有機(jī)玻璃在不同情況下的變化
拉伸試樣幾何尺寸工程實(shí)際應(yīng)用中迫切需要知道MDYB23的斷裂破壞應(yīng)變。而這種材料的動態(tài)拉伸試驗(yàn)中存在許多困難。為了保證試樣在有效段內(nèi)斷裂，并且有效捕獲透射桿上的微小信號，試樣設(shè)計(jì)為所示形狀。大的圓弧過渡即保證了試樣在有效段內(nèi)斷裂，又有效地降低了試樣中應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生。為了有效地實(shí)現(xiàn)波阻抗的匹配和改進(jìn)信噪比，在動態(tài)拉伸試驗(yàn)中將透射桿材料改為波阻抗較小的鋁。這些方法更加有效地獲得了MDYB23的動態(tài)拉伸性能。但是試樣上的圓弧過渡卻使得由Hopkinson桿得出的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的可靠性受到了質(zhì)疑。為了說明動態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的有效性，在試驗(yàn)前通過直接在試樣上貼應(yīng)變片獲得試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，然后與分離式Hopkinson拉桿的入射桿和透射桿上應(yīng)變片計(jì)算出的試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行比較，結(jié)果，表明了試樣上應(yīng)變片測得的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與由分離式Hopkinson拉桿計(jì)算出的試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本相同。即可認(rèn)為本文建立的分離式Hopkinson拉桿裝置所獲得的MDYB23試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線是可靠的。在高應(yīng)變率試驗(yàn)中為了滿足試樣保溫時(shí)間長、保溫過程穩(wěn)定等要求，采用反饋式加熱系統(tǒng)，試樣直接置于加熱爐內(nèi)。低的試驗(yàn)溫度由液氮獲得。因而使試驗(yàn)溫度可從-55e到120e.安裝于試樣上的熱電偶用來反饋并控制試樣溫度。當(dāng)溫度到達(dá)預(yù)定值后至少在該溫度保持5分鐘，使試樣中的溫度達(dá)到平衡后再開始進(jìn)行試驗(yàn)。
試驗(yàn)結(jié)果分析準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果如所示。從圖中可以看出隨著溫度的上升，材料的屈服強(qiáng)度和彈性模量依次呈現(xiàn)下降趨勢。80e和100e的曲線幾乎重合，這一現(xiàn)象說明在溫度達(dá)到或者接近有機(jī)玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時(shí)材料發(fā)生了軟化，強(qiáng)度已經(jīng)非常小。不同溫度下準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線中給出了MDYB23型有機(jī)玻璃準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中，材料屈服應(yīng)力（R0.2）和彈性模量值隨試驗(yàn)溫度的變化曲線。從圖中可以明顯地看出，材料的屈服應(yīng)力和彈性模量都隨溫度的升高而呈下降趨勢。當(dāng)溫度上升到80e以上時(shí)，材料的彈性模量和屈服應(yīng)力都趨于平緩，也就是中80e和100e曲線重合的現(xiàn)象；當(dāng)溫度低于-18e時(shí)，彈性模量的變化也十分緩慢，而屈服應(yīng)力卻沒有表現(xiàn)出這一性質(zhì)。即在較高溫度下材料的剛度與強(qiáng)度都下降到一個(gè)定值。在溫度較低時(shí)材料的剛度基本——上接——近于一個(gè)恒定的極限值，強(qiáng)度卻隨溫度的下降（0e以下）呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢。高分子物理學(xué)認(rèn)為接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，高聚物的分子鏈段由初始的/凍結(jié)0狀態(tài)向/自由0狀態(tài)轉(zhuǎn)變。因此分子鏈段的運(yùn)動變得相對容易，其力學(xué)狀態(tài)介于固體與流體之間，從而表現(xiàn)為力學(xué)性能趨向于一個(gè)定值。靜態(tài)壓縮時(shí)彈性模量和屈服應(yīng)力與試驗(yàn)溫度的關(guān)系對于動態(tài)壓縮試驗(yàn)，在應(yīng)變率為5@102PS的情況下，由應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，試驗(yàn)溫度由40e上升到100e時(shí)MDYB23的動態(tài)模量的下降速度明顯加快。而在試驗(yàn)溫度為255e和218e時(shí)，MDYB23的動態(tài)模量幾乎沒有太大的變化。另外，在試驗(yàn)溫度為40e或低于40e時(shí)，材料幾乎沒有發(fā)生塑性流動就斷裂破壞了。當(dāng)試驗(yàn)溫度上升到80e時(shí)可以從應(yīng)力應(yīng)變曲線上看到，試樣發(fā)生了一定的塑性流動變形以后才斷裂破壞。當(dāng)試驗(yàn)溫度升高到100e時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為非線性，在發(fā)生了很大的塑性流動變形后試樣才斷裂破壞。并且在試樣斷裂前，流動應(yīng)力有小幅下降，即試樣試驗(yàn)時(shí)的最大應(yīng)力并不是試樣斷裂時(shí)的應(yīng)力。
這可能是因?yàn)樵谳^高溫度下，分子鏈段的運(yùn)動相對容易，當(dāng)應(yīng)力增大到一定的值時(shí)部分鏈段開始斷裂失去承載能力，但仍有大部分分子鏈可以承受載荷直至試樣斷裂，因此在應(yīng)力應(yīng)變曲線上表現(xiàn)出了試樣的破壞應(yīng)力略低于最大應(yīng)力的現(xiàn)象。應(yīng)變率為時(shí)不同溫度下壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線所示的是應(yīng)變率為2@103PS時(shí)的試驗(yàn)曲線，與應(yīng)變率為5@102PS時(shí)類似，當(dāng)試驗(yàn)溫度大于等于80e時(shí)試樣發(fā)生了塑性流動，在試驗(yàn)溫度低于或等于15e時(shí)試樣幾乎未發(fā)生塑性流動就發(fā)生了斷裂。但是，與應(yīng)變率為時(shí)有所不同的是，應(yīng)變率為時(shí)，試驗(yàn)溫度較低時(shí)試樣發(fā)生斷裂時(shí)的破壞應(yīng)變集中在左右，而應(yīng)變率為的低溫破壞應(yīng)變在左右，斷裂時(shí)的破壞應(yīng)力大體相同（300MPa左右）。也就是說，應(yīng)變率為2@103PS時(shí)的動態(tài)模量比5@102PS時(shí)的動態(tài)模量大。應(yīng)變率為2@103PS和5@102PS的高溫試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線也存在差異，即在高的壓縮速率時(shí)試樣沒有明顯的斷裂點(diǎn)，而是在應(yīng)力達(dá)到最大峰值后緩慢下降直到試樣完全斷裂。給出了三種應(yīng)變率下壓縮模量與溫度的關(guān)系，可以看到隨著應(yīng)變率的增加，材料的模量也是增加的。也就是說這種材料存在應(yīng)變率硬化現(xiàn)象。并且隨著溫度的升高，不同應(yīng)變率的模量之間的差值是減小的，即這種應(yīng)變率硬化現(xiàn)象與溫度有關(guān)，隨著溫度的升高應(yīng)變率硬化現(xiàn)象越來越不顯著。綜合、和可以看出，隨著應(yīng)變率的增加，同一溫度下試樣屈服應(yīng)力或應(yīng)力應(yīng)變曲線上的最大應(yīng)力也隨著增加，即該材料的強(qiáng)度是隨應(yīng)變率增加而增加，亦即在試驗(yàn)中該材料表現(xiàn)出應(yīng)變率強(qiáng)化現(xiàn)象。與動態(tài)壓縮相比，MDYB23動態(tài)拉伸的特點(diǎn)是每一溫度試驗(yàn)中，試樣都發(fā)生了明顯的塑性流動。值得注意的是這一塑性流動是應(yīng)變硬化過程，即試樣在拉伸加載脈沖作用下發(fā)生屈服后出現(xiàn)了隨著應(yīng)變的增加試樣上應(yīng)力亦隨之增加的塑性流動過程。在中可以看到在試驗(yàn)溫度為120e時(shí)的動態(tài)拉伸試驗(yàn)中，試樣上應(yīng)力出現(xiàn)了兩個(gè)應(yīng)力峰值，第二個(gè)峰值略高于第一個(gè)，試樣在第二個(gè)應(yīng)力峰值出現(xiàn)后被拉斷。即表現(xiàn)出了典型的高聚物的應(yīng)力應(yīng)變曲線特點(diǎn)，在試樣屈服后的塑性區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)變軟化區(qū)和應(yīng)變硬化區(qū)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)?20e的試驗(yàn)溫度接近或高于材料的定向成型溫度，定向加工對材料性能的增強(qiáng)效果降低或消失，從而使材料表現(xiàn)出了普通高分子聚合物（未做定向加工時(shí)）的力學(xué)特性。
應(yīng)變率為時(shí)動態(tài)拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的本構(gòu)模型對典型工程塑料所進(jìn)行的一系列試驗(yàn)研究得出，在準(zhǔn)靜載荷到動態(tài)載荷范圍內(nèi)，典型高聚物的非線性粘彈性本構(gòu)行為可以由如下非線性粘彈性本構(gòu)關(guān)系來描述第一個(gè)積分項(xiàng)描述低應(yīng)變率下的粘彈性響應(yīng)，E1和H1分別是所對應(yīng)的Maxwell單元的彈性常數(shù)和松弛時(shí)間；而后一個(gè)積分項(xiàng)描述高應(yīng)變率下的粘彈性響應(yīng)，E2和H2則分別是所對應(yīng)的Maxwell單元的彈性常數(shù)和松弛時(shí)間。采用多個(gè)Maxwell單元粘彈性模型來得到有機(jī)玻璃的本構(gòu)方程。在應(yīng)變率為常數(shù)的情況下這一本構(gòu)方程表示為式。其中Ei和Hi為第i個(gè)松弛模式的彈簧模量和松弛時(shí)間。即在這一方程中用離散松弛譜來代替材料的連續(xù)松弛譜。這一本構(gòu)方程只在低、中應(yīng)變率下與試驗(yàn)結(jié)果符合得較好該材料的動態(tài)壓縮模量在低溫時(shí)也趨于一個(gè)恒值。但在高溫時(shí)卻沒在表現(xiàn)出與靜態(tài)相同的現(xiàn)象，這可能是因?yàn)樵诟邞?yīng)變率下材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有所提高，而本試驗(yàn)中溫度并沒有達(dá)到或接近這一溫度，從而沒有觀察到這一現(xiàn)象。值得注意的是，在動態(tài)拉伸試驗(yàn)中出現(xiàn)了在動態(tài)壓縮中未觀察到的塑性流動和應(yīng)變硬化現(xiàn)象。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)和已有模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)并建立了一個(gè)新的本構(gòu)關(guān)系方程，這一方程在很大的應(yīng)變率范圍內(nèi)（1@10-42@103PS）與本試驗(yàn)的結(jié)果符合得較好。
