了解聚合物中的应变率敏感性

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材料行为从根本上由时间和温度的等效性决定。但处理器和设计人员往往会忽略这一原则。这里有一些指导。
粘弹性行为的一个基本原理是时间和温度在确定材料行为方面的等效性。由于所有聚合物本质上都是粘弹性的，因此该原理适用于所有塑料的机械性能。不幸的是，这些原则通常只在提供非常严格的数学处理的教科书中得到解决。实际意义往往会迷失在数学中；因此，设计塑料部件和指定原材料的工程师仍然没有意识到这一非常重要的原则。

简单地说，在负载下，温度升高的影响也可以通过延长时间而不增加温度的影响来观察。例如，聚丙烯的模量可以从室温下的 1600 MPa (232 kpsi) 降低到 60 C (140 F) 下的 800 MPa (116 kpsi)。模量是刚度的量度，定义为应力除以应变。如果我们在室温下对这种 PP 梁施加 4 MPa (580 psi) 的应力，我们会立即观察到 0.25% 的应变。如果我们在 60 C 对材料执行相同的操作，我们会观察到 0.50% 的更高应变，这反映在由温度升高引起的模量降低中。然而，如果我们在室温下施加相同的 4 MPa 应力，然后将该应力保持 10 小时，我们将观察到相同的总应变为 0.50%。
在不增加温度的情况下延长时间的影响也可以观察到温度升高的影响。

第一个 0.25% 会在我们施加压力的那一刻发生，剩下的 0.25% 会在接下来的 10 小时内发生，这种现象我们称之为蠕变。在此示例中，时间-温度等值是增加 40° C (104° F) 等于 10 小时。这种等效的细节因材料而异，甚至可以根据感兴趣的温度范围对给定的材料有所不同。


应变率是时间的倒数。较长的时间与较低的应变率有关，而较短的时间与较高的应变率有关。因此，较低的应变率模拟了在较高温度下观察到的行为，而较高的应变率反映了较低温度下的行为。图 1 显示了该原理的一个示例。使用三种不同的应变率在相同温度下对 PP 材料进行拉伸测试，这由拉伸测试仪的十字头移动的速度表示。在最慢的十字头速度下，材料的屈服强度和模量处于最低值。

随着速度的增加，屈服强度和模量也增加。仅仅由于应变率的增加，材料似乎变得更坚固和更硬，这种效果也可以通过保持应变率恒定并逐渐降低测试温度来实现。

塑料材料和许多其他类型材料的一个重要行为原则是，随着强度和刚度的增加，延展性降低。在拉伸试验中，断裂伸长率或极限伸长率被认为是延展性的相对量度。虽然图 1 没有显示拉伸试验的全尺寸，但观察到在 5 毫米/分钟的最慢十字头速度下，极限伸长率超过 300%，而在 50 毫米/分钟的断裂值是 125 %，并以 500 mm/min 的速度进一步降低到 30%。

冲击试验是使用更高应变率谱评估延展性的另一种方法。图 2 和图 3 显示了在室温下使用两种不同的速度对 PVC 材料进行的仪表冲击测试结果：分别为 15 英尺/秒和 5 英尺/秒。紫线表示样品上的负载，而蓝线表示在产生故障的过程中收集的能量。


图 2 中的高速测试显示负载在大约 3 毫秒的时间内迅速增加。一旦测试达到最大值，负载就会迅速下降，这表明发生了脆性故障。几乎所有产生故障所需的能量（总共 21 焦耳）都用于引发故障的过程，而产生最终故障所需的额外工作很少。


图 3 所示的低速测试看起来像是在不同且更坚韧的材料上进行的。负载逐渐增加，部分原因是初始冲击的速度较低。但是当达到峰值负载时，可以观察到最重要的区别。这种材料不会立即失效，而是继续管理事件的能量，将测试的时间范围延长到 20 毫秒以上，这对于冲击测试来说是永恒的。导致完全失效所需的总能量增加了大约 50% 至 32 焦耳。但最重要的是，由于冲击速度的变化，破坏模式从脆性转变为延性。

这里说明的两种变化，在 PP 的拉伸试验和 PVC 的冲击试验中，也可以通过保持应变速率相同并改变进行测试的温度来产生。降低温度与提高应变率具有相同的效果，而提高温度与降低应变率具有相同的效果。如果您没有被告知测试是如何执行的，您将无法知道选择了哪个更改。这就是重点——塑料也不行。

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