有機玻璃在寬溫度、寬應變率范圍壓縮性能實驗研究

胡文軍，陳勇梅，謝若澤，敬　華，何　鵬

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

有機玻璃在寬溫度、寬應變率范圍壓縮性能實驗研究

胡文軍，陳勇梅，謝若澤，敬華，何鵬

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

采用分離式Hopkinson壓桿實驗裝置和材料試驗機對有機玻璃（PMMA）進行不同溫度和不同應變率的壓縮實驗研究，獲得PMMA在-70～120℃溫度范圍和10-4/s～103/s應變率范圍內應力應變曲線，分析應變率和溫度對PMMA屈服應力和屈服應變的影響規律。結果表明：屈服應力隨溫度降低和應變率升高而增大，屈服應變隨溫度降低而增加；在不同應變率范圍內，屈服應變隨應變率增加的變化規律較為復雜。在-70～120℃溫度范圍和低應變率條件下，屈服應力和應變與溫度關系可以用線性方程和帶指數函數多項式進行描述，在室溫條件和應變率為10-4/s～103/s范圍內，屈服應力隨對數應變率呈雙線性關系增加，而屈服應變與應變率的關系較為復雜。

有機玻璃；應變率；壓縮實驗；屈服應力；力學性能

0　引　言

有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）是一種透明的熱塑性聚合物材料，該類材料已在工程中得到了廣泛應用，已經被廣泛應用于國民生產的各個行業，如飛機的風擋、舷窗及戰斗機的座艙蓋，也用作吉普車的風擋和車窗、大型建筑的天窗（可以防破碎）、電視和雷達的屏幕、儀器和設備的防護罩、電訊儀表的外殼、望遠鏡和照相機上的光學鏡片等。有機玻璃作為玻璃態高聚物的典型代表，具有粘彈性質，其應力-應變行為明顯受到試驗溫度和加載歷程的影響。長期以來，對有機玻璃力學性能的研究一直受到重視。

Li等對PMMA和PC進行了等溫準靜態、動態壓縮實驗，并用高速紅外線探測儀測量瞬時溫度，以求得塑性功轉變成熱的量。證明隨應變率的增大，PMMA的壓縮屈服強度增大，并由初性向脆性轉變，PMMA失效時存在熱量轉變［1］。通過對PMMA不同應變率下的準靜態、動態拉壓試驗發現，準靜態表現為靭性斷裂，動態時表現為脆性斷裂，而且動態的拉壓結果差別很大，而準靜態比較接近［2］。吳衡毅等［3］研究認為PMMA拉伸實驗具有明顯的應變率敏感性，隨應變率增大，材料強度和初始模量增大，但斷裂應變減小。PMMA在有約束和無約束條件下的準靜態、動態壓縮實驗發現：脆性斷裂只發生在高應變率機制下，圍壓與應變率對脆性一初性轉變起相反作用，如低應變率下需要較高的圍壓應力使其轉變，基于Drucker-Prager模型擬合得到了PMMA的流動準則［4-5］。Forquin等［6］在上述研究的基礎上，考慮了約束管套與試件的摩擦，通過測量管套外的應變，模擬計算得到該應變與圍壓的對應關系，認為約束圍壓對強度的影響較小，溫度相同時主要影響因素仍為應變率。也有研究人員對有機玻璃純I型和純II型動態斷裂行為［7］、動態壓縮行為及本構關系［8-9］、不同應變率下的壓縮破壞行為［10］進行了研究，取得了理想的研究成果；對于飛機用航空有機玻璃，從力學性能極其影響因素［11］、疲勞問題［12-15］等進行過研究，為飛機的安全提供了可靠的實驗數據，但上述研究的溫度和應變率范圍相對較窄。本文采用萬能材料試驗機和分離式Hopkinson壓桿實驗裝置，對商用PMMA材料進行更寬應變率和寬溫度范圍的實驗研究，以期掌握和了解PMMA材料應變率從10-4/s～103/s、溫度從-70～120℃范圍內的力學性能，為工程應用提供依據。

1　實　驗

1.1實驗材料

實驗采用晨光化工研究院生產的PMMA棒材，直徑25mm，經機械加工為實驗所需的試樣尺寸。其中靜態壓縮試樣直徑為20mm、高度為20mm；動態壓縮試樣直徑為20mm、高度為10mm。

1.2實驗裝置及設備

動態壓縮試驗選用加載裝置導桿直徑25mm的SHPB裝置，如圖1所示。應變、應變率和應力可從波導桿上應變片記錄的信號求得；由于PMMA材料的波阻抗較小，為了減小波阻抗不匹配對測試結果的影響，動態壓縮采用鋁桿作為輸入和輸出的波導桿，同時采用300mm的鋁彈丸作為撞擊器，以便獲得較長脈沖寬度；準靜態試驗在MTS810疲勞試驗機上進行。所有試驗均在試樣的兩個端面涂有潤滑油，以減小試樣和端面之間的摩擦，試驗前試樣在測試環境溫度進行狀態調節48h。

圖1　SHPB實驗裝置示意圖

1.3實驗數據處理

根據SHPB試樣的均勻性假設，動態壓縮時PMMA材料的應力、應變和應變率分別為

式中：ls——試樣的長度；

As——試樣的橫截面積；

A——波導桿的橫截面積；

C0——波導桿的彈性縱波速度；

E——波導桿的彈性模量；

εi、εr、εt——波導桿記錄到的入射脈沖、反射

脈沖和透射脈沖。

在SHPB實驗中，按式（1）～式（3）計算出PMMA材料在動態壓縮下得應力、應變和應變率。準靜態壓縮實驗由試驗機直接獲得應力應變曲線。最后按體積原理將工程應力應變轉化為真應力-真應變曲線。

2　實驗結果與分析

2.1溫度對PMMA壓縮性能的影響

在應變率為1.67×10-3/s時，不同溫度下PMMA的壓縮應力應變曲線見圖2。從圖可知：從圖可以看出，PMMA從-70～120℃溫度范圍內，隨溫度升高，屈服應力逐漸降低，屈服應變逐漸減??；當溫度為-70℃時，出現屈服后，材料很快被壓脆，當溫度為120℃時，PMMA呈橡膠態，沒有明顯的屈服點。

圖2　不同溫度下PMMA材料的應力應變曲線

根據圖2的實驗結果，提取不同溫度下的屈服應力和對應的應變數據，可以得到溫度對PMMA材料屈服應力和屈服應變的影響規律關系曲線，如圖3所示。圖3清楚顯示了溫度對PMMA屈服應力和屈服應變的影響規律。隨溫度升高，屈服應力呈線性關系降低；而屈服應變隨溫度升高，其下降趨勢是非線性的。其變化關系可以用式（4）和式（5）表示。

圖3　PMMA屈服應力和應變隨溫度變化曲線

式中σY、εY和T分別表示屈服應力、屈服應變和攝氏溫度。

2.2應變率對PMMA壓縮性能的影響

圖4給出了PMMA材料在溫度為25℃時，典型動態壓縮的原始實驗波形。根據實驗原始波形，利用式（1）～式（3）進行數據處理，可以得到PMMA材料在不同應變率下的動態壓縮應力應變曲線。

圖4　PMMA動態壓縮的典型原始波形

圖5　不同應變率下PMMA的應力應變曲線

為了便于對比分析，將準靜態和動態壓實驗的應力應變曲線統一繪制在圖5中?？梢钥闯觯簯兟蕦MMA壓縮性能的影響明顯分為兩組，一組是應變率在10-4/s～10-1/s范圍內的準靜態實驗結果，材料變形較大，屈服應力和屈服應變隨應變率升高而增加，另一組是應變率在102/s～103/s范圍內，材料的整體變形較小，屈服應力和屈服應變同樣隨應變率升高而增加。

為了清楚理解應變率對PMMA壓縮性能的影響規律，從圖5提取不同應變率下的屈服應力和屈服進行作圖，見圖6所示。從圖6可知：屈服應力與對數應變率呈雙線性關系，可以用下式進行描述，而屈服應變隨對數應變率的增加，其變化關系較為復雜，難以用簡單的函數關系描述。

圖6　PMMA材料屈服應力和應變與對數應變率的關系曲線

當10-4/s≤ε˙≤10-1/s時，

當102/s≤ε˙≤103/s時，

3　結束語

有機玻璃（PMMA）的壓縮性能受溫度和應變率的影響較大，在應變率為10-3/s條件下，當溫度從-70～120℃溫度變化時，屈服應力呈線性降低，屈服應變則按多項式降低，當溫度達到120℃時已無明顯的屈服點，且溫度較低時，其破壞應變較小；在室溫條件下，當應變率為10-4/s～103/s范圍變化時內，屈服應力隨對數應變率呈雙線性關系增加，而屈服應變與應變率的關系較為復雜。

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（編輯：徐柳）

Experimental study on compressive property of PMMA within wide temperature and wide strain rate range

HU Wenjun，CHEN Yongmei，XIE Ruoze，JING Hua，HE Peng
（Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

Compression test research on polymethyl methacrylate（PMMA）has been carried out under different temperatures and strain rates by split-Hopkinson compression bar test device and material testing machine，and the stress-strain curves of PMMA within the temperature range of -70-120℃ and strain rate range in 10-4-103/s were obtained and the influence rule of strain rate and temperature on yield stress and yield strain of PMMA was also analyzed.The results showed that the yield stress increases with the decreasing temperature and increasing strain rate and the yield strain increases with the decreasing temperature.Within different strain rate range，the change rule that yield strain increases with the strain rate is complicated.Under the temperature of-70℃ to 120℃ and low strain rate，the relation of yield stress and strain and temperature can be described by linear equation and exponential function polynomial.Within the range of room temperature and strain rate being 10-4-103/s，the yield stress increases in bilinear relation along with the logarithmic strain rate.Besides，the relation between yield strain and strain rate is relatively complicated.

PMMA；strain rate；compressive experiment；yield stress；mechanical property

A

1674-5124（2016）10-0009-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.002

2016-05-10；

2016-06-20

國家自然科學基金（11272300）

胡文軍（1966-），男，重慶市人，研究員，博士，主要從事材料力學行為研究。