新品应用 | 重复应力以及工艺缺陷对聚合物强度及耐久性评估

引言

材料的力学性能是工程师在选择材料时的重要参数之一。时至今日，人们对传统强度(及无缺陷材料在静载荷作用下的强度)的认识已经相当深刻，工程中强度设计和实践经验和积累也十分丰富。但是对于承受循环载荷的结构部件而言，也必须考虑材料的抗疲劳性能和耐久性。疲劳与断裂是引起工程结构和构件失效的主要的原因之一，即使在中低应力水平的条件下，聚合物材料的疲劳寿命也可能相对较低。从而导致产品失效。在产品设计和选材阶段对材料的疲劳寿命进行测试，有助于选择更加合适的材料，降低研发和生产成本。

聚合物的强度和耐久性受到多种因素的影响，总体来说包括两类：一类是与材料本身有关的，包括聚合物的化学结构，分子量及其分布，支化和交联，结晶与取向，增塑剂、共混填料等；另一类是外界条件，如温度，湿度，氧化老化，应力大小及速度等。此外，在聚合物材料的加工过程中，可能由于某种原因，产生熔接痕，孔隙导致局部应力集中，也会影响材料的机械性能。因此在材料的选择和验证过程中，评估这些生产缺陷存在时材料的强度及耐久性是非常重要的一步。

本文通过对采用不同注塑工艺(单浇口和双浇口)的NORYL 731样品进行静态拉伸性、不同应力水平下的疲劳性能，详细说明在循环应力的作用下，聚合物材料强度的损失以及如何预测其耐久性。

实验方法

NORYL 731 聚苯醚(PPE)+聚苯乙烯(PS)通过注塑成型成符合ASTM D638-2022的标准I型狗骨状试样。一组试样采用单一浇口成型，另一组采用双浇口工艺成型，在标距段中心形成熔接痕，详见图1。

图1：单浇口和双浇口样品注塑成型模具模拟

静态拉伸实验按照ASTM D638-22的标准进行，拉伸速率为5mm/min，每种类型的样品进行了5次实验，疲劳试验的应力水平是zui大载荷的100%-10%（R=0.1），频率为5Hz。使用图2所示的全新上市的ElectroForce Apex 1机械性能测试仪来完成这两部分实验。同时，在疲劳实验过程中，使用压缩空气吹扫样品，以确保材料自身发热导致样品温度升高而影响实验结果，并在整个实验过程中对样品进行了温度监控。

图2：ElectroForce Apex 1

机械性能测试仪(落地式)

实验结果与讨论

拉伸测试曲线见图3，测试结果汇总于表1。由测试结果可以看出，采用两种工艺注塑成型的样品模量非常接近，但是双浇口的样品的抗拉强度有所下降，断裂伸长率则显著降低。断裂伸长率的降低表明材料的韧性及延展性降低。

图3：拉伸测试曲线

表1：拉伸测试结果汇总

不同应力下疲劳实验的结果如图4所示。图中为疲劳试验典型的S-N曲线，横坐标为循环次数，纵坐标为循环载荷的应力水平。从图中可以看出，单浇口和双浇口试样的疲劳寿命存在明显差异。其中蓝色为单浇口试样，橙色为双浇口试样。随着循环应力水平的增加，二者的疲劳寿命明显缩短，尤其是双浇口试样。在相同的应力水平下，双浇口试样的疲劳寿命约为单浇口试样疲劳寿命的6%-18%。另外，从S-N曲线中还可以看出，在循环应力为50%的材料屈服强度时，单浇口样品可以承受30000次循环实验，而双浇口则仅有6000次的疲劳寿命。

结论

通常情况下，材料在实际工况中所承受的应力水平要远低于其强度，但是聚合物材料在承受外部循环载荷作用时，都会产生疲劳现象。本文通过对单浇口和双浇口NORYL 731 样品进行了静态拉伸和疲劳测试，结果表明, 不同的注塑工艺对模量和拉伸强度影响不大，但对零件的疲劳寿命和延展性有显著影响。使用ElectroForce Apex 1对不同试样进行测试的结果表明：在相同的应力水平下，双浇口试样的疲劳寿命约为单浇口试样疲劳寿命的6%-18%；在循环应力为50%的材料屈服强度时，单浇口样品可以承受30000次循环实验，而双浇口则仅有6000次的疲劳寿命。

所以在实际的聚合物的选择和加工过程中，除了聚合物本身的结构以及工艺造成的生产缺陷以外，其耐久性还有可能受到温湿度和实际应力水平等多种因素的影响。工程师在材料的选择和产品的研发阶段引入疲劳测试，有助于避免产品故障和后期开发过程中的材料变更而产生的更高昂的成本。

ElectroForce Apex 1机械性能测试仪可让科学家、工程师和技术人员在进行简单的培训后通过单调加载(或称拉伸试验)、疲劳试验及其他实验来迅速准确的测试评估材料的力学强度以及疲劳性能，以协助评估不同配方及工艺对产品性能的影响。

致谢

本文由的章曙撰写。