《Mechanics of Solid Polymers》2.2.4 简单剪切试验

2.2.4简单剪切试验

        如第5章所讨论的那样，大多数聚合物的有限应变材料模型将力学响应分为明显的剪切和体积响应。基于这种变形的分解，有时希望直接测量材料的剪切响应。这时，可以通过扭转实验来实现这一点。但是由于扭转试验机仍然相对罕见，因此能够使用更常见的单轴加载试验机来确定剪切响应是很有价值的。经常使用的测量剪切响应的技术是使用单圈或双圈剪切设置，如图2.17所示。单边和双边剪切实验的结果可能会有很大的不同。单边剪切试验不是自我居中的，顶部和底部区域需要紧密牢固，以避免试样旋转，从而导致变形状

图2.17单圈和双圈剪切试样的示意图。深蓝色 区域是测试样品。

态与简单剪切不一致。双边剪切试验的对称性消除了大多数与试样旋转相关的问题，因此通常更容易夹持和执行双边剪切试验。为了获得简单剪切的变形状态（由变形梯度定义），重要的是试样的厚度相对于另外两个平面尺寸很小。图2.18显示了一项有限元研究的结果，旨在预测简单单边和双边剪切实验中的误差。在这种情况下，假定试样的基础面积为10mmx 10mm，使用剪切模量为2 MPa和体积模量为200 MPa的Neo-Hookean材料模型，并且测试了不同试样高度的影响。假设试样在加载过程中不会

图2.18 有限元结果显示试样尺寸对简单剪切应力的影响

旋转，并且假设试样与加载平板完全粘结。研究结果显示，对于高度与基本宽度较小的试样，精度增加（加载模式与简单剪切更相似）。例如，如果试样宽度是试样高度的五倍，则预测剪切应力的误差约为2.5%。

2.2.5 冲击试样

        在传统的实验应力-应变测试中（第2.2.1-2.2.4节），试样通常以准静态速率加载。然而，在许多真实应用中，聚合物组件经常受到快速冲击负荷的影响：例如，在自由落体后的冲击，或冲击或碰撞。执行机械冲击试验的目的是更直接地模拟这些条件，并研究聚合物在冲击条件下的力学行为。聚合物常用的两种冲击试验方法是Izod和Charpy试验。Izod和Sharpy试验都是使用摆锤冲击机进行的，见图2.19和2.20。

图2.19 典型的模拟（非仪器）冲击试验机

图2.20 在Sharpy和Izod冲击测试中使用的试样几何形状

        在测试中，试样被放置在夹子中，摆锤从预先设置好的高度释放。试样破碎后，摆锤中剩余的动能将使摆锤继续向上移动到最终位置。破碎试样所需的能量可以直接从初始落下高度和摆锤最终高度获得。冲击试验通常在广泛的温度范围内进行，以检查韧性-脆性转变。这些试验通常也使用不同的试样几何形状，以及具有或不具有缺口的试样。冲击试验有两种基本方式：非仪器化或仪器化。非仪器化冲击试验仅测量破坏试样所需的能量，而仪器化冲击试验还测量冲击过程中的力历程曲线，见图2.21。在仪器化冲击试验中，摆锤的锤头配备有负荷传感器，并使用高速数据采集系统存储冲击数据，从而不仅可以提取导致破坏所需的能量，还可以提取随时间变化的力和速度。这种测量得到的力可以用来区分脆性和韧性断裂，并可以用来提取有关裂纹起始和扩展所需能量的信息。请注意，最常用的冲击试验标准并不要求仪器化[7, 8]。由于在冲击事件中的多轴应力和应变的复杂性，这些冲击试验的结果通常不适用于确定真实的材料性能或校准本构模型。这些试验有用的是为不同材料提供抗冲击强度的相对排名。此外，冲击性能可能对试样厚度和分子取向非常敏感。ASTM和ISO标准方法中使用的试样厚度的差异可能会强烈影响冲击性能[7-10]。Izod和Sharpy冲击试验都可能存在实验挑战。Izod冲击试验的主要弱点之一是它倾向于测量缺口敏感性，而不是固有的冲击韧性。为了克服这个弱点，有时会进行无缺口的Izod试验。Izod试验的另一个弱点是夹持样品所用的力可能会变化。这些力会在试样中产生初始应力状态。这些复杂性通常会增加冲击试验结果的统计差异。Izod和Sharpy试验的另一个弱点是，测试样品的不正确或不一致的切割可能会导致显著的变异性。

图2.21 Izod或Sharpy仪器化冲击试验的示意图

        聚合物薄膜的平面拉伸抗冲击能力需要使用不同的实验方法来测试。这些冲击试验通常使用Gardner落锤法来测试材料刚性[11]，或使用飞镖法测试薄膜[12]。在这些试验中，一个重物被放置在一个小飞镖的末端，然后从一个特定的高度自由落在固定的试样上。落地试验通常是增量的，需要相当大数量的试样来确定破坏能量。通过受冲击物体的接触面积、重量和落地高度来计算吸收的冲击能量。由于聚合物的应变速率依赖性，从1m高处落下的2kg重物与从0.1m高处落下的20kg重物具有相同的能量，但由于不同的冲击速度，两种情况可能会导致不同的行为。这些试验通常提供通过/不通过的数据：它们给出了50%时间破坏样品的平均冲击能量。如果落地飞镖被仪器化，那么这些试验也可以通过使用实验装置的FE模拟来用于材料模型校准。许多只能在具有挑战性的几何形状试样材料的高应变率响应，也可以使用冲击试验来评估。例如，仪器化球冲击试验可以非常准确地确定薄膜和压敏胶的厚度响应[13]。