展能力的关键。为验证上述的分析结论，我们对俄罗斯的软管进行了抗拉强度和断裂伸长率的试验测试，不难看出俄罗斯人并不单纯追求高图5 冲击韧性实验中材料受力及屈挠关系曲线曲线下面积：白亮区域裂纹引发能 阴影区域裂纹扩展能的抗拉强度，其8.1、10.23、12.45内管的纵向抗拉强度分别为27.6、29.8、31.5MPa，而其内管的断裂伸长率都是500%以上。可见俄罗斯的聚四氟乙烯内管相比我们的内管断裂伸长率是大得多的，而抗拉强度却要小得多。因此，俄罗斯人在考虑内管的性能时也是将断裂伸长率排在较优先的地位。因对获得的俄罗斯内管无法进行冲击韧性测试，其抗冲击韧性性能就不得而知了，但断裂伸长率和冲击韧性的关系是正相关的，虽然没有测其冲击韧性，可以肯定其冲击韧性也是比较高的。近三年来，聚四氟乙烯软管组件地面、空中漏油和爆破故障较多，严重影响陆海空飞行器的使用安全；而此期间企业批生产产品出厂脉冲试验（相当于产品的疲劳试验）也经常不过关，脉冲次数达不到GJB2837规定的指标，致使软管组件不能正常交付。我们对企业从2003年到2009年生产的内管批性能试验结果进行了统计，发现从2006年以来，内管性能试验中的抗拉强度较前些年普遍偏高。通过前面的分析和试验，可确认偏高的内管抗拉强度将降低和牺牲内管的断裂伸长率和冲击韧性，也将直接减小聚四氟乙烯软管组件的寿命。因此，这些年聚四氟乙烯软管组件高的故障率，是否与企业在对内管的技术指标控制存在偏离有关，还值得我们开展深入的分析和研究探讨。4、 结论通过上述分析，我们已清楚了三项指标在聚四氟乙烯内管中的作用，从中可以看出三项指标中软管中的地位应是相辅相成的，高的冲击韧性和断裂伸长率对提高内管的寿命是至关重要的，而拉伸强度也是保证内管功能的基本要求。因此在保证内管的抗拉强度满足标准中静强度要求的情况，尽量提高内管的断裂伸长率和冲击韧性。三、提高产品抗冲击韧性和疲劳寿命的措施1、调整、改进工艺，提高冲击韧性。在实际聚四氟乙烯内管产品中三项指标的应用应综合考虑，可通过调整聚四氟乙烯内管烧结、淬火的参数来调整三项指标的大小，在保证基本拉伸强度的基础上，提高冲击韧性和断裂伸长率，特别是冲击韧性，来提高产品的疲劳寿命。2、开展技术和工艺研究，确定聚四氟乙烯内管结晶度的最佳状态。对聚乙烯、聚丙烯等高结晶度聚合物来说，当结晶度为40-60%时，由于材料拉伸时有屈服发生且断裂伸长率高，韧性很好。结晶度再增高，材料变硬变脆，抗冲击韧性反而下降。这是由于结晶使分子间相互作用增强，链段运动能力减弱，受到外来冲击时，材料形变能力减少，因而抗冲击韧性变差。从结晶形态看，具有均匀小晶体的材料抗冲击韧性好，而大晶体韧性差。晶体尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材料受冲击力时易在薄弱环节破裂。因此，需开展对聚四氟乙烯内管结晶度研究，通过微观结晶度分析和不同结晶度内管的试验对比，找出最佳的结晶度状态，从而提高聚四氟乙烯内管的抗疲劳的能力，提高产品的使用寿命。3、避免内管损伤，消除应力集中效应。软管组件生产、使用等过程中避免内管的损伤，而产生初始裂纹。这是因为初始裂纹