基本介紹
高分子材料是一種新型的結(jié)構(gòu)材料，由于其優(yōu)異的化學(xué)和物理性能而得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際的使用過中，由于設(shè)計(jì)或使用不合理，也會出現(xiàn)開裂或者斷裂的情況，根據(jù)斷裂機(jī)理分類，其斷裂模式可以分為很多種，疲勞開裂/斷裂就屬于其中一種。
高分子材料斷口分析是高分子材料失效分析的重要方式之一，斷裂分析對材料的研發(fā)設(shè)計(jì)有重要意義，通過對其分析查找原理，了解機(jī)理來提高產(chǎn)品質(zhì)量，改進(jìn)工藝或者起到判斷責(zé)任等作用。斷裂是指材料收到外力發(fā)生隨機(jī)性的破裂，分離成兩個(gè)或者多個(gè)部分的現(xiàn)象。斷裂后的表面或者橫截面稱為斷口，通過對斷口的形貌特征分析，來研究高分子材料失效的性質(zhì)和原因。斷口形貌特征分析是高分子材料研究的重要方法之一。高分子材料在外加載荷作用下漸裂經(jīng)理了裂紋萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展和快速擴(kuò)展至三個(gè)階段。
斷裂原理
高分子材料的塑性變形由深層的分子結(jié)構(gòu)所致，材料在斷裂的過程中，空穴的擴(kuò)展與塑性應(yīng)變的相互影響會使斷裂過程變得復(fù)雜。簡單的聚合物晶粒中不能像金屬晶粒中發(fā)生的那樣因滑移引起塑性變形。
斷裂分類
高分子材料的斷裂分為脆性斷裂和韌性斷裂。脆性在本質(zhì)上總是與材料的彈性相應(yīng)相關(guān)聯(lián)。斷裂前式樣的形變是均勻的，導(dǎo)致試樣斷裂的縫隙迅速貫穿垂直于應(yīng)力方向的平面。一般的脆性斷裂是由所加應(yīng)力的張應(yīng)力分量引起的，韌性斷裂是由切應(yīng)力分量引起的。
分析方法
1、宏觀觀察
用肉眼或放大鏡低倍觀察，一般只能觀察，不能拍照，觀察到的信息通常采用語言進(jìn)行描述。其放大倍率低于50倍，一般10倍左右，可以用來觀察斷口表面的粗糙度，裂紋起始、擴(kuò)展及最終斷裂區(qū)的特征，判斷裂紋走向、起裂源位置、載荷類型及水平等。通常情況下此法是為進(jìn)一步的光學(xué)顯微鏡觀察收集信息的。低倍觀察僅要求斷口表面潔凈，無污染即可。
2、光學(xué)顯微鏡觀察
光學(xué)顯微鏡較常用的是體視顯微鏡，當(dāng)對宏觀斷口上的一些特征細(xì)節(jié)有必要做進(jìn)一步放大觀察時(shí)，可以選用光學(xué)顯微鏡直接放大觀察。另外通常分析人員也采用低倍的光學(xué)顯微鏡做全斷口的拍照記錄，以獲取更全面更細(xì)節(jié)的斷口信息，也為下一步微觀觀察提供基礎(chǔ)信息。
3、掃描電鏡觀察
掃描電鏡是一種微觀觀察的方法，放大倍數(shù)可以到上千倍，甚至上萬倍，通常與能譜儀(EDS)連用，在斷口分析里主要有形貌觀察和微區(qū)成分分析兩個(gè)用途。由于高分子材料導(dǎo)電性較差，在掃描觀察前需在斷口上噴涂一定厚度的導(dǎo)電材料，如金、鉑等。另外，為了防止斷口表面燒傷，需要控制好觀察電壓，一般5-15Kv為宜。能譜儀進(jìn)行成分分析時(shí)，可以采用點(diǎn)掃描、線掃描及面掃描三種形式，具體可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。
（掃描電鏡/SEM）
以上三種觀察方法在流程上是遞進(jìn)的關(guān)系，先低倍后高倍，先宏觀再微觀。以上分析技術(shù)較為常用，除這些分析技術(shù)外，還可以選用金相顯微鏡、透射電鏡等進(jìn)行觀察，具體也是根據(jù)實(shí)際需要來選擇。
斷裂形貌
材料斷裂面形貌特征參量與材料力學(xué)性能間的定量關(guān)系廣泛應(yīng)用于材料的斷裂研究、失效分析和新材料的研制開發(fā)等領(lǐng)域。一般分為鏡面區(qū)、肋狀形態(tài)、弧形條紋線、應(yīng)力白化區(qū)。
（1）鏡面區(qū)
鏡面區(qū)是裂紋沿一個(gè)或者少數(shù)幾個(gè)銀紋擴(kuò)展破裂形成的，銀紋的長大取決于邊界上高分子鏈從無規(guī)線團(tuán)向銀紋質(zhì)中間的取向轉(zhuǎn)變的過程，較小的加載速度和較高的試驗(yàn)溫度使銀紋長大的時(shí)間較為充足。
（2）肋狀形態(tài)
肋狀形態(tài)由粗糙帶和光滑帶交替構(gòu)成，粗糙帶在前，光滑帶在后；粗糙帶由眾多高低不平的小平面組成，光滑帶上通常可觀察到銀紋剝離花樣。
（3）弧形條紋線
弧形條紋線是聚合物材料斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展止裂和重新啟裂擴(kuò)展留下的形貌特征，降低試驗(yàn)溫度和提高加載速率往往導(dǎo)致聚合物材料斷面上出現(xiàn)弧形條紋線的距離減小。
（4）應(yīng)力白化區(qū)
應(yīng)力白化區(qū)是聚合物材料塑性變形的區(qū)域，是聚合物材料在外力作用下銀紋化或剪切屈服的結(jié)果，其圍觀斷裂面形貌往往是纖維形貌、微坑和拋物線花樣。
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