從宏觀到微觀：汽車要”瘦身”更要安全
發(fā)布時(shí)間:2020-10-28 閱讀次數(shù)：1201次
導(dǎo)讀
隨著“2020年第七屆中國汽車輕量化國際峰會(huì)”的日益臨近及《國家第六階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布與實(shí)施，在環(huán)境保護(hù)和節(jié)能降耗法規(guī)要求日趨嚴(yán)格的當(dāng)下，輕量化已成為中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向和必然趨勢(shì)。
其中對(duì)車身的輕量化更是提高汽車動(dòng)力性、降低油耗、保護(hù)環(huán)境的關(guān)鍵。車身輕量化與使用材料密切相關(guān)，如鎂合金、鋁合金等金屬結(jié)構(gòu)材料、工程塑料及其復(fù)合材料在輕量化中起到重要作用。采用工程塑料及其復(fù)合材料可減輕汽車零部件約40%的質(zhì)量，可降低成本40%，因此開發(fā)工程塑料和復(fù)合新材料是車身輕量化發(fā)展的趨勢(shì)，其中PP（聚丙烯）和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）應(yīng)用最為廣泛。
塑料及其復(fù)合材料的應(yīng)用場(chǎng)景
為什么在汽車材料輕量化中大量應(yīng)用PP、PMMA?
今天，我們要對(duì)PP、PMMA做兩個(gè)有趣的試驗(yàn)：
1. 宏觀視界下的拉伸
PP、PMMA在常規(guī)的靜態(tài)測(cè)試外，可能會(huì)受到動(dòng)態(tài)變形的影響，例如，在涉及運(yùn)輸設(shè)備的碰撞和產(chǎn)品掉落時(shí)。因此，為了保證可靠性，還必須進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。特別是，由于聚合物塑料具有粘彈性，（既有粘性又有彈性），其力學(xué)特性表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境溫度、時(shí)間和變形速率的依賴性。
采用島津AGX-V電子萬能試驗(yàn)機(jī)和HITS-TX高速拉伸試驗(yàn)機(jī)可以研究PMMA/PP與試驗(yàn)速度關(guān)系。
應(yīng)力-行程曲線
試驗(yàn)結(jié)果
高速拉伸試驗(yàn)中PMMA和PP的拉伸強(qiáng)度均高于靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，證實(shí)了這兩種塑料材料拉伸強(qiáng)度的試驗(yàn)速度依賴性。
2. 微觀視界下的斷口
當(dāng)發(fā)生損壞、故障事故或劣化時(shí)，我們通常迫切需要調(diào)查原因和提出對(duì)策。塑料的失效形式多種多樣，包括靜態(tài)斷裂、沖擊斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂、環(huán)境引起的斷裂等。根據(jù)分析不同類型的斷裂原因，可以觀察到具有不同特征的斷裂面，這表明可以通過斷口觀察來確定損傷的原因，并研究解決損傷的方法。拉伸試驗(yàn)后，我們選擇對(duì)PP試樣的斷口進(jìn)行鍍金，并用光學(xué)顯微鏡和EPMA進(jìn)行觀察。
電子探針EMPA8050G
在PP斷裂表面鍍金，并用光學(xué)顯微鏡和EPMA進(jìn)行觀察。靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和高速拉伸試驗(yàn)后的聚丙烯斷裂表面分別如下圖所示。（a）為光學(xué)顯微鏡圖像，（b）-（d）為電子探針二次電子像。
對(duì)比PP靜態(tài)拉伸微觀圖（a）與PP動(dòng)態(tài)拉伸微觀圖（a）可見，與高速拉伸試驗(yàn)的斷口面積相比，靜態(tài)拉伸試驗(yàn)的斷口面積明顯較小，這應(yīng)該是由于靜態(tài)拉伸斷裂時(shí)，塑性變形伴隨著頸縮而導(dǎo)致的。
靜態(tài)拉伸微觀圖
在PP靜態(tài)拉伸微觀圖（b）中的斷裂面中部，可見纖維斷裂面以韌性方式伸長(zhǎng)。對(duì) PP靜態(tài)拉伸微觀圖（b）的中心區(qū)域及其左側(cè)區(qū)域進(jìn)一步放大，結(jié)果見PP靜態(tài)拉伸微觀圖（c）及（d）。由PP靜態(tài)拉伸微觀圖（c）可見樹脂纖維伸長(zhǎng)的情況。PP靜態(tài)拉伸微觀圖（d）顯示斷面上有許多孔，這是由樹脂（如低分子量物質(zhì)）或雜質(zhì)等微觀缺陷等形核長(zhǎng)大而導(dǎo)致的。
高速拉伸微觀圖
在高速拉伸試驗(yàn)中，斷裂處沒有出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，整個(gè)斷口呈扁平、粗糙的片狀。對(duì)斷面中心及邊部進(jìn)一步放大，結(jié)果見PP動(dòng)態(tài)拉伸微觀圖（c）及PP動(dòng)態(tài)拉伸微觀圖（d），可見，中部和邊部的斷口形貌無明顯差異。據(jù)此可推斷，隨著試驗(yàn)速度的提高會(huì)導(dǎo)致無塑性變形的脆性斷裂。
結(jié) 論
島津具有豐富的產(chǎn)品線，在宏觀方面：擁有各種靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)，可以提供力學(xué)測(cè)試，并進(jìn)行定制化夾具設(shè)計(jì)；從微觀方面：擁有電子探針EMPA等各種微觀測(cè)試儀器，可以提供表面分析數(shù)據(jù)，為客戶提供一整套服務(wù)與方案。島津?yàn)槠嚫男运芰系目焖侔l(fā)展提供幫助，在汽車安全性的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，為營造和諧綠色的環(huán)境做出貢獻(xiàn)，創(chuàng)造嶄新的明天。