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高分子材料断口分析

基本介绍

高分子材料是一种新型的结构材料,由于其优异的化学和物理性能而得到广泛应用。在实际的使用过中,由于设计或使用不合理,也会出现开裂或者断裂的情况,根据断裂机理分类,其断裂模式可以分为很多种,疲劳开裂/断裂就属于其中一种。

高分子材料断口分析是高分子材料失效分析的重要方式之一,断裂分析对材料的研发设计有重要意义,通过对其分析查找原理,了解机理来提高意大利vs瑞士比分预测质量,改进工艺或者起到判断责任等作用。断裂是指材料收到外力发生随机性的破裂,分离成两个或者多个部分的现象。断裂后的表面或者横截面称为断口,通过对断口的形貌特征分析,来研究高分子材料失效的性质和原因。断口形貌特征分析是高分子材料研究的重要方法之一。高分子材料在外加载荷作用下渐裂经理了裂纹萌生、稳定扩展和快速扩展至三个阶段。

断裂原理

高分子材料的塑性变形由深层的分子结构所致,材料在断裂的过程中,空穴的扩展与塑性应变的相互影响会使断裂过程变得复杂。简单的聚合物晶粒中不能像金属晶粒中发生的那样因滑移引起塑性变形。

断裂分类

高分子材料的断裂分为脆性断裂和韧性断裂。脆性在本质上总是与材料的弹性相应相关联。断裂前式样的形变是均匀的,导致试样断裂的缝隙迅速贯穿垂直于应力方向的平面。一般的脆性断裂是由所加应力的张应力分量引起的,韧性断裂是由切应力分量引起的。

分析方法

1、宏观观察

用肉眼或放大镜低倍观察,一般只能观察,不能拍照,观察到的信息通常采用语言进行描述。其放大倍率低于50倍,一般10倍左右,可以用来观察断口表面的粗糙度,裂纹起始、扩展及最终断裂区的特征,判断裂纹走向、起裂源位置、载荷类型及水平等。通常情况下此法是为进一步的光学显微镜观察收集信息的。低倍观察仅要求断口表面洁净,无污染即可。

2、光学显微镜观察
光学显微镜较常用的是体视显微镜,当对宏观断口上的一些特征细节有必要做进一步放大观察时,可以选用光学显微镜直接放大观察。另外通常分析人员也采用低倍的光学显微镜做全断口的拍照记录,以获取更全面更细节的断口信息,也为下一步微观观察提供基础信息。

3、扫描电镜观察
扫描电镜是一种微观观察的方法,放大倍数可以到上千倍,甚至上万倍,通常与能谱仪(EDS)连用,在断口分析里主要有形貌观察和微区成分分析两个用途。由于高分子材料导电性较差,在扫描观察前需在断口上喷涂一定厚度的导电材料,如金、铂等。另外,为了防止断口表面烧伤,需要控制好观察电压,一般5-15Kv为宜。能谱仪进行成分分析时,可以采用点扫描、线扫描及面扫描三种形式,具体可根据实际需要进行选择。


扫描电镜观察

(扫描电镜/SEM)


以上三种观察方法在流程上是递进的关系,先低倍后高倍,先宏观再微观。以上分析技术较为常用,除这些分析技术外,还可以选用金相显微镜、透射电镜等进行观察,具体也是根据实际需要来选择。

断裂形貌

材料断裂面形貌特征参量与材料力学性能间的定量关系广泛应用于材料的断裂研究、失效分析和新材料的研制开发等领域。一般分为镜面区、肋状形态、弧形条纹线、应力白化区。
(1)镜面区
镜面区是裂纹沿一个或者少数几个银纹扩展破裂形成的,银纹的长大取决于边界上高分子链从无规线团向银纹质中间的取向转变的过程,较小的加载速度和较高的试验温度使银纹长大的时间较为充足。
(2)肋状形态
肋状形态由粗糙带和光滑带交替构成,粗糙带在前,光滑带在后;粗糙带由众多高低不平的小平面组成,光滑带上通?晒鄄斓揭瓢牖ㄑ
(3)弧形条纹线
弧形条纹线是聚合物材料断裂时裂纹扩展止裂和重新启裂扩展留下的形貌特征,降低试验温度和提高加载速率往往导致聚合物材料断面上出现弧形条纹线的距离减小。
(4)应力白化区
应力白化区是聚合物材料塑性变形的区域,是聚合物材料在外力作用下银纹化或剪切屈服的结果,其围观断裂面形貌往往是纤维形貌、微坑和抛物线花样。

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