聚丙烯的屈服-卸载-再屈服现象.docxVIP

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#引言#

??对热塑性塑料单轴拉伸行为的全面研究，可深入了解影响热塑性塑料力学性能的内、外部因素及机理，同时为热塑性塑料的增强、增韧等技术的发展提供基础参考和理论支持，并扩展塑料的使用范围。单轴拉伸测试是材料力学性能表征和产品质量认证的一项重要内容。试验方法简单而且易于得到较为可靠的试验数据，在工程上和实验室中都广泛使用。Qin等人采用单轴拉伸试验对塑料乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)膜材进行了单轴拉伸试验，得出其相关的力学参数以及拉伸断裂机理。Chen等使用单轴拉伸试验测试了高聚物的拉伸性能，明确了不同应变速率和温度对其力学性能的影响。本文将介绍通过单轴拉伸试验法探究聚丙烯材料的屈服-卸载-再屈服现象。

??由于部分结晶热塑性塑料的单轴拉伸应力-应变曲线在形式上与金属材料类似，但又存在些许区别（在材料屈服之后，会产生一个明显的平台区，即冷拉区域，其形成机理与塑料的高分子结构有关）。因此，研究人员Lu，Huang等人通过模仿测试金属拉伸性能的方法，试图寻找到聚丙烯材料与金属材料相类似的力学特性，并探究聚丙烯材料加载-卸载-再加载试验中的力学行为。

图1?单轴拉伸测试下聚丙烯发生不同的断裂

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#包辛格效应#

??低碳钢样品在力学测试过程中的塑性变形阶段，将全部载荷卸载以后再重新加载时，试样并不会出现二次屈服现象，而是直接由弹性阶段进入强化阶段，同时再加载时的弹性极限值接近于卸载时的最大应力值，这就是所谓的包辛格效应。包辛格效应的影响因素有很多，包括化学组成、组织形态、相区分布等。对于聚丙烯塑料这类高分子材料而言，在化学成分、组织形态等方面与金属材料有着较大的差异，并存在大分子取向这一特殊行为，因此可以猜想:在聚丙烯试样塑性变形阶段，进行卸载-再加载的测试，应当会与金属试样出现不同的反应。聚丙烯将会出现包辛格效应，还是会出现二次屈服的现象，通过以下实验加以验证。

图2?聚丙烯拉伸试样

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#加载-卸载-再加载实验#

??根据图2所示的聚丙烯在低速下的拉伸曲线，选取试样处于稳定塑性形变阶段的某点进行卸载-再加载拉伸试验。测试三组拉伸速率为10mm/min的聚丙烯试样，在将试样拉伸至应变为100%时，以原拉伸速度卸载，直至无法继续卸载时再重新加载拉力，拉伸至试样断裂，停止实验。拉伸曲线如图3所示，可知聚丙烯试样在塑性变形阶段之后，经历卸载-再加载的试验，试样出现了明显的再屈服现象，应力-应变曲线出现第二屈服点，第二屈服应力明显小于第一屈服应力。并且，再次加载之后拉伸曲线仍然表现为弹性变形、屈服、应变软化、冷拉、应变取向5个阶段，与普通拉伸试验完全相同。从试样拉伸现象观察，虽然曲线上出现了第二屈服点，但第二屈服点之后，试样并不会出现新的细颈，表现为原细颈周围材料持续向原细颈处陷落。此外，如图所示三组试样应力-应变曲线吻合情况良好，证明所制备的试样在加载-卸载-再加载试验中也具有非常好的重现性。

图3?聚丙烯的卸载-再加载试验的应力-应变曲线图

??为明确不同塑性变形阶段的再屈服行为，进行了多个测试点进行试验，选取四组试样分别在应变到达100%、200%、300%和400%时进行卸载-再加载试验。试验结果如图4所示，聚丙烯试样在不同塑性变形阶段进行的加载-卸载-再加载均出现了再屈服行为。

图4?不同卸载应变时聚丙烯试样的再屈服行为

??试样出现再屈服行为的原因与材料的结构有关。对于聚丙烯材料而言，试样进入塑性变形阶段，细颈部分的晶粒会沿外力作用方向发生取向。当外力卸载时，由于应力松弛，原有的球晶晶粒内部通过分子链及片晶的运动达到一个新的平衡态，生成亚稳定的纤维状晶，这使得细颈部分得到力学强化。在这个状态下的聚丙烯已经形成了新的材料结构，可以说是完全不同于原本试样的第二个材料，进行再加载试验时，必然会产生再次屈服，屈服机理与原始材料一致，也就导致了第二屈服点的出现。但由于细颈两端部分纤维状晶的诱导作用，细颈周围材料继续向细颈陷落，试样不会发展出第二细颈，并且第二屈服应力低于第一屈服应力。

结语

?????通过对等规聚丙烯哑铃试样的单轴拉伸力学性能测试及机理研究，研究了不同塑性形变程度试样的加载-卸载-再加载行为，得到以下主要结论：塑性形变阶段的聚丙烯材料具有再屈服行为，明显不同于金属材料的包辛格效应。试样在塑性形变的阶段中，对不同应变大小处的卸载-再加载行为都会使材料发生再屈服行为，出现第二屈服点，并且第二屈服应力小于第一屈服应力，但第二屈服应力的大小与卸载点位置无关。

?????再屈服现象的探究进一步明确了聚丙烯材料的力学性质，并为聚丙烯在作为建材、结构件等使用的过程中体现出的抗变形、耐疲劳等能力提供了新的依据。将再屈服行为进一步推广至三次、四次乃至多次屈服，并探究多次屈服、颈缩后的微观