聚碳酸酯中低應變率范圍下動態力學性能研究

葛宇靜，白春玉，惠旭龍，舒挽

（中國飛機強度研究所 結構沖擊動力學航空科技重點實驗室，西安 710065）

聚碳酸酯材料具有比強度和比剛度高、突出的透明性以及較廣的溫度使用范圍等特點，在航空和汽車領域內得到越來越廣泛的應用。由聚碳酸酯材料制成的透明件在服役過程中可能會受到高速沖擊等強動載荷的作用，影響航空或汽車結構的安全。作為一種高聚物，加載時間和溫度對其力學性能影響較大，表現出黏彈性和黏塑性，材料的屈服強度和流動應力以及破壞應變等性能都可能會隨著應變率和溫度的變化而顯著變化。

目前，對聚碳酸酯的力學特性研究多數體現在準靜態（<10-1s-1）和高應變率范圍（>103s-1）內[1-7]。準靜態試驗主要是利用萬能材料試驗機裝置，高應變率試驗主要是利用霍普金森壓桿/拉桿裝置。中、低應變率（10-1~103s-1）試驗設備主要包括高速液壓伺服試驗機[8]、Gleeble熱模擬試驗機[9]以及中國科學技術大學自主研制的中應變率拉壓試驗機[10]。由于設備不普及，對聚碳酸酯在此應變率范圍的力學性能研究較少。然而，聚碳酸酯材料在例如鳥撞等沖擊載荷下多處于中、低應變率范圍下的變形，因此有必要開展聚碳酸酯材料中、低應變率力學性能研究。

文中依托高速液壓伺服材料試驗機對聚碳酸酯材料進行了一定溫度范圍內中、低應變率下的動態拉伸試驗，揭示了應變率和溫度對聚碳酸酯材料力學性能的影響。

1 動態拉伸試驗

動態拉伸試驗平臺為高速液壓伺服材料試驗機（INSTRON VHS 160/100-20），如圖1所示。試驗機系統由水冷機組、液壓系統、機架和控制系統四部分組成，最大加載速度為20 m/s，可承受最大沖擊動載為 100 kN。試驗中利用試驗機自帶的壓電傳感器測試試件的動態拉伸載荷，利用高速攝像系統結合非接觸測試分析軟件測試試件的動態拉伸應變。

聚碳酸酯材料的試驗件為扁平狀啞鈴型，試驗件尺寸見“GB/T 1040—92塑料拉伸性能試驗方法”中的I型試驗件。試驗中試件的安裝狀態如圖2所示，夾具下部分固定在試驗機上，調整夾具撐桿的長度使得試驗件在有效長度內被夾持，試驗中將試驗件安裝在夾具裝置中。試驗過程中，通過液壓作動筒結合氣體蓄能器提供加載能量，作動筒在設定位置達到預定的加載速度，當作動筒和夾具上部分的凸臺碰觸后，作動筒引導夾具上部分向上運動，從而拉伸試驗件，實現恒定速率拉伸。

1.1 動態載荷測試

高速液壓伺服材料試驗機的動態載荷系統（DLC,Dynamic Load Cell）中的載荷傳感器可直接測得試驗件的拉伸載荷。在較高應變率下，試驗機的共振效應導致測試結果發生振蕩，可結合低通濾波和滑動平均方法等進行合理修正。

1.2 應變測試

采用非接觸方法測量試件的應變。如圖3所示，基于高速攝像技術的非接觸測試和分析系統可用來測試高速拉伸過程中試件的工程應變。其通過在試驗件標距段標注標記（見圖 4），利用高速攝像機實時采集目標區域的變形情況，結合非接觸分析軟件計算兩個標記點的位移，進而得到試件表面的動態拉伸應變數據。根據現場光線情況調整曝光時間，高速攝像機和高速液壓伺服試驗機中的數據采集系統設置為同步觸發。

1.3 測試數據處理

由試驗測得的載荷數據結合式（1）計算材料的工程應力。由工程應力和工程應變數據，結合式（2）、式（3）計算真實應力和真實應變。由應變數據對時間微分計算實際應變率，見式（4）。通過插值方法將應力和應變這兩套數據的采樣間隔時間一致起來，并確定應力和應變兩套數據的各自起始點，獲得工程應力-工程應變曲線和真實應力-真實應變曲線。

式中：F(t)為載荷傳感器測得的載荷；h為試驗段厚度；w為試驗段寬度；ε為非接觸分析系統計算得到的工程應變；σT(t)為真實應力；εT(t)為真實應變；為應變率。

1.4 性能測試工況

對聚碳酸酯板材試件進行-40、-25、0、25、50、70 ℃等 6個溫度的動態拉伸試驗，目標應變率為0.055、0.55、5.5、55 s-1，應變率取值以各工況下的實際應變率進一步確定。

2 結果分析

2.1 試件拉伸變形特征

圖5中的曲線是-40 ℃、目標應變率為0.055 s-1拉伸試驗中的工程應力曲線，變形包括6個階段，依次為：彈性變形、屈服、應變軟化、冷拉、應變硬化、斷裂。其中彈性變形階段表現出非線性變形。

2.2 應變率效應和溫度效應

圖6a為-40 ℃環境溫度下聚碳酸酯材料在應變率0.06、0.58、5.74、53.92 s-1下的真實應力-真實應變曲線；圖6b為-25 ℃環境溫度下聚碳酸酯材料在應變率0.06、0.56、5.68、51.29 s-1下的真實應力-真實應變曲線；圖6c為0 ℃環境溫度下聚碳酸酯材料在應變率0.06、0.53、5.93、52.15 s-1下的真實應力-真實應變曲線；圖 6d為 25 ℃環境溫度下聚碳酸酯材料在應變率 0.055、0.58、5.02、55.485 s-1下的真實應力-真實應變曲線；圖6e為50 ℃環境溫度下聚碳酸酯材料在應變率 0.053、0.53、5.8、59.35 s-1下的真實應力-真實應變曲線；圖6f為70 ℃環境溫度下聚碳酸酯材料在應變率0.065、0.64、6.6、60.76 s-1下的真實應力-真實應變曲線。

匯總各環境溫度同一目標應變率下聚碳酸酯的真實應力-真實應變曲線，應變率取值為各環境溫度的實際應變率均值。-40、-25、0、25、50、70 ℃溫度中聚碳酸酯在應變率 0.06、0.57、5.8、55.5 s-1下的真實應力-真實應變曲線如圖7所示。

從圖6中可以看出，-40~70 ℃溫度范圍內，聚碳酸酯的屈服強度和流動應力隨著應變率的增大而增大，表現出較為明顯的應變率敏感性，呈現應變率強化效應。從圖7中可以看出，0.05~60 s-1應變率范圍內，聚碳酸酯的屈服強度和流動應力隨著溫度的增大而減小，表現出較為明顯的溫度敏感性，呈現溫度軟化效應。

聚碳酸酯在70 ℃、應變率0.065 s-1下的屈服強度為59 MPa，而在-40 ℃、應變率53.92 s-1下的屈服強度為102 MPa，屈服強度提升了約1倍。由此可見，構建聚碳酸酯材料的本構關系時需要考慮溫度和應變率對力學性能的影響。

3 結語

文中依托高速液壓伺服材料試驗機和非接觸測試分析方法進行了-40~70 ℃溫度范圍、0.05~60 s-1應變率范圍內的單向拉伸試驗，獲得了各溫度中低應變率下的真實應力-真實應變曲線。在指定的溫度和應變率范圍內，最低溫度、最大應變率下聚碳酸酯材料的屈服強度約為最高溫度、最小應變率下屈服強度的2倍，呈現出較為明顯的應變率強化效應和溫度軟化效應，數值模擬分析時應在聚碳酸酯材料屬性模塊中體現出應變率和溫度效應。