畢文棟

（沈陽華晨金杯汽車有限公司，遼寧 沈陽 110168）

改性聚丙烯的Ⅰ型疲勞裂紋及斷面微觀形貌研究

畢文棟

（沈陽華晨金杯汽車有限公司，遼寧 沈陽 110168）

聚丙烯作為一種優(yōu)良的化工材料，在生活中的應(yīng)用是十分廣泛的，經(jīng)過不斷地研究、探索，人們通過在聚丙烯中添加各種材質(zhì)，逐漸研制出了多種改性聚丙烯，使得聚丙烯的多種性能得到了加強(qiáng)，擴(kuò)寬了聚丙烯的應(yīng)用范圍。為了更好地對(duì)改性聚丙烯的性能進(jìn)行了解，本文從改性聚丙烯疲勞裂紋的概述出發(fā)，對(duì)Ⅰ型疲勞裂紋及斷面微觀形貌進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論，希望可以對(duì)改性聚丙烯疲勞損傷性能的研究工作起到一定的幫助作用。

改性聚丙烯；疲勞裂紋；疲勞損傷；斷面微觀形貌

改性聚丙烯是在聚丙烯的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)晶度比較高，不宜發(fā)生斷裂現(xiàn)象，具有良好的力學(xué)性能；在高溫的影響下不容易發(fā)生變形，耐熱性能良好；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不容易與酸堿物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，防腐效果比較明顯；介電系數(shù)較高，具有很強(qiáng)的絕緣性能，可以作為絕緣材料使用。由于改性聚丙烯的眾多優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，改性聚丙烯經(jīng)常是作為承載和抗沖擊部件進(jìn)行使用的，在應(yīng)變載荷的作用下經(jīng)常發(fā)生斷裂現(xiàn)象，為了更好地對(duì)改性聚丙烯進(jìn)行利用，就需要制定有效的措施，對(duì)其疲勞損傷性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1.疲勞裂紋的概述

1.1疲勞損傷及疲勞裂紋的分類

以改性聚丙烯為原材料制成的各種構(gòu)件，在實(shí)際應(yīng)用中內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生各種變化，出現(xiàn)各種缺陷，影響構(gòu)件的正常使用，從損傷力學(xué)理論方面對(duì)疲勞損傷進(jìn)行分類，主要包括脆性損傷、延性損傷、蠕變損傷、低周疲勞損傷、高周疲勞損傷等幾種，不同損傷產(chǎn)生的原理不同，在研究損傷情況的時(shí)候，需要先判斷損傷的類型。疲勞損傷引起的疲勞裂紋也是分為不同類型的，根據(jù)裂紋的幾何特征可以分為表面裂紋、穿透裂紋、深埋裂紋，根據(jù)裂紋的力學(xué)特征，可以將裂紋分為張開型、滑開型、撕開型3種，又可以分別叫作I型裂紋、II型裂紋和III型裂紋，本文主要針對(duì)I型裂紋進(jìn)行研究。

1.2疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展

改性聚丙烯制成的各種構(gòu)件，長(zhǎng)期處于超負(fù)荷運(yùn)載的狀態(tài)下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以承受負(fù)荷，會(huì)慢慢出現(xiàn)細(xì)小裂紋，在外力的繼續(xù)作用下，細(xì)小裂紋不斷擴(kuò)展、變大，導(dǎo)致部件性能越來越差，逐漸失去應(yīng)用效果，造成損失。根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展程度的不同，一般將疲勞過程分為3個(gè)階段，包括初級(jí)階段、材料表面內(nèi)部損傷階段、損傷裂紋連續(xù)擴(kuò)展階段，在這個(gè)過程中，疲勞裂紋會(huì)呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的狀態(tài)，對(duì)于晶體和非晶體塑料來說，其擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度有關(guān)，兩者之間的關(guān)系遵循Paris公式；對(duì)于熱韌性高分子塑料來說，其擴(kuò)展速率與能量釋放率幅度有關(guān)，材料的細(xì)小裂紋會(huì)在外力的持續(xù)作用下，慢慢加劇變大，直到最后材料失效。

2.對(duì)改性聚丙烯的Ⅰ型疲勞裂紋及斷面微觀形貌的研究

2.1具體試驗(yàn)

基于疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展原理，選用相應(yīng)的改性聚丙烯材料，對(duì)I型裂紋疲勞裂紋及斷面微觀形貌進(jìn)行了相關(guān)研究。這里選用的材料是燕山石化公司研制的K4812改性聚丙烯，該材料的厚度為22mm，使用到的設(shè)備儀器主要包括材料疲勞試驗(yàn)機(jī)、數(shù)控車床、掃描電子顯微鏡等，在選用試驗(yàn)設(shè)備儀器的時(shí)候，需要根據(jù)實(shí)際要求，選擇型號(hào)合適、品質(zhì)優(yōu)良的種類，避免因設(shè)備儀器的質(zhì)量問題影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在制備試驗(yàn)樣本的時(shí)候，以金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法為參考，對(duì)選用的材料進(jìn)行處理，利用數(shù)控機(jī)床將其加工成3點(diǎn)彎試件，按照所需材料的尺寸，將材料切割開，為了在材料上形成Ⅰ型裂紋，需要在機(jī)械切口上切一個(gè)1.5mm的尖口，完成實(shí)驗(yàn)材料的制備。為了便于后期對(duì)裂紋的觀察，需要在切口旁2mm出畫一條直線，在放大鏡的幫助下，以尖口為標(biāo)準(zhǔn)，將其進(jìn)行均勻地劃分，并標(biāo)出準(zhǔn)確的刻度值。

利用疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)制備好的試樣進(jìn)行相關(guān)操作，在疲勞試驗(yàn)機(jī)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的作用下，模擬出裂紋所承受的應(yīng)力載荷，試樣的裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展、變大，然后用光學(xué)顯微鏡對(duì)尖口進(jìn)行觀察，對(duì)比自身所帶有的刻度與之前標(biāo)記的刻度之間的區(qū)別，每當(dāng)裂紋擴(kuò)展0.5mm時(shí)，對(duì)機(jī)械的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行記錄，對(duì)最終記錄結(jié)果進(jìn)行分析，得出裂紋擴(kuò)展情況與疲勞試驗(yàn)機(jī)循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）疲勞損傷性能的測(cè)試與分析

在對(duì)試樣施加應(yīng)力載荷的時(shí)候，需要先進(jìn)行靜載試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)所需的試驗(yàn)載荷進(jìn)行確定，當(dāng)確定最大斷裂載荷后，為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般會(huì)將其最大斷裂載荷數(shù)值的60%設(shè)定為初始應(yīng)力值，然后調(diào)整疲勞試驗(yàn)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行分組試驗(yàn)。先對(duì)試樣施加初始應(yīng)力，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)初期，裂紋會(huì)隨著設(shè)備的循環(huán)進(jìn)行擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到某一臨界值的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)增韌效果，裂紋不會(huì)在進(jìn)行擴(kuò)展，此時(shí)應(yīng)該調(diào)整設(shè)備所提供的應(yīng)力值，突破疲勞裂紋的增韌區(qū)域，為了得到更加詳細(xì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，后續(xù)的試驗(yàn)過程中，需要根據(jù)裂紋擴(kuò)展程度的不同，對(duì)載荷進(jìn)行分階段調(diào)整，最后得出具體數(shù)值結(jié)果。對(duì)每組試樣進(jìn)行同樣的操作，對(duì)比不同組別的試驗(yàn)結(jié)果。

對(duì)不同組別的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算、處理，可以發(fā)現(xiàn)改性聚丙烯Ⅰ型疲勞裂紋的擴(kuò)展主要分為擴(kuò)展源、穩(wěn)定、快速擴(kuò)展3個(gè)階段，不同階段的裂紋表現(xiàn)形式是不一樣的，第一階段，裂紋會(huì)在應(yīng)力的作用下，開始萌生擴(kuò)展，但是擴(kuò)展趨勢(shì)不是很明顯，而且當(dāng)達(dá)到材料的增韌臨界點(diǎn)的時(shí)候，擴(kuò)展情況將會(huì)出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，不再繼續(xù)變化，只有改變載荷時(shí)，裂紋才會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展。裂紋在穩(wěn)定擴(kuò)展階段時(shí)，其擴(kuò)展速率大致會(huì)呈現(xiàn)出一種直線形態(tài)，上升趨勢(shì)比較平穩(wěn)。疲勞裂紋的快速擴(kuò)展階段可以分為兩部分，第一部分的擴(kuò)展速率變化比較平緩，雖然沒有第二階段平穩(wěn)，但是也可以將其變化曲線看做一條直線；當(dāng)進(jìn)入第二部分的時(shí)候，疲勞裂紋的擴(kuò)展速率幾乎呈直角上升狀態(tài)，變化趨勢(shì)非常明顯，直至突破試件所能承受的極限，材料徹底斷裂。

（2）斷面微觀形貌分析

在對(duì)改性聚丙烯的裂紋進(jìn)行斷面微觀形貌分析的時(shí)候，為了提高分析結(jié)果的可靠性，除了對(duì)宏觀疲勞區(qū)斷口進(jìn)行比較之外，還需要比較靜載試件斷口與疲勞試件斷口之間的不同，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，疲勞試件的疲勞區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜載試件的疲勞區(qū)域，斷口的粗糙程度也比靜載試件的要高。疲勞試件的疲勞區(qū)組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維的出現(xiàn)變形現(xiàn)象，表現(xiàn)為片狀滑移形態(tài)。

對(duì)疲勞裂紋不同擴(kuò)展階段的斷面微觀形貌進(jìn)行研究，分別選取3個(gè)擴(kuò)展階段以及斷裂時(shí)的試樣，在顯微鏡下進(jìn)行觀察。在疲勞裂紋出現(xiàn)增韌效果之前，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的晶體顆粒之間有著緊密的連接關(guān)系，主要以大顆粒聚合物的形態(tài)存在，沒有明顯的拉裂現(xiàn)象。當(dāng)疲勞裂紋的增韌區(qū)被突破以后，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生非常明顯的變化，出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，以多種形態(tài)表現(xiàn)出來，有的絮狀物拉絲形成的小范圍結(jié)構(gòu)與森林相似；有的結(jié)晶體壁上由于平面應(yīng)力作用下形成的“薄膜狀”大范圍凸起的層狀物等，與增韌之前的斷面形貌相比，存在很大的差異。到疲勞裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，進(jìn)入快速擴(kuò)展階段后，斷面會(huì)變得較為平滑，并且伴有穿晶斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)試件失去性能，完全斷裂時(shí)，斷面的表面沒有顆粒狀的晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，同時(shí)也沒有發(fā)生隆起現(xiàn)象，斷面形貌變得更加光滑，符合脆性斷裂的斷面形貌特征。

3.改性聚丙烯的Ⅰ型疲勞裂紋及斷面微觀形貌研究的結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)可以知道改性聚丙烯的Ⅰ型疲勞裂紋擴(kuò)展分為3個(gè)階段，分別是裂紋擴(kuò)展源階段、裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段、裂紋快速擴(kuò)展階段，在不同階段，裂紋所表現(xiàn)出來的擴(kuò)展趨勢(shì)是不同的，在第一擴(kuò)展階段時(shí)期，裂紋在增韌區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出緩慢的擴(kuò)展趨勢(shì)，到達(dá)到增韌區(qū)臨界點(diǎn)時(shí)，裂紋不再繼續(xù)擴(kuò)展；當(dāng)改變載荷，使改性材料突破增韌區(qū)后，裂紋擴(kuò)展速率呈穩(wěn)定上升的直線趨勢(shì)，直線會(huì)有一個(gè)較為固定的斜率；進(jìn)入第三擴(kuò)展階段之后，直線的斜率變大，裂紋擴(kuò)展速率明顯加快，在荷載的作用下，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生斷裂。

通過光學(xué)顯微鏡對(duì)疲勞裂紋的斷面形貌進(jìn)行觀察，疲勞區(qū)在增韌之前，其結(jié)構(gòu)形態(tài)主要是大顆粒的晶體聚合物，拉絲現(xiàn)象不明顯；當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入到第二階段，斷面形貌就變得多樣化，會(huì)出現(xiàn)絮狀物拉絲、層狀物凸起，以及微薄膜和微纖維等結(jié)構(gòu)；疲勞裂紋進(jìn)行繼續(xù)擴(kuò)展，其表面結(jié)構(gòu)會(huì)變得平滑，很難發(fā)現(xiàn)有大顆粒的晶體聚合物結(jié)構(gòu)；徹底斷裂之后，斷面會(huì)變得更加光滑，上面分布有類似于河流狀的紋理，沒有結(jié)晶體和凸起物。

結(jié)語

利用有效的手段和相關(guān)的設(shè)備儀器，對(duì)改性聚丙烯的Ⅰ型疲勞裂紋及斷面微觀形貌進(jìn)行試驗(yàn)研究，能夠?qū)ζ淦趽p傷性能進(jìn)行更加全面、深刻地了解，根據(jù)其具體性能，加以更加科學(xué)、合理地利用，降低用改性不丙烯材料制成的構(gòu)件發(fā)生斷裂，而引起的各種損失，使這種材料在未來的發(fā)展中得到更好的應(yīng)用。

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