尼龙材料在不同温度和应变率下的动态力学性能分析

【摘 要】尼龙（Nylon， Polyamide， 简称PA）是指由聚酰胺类树脂构成的塑料。此类树脂可由二元胺与二元酸通过缩聚制得，也可由氨基酸脱水后形成的内酰胺通过开环聚合制得，与PS、PE、PP等不同，PA不随受热温度的升高而逐渐软化，而是在一个靠近熔点的窄的温度范围内软化，熔点很明显，熔点：215-225℃。温度一旦达到就出现流动。

本文介绍了尼龙材料在不同应变率和温度下的压缩力学性能实验的过程和结果，同时对不同应变率和温度下的实验结果做了对比和分析，获得了应变率和温度对尼龙材料力学性能的影响。

【关键词】尼龙材料 不同温度 应变率 动态力学性能分析

在实验中，通过利用MTS810材料试验机对试件进行准静态力学实验，我们可以得到在静态条件下尼龙材料的静态力学性能。但是，由于实际工作的需要，静态条件下材料的力学性能远不能满足工程实际的要求。所以，此次论文的关键所在就是利用SHPB来确定尼龙材料的动态力学性能。

根据中型霍普金森压杆装置的杆的直径，尼龙材料试件的尺寸大致定为直径12毫米，直径0.5毫米的圆柱形。利用霍普金森压杆装置分别测试了应变率分别为10001/s，20001/s，4000s/s以及温度分别为室温，50℃，100℃下共九组试件，每组试件有三个，然后取平均值作为最终实验数据进行分析。

实验室储备的尼龙材料直径大概为12毫米，厚度大概为8毫米，且表面向内凹陷。为了达到实验要求，需要将试件打磨成直径约为12毫米，厚度约为5毫米。先使用粗砂纸打磨，后用细砂纸打磨。最后的试件需要确保两端面平行且表面尽量平整光滑。共制备70个试件分别用于准静态力学实验和高应变率高温度下的动态力学实验。

实验过程中，必须确保试件夹在入射杆和透射杆之间，并且必须确保压杆之间是对齐的。为了确保应变率不变，需要子弹（撞击杆）的方位保持不变，为此，需要标定子弹（撞击杆）的方位。从子弹开始，沿着入射杆，透射杆，吸能杆的顺序通过调整垫片的位置和角度一一对杆，对齐后将杆和垫片的位置和角度一一在试验台上做好标记，每次实验前按照标记的位置和角度对好杆再进行实验。

试验中采用如图所示的电阻加热器进行加热。将加热器套在杆和试件上，在上部的孔中插入热电偶以测定即时的温度。例如在50℃下的实验，由于考虑到加热设备的散热和加热的不均匀性（热电偶测量的是试件周围空气的温度，当空气温度达到某一温度时，试件还未达到这一温度），先加热到55℃，然后切断加热器电源开关，待到温度回落到50℃时再开气枪放出子弹。

利用MTS 810材料试验机，分别测量了常温下应变率为0.01 1/s和0.001 1/s下的应力应变曲线。（注意：准静态力学实验和高应变率实验的应力应变数据均为工程应力和工程应变）

准静态力学实验完成之后，进行高应变率条件下的实验。由于尼龙材料的熔点为220℃左右，所以选用20℃、50℃、100℃三个温度进行实验是可行的。在常温（20）（50）（100）三种不同温度下分别进行尼龙材料在应变率分别为1000 2000 4000下的动态力学实验。试件和杆间通过凡士林。可以得到三组应力应变曲线，从而得到材料的力学性能。

通过对应力应变曲线的分析，对于同一种尼龙材料，可以对以下几个方面进行分析。（1）准静态条件下，尼龙材料的力学性能变化并不十分明显，但应变率提高十倍之后，材料的韧性和强度略有降低。（2）由图七至图九（分别为室温，50℃，100℃下试件的应力应变曲线）可以得出应变率对尼龙材料力学特性的影响：随着应变率增加，材料的应力增加，屈服应力也随之增加。（3）由图十至图十二（分别为应变率为1000 1/s，2000 1/s，4000 1/s下试件的应力应变曲线）可以得出温度对尼龙材料力学特性的影响：随着温度增加，材料的应力降低，屈服应力也随之降低。（4）由图六和图七（分别为准静态和高应变率下试件的应力应变曲线）可以确定高应变率可以显著增加尼龙材料的韧性。（5）尼龙材料的压缩强度接近于屈服强度，这是尼龙材料的一个独特性能。然而最重要的是通过试验得出了尼龙材料的应力应变曲线，方便研究材料的力学性能和本构行为。

材料的破坏强度分析（见下表）：

尼龙材料已在国民经济许多部门得到了越来越广泛的应用，随着尼龙材料的广泛应用，为了适应承受爆炸与冲击等极端载荷的工程应用，人们越来越重视尼龙材料在高应变率下冲击行为的研究。

为了得到尼龙材料在高应变率下和不同温度下的力学数据，我们采用了传统的霍普金森压杆实验技术，这项技术既经济又相对容易实现。文中所提到的温度控制技术也可以在以后的试验中借鉴。尼龙材料的应力应变曲线已经得出，温度和应变率都对尼龙材料的力学性能有较显著的影响。此结果说明了收集尼龙材料在高应变率和不同温度下的应力应变曲线的重要性。同时，本文给出了各个温度和应变率下的破坏强度，结果表明尼龙材料具有较好的机械强度和韧性，压缩屈服强度与金属不相上下（20号钢的许用应力为130MPa左右）。