聚四氟乙烯內(nèi)管拉伸強度、斷裂伸長率和沖擊韌性的“作用和地位”之爭(final).doc

聚四氟乙烯內(nèi)管拉伸強度、斷裂伸長率和沖擊韌性的“作用、地位”之爭駐膠帶股份軍代表室 廖振魁 王寶康 孫 毅摘 要：國軍標中，氟內(nèi)管要求只有抗拉強度和斷裂伸長率，無沖擊韌性，企業(yè)在生產(chǎn)時有意提高抗拉強度；近年氟塑料軟管性能不穩(wěn)定，內(nèi)廠外場故障高居不下。就此現(xiàn)狀，本文對三項指標的“作用、地位”，進行深入研究和探討。關鍵詞：氟內(nèi)管 拉伸強度、斷裂伸長率和沖擊韌性 作用和地位一、 問題來由因歷史原因和行業(yè)特點，企業(yè)在考核聚四氟乙烯軟管組件內(nèi)管性能的時候，主要考核其抗拉強度、斷裂伸長率、相對密度等，而其中對抗拉強度情有獨鐘，GJB2837-97聚四氟乙烯軟管組件規(guī)范中也只有抗拉強度大于一指標的要求，誤認為抗拉強度越高越好。生產(chǎn)時有意識地將內(nèi)管的抗拉強度要求越做越高，最高的達到了48.5MPa（國軍標指標:16MPa），是指標的3倍多；通常內(nèi)管的斷裂伸長做到300%左右（國軍標指標:250%），僅略大于指標。因GJB2837-97中，指標中沒有對沖擊韌性提出要求，因此企業(yè)從來都不用此指標考核內(nèi)管性能?？梢钥闯銎髽I(yè)在生產(chǎn)軟管組件考核內(nèi)管性能、質(zhì)量時，優(yōu)先考慮抗拉強度，其次考慮斷裂伸長率，而對沖擊韌性根本不予考慮?？估瓘姸取嗔焉扉L率、沖擊韌性三項力學性能指標（以下簡稱三項指標），其在軟管組件聚四氟乙烯內(nèi)管起到什么作用、其地位如何？三項性能值的高低對軟管的性能有什么影響？近年部隊軟管爆破故障常發(fā)生與抗拉強度偏高是否有一定的關聯(lián)？如何優(yōu)化和分配內(nèi)管的三項指標？就這些問題，本文從理論分析和試驗驗證著手，進行深入研究和探討。二、 作用、地位分析1、 聚四氟乙烯軟管組件簡介軟管組件由聚四氟乙烯內(nèi)管、不銹鋼增強鋼絲層和金屬接頭組成。聚四氟乙烯軟管組件用于輸送各型飛機的高、中、低液體和氣體介質(zhì)，承受的工作壓力從5MPa到35MPa。聚四氟乙烯軟管組件質(zhì)量、性能的好壞是直接與飛機的使用性能、安全相關的，而氟塑料內(nèi)管在軟管組件中起非常重要的作用。由于液壓系統(tǒng)高壓橡膠軟管性能、壽命存在較大的問題，已全由聚四氟乙烯軟管組件所取代。因此，現(xiàn)國內(nèi)所有飛機的液壓系統(tǒng)液壓軟管基本都是使用聚四氟乙烯軟管組件。2、 三項指標在內(nèi)管中的作用意義不管是金屬材料還是非金屬材料，拉伸強度、斷裂伸長率和沖擊韌性是考核材料機械性能最主要的三項指標，此三項指標對聚四氟乙烯內(nèi)管的來說都有深刻的、不同的含義。1）拉伸強度拉伸強度達到一定的數(shù)值是保證內(nèi)管其功能的基本要求，這一定的數(shù)值即是GJB2837的指標要求，雖然軍標未對其作上限要求，但應清楚的是此值不宜太高。這是因為通常同一材料的拉伸強度和塑性、沖擊韌性是相背離的，高的拉伸強度必然帶來塑性和沖擊韌性的下降，而對聚四氟乙烯軟管的內(nèi)管要的是其高的塑性和沖擊韌性，軟管的耐壓的程度主要是靠外層的增強鋼絲層來保證的。內(nèi)管的塑性和韌性下降，相對而言內(nèi)管變得的較脆，其對缺口敏感性特別強，也極易產(chǎn)生微損傷和應力集中，疲勞強度會迅速下降。2）斷裂伸長率斷裂伸長包括彈性和塑性伸長，內(nèi)管高的斷裂伸長率指標有三個方面的含義：其一是在扣壓過程中，因內(nèi)管有良好的彈性和塑性，內(nèi)管的內(nèi)壁在扣壓力的作用下而產(chǎn)生彈性變形和永久的塑性變形，并和接頭的密封槽緊密的結(jié)合，不至于因扣壓時變形過大（特別是密封槽的直角和銳角處產(chǎn)生的非常大的塑性變形）而產(chǎn)生裂紋或微裂紋；其二是是內(nèi)管外層的增強鋼絲一方面對內(nèi)管起到增強的作用，另一方面也會對內(nèi)管起到一定的切割破壞作用，從分解使用或脈沖試驗過的軟管組件的內(nèi)管可以看到較深的鋼絲鑲嵌痕跡，此痕跡是避免不了的（見圖1），若內(nèi)管的塑性好此變形僅是塑性變形，對內(nèi)管的性能影響不大，否則便會產(chǎn)生微裂紋形成疲勞源。 圖1 內(nèi)管鋼絲嵌痕3）沖擊韌性抗拉強度和斷裂伸長率是一靜態(tài)指標，它們都是在拉伸試驗機上在緩慢加載即靜載荷試驗條件下測定的性能指標，它們不能反映高聚物在受突然載荷即沖擊載荷時的性能。而真正考核材料的疲勞性能的指標還是沖擊韌性，沖擊韌性高的塑料其柔軟性好，使用時間長。對聚四氟乙烯軟管組件而言，不管是脈沖試驗還是在使用過程中其受到大的載荷都是重復性的沖擊載荷，對軟管造成的損傷主要還是來自此種載荷。這一點從試驗中也可看出，軟管組件很少因內(nèi)管的抗拉強度較低而造成軟管組件耐壓試驗或爆破壓力試驗時的靜力破壞；在靜力試驗通過的情況下，只要軟管組件存在性能上的質(zhì)量問題，在脈沖試驗上肯定是過不了關的。對同一種材料，沖擊韌性通常和拉伸強度是成一定的反比例關系，而和塑性存在一定的正相關關系（這種比例不是線性的）。我們已經(jīng)清楚了沖擊韌性作用，但還有一個概念需要闡明，就是高分子材料的韌性和沖擊韌性的區(qū)別，二者的物理意義是不一樣的，在高分子材料中所起的作用也是不一樣的。高分子材料抗沖擊韌性是指標準試樣受高速沖擊作用斷裂時，單位斷面面積（或單位缺口長度）所消耗的能量，它描述了高分子材料在高速沖擊作用下抵抗沖擊破壞的能力和材料的抗沖擊韌性。而高分子的韌性是標準試樣緩慢拉伸斷裂所消耗的能量，在拉伸斷裂實驗中，材料拉伸應力-應變曲線下的面積（見圖2）相當于試樣拉伸斷裂所消耗的能量，也表征材料韌性的大小。很顯然，抗拉強度b高和斷裂伸長率b大的材料韌性也好。但這個能量不等同抗沖擊韌性，不同在于，兩種實驗的應變速率不同，拉伸實驗速率慢而沖擊速率極快；拉伸曲線求得的能量為斷裂時材料單位體積所吸收的能量，而沖擊實驗只關心斷裂區(qū)表面吸收的能量。材料的韌性和抗拉強度、斷裂伸長率一樣是材料的靜態(tài)力學指標，而抗沖擊韌性卻是材料的高速動態(tài)力學指標。高分子材料實際斷裂過程中也是沖擊載荷造成的裂紋產(chǎn)生、擴展和斷裂的過程，即相當于斷裂面上吸收能量的過程（不是整個材料產(chǎn)生塑性變形，最后產(chǎn)生斷裂），這與試驗室抗沖擊韌性測定的性質(zhì)是一致的。因此，沖擊韌性和高分子材料的力學壽命是息息相關的，而韌性是材料彈性模量和塑性的大小的表征。圖2 高分子材料拉伸實驗的應力-應變曲線（TTg） 3、 作用、地位分析軟管主要承受的是承載液體產(chǎn)生的脈沖載荷，其包括大脈沖和小脈沖，大脈沖是設備剛開始工作時由零載荷沖到最大載荷(Pmax)所產(chǎn)生，其遠大于工作壓力(Pt)；小脈沖是設備工作過程中所產(chǎn)生的循環(huán)載荷，其值是在工作壓力附近作上下脈動（插圖3）。軟管實際受力并非靜態(tài)載荷，而是脈沖的疲勞載荷。從外場和試驗室軟管的破壞形式（不包括使用因素造成的破壞）來看，軟管的破壞也通常是內(nèi)管的疲勞破壞，而非靜力破壞力。這是因為在軟管中，內(nèi)管僅承擔小部分的耐壓作用，而其抵抗管內(nèi)壓力主要是靠外層的纏繞、編織鋼絲增強層，外層增強層的強度通常能滿足抗靜壓力的要求；而內(nèi)管在塑性不夠的情況下，扣壓、纏圖3 軟管脈沖載荷圖繞或編織過程中會造成對內(nèi)管的損傷（損傷分兩種，一種是可見微裂紋，另一雖然是不可見的損傷，但造成了結(jié)晶晶體的破壞或是打斷了或削弱部分高分子的鏈接，使得塑料脆性增加），這種損傷在解剖軟管組件時是顯而易見的（插圖4）。內(nèi)管存在在此種損傷后，在損傷處將造成應力集中，在應力集中效應的作用下，實際引起裂紋擴展的應力將遠遠低于其b ；使用過程中，在管內(nèi)液體脈沖載荷的作用下，會因內(nèi)管的沖擊韌性不夠，缺口敏感性強，而造成裂紋快速擴展，最終造成穿透性疲勞裂紋。 圖4 內(nèi)管扣壓部分的裂紋從沖擊破壞試驗原理來分析，沖擊破壞過程雖然很快，但也可分為三個階段：一是裂紋引發(fā)階段，二是裂紋擴展階段，三是斷裂階段。破壞過程是高聚物物料吸收能量的過程（見圖5），要提高高聚物抗沖擊破壞的能力，主要是要提高其裂紋引發(fā)能和擴展能。對聚四氟乙烯內(nèi)管而言，避免內(nèi)管的原始裂紋是保證和提高其裂紋引發(fā)能的關鍵，若在扣壓等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了原始裂紋，那沖擊破壞直接就會進入裂紋擴展階段，增加內(nèi)管的可塑性是保證生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生原始裂紋的關鍵；裂紋擴展是內(nèi)管破壞的關鍵階段，延緩裂紋的擴展速率就能提高內(nèi)管的使用壽命，而提高內(nèi)管的沖擊韌性是提高材料抗裂紋擴展能力的關鍵。為驗證上述的分析結(jié)論，我們對俄羅斯的軟管進行了抗拉強度和斷裂伸長率的試驗測試，不難看出俄羅斯人并不單純追求高圖5 沖擊韌性實驗中材料受力及屈撓關系曲線曲線下面積：白亮區(qū)域裂紋引發(fā)能 陰影區(qū)域裂紋擴展能的抗拉強度，其8.1、10.23、12.45內(nèi)管的縱向抗拉強度分別為27.6、29.8、31.5MPa，而其內(nèi)管的斷裂伸長率都是500%以上。可見俄羅斯的聚四氟乙烯內(nèi)管相比我們的內(nèi)管斷裂伸長率是大得多的，而抗拉強度卻要小得多。因此，俄羅斯人在考慮內(nèi)管的性能時也是將斷裂伸長率排在較優(yōu)先的地位。因?qū)Λ@得的俄羅斯內(nèi)管無法進行沖擊韌性測試，其抗沖擊韌性性能就不得而知了，但斷裂伸長率和沖擊韌性的關系是正相關的，雖然沒有測其沖擊韌性，可以肯定其沖擊韌性也是比較高的。近三年來，聚四氟乙烯軟管組件地面、空中漏油和爆破故障較多，嚴重影響陸海空飛行器的使用安全；而此期間企業(yè)批生產(chǎn)產(chǎn)品出廠脈沖試驗（相當于產(chǎn)品的疲勞試驗）也經(jīng)常不過關，脈沖次數(shù)達不到GJB2837規(guī)定的指標，致使軟管組件不能正常交付。我們對企業(yè)從2003年到2009年生產(chǎn)的內(nèi)管批性能試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)從2006年以來，內(nèi)管性能試驗中的抗拉強度較前些年普遍偏高。通過前面的分析和試驗，可確認偏高的內(nèi)管抗拉強度將降低和犧牲內(nèi)管的斷裂伸長率和沖擊韌性，也將直接減小聚四氟乙烯軟管組件的壽命。因此，這些年聚四氟乙烯軟管組件高的故障率，是否與企業(yè)在對內(nèi)管的技術指標控制存在偏離有關，還值得我們開展深入的分析和研究探討。4、 結(jié)論通過上述分析，我們已清楚了三項指標在聚四氟乙烯內(nèi)管中的作用，從中可以看出三項指標中軟管中的地位應是相輔相成的，高的沖擊韌性和斷裂伸長率對提高內(nèi)管的壽命是至關重要的，而拉伸強度也是保證內(nèi)管功能的基本要求。因此在保證內(nèi)管的抗拉強度滿足標準中靜強度要求的情況，盡量提高內(nèi)管的斷裂伸長率和沖擊韌性。三、提高產(chǎn)品抗沖擊韌性和疲勞壽命的措施1、調(diào)整、改進工藝，提高沖擊韌性。在實際聚四氟乙烯內(nèi)管產(chǎn)品中三項指標的應用應綜合考慮，可通過調(diào)整聚四氟乙烯內(nèi)管燒結(jié)、淬火的參數(shù)來調(diào)整三項指標的大小，在保證基本拉伸強度的基礎上，提高沖擊韌性和斷裂伸長率，特別是沖擊韌性，來提高產(chǎn)品的疲勞壽命。2、開展技術和工藝研究，確定聚四氟乙烯內(nèi)管結(jié)晶度的最佳狀態(tài)。對聚乙烯、聚丙烯等高結(jié)晶度聚合物來說，當結(jié)晶度為40-60%時，由于材料拉伸時有屈服發(fā)生且斷裂伸長率高，韌性很好。結(jié)晶度再增高，材料變硬變脆，抗沖擊韌性反而下降。這是由于結(jié)晶使分子間相互作用增強，鏈段運動能力減弱，受到外來沖擊時，材料形變能力減少，因而抗沖擊韌性變差。從結(jié)晶形態(tài)看，具有均勻小晶體的材料抗沖擊韌性好，而大晶體韌性差。晶體尺寸大，球晶內(nèi)部以及球晶之間的缺陷增多，材料受沖擊力時易在薄弱環(huán)節(jié)破裂。因此，需開展對聚四氟乙烯內(nèi)管結(jié)晶度研究，通過微觀結(jié)晶度分析和不同結(jié)晶度內(nèi)管的試驗對比，找出最佳的結(jié)晶度狀態(tài)，從而提高聚四氟乙烯內(nèi)管的抗疲勞的能力，提高產(chǎn)品的使用壽命。3、避免內(nèi)管損傷，消除應力集中效應。軟管組件生產(chǎn)、使用等過程中避免內(nèi)管的損傷，而產(chǎn)生初始裂紋。這是因為初始裂紋