欢迎来到荣格工业资源网
首页 >新闻>新闻详情

弹性体和热塑性弹性体的高应变率测试

来源:荣格国际橡胶商情     发布时间:2019-05-12
分享到:
打开微信扫一扫并分享


弹性体和热塑性聚酯(TPEs)在许多不同的应用和行业上使用。这些材料越来越多地用于高应变率和冲击应用。由于其固有的分子结构,弹性体和TPEs表现出应变率相关的响应:随着材料变形速度的加快,材料的响应会发生变化,变得更硬。在设计具有较高应变率的零件时,工程师需要考虑到这种影响。如果没有正确地理解这种应变率相关的行为,部件可能会设计过度或设计不足,在使用过程中表现欠佳,或者由于添加外部材料而不断增加生产成本。图1显示了由三元乙丙橡胶(EPDM)和聚丙烯(PP)共混物制成的热塑性弹性体(TPV)材料。当应变速率增加到250应变/秒时,材料在高伸长率下的硬度约为60%。除了材料的应力应变行为变化外,许多材料在高应变率下还有不同的失效行为。大多数材料在高应变率下变脆,有些材料发生了剧烈的变化。

图1、山都平的拉伸试验数据;在150%的工程应变下,材料的硬度为60%

了解材料的行为方式对于选择最佳材料和根据使用中的载荷情况优化组件的设计至关重要。因此,在多应变速率下测试覆盖实际应用应变率的材料至关重要。虽然准静态试验方法已为人们所熟知,但冲击率试验是一个新兴的领域,有许多试验方法。很难以这些应变率测试弹性体和TPEs;低样品受力、低密度和低波速(或声阻抗)使得测试更加困难。为获得准确、可靠的试验结果,必须对试验设备进行仔细的试验设计和选择。

受力和应变测量

准确测量受力和样品应变(或位移)对于高质量的测试方法和测试计划至关重要。现代的受力和应变测量系统使这项工作变得更加容易。

数字图像相关(DIC)是一种越来越常用的、先进的测量样本应变和位移的方法。DIC方法使用具有随机散斑图案的样本,这些散斑图案应用于油漆或油墨中。 图2显示了一个带有散斑图案的拉伸试样。在整个测试 过程中,电脑控制的摄像机会记录样本图像,并将其保存起来进行后处理。样本图像被分割成更小的区域,类似于有限元网格; 利用图像分析方法计算各区域的位移和应变。将各个区域结合起来,计算全场试样的应变和位移。所有试样的应变历史都可以测量和分析。

图2、ASTM D638 IV 型拉伸试样上的DIC散斑图

DIC最初是作为一个单一的摄像系统开发的,因此这些系统无法测量平面外的位移。 在2D系统中,测试工程师必须在测试样品设置过程中小心谨慎;任何垂直于相机的运动都会在计算中引入显著的误差。立体摄像系统和3D DIC现在很常见。利用该系统,两台摄像机从两个不同的角度记录试验,并测量包括平面外位移在内的全三维位移场。

图3、山都平在低应变率下进行拉伸试验的 DIC轴向真应变轮廓图

与传统的延伸仪或激光延伸仪系统相比,DIC应变测量具有许多优点。DIC系统可以测量高达和超过1,000%应变的样品,精度可达10微应变。此外, 任何应变定位或故障影响都可以在整个测试过程中进行测量;如果样品在测试过程中出现颈缩或撕裂,则可以测量和分析这些值。此外,所有的应变测量都是在没有样品接触的情况下进行的,因此测量系统不会产生任何影响。最后, 用一应变测量系统,可以对所有的应变分量进行测量。图3显示了TPE材料拉伸试验的DIC应变曲线。目前已有多个商业DIC软件包以及开源软件包。

通用测试机

通用测试机或通用测试系统 (UTS)用于聚合物的低应变率测试,通常可达10应变/秒。UTS有两种不同的配置:伺服液压或机电机械。尽管伺服液压机更适合更高的应变率和疲劳应用,但通常情况下,这两个系统是可互换的。UTS 的优点是具有良好的特性和验证性,并包括复杂的夹具和精确的控制系统。例如, 测试工程师可以对复杂的应变历史进行编程,以测试材料在控制系统中的响应,包括加载、卸载、蠕变或松弛以及循环加载。不幸的是,只有中等适度的应变率可以在这些系统中实现。

分离式霍普金森压杆

分离式霍普金森压杆(SHPB),或称考尔斯基杆(Kolsky bar)是一种动态的、基于应力波的实验方法,用于测量材料的高应变率响应,最高可达每秒约 10,000应变。可将SHPBs配置为压缩、拉力、扭转或剪切测试,其在研发应用上有着悠久的使用历史。

图4显示了SHPB的示意图。该系统由气动气缸、撞锤杆、入射杆和传输杆组成。气缸被加载预先设定的压力,并使撞锤杆加速。撞锤杆向入射杆传递应力波, 从而撞锤杆的速度也得到测量。应力波透过入射杆进入样品,最后传至传输杆。杆是用一种知名的材料制成的,入射杆和传输杆的应变使用应变仪测量。通过应变仪测量,计算样品的应力和应变,并计算出样品的应用载荷和应变历史。

图4、分离式霍普金森压杆(SHPB)原理图

当用于弹性体和TPEs时,需要仔细设计SHPB。如果入射杆和传输杆的声阻抗过高,则很少将能量(和变形)传输到样品中。SHPB系统是为测试材料而设计的:用于塑料的SHPBs使用铝杆; 弹性体和TPEs的SHPBs通常使用聚甲基 丙烯酸甲酯或称压克力(PMMA)杆。 虽然PMMA杆产生良好的材料响应,但 PMMA杆是粘弹性材料。由于测试的数据分析使用了杆件的机械响应,这就带来了额外的复杂性和潜在的误差。

SHPB是一个经过验证的、性能良好的系统,具有很高的测试应变率,尽管它也有局限性。软材料,如弹性体和 TPEs,更难以用SHPB进行测试和分析, 会在测试数据中引入额外的不确定性。 此外,总测试应变受SHPB的限制。

落塔

落塔是一种通用工具,可用于测试弹性体和TPEs,应变率高达约1,000应 变/秒。落塔使用下降的重量来加载样品,不同的固定装置用于拉伸、压缩或剪切测试。以威利斯特工程服务公司定制的落塔为例,在该系统中,用高速摄像机(>100,000 帧/秒)和DIC测量样品应变;用动态测力仪测量试样受力。 通过改变落锤高度来控制测试应变速率,材料可以在张力高达1000%的应变下测试。

设计良好的落塔系统将为所有类别的聚合物(尤其是弹性体和TPEs)提供高精度且大多是无失真的材料数据。此外,样品可以在拉伸和压缩两种情况下 测试非常大的应变。虽然适用于大多数撞击条件的速率是可能的,但落塔可达到的最大应变速率仍受限制。

逆向测试方法

当难以或不可能达到具有均匀应变场的高应变率时,逆向测试方法很有吸引力,这对于弹性体和TPEs来说往往是如此。由于其相对柔软性和较低的声阻抗,在高应变速率下,施加的应变场可能不均匀。逆向测试方法可以克服这一困难。采用逆向测试方法,对加载过程中的力和位移进行了测量,并利用有限元模型对试验进行了模拟,计算了材料响应。采用候选材料模型进行了模拟仿真,并将受力和位移模拟仿真结果与实验数据进行了比较。然后利用非线 性搜索算法将候选材料模型与实验数据之间的误差降至最低。

一种常见的逆向测试方法的一个例子是球冲击或球落下实验。一个圆柱体的材料被放置在一个动态载荷传感器 上,一个滚珠轴承(通常是钢)从一个已知的高度下降。记录样品上的力,并根据牛顿定律计算位移。图5显示了对橡胶材料进行有限元模拟的结果。在这种情况下,样品的应变范围在5000应变/ 秒,远远高于那些可以在落塔上实现的应变。

图5、橡胶材料球冲击试验的有限元模拟仿真;等高线显示样品的有效应变率,达到3,500应变/秒

逆向测试方法的另一个例子是泰勒撞击实验。在这个测试中,一个圆柱形的试样从气枪中射向一个刚性的压板。 最初的实验是根据试样的变形形状来预测屈服应力,但现代的测力仪和高速摄像机允许实时测量力和位移。然后将这些数据与有限元模型一起用于模拟材料在高速率下的响应。这种方法的冲击速率可达10,000应变/秒。

通常,逆向测试方法可对所有类别的材料进行极高的应变率测试,特别适用于弹性体和TPEs。尽管实验可以生成纯净的数据,但需要额外的数据处理来从这些测试中捕获材料的行为。除了较高的应变速率外,逆向测试方法还使用多轴载荷。这对于在更复杂的加载模式下验证材料模型、建立对材料模型的信心非常重要。

材料模型的选择和校准

有限元分析是设计工程师了解设计部件在使用过程中的应力和变形的有力工具。分析可用于验证组件是否将执行或是否需要重新设计。有限元分析有三个输入: 元件几何形状、应用载荷和约束以及材料行为。几何形状和应用载荷是根据载荷情况明确界定的,但是使用复杂的先进材料,如弹性体和TPEs, 很难准确捕捉材料响应。先进的工具可以校准捕获应变率相关材料响应的高级材料模型,包括用于有限元软件和威利斯特工程公司的M校准工具。M校准使用非线性优化过程将模拟材料响应与实验数据相匹配。然后将材料参数导出到有限元软件中进行模拟仿真,从而实现高级模拟仿真,以便在实际装载条件下分析和设计产品。

结论

弹性体和TPEs是复杂的材料,由于其分子结构而表现出应变速率依赖性。这种速率相关行为会极大地改变材料的应力应变响应,并影响设计的元件行为。对于弹性体和TPEs等软材料, 在多种加载模式下均可采用精确的现成方法。每种测试方法都提供了每种材料和测试程序需要考虑的优点和缺点。设计良好的测试计划可以提供高度准确的数据,使材料或设计工程师能够为用户创建更好的最终产品。最后,纯净、准确的数据使工程师能够校准用于有限元模拟仿真的材料模型。

 

 

 

作者:Sean Teller(威利斯特工程服务公司)

本文译自RUBBER WORLD

0条评论

回到顶部