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

聚四氟乙烯內(nèi)管拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊韌性的“作用、地位”之爭(zhēng)駐膠帶股份軍代表室 廖振魁 王寶康 孫 毅摘 要：國(guó)軍標(biāo)中，氟內(nèi)管要求只有抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，無(wú)沖擊韌性，企業(yè)在生產(chǎn)時(shí)有意提高抗拉強(qiáng)度；近年氟塑料軟管性能不穩(wěn)定，內(nèi)廠外場(chǎng)故障高居不下。就此現(xiàn)狀，本文對(duì)三項(xiàng)指標(biāo)的“作用、地位”，進(jìn)行深入研究和探討。關(guān)鍵詞：氟內(nèi)管 拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊韌性 作用和地位一、 問(wèn)題來(lái)由因歷史原因和行業(yè)特點(diǎn)，企業(yè)在考核聚四氟乙烯軟管組件內(nèi)管性能的時(shí)候，主要考核其抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、相對(duì)密度等，而其中對(duì)抗拉強(qiáng)度情有獨(dú)鐘，GJB2837-97聚四氟乙烯軟管組件規(guī)范中也只有抗拉強(qiáng)度大于一指標(biāo)的要求，誤認(rèn)為抗拉強(qiáng)度越高越好。生產(chǎn)時(shí)有意識(shí)地將內(nèi)管的抗拉強(qiáng)度要求越做越高，最高的達(dá)到了48.5MPa（國(guó)軍標(biāo)指標(biāo):16MPa），是指標(biāo)的3倍多；通常內(nèi)管的斷裂伸長(zhǎng)做到300%左右（國(guó)軍標(biāo)指標(biāo):250%），僅略大于指標(biāo)。因GJB2837-97中，指標(biāo)中沒(méi)有對(duì)沖擊韌性提出要求，因此企業(yè)從來(lái)都不用此指標(biāo)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(shí)，優(yōu)先考慮抗拉強(qiáng)度，其次考慮斷裂伸長(zhǎng)率，而對(duì)沖擊韌性根本不予考慮?？估瓘?qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊韌性三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)（以下簡(jiǎn)稱三項(xiàng)指標(biāo)），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(xiàng)性能值的高低對(duì)軟管的性能有什么影響？近年部隊(duì)軟管爆破故障常發(fā)生與抗拉強(qiáng)度偏高是否有一定的關(guān)聯(lián)？如何優(yōu)化和分配內(nèi)管的三項(xiàng)指標(biāo)？就這些問(wèn)題，本文從理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證著手，進(jìn)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(jiǎn)介軟管組件由聚四氟乙烯內(nèi)管、不銹鋼增強(qiáng)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(jī)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(jī)的使用性能、安全相關(guān)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(wèn)題，已全由聚四氟乙烯軟管組件所取代。因此，現(xiàn)國(guó)內(nèi)所有飛機(jī)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(xiàng)指標(biāo)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(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊韌性是考核材料機(jī)械性能最主要的三項(xiàng)指標(biāo)，此三項(xiàng)指標(biāo)對(duì)聚四氟乙烯內(nèi)管的來(lái)說(shuō)都有深刻的、不同的含義。1）拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度達(dá)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(biāo)要求，雖然軍標(biāo)未對(duì)其作上限要求，但應(yīng)清楚的是此值不宜太高。這是因?yàn)橥ǔＭ徊牧系睦鞆?qiáng)度和塑性、沖擊韌性是相背離的，高的拉伸強(qiáng)度必然帶來(lái)塑性和沖擊韌性的下降，而對(duì)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(qiáng)鋼絲層來(lái)保證的。內(nèi)管的塑性和韌性下降，相對(duì)而言內(nèi)管變得的較脆，其對(duì)缺口敏感性特別強(qiáng)，也極易產(chǎn)生微損傷和應(yīng)力集中，疲勞強(qiáng)度會(huì)迅速下降。2）斷裂伸長(zhǎng)率斷裂伸長(zhǎng)包括彈性和塑性伸長(zhǎng)，內(nèi)管高的斷裂伸長(zhǎng)率指標(biāo)有三個(gè)方面的含義：其一是在扣壓過(guò)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(shí)變形過(guò)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(qiáng)鋼絲一方面對(duì)內(nèi)管起到增強(qiáng)的作用，另一方面也會(huì)對(duì)內(nèi)管起到一定的切割破壞作用，從分解使用或脈沖試驗(yàn)過(guò)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(jiàn)圖1），若內(nèi)管的塑性好此變形僅是塑性變形，對(duì)內(nèi)管的性能影響不大，否則便會(huì)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(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率是一靜態(tài)指標(biāo)，它們都是在拉伸試驗(yàn)機(jī)上在緩慢加載即靜載荷試驗(yàn)條件下測(cè)定的性能指標(biāo)，它們不能反映高聚物在受突然載荷即沖擊載荷時(shí)的性能。而真正考核材料的疲勞性能的指標(biāo)還是沖擊韌性，沖擊韌性高的塑料其柔軟性好，使用時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)聚四氟乙烯軟管組件而言，不管是脈沖試驗(yàn)還是在使用過(guò)程中其受到大的載荷都是重復(fù)性的沖擊載荷，對(duì)軟管造成的損傷主要還是來(lái)自此種載荷。這一點(diǎn)從試驗(yàn)中也可看出，軟管組件很少因內(nèi)管的抗拉強(qiáng)度較低而造成軟管組件耐壓試驗(yàn)或爆破壓力試驗(yàn)時(shí)的靜力破壞；在靜力試驗(yàn)通過(guò)的情況下，只要軟管組件存在性能上的質(zhì)量問(wèn)題，在脈沖試驗(yàn)上肯定是過(guò)不了關(guān)的。對(duì)同一種材料，沖擊韌性通常和拉伸強(qiáng)度是成一定的反比例關(guān)系，而和塑性存在一定的正相關(guān)關(guān)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)試樣受高速?zèng)_擊作用斷裂時(shí)，單位斷面面積（或單位缺口長(zhǎng)度）所消耗的能量，它描述了高分子材料在高速?zèng)_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(biāo)準(zhǔn)試樣緩慢拉伸斷裂所消耗的能量，在拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)中，材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積（見(jiàn)圖2）相當(dāng)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(qiáng)度b高和斷裂伸長(zhǎng)率b大的材料韌性也好。但這個(gè)能量不等同抗沖擊韌性，不同在于，兩種實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變速率不同，拉伸實(shí)驗(yàn)速率慢而沖擊速率極快；拉伸曲線求得的能量為斷裂時(shí)材料單位體積所吸收的能量，而沖擊實(shí)驗(yàn)只關(guān)心斷裂區(qū)表面吸收的能量。材料的韌性和抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率一樣是材料的靜態(tài)力學(xué)指標(biāo)，而抗沖擊韌性卻是材料的高速動(dòng)態(tài)力學(xué)指標(biāo)。高分子材料實(shí)際斷裂過(guò)程中也是沖擊載荷造成的裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和斷裂的過(guò)程，即相當(dāng)于斷裂面上吸收能量的過(guò)程（不是整個(gè)材料產(chǎn)生塑性變形，最后產(chǎn)生斷裂），這與試驗(yàn)室抗沖擊韌性測(cè)定的性質(zhì)是一致的。因此，沖擊韌性和高分子材料的力學(xué)壽命是息息相關(guān)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(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)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(shè)備剛開(kāi)始工作時(shí)由零載荷沖到最大載荷(Pmax)所產(chǎn)生，其遠(yuǎn)大于工作壓力(Pt)；小脈沖是設(shè)備工作過(guò)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(dòng)（插圖3）。軟管實(shí)際受力并非靜態(tài)載荷，而是脈沖的疲勞載荷。從外場(chǎng)和試驗(yàn)室軟管的破壞形式（不包括使用因素造成的破壞）來(lái)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?yàn)樵谲浌苤校瑑?nèi)管僅承擔(dān)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(qiáng)層，外層增強(qiáng)層的強(qiáng)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(guò)程中會(huì)造成對(duì)內(nèi)管的損傷（損傷分兩種，一種是可見(jiàn)微裂紋，另一雖然是不可見(jiàn)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(shí)是顯而易見(jiàn)的（插圖4）。內(nèi)管存在在此種損傷后，在損傷處將造成應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中效應(yīng)的作用下，實(shí)際引起裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其b ；使用過(guò)程中，在管內(nèi)液體脈沖載荷的作用下，會(huì)因內(nèi)管的沖擊韌性不夠，缺口敏感性強(qiáng)，而造成裂紋快速擴(kuò)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(yàn)原理來(lái)分析，沖擊破壞過(guò)程雖然很快，但也可分為三個(gè)階段：一是裂紋引發(fā)階段，二是裂紋擴(kuò)展階段，三是斷裂階段。破壞過(guò)程是高聚物物料吸收能量的過(guò)程（見(jiàn)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(kuò)展能。對(duì)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(guān)鍵，若在扣壓等生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了原始裂紋，那沖擊破壞直接就會(huì)進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，增加內(nèi)管的可塑性是保證生產(chǎn)過(guò)程中不產(chǎn)生原始裂紋的關(guān)鍵；裂紋擴(kuò)展是內(nèi)管破壞的關(guān)鍵階段，延緩裂紋的擴(kuò)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(kuò)展能力的關(guān)鍵。為驗(yàn)證上述的分析結(jié)論，我們對(duì)俄羅斯的軟管進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的試驗(yàn)測(cè)試，不難看出俄羅斯人并不單純追求高圖5 沖擊韌性實(shí)驗(yàn)中材料受力及屈撓關(guān)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(kuò)展能的抗拉強(qiáng)度，其8.1、10.23、12.45內(nèi)管的縱向抗拉強(qiáng)度分別為27.6、29.8、31.5MPa，而其內(nèi)管的斷裂伸長(zhǎng)率都是500%以上?？梢?jiàn)俄羅斯的聚四氟乙烯內(nèi)管相比我們的內(nèi)管斷裂伸長(zhǎng)率是大得多的，而抗拉強(qiáng)度卻要小得多。因此，俄羅斯人在考慮內(nèi)管的性能時(shí)也是將斷裂伸長(zhǎng)率排在較優(yōu)先的地位。因?qū)Λ@得的俄羅斯內(nèi)管無(wú)法進(jìn)行沖擊韌性測(cè)試，其抗沖擊韌性性能就不得而知了，但斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊韌性的關(guān)系是正相關(guān)的，雖然沒(méi)有測(cè)其沖擊韌性，可以肯定其沖擊韌性也是比較高的。近三年來(lái)，聚四氟乙烯軟管組件地面、空中漏油和爆破故障較多，嚴(yán)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(yàn)（相當(dāng)于產(chǎn)品的疲勞試驗(yàn)）也經(jīng)常不過(guò)關(guān)，脈沖次數(shù)達(dá)不到GJB2837規(guī)定的指標(biāo)，致使軟管組件不能正常交付。我們對(duì)企業(yè)從2003年到2009年生產(chǎn)的內(nèi)管批性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)從2006年以來(lái)，內(nèi)管性能試驗(yàn)中的抗拉強(qiáng)度較前些年普遍偏高。通過(guò)前面的分析和試驗(yàn)，可確認(rèn)偏高的內(nèi)管抗拉強(qiáng)度將降低和犧牲內(nèi)管的斷裂伸長(zhǎng)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(duì)內(nèi)管的技術(shù)指標(biāo)控制存在偏離有關(guān)，還值得我們開(kāi)展深入的分析和研究探討。4、 結(jié)論通過(guò)上述分析，我們已清楚了三項(xiàng)指標(biāo)在聚四氟乙烯內(nèi)管中的作用，從中可以看出三項(xiàng)指標(biāo)中軟管中的地位應(yīng)是相輔相成的，高的沖擊韌性和斷裂伸長(zhǎng)率對(duì)提高內(nèi)管的壽命是至關(guān)重要的，而拉伸強(qiáng)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(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)中靜強(qiáng)度要求的情況，盡量提高內(nèi)管的斷裂伸長(zhǎng)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(jìn)工藝，提高沖擊韌性。在實(shí)際聚四氟乙烯內(nèi)管產(chǎn)品中三項(xiàng)指標(biāo)的應(yīng)用應(yīng)綜合考慮，可通過(guò)調(diào)整聚四氟乙烯內(nèi)管燒結(jié)、淬火的參數(shù)來(lái)調(diào)整三項(xiàng)指標(biāo)的大小，在保證基本拉伸強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提高沖擊韌性和斷裂伸長(zhǎng)率，特別是沖擊韌性，來(lái)提高產(chǎn)品的疲勞壽命。2、開(kāi)展技術(shù)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(duì)聚乙烯、聚丙烯等高結(jié)晶度聚合物來(lái)說(shuō)，當(dāng)結(jié)晶度為40-60%時(shí)，由于材料拉伸時(shí)有屈服發(fā)生且斷裂伸長(zhǎng)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(qiáng)，鏈段運(yùn)動(dòng)能力減弱，受到外來(lái)沖擊時(shí)，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(shí)易在薄弱環(huán)節(jié)破裂。因此，需開(kāi)展對(duì)聚四氟乙烯內(nèi)管結(jié)晶度研究，通過(guò)微觀結(jié)晶度分析和不同結(jié)晶度內(nèi)管的試驗(yàn)對(duì)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(yīng)力集中效應(yīng)。軟管組件生產(chǎn)、使用等過(guò)程中避免內(nèi)管的損傷，而產(chǎn)生初始裂紋。這是因?yàn)槌跏剂鸭y