材料性質(zhì)與塑件設(shè)計(jì)(已修改)
2025-08-01 21:06 本頁面
【正文】 ： ； :； 群： 第五章 材料性質(zhì)與塑件設(shè)計(jì) 51 材料性質(zhì)與塑件設(shè)計(jì) 塑料材料的多樣性使得塑料射出成形比金屬成形更具有設(shè)計(jì)的自由度。然而，塑件的機(jī)械性質(zhì)受到負(fù)荷種類、負(fù)荷速率、施加負(fù)荷期間長短、施加負(fù)荷的頻率、以及使用環(huán)境溫度變化與濕度變化等因素的影響，所以設(shè)計(jì)者必須將這些使用條件列入考慮。 511 應(yīng)力 應(yīng)變行為 材料的應(yīng)力 應(yīng)變行為決定其強(qiáng)度或勁度。 影響材料強(qiáng)度的因素包括塑件的幾何形狀、負(fù)荷、拘束條件、成形制程導(dǎo)致的殘留應(yīng)力和配向性。根據(jù)施加在塑件的負(fù)荷或拘束條件的不同，必須考慮不同種類的強(qiáng)度性質(zhì)，包括拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、扭曲強(qiáng)度、撓曲強(qiáng)度和剪變強(qiáng)度等。 設(shè)計(jì)塑件時(shí)，應(yīng)該根據(jù)塑件承受的主要負(fù)荷來決定材料相關(guān)的強(qiáng)度。將其使用環(huán)境溫度及應(yīng)變率下的主要負(fù)荷所相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變行為列為重要考慮。然而，由于拉伸試驗(yàn)以外的其它測(cè)試程序先天上都有準(zhǔn)確性的問題，使得塑料材料往往只提供短期的 拉伸試驗(yàn) (tensile test)結(jié)果。讀者如果有其它負(fù)荷狀態(tài)的應(yīng)用，應(yīng)參閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料。 圖 51說明拉伸試驗(yàn)棒和預(yù)設(shè)固定負(fù)荷下的變形量，其中，應(yīng)力 (σ )與應(yīng)變 (ε )的定義為： 圖 51 (a) 拉伸實(shí)驗(yàn)棒截面面積 A，原始長度 L0； (b) 于固定負(fù)荷下拉長至長度 L。 )( )( ) ( AF截面面積負(fù)荷力量應(yīng)力 ?? 00 )( L LL ???應(yīng)變 圖 52熱塑性塑料的應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線，可以獲得楊氏模數(shù)、比例極限，彈性極限、降伏點(diǎn)、延展性、破壞強(qiáng)度和破壞之伸長 量等材料性質(zhì)。 圖 52 典型熱塑性塑料的應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線圖 楊氏模數(shù)是應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線起始直線部份的斜率。定義為： )( )( )( ??應(yīng)變應(yīng)力楊氏模數(shù) ?E 楊氏模數(shù)經(jīng)常被用作材料強(qiáng)度指針。楊氏模數(shù)實(shí)際上是材料剛性 (rigidity)的指針，它可以應(yīng)用于工程上簡化的線性運(yùn)算，例如決定塑件的勁度 (stiffness)。 比例極限是圖 53上的 P 點(diǎn)，曲線從這點(diǎn)開始偏離其線性行為。彈性極限是圖 53的 I 點(diǎn)，它是材料承受應(yīng)變而仍能夠回復(fù)原形的最大限度。假如應(yīng)變量超過彈性 極限，并且繼續(xù)增加 ， 則材料可能發(fā)生拉伸現(xiàn)象而無法回復(fù)原形 ， 或者可能發(fā)生破壞，如圖 52所示。 圖 53 局部之應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線，其中， P點(diǎn)是比例極限， 經(jīng)常用作設(shè)計(jì)上的應(yīng)變限度。 I 點(diǎn)是彈性極限。 圖 54顯示相同基底樹脂材料的兩種熱塑性復(fù)合物之應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線，其中一者添加了30%玻纖，另一者無填充料。玻纖填充料使得塑料的破壞強(qiáng)度、降伏應(yīng)力、比例極限應(yīng)力及楊氏模數(shù)都明顯地提升，并且承受較低的應(yīng)變量就產(chǎn)生破壞。無填充料的熱塑性塑料在降伏點(diǎn)以上產(chǎn)生拉伸現(xiàn)象，使應(yīng)力減小。拉伸造成 剖面面積的縮小量可以根據(jù)蒲松比計(jì)算。 負(fù)荷速率（或應(yīng)變率）及溫度對(duì)于塑料的應(yīng)力應(yīng)變行為有很大的影響。圖 55是半結(jié)晶塑料受負(fù)荷速度及溫度影響時(shí)之拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線。通常，在高負(fù)荷速率和低溫條件時(shí)，塑料材料顯得 剛且脆； 低負(fù)荷速和高溫條件時(shí)，受到其粘滯性的影響，塑料材料較具有撓性和延展性。從圖 55可以觀察到，高負(fù)荷速率使得材料的破壞應(yīng)力和降伏應(yīng)力大幅提高。然而，提高溫度會(huì)使得破壞應(yīng)力和降伏應(yīng)力降低。 圖 54 添加 30%玻纖與無添加物之熱塑性樹脂的應(yīng)力應(yīng)變曲線 圖 55 負(fù)荷 速率與溫度對(duì)于典型聚合物之應(yīng)力 — 應(yīng)變圖的影響 加熱半結(jié)晶性塑料使之通過玻璃轉(zhuǎn)移溫度（ Tg），則負(fù)荷速度、溫度等相關(guān)的效應(yīng)更加明顯，結(jié)果導(dǎo)致塑料產(chǎn)生全然不同的運(yùn)動(dòng)行為。不定形塑料通過軟化區(qū)后呈現(xiàn)粘性流。 512 潛變與應(yīng)力松弛 設(shè)計(jì)承受長期負(fù)荷的塑件時(shí)，應(yīng)非常注意潛變效應(yīng)及應(yīng)力松弛。 不論所施加負(fù)荷的大小，只要持續(xù)地施加一定量負(fù)荷在塑料材料上，塑料材料就會(huì)連續(xù)地變形，這種長期間、永久性的變形稱為潛變 (creep)，如圖 56所示。 圖 56 典型的潛變曲線，其潛變量根據(jù)負(fù)荷及時(shí)間 而變化。 要設(shè)計(jì)承受長期負(fù)荷的塑件，必須使用潛變量據(jù)以確保塑件不會(huì)在壽命周期內(nèi)產(chǎn)生破壞、產(chǎn)生降伏、裂縫或是過量的變形。雖然大多數(shù)塑料擁有在相當(dāng)時(shí)間內(nèi)、特定應(yīng)力及溫度條件下的潛變量據(jù)，但是每個(gè)塑件設(shè)計(jì)仍需對(duì)其特定的負(fù)荷與使用條件來調(diào)整設(shè)計(jì)值。由于要針對(duì)各別設(shè)計(jì)塑件進(jìn)行長期間的試驗(yàn)并不可行，而且塑件將來使用期間的應(yīng)力與環(huán)境條件不容易進(jìn)行長期間的預(yù)測(cè)，所以，往往必須從較短的潛變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)執(zhí)行內(nèi)插和外插。通常，工程師使用樹脂供貨商提供的潛變數(shù)據(jù)庫獲得應(yīng)變相對(duì)于時(shí)間之?dāng)?shù)據(jù)，再進(jìn)行內(nèi)插和外插， 以獲得同一時(shí)間之應(yīng)力 — 應(yīng)變非線性曲線，如圖 57。這些曲線將取代短期的應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線，應(yīng)用于長期靜負(fù)荷之塑性設(shè)計(jì)。 圖 57 在固定應(yīng)變下，應(yīng)力隨著經(jīng)歷時(shí)間而遞減的情形。 潛變模數(shù) (creep modulus, Ec)可以應(yīng)用于固定應(yīng)力或應(yīng)力松弛計(jì)算。潛變模數(shù)與時(shí)間、溫度有關(guān)系，它與固定應(yīng)力 (σ )以及隨時(shí)間、溫度變化的應(yīng)變?chǔ)?(t, T)之間的關(guān)系式定義如下： ),( )( TtE c ? ??潛變模數(shù) 其它與潛變有關(guān)連的因素包括： ˙ 隨著溫度的上升，潛度速率與應(yīng)力松弛速率都會(huì)上升。
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