第五章材料性质与塑件设计.docVIP

材料性质与塑件设计 5-1 材料性质与塑件设计 　　塑料材料的多样性使得塑料射出成形比金属成形更具有设计的自由度。然而，塑件的机械性质受到负荷种类、负荷速率、施加负荷期间长短、施加负荷的频率、以及使用环境温度变化与湿度变化等因素的影响，所以设计者必须将这些使用条件列入考虑。 5-1-1 应力--应变行为 　　　　　　　　 　　材料的应力--应变行为决定其强度或劲度。影响材料强度的因素包括塑件的几何形状、负荷、拘束条件、成形制程导致的残留应力和配向性。根据施加在塑件的负荷或拘束条件的不同，必须考虑不同种类的强度性质，包括拉伸强度、压缩强度、扭曲强度、挠曲强度和剪变强度等。 设计塑件时，应该根据塑件承受的主要负荷来决定材料相关的强度。将其使用环境温度及应变率下的主要负荷所相关的应力应变行为列为重要考虑。然而，由于拉伸试验以外的其它测试程序先天上都有准确性的问题，使得塑料材料往往只提供短期的拉伸试验(tensile test)结果。读者如果有其它负荷状态的应用，应参阅相关的文献数据。 图5-1说明拉伸试验棒和预设固定负荷下的变形量，其中，应力(σ)与应变(ε)的定义为： 图5-1 (a) 拉伸实验棒截面面积A，原始长度L0；(b) 于固定负荷下拉长至长度L。 　　图 5-2热塑性塑料的应力—应变曲线，可以获得杨氏模数、比例极限，弹性极限、降伏点、延展性、破坏强度和破坏之伸长量等材料性质。 图5-2 典型热塑性塑料的应力—应变曲线图 　　杨氏模数是应力—应变曲线起始直线部份的斜率。定义为： 杨氏模数经常被用作材料强度指标。杨氏模数实际上是材料刚性(rigidity)的指标，它可以应用于工程上简化的线性运算，例如决定塑件的劲度(stiffness)。 　　比例极限是图 5-3上的 P 点，曲线从这点开始偏离其线性行为。弹性极限是图 5-3的 I 点，它是材料承受应变而仍能够回复原形的最大限度。假如应变量超过弹性极限，并且继续增加，则材料可能发生拉伸现象而无法回复原形，或者可能发生破坏，如图 5-2所示。 图 5-3 局部之应力—应变曲线，其中，P点是比例极限， 经常用作设计上的应变限度。I 点是弹性极限。 　　图 5-4显示相同基底树脂材料的两种热塑性复合物之应力—应变曲线，其中一者添加了30%玻纤，另一者无填充料。玻纤填充料使得塑料的破坏强度、降伏应力、比例极限应力及杨氏模数都明显地提升，并且承受较低的应变量就产生破坏。无填充料的热塑性塑料在降伏点以上产生拉伸现象，使应力减小。拉伸造成剖面面积的缩小量可以根据蒲松比计算。 　　负荷速率（或应变率）及温度对于塑料的应力应变行为有很大的影响。图 5-5是半结晶塑料受负荷速度及温度影响时之拉伸实验应力—应变曲线。通常，在高负荷速率和低温条件时，塑料材料显得刚且脆；低负荷速和高温条件时，受到其黏滞性的影响，塑料材料较具有挠性和延展性。从图 5-5可以观察到，高负荷速率使得材料的破坏应力和降伏应力大幅提高。然而，提高温度会使得破坏应力和降伏应力降低。 图5-4 添加30%玻纤与无添加物之热塑性树脂的应力应变曲线 图5-5 负荷速率与温度对于典型聚合物之应力—应变图的影响 　　加热半结晶性塑料使之通过玻璃转移温度（Tg），则负荷速度、温度等相关的效应更加明显，结果导致塑料产生全然不同的运动行为。不定形塑料通过软化区后呈现黏性流。 5-1-2 潜变与应力松弛 　　设计承受长期负荷的塑件时，应非常注意潜变效应及应力松弛。不论所施加负荷的大小，只要持续地施加一定量负荷在塑料材料上，塑料材料就会连续地变形，这种长期间、永久性的变形称为潜变(creep)，如图5-6所示。 图5-6 典型的潜变曲线，其潜变量根据负荷及时间而变化。 　　要设计承受长期负荷的塑件，必须使用潜变量据以确保塑件不会在寿命周期内产生破坏、产生降伏、裂缝或是过量的变形。虽然大多数塑料拥有在相当时间内、特定应力及温度条件下的潜变量据，但是每个塑件设计仍需对其特定的负荷与使用条件来调整设计值。由于要针对各别设计塑件进行长期间的试验并不可行，而且塑件将来使用期间的应力与环境条件不容易进行长期间的预测，所以，往往必须从较短的潜变试验数据执行内插和外插。通常，工程师使用树脂供货商提供的潜变数据库获得应变相对于时间之数据，再进行内插和外插，以获得同一时间之应力—应变非线性曲线，如图 5-7。这些曲线将取代短期的应力—应变曲线，应用于长期静负荷之塑性设计。 图5-7 在固定应变下，应力随着经历时间而递减的情形。 　　潜变模数(creep modulus, Ec)可以应用于固定应力或应力松弛计算。潜变模数与时间、温度有关系，它与固定应力(σ)以及随时间、温度变化的应变ε(t, T)之间的关系式