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    聚甲基丙烯酰亞胺泡沫平面斷裂韌性實驗研究

    2021-03-24 08:05:10陳新文馬思奇
    科技與創(chuàng)新 2021年4期
    關鍵詞:斷裂韌性前緣泡沫

    楊 洋,陳新文,王 翔,馬思奇,郭 寧

    (中國航發(fā)北京航空材料研究院,北京100095;航空材料檢測與評價北京市重點實驗室,北京100095;中國航空發(fā)動機集團材料檢測與評價重點實驗室,北京100095)

    聚甲基丙烯酰亞胺(Polymethylimide,PMⅠ)泡沫是一種輕質(zhì)交聯(lián)的多孔硬質(zhì)泡沫塑料,具有密度低、比強度高、比模量高、熱穩(wěn)定性良好、易于加工等特點。同時,PMⅠ泡沫可與各種夾層面材復合,能承受高溫復合材料固化工藝,能夠適應各種成型方法[1-4]。由于其優(yōu)異的性能,PMⅠ泡沫在航空航天、船舶兵器、能源動力、交通運輸、醫(yī)療體育器材等領域得到廣泛應用[5-7]。而PMⅠ泡沫的平面斷裂韌性作為一項重要韌性指標,對于結(jié)構(gòu)強度設計具有重要意義。工程結(jié)構(gòu)的突然斷裂通常是由于裂紋的快速擴展或失穩(wěn)擴展造成的。平面應變斷裂韌性KⅠC表征材料在線彈性范圍內(nèi),帶裂紋工作時抵抗裂紋的能力,是材料的一種固有力學屬性,不僅能正確反映材料抵抗低應力破壞的能力,而且還能預判斷裂應力[8-10]。

    本文通過針對含有預制裂紋的PMⅠ泡沫CT 試樣,開展了平面斷裂韌性實驗,并獲得了相應載荷-位移曲線。隨后通過超景深三維顯微鏡獲得了CT 試樣斷口的顯微圖和三維形貌,標定了裂紋前緣,并精確測量了裂紋長度。最終通過計算獲得PMⅠ泡沫的平面斷裂韌性KⅠC大小和離散系數(shù),證明了實驗的可行性和可靠性。

    1 實驗材料與方法

    1.1 實驗材料及試樣

    實驗所用材料為未經(jīng)熱處理的PMⅠ泡沫板材,密度為110 kg/m3。參考ASTM D 5045 標準[11],切割為如圖1 所示的緊湊拉伸(Compact Tension,CT)試樣。圖1(a)為CT試樣示意圖,其中W為100 mm,B為50 mm。圖1 中的缺口首先通過薄鋸片機加工出尖端近似V 形的凹槽,然后使用薄刀片切出V 形凹槽尖端的最后2~4 mm,來預制出一個近似天然的裂紋。預制的裂紋應保證應力在試樣厚度方向上均勻分布,并且在預期的裂紋擴展面兩側(cè)對稱分布。機加工的凹槽深與刀片預制裂紋長度之和為a,需滿足0.45<a/W<0.55。CT 試樣實物如圖1(b)所示。

    圖1 CT 試樣

    1.2 實驗過程與方法

    平面斷裂韌性實驗按照ASTM D 5045 標準進行。實驗前將待測試樣置于(23±2)℃和相對濕度為(50±10)%的大氣環(huán)境下24 h 進行狀態(tài)調(diào)節(jié)。實驗溫度為23 ℃,選取5件已完成裂紋預制的試樣進行PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗。將試樣安裝于如圖2 所示的PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗加載系統(tǒng),加載系統(tǒng)由Ⅰnstron 5882 電子萬能試驗機和MTS斷裂韌性實驗夾具組成。以10 mm/min 速率對試樣施加載荷,直到試樣斷裂,停止實驗,同時記錄載荷-位移數(shù)據(jù)。

    試樣斷裂以后,在斷口上測量裂紋長度a。由于試樣為乳白色均質(zhì)多孔材料,直接通過肉眼難以分辨裂紋前緣。因此采用OLYMPUS DSX110 超景深三維顯微鏡對斷裂試樣斷口區(qū)域進行不同高度掃描,并合成三維形貌,來進行裂紋前緣的標定和裂紋長度的測量。

    圖2 PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗加載系統(tǒng)

    2 結(jié)果與分析

    PMⅠ泡沫平面斷裂韌性試樣的載荷-位移數(shù)據(jù)如圖3 所示。從圖3 中可見,加載起始時,隨著位移的增加,載荷增加越來越緩慢,變化較小。當試驗機夾頭位移上升到約0.5 mm 時,載荷開始增大,此階段載荷和位移基本呈線性關系,曲線比較平滑,裂紋逐漸張開,直至達到最大載荷。隨后載荷逐漸呈階梯狀下降,加載過程中CT 試樣沿著預制裂紋逐漸斷裂,最終斷為兩截,其破壞模式如圖3 所示。

    圖3 PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗載荷-位移曲線及其破壞模式

    通過超景深三維顯微鏡觀測平面斷裂韌性實驗斷口,如圖4(a)所示。獲得裂紋前緣顯微如圖4(b),并生三維形貌如圖4(c)所示。通過三維形貌圖可以看出,通過刀片預制的裂紋較平緩,而裂紋擴展后的天然裂紋區(qū)域具有較大的高低落差,粗糙度明顯大于預制裂紋的區(qū)域,因此通過識別平緩區(qū)和粗糙區(qū)的分界線,可以明晰地標定出裂紋的前緣,繪制出裂紋前緣連線,并測量出裂紋的真實長度。取沿厚度方向從缺口外邊及加載線到裂紋前緣測量5 處,即裂紋前緣的中心三點A2、A3、A4 以及每個表面上裂紋前緣邊緣A1、A5,如圖4(d)所示。五處測量長度分別為a2、a3、a4以及a1和a2,取平均值作為裂紋長度a,即a=(a1+a2+a3+a4+a5)/5。

    圖4 平面斷裂韌性實驗斷面測量

    參考ASTM D 5045 標準,條件斷裂韌性KQ按照下式進行計算:

    式(1)中:KQ為條件斷裂韌性,MPa·m1/2;Pm為最大破壞載荷,kN;B為試樣厚度,cm;W為試樣寬度,cm。

    f(x)為有限寬度校正系數(shù),按照下式進行計算:

    式(2)中:x=a/W且0.45

    按照本方法,只有試樣厚度B、裂紋長度a以及韌帶尺寸(W-a)均滿足下式,實驗結(jié)果才是有效的:

    式(3)中:KQ為條件斷裂韌性,MPa·m1/2;σy為PMⅠ泡沫屈服強度,MPa,本研究通過采用ASTM D 695 標準[12],對PMⅠ泡沫拉伸試樣進行實驗獲得PMⅠ泡沫屈服強度,大小為4.34 MPa。

    如果材料的形狀能滿足式(3)的要求,則平面應變斷裂韌性KⅠC=KQ。

    將實驗獲得的每一件試樣的最大載荷、裂紋長度、試樣厚度、寬度以及裂紋長度代入式(1)(2)中計算獲得條件斷裂韌性,然后通過公式(3)進行有效性判斷,得到每件PMⅠ泡沫CT 試樣的平面斷裂韌性,具體數(shù)據(jù)如表1 所示。其平均值大小為0.103 MPa·m1/2,離散系數(shù)大小為2.66%,顯示實驗結(jié)果具有較好的重復性。

    3 結(jié)論

    通過PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗加載系統(tǒng),對含有預制裂紋的PMⅠ泡沫CT 試樣開展了平面斷裂韌性實驗,并獲得了相應載荷-位移曲線。隨后通過超景深三維顯微鏡獲得了CT 試樣斷口的顯微圖和三維形貌,標定了平面斷裂韌性實驗裂紋前緣,并精確測量了裂紋長度。為多孔材料平面斷裂韌性實驗裂紋長度測量提供了新的方法。最終通過計算獲得PMⅠ泡沫的平面斷裂韌性KⅠC為0.103 MPa·m1/2,且離散系數(shù)2.66%,充分證明了實驗的可行性和可靠性。

    表1 PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗結(jié)果

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