第05章-材料性质与塑件设计

【国立勤益技术学院CAE实验室】讲义《模流分析基础入门》谢庆雄博士编着@版权所有允许下载、复制、打印，但禁止贩售或用于商业用途第五章材料性质与塑件设计5-1材料性质与塑件设计塑料材料的多样性使得塑料射出成形比金属成形更具有设计的自由度。然而，塑件的机械性质受到负荷种类、负荷速率、施加负荷期间长短、施加负荷的频率、以及使用环境温度变化与湿度变化等因素的影响，所以设计者必须将这些使用条件列入考虑。5-1-1应力--应变行为材料的应力--应变行为决定其强度或劲度。影响材料强度的因素包括塑件的几何形状、负荷、拘束条件、成形制程导致的残留应力和配向性。根据施加在塑件的负荷或拘束条件的不同，必须考虑不同种类的强度性质，包括拉伸强度、压缩强度、扭曲强度、挠曲强度和剪变强度等。设计塑件时，应该根据塑件承受的主要负荷来决定材料相关的强度。将其使用环境温度及应变率下的主要负荷所相关的应力应变行为列为重要考虑。然而，由于拉伸试验以外的其它测试程序先天上都有准确性的问题，使得塑料材料往往只提供短期的拉伸试验(tensiletest)结果。读者如果有其它负荷状态的应用，应参阅相关的文献数据。图5-1说明拉伸试验棒和预设固定负荷下的变形量，其中，应力(σ)与应变(ε)的定义为：图5-1(a)拉伸实验棒截面面积A，原始长度L0；(b)于固定负荷下拉长至长度L。)()()(AF截面面積負荷力量應力00)(LLL應變图5-2热塑性塑料的应力—应变曲线，可以获得杨氏模数、比例极限，弹性极限、降伏点、延展性、破坏强度和破坏之伸长量等材料性质。图5-2典型热塑性塑料的应力—应变曲线图杨氏模数是应力—应变曲线起始直线部份的斜率。定义为：)()()(應變應力楊氏模數E杨氏模数经常被用作材料强度指标。杨氏模数实际上是材料刚性(rigidity)的指标，它可以应用于工程上简化的线性运算，例如决定塑件的劲度(stiffness)。比例极限是图5-3上的P点，曲线从这点开始偏离其线性行为。弹性极限是图5-3的I点，它是材料承受应变而仍能够回复原形的最大限度。假如应变量超过弹性极限，并且继续增加，则材料可能发生拉伸现象而无法回复原形，或者可能发生破坏，如图5-2所示。图5-3局部之应力—应变曲线，其中，P点是比例极限，经常用作设计上的应变限度。I点是弹性极限。图5-4显示相同基底树脂材料的两种热塑性复合物之应力—应变曲线，其中一者添加了30%玻纤，另一者无填充料。玻纤填充料使得塑料的破坏强度、降伏应力、比例极限应力及杨氏模数都明显地提升，并且承受较低的应变量就产生破坏。无填充料的热塑性塑料在降伏点以上产生拉伸现象，使应力减小。拉伸造成剖面面积的缩小量可以根据蒲松比计算。负荷速率（或应变率）及温度对于塑料的应力应变行为有很大的影响。图5-5是半结晶塑料受负荷速度及温度影响时之拉伸实验应力—应变曲线。通常，在高负荷速率和低温条件时，塑料材料显得刚且脆；低负荷速和高温条件时，受到其黏滞性的影响，塑料材料较具有挠性和延展性。从图5-5可以观察到，高负荷速率使得材料的破坏应力和降伏应力大幅提高。然而，提高温度会使得破坏应力和降伏应力降低。图5-4添加30%玻纤与无添加物之热塑性树脂的应力应变曲线图5-5负荷速率与温度对于典型聚合物之应力—应变图的影响加热半结晶性塑料使之通过玻璃转移温度（Tg），则负荷速度、温度等相关的效应更加明显，结果导致塑料产生全然不同的运动行为。不定形塑料通过软化区后呈现黏性流。5-1-2潜变与应力松弛设计承受长期负荷的塑件时，应非常注意潜变效应及应力松弛。不论所施加负荷的大小，只要持续地施加一定量负荷在塑料材料上，塑料材料就会连续地变形，这种长期间、永久性的变形称为潜变(creep)，如图5-6所示。图5-6典型的潜变曲线，其潜变量根据负荷及时间而变化。要设计承受长期负荷的塑件，必须使用潜变量据以确保塑件不会在寿命周期内产生破坏、产生降伏、裂缝或是过量的变形。虽然大多数塑料拥有在相当时间内、特定应力及温度条件下的潜变量据，但是每个塑件设计仍需对其特定的负荷与使用条件来调整设计值。由于要针对各别设计塑件进行长期间的试验并不可行，而且塑件将来使用期间的应力与环境条件不容易进行长期间的预测，所以，往往必须从较短的潜变试验数据执行内插和外插。通常，工程师使用树脂供货商提供的潜变数据库获得应变相对于时间之数据，再进行内插和外插，以获得同一时间之应力—应变非线性曲线，如图5-7。这些曲线将取代短期的应力—应变曲线，应用于长期静负荷之塑性设计。图5-7在固定应变下，应力随着经历时间而递减的情形。潜变模数(creepmodulus,Ec)可以应用于固定应力或应力松弛计算。潜变模数与时间、温度有关系，它与固定应力(σ)以及随时间、温度变化的应变ε(t,T)之间的关系式定义如下：),()(TtEc潛變模數其它与潜变有关连的因素包括：˙随着温度的上升，潜度速率与应力松弛速率都会上升。˙只要施加负荷的时间够久，就可能发生破坏，此称为应力破裂(stresscrack)。˙内压力（残留应力）应该与外应力一并考虑。应力松弛是潜变的一种推论现象。假如变形量固定，则抵抗变形的应力会随着时间而递减。塑料材料发生潜变的物理机构也可以应用于应力松弛。图5-7说明在固定应变下，应力随着经历时间而递减的情形。5-1-3疲劳当设计的塑件承受周期性的负载时，就应考虑疲劳效应(fatigue)。承受周期性负荷之塑料应该使用比例极限进行设计。假如施加时间间距短，而且为长期的反复性负荷，应该使用S-N曲线进行设计。S-N曲线是在固定频率、固定温度和固定负荷条件下，施加弯矩、扭力和拉伸应力于材料，测试而得。随着反复性负荷的频率数目增加，造成塑件因疲劳而破坏所须的应力会降低。许多材料存在一特定的应力忍受限度，在应力低于忍受限度时，材料不会因反复性负荷造成疲劳而破坏，参阅图5-8。即使只施加很小的应力，根据施加应力的大小，材料承受反复性负荷时，可能在周期结束后无法恢复原状。当施加负荷与解除负荷的频率增加，或是施加负荷与无负荷的间隔时间缩短，塑件表面可能应为疲劳而产生微小裂缝或其它瑕疵，造成韧性降低。图5-8典型的挠曲疲劳S-N曲线具有一个应力忍耐限度，在此限度以下的应力不会造成破坏。5-1-4冲击强度因为塑料具有黏弹性，其性质与使用时间、负荷速率、负荷频率、施加负荷期间长短、使用温度都有密切的关系。塑料的冲击强度（或韧性）表示其抵抗脉冲负荷的能力。图5-5显示塑料材料的冲击强度随着负荷速率的增加而增大。塑料材料承受高速的负荷时，会表现出脆性而没有拉伸的倾向。低温时，塑料应亦呈现脆性。塑料材料承受冲击时，对于凹痕很敏感。尖锐的转角半径会造成应力集中，也会降低其冲击强度，如图5-9所示。图5-9塑料应力集中是其厚度与圆角半径的函数5-1-5热机械行为热膨胀系数是温度从一特定值上升时，材料尺寸变化的量度。塑料的热膨胀系比金属大5~10倍。温度变化对于塑件的尺寸和机械性质会造成可观的影响，所以设计塑件时必须考虑到使用塑件的最高温度和最低温度。假如使用于大温度范围大的塑件与金属件紧密结合，强度较差的塑件会因热膨胀或收缩而破坏。根据塑件强度及上升温度情况，此破坏可能立刻发生或延后发生，所以设计塑件与金属组件组合时，必须将其尺寸变化的安全裕度列入考虑。使用于室温以上的塑件应考虑下列因素：塑件尺寸增长的倾向正比于其长度、温度上升量、及热膨胀系数。当塑件温度从室温上升时，其强度及杨氏模数会降低，如图5-5所示。低模数材料可能会呈现橡胶般的拉伸现象。分子链的配向性和添加纤维的配向性会造成塑件尺寸不等向的变化，其在流动方向比截面方向具有更大的热膨胀系数。当塑件长期存在于高温，应考虑：存放时承受内应力或外应力的塑件，应考虑潜变和应力松弛。塑件因分子裂解而变脆。有些复合物会释放成分。塑件长期存放于低温时，应考虑因素：塑件尺寸缩减正比于其长度、温度下降量、及热膨胀(热收缩)系数。模数上升。塑件变脆。5-2塑件强度设计设计塑件时，其破坏性质控制的成功与否，往往取决于对于塑件强度（或劲度）的准确预测。根据塑件承受负荷或拘束条件的不同，可以区分为拉伸强度、压缩强度、扭曲强度，挠曲强度和剪切强度。塑件的强度与材料、几何形状、拘束条件、成形的残留应力和配向性有关。表5-1列出五种典型的负荷条件及设计者应考虑的材料性质。表5-1典型的负荷条件及设计者应考虑的材料性质负荷条件设计者应考虑的材料性质短期负荷应力--应变行为长期负荷潜变反复性负荷疲劳高速和冲击性负荷冲击强度极端温度之负荷热应力－应变行为5-2-1短期负荷短期负荷是指塑件于搬运、组合、和使用时，偶而施加的负荷，其设计应采用应力-应变图的比例极限值。使用肋或角板等强化结构，可以改善塑件的强度。应考虑使用宽幅的肋，以提升结构强度；增加肋的高度或减小肋的间距也会改善结构强度。另外，在需要的方向添加强化玻璃纤维也可以改善结构强度。5-2-2长期负荷长期负荷指在比例极限以内，塑件长时间承受高外力负荷，以及塑件在成形和组合制程中造成的高内应力或残留应力。其于设计上应考虑：使用潜变模数，以避免应力破裂破坏，维持接点紧密结合和塑件功能。设计压合连接或搭扣连接之组合，以减少组装造成的应力。使用固定组件(fasteners)以减低应力，强化结构。设计塑件与塑件接合时，使用几何特征或保留安全裕度，以防止塑件因组合而过度紧密配合。5-2-3反复性负荷当塑件承受反复性负荷，应考虑在其寿命内预计承受负荷的次数，下列数字提供典型反复性负荷的范例。负荷种类负荷次数反复组合和拆解少于1,000次齿轮之各齿承受反复性负荷大于10,000次弹簧组件大于10,000次塑件承受反复性负荷时，应考虑下列建议：长间距之周期性负荷可以采用比例极限进行设计。塑件承受短间距和长期间的反复性负荷，应使用S-N曲线进行设计。高度抛光的光滑模面可以降低产生微小裂缝的倾向。注意圆角的设计以避免应力集中。塑件承受高频或高振幅的周期性负荷时，会生热而缩短寿命。改用薄壁设计和耐疲劳的导热性材料可以改善塑件的散热功能。5-2-4高速负荷及冲击负荷高速负荷指施加负荷的速度高于1m/s，冲击性负荷指负荷速度高于50m/s。应避免在高应力区施加高速负荷和冲击性负荷。当设计之塑件承受此类负荷时必须牢记以下建议：在预期的负荷速率之内，使用比例极限进行设计之计算。使用较大的圆角半径及较和缓的肉厚／宽度变化，以避免应力集中。长时间处于高熔融温度的树脂会裂解变脆。要使高温对于熔胶的影响最小化，就必须选用适当熔点的塑料和适当的射出料筒来进行射出成形。5-2-5极端温度施加负荷塑件之储存、搬运和使用温度很容易就高出或低于室温20~30℃，应用于极端温度的塑件必须能适应环境。设计塑件将应用于极端温度条件，建议注意事项如下：应用比例极限进行计算，以避免塑件永久变形。避免将不同热膨胀系数之材料设计为紧迫组合，而且应该在自由端面保留允许塑件膨胀之裕度。常见的高于室温之极端温度条件的应用包括：热液体的容器、热水管线组件、含有加热组件之装置、直接曝于日光之下的搬运工具、储存在无空调建筑之塑件。常见的于低于室温的应用包括：冷冻之塑件和以飞机运载之塑件5-3塑件肉厚设计塑件所需考虑的因素众多，包括功能与尺寸的需求、组合之公差、艺术感与美观、制造成本、环境的冲击、以及成品运送等等。在此，我们将考虑塑件肉厚对于成形周期时间、收缩与翘曲、表面品质等因素的影响，以讨论热塑性塑料射出成形之加工性。塑件于射出成形后，必须冷却到足够低的温度，顶出时才不会造成变形。肉厚较厚的塑件需要较长的冷却时间和较长的保压时间。理论上，塑件射出之冷却时间与肉厚的平方成正比，或者与圆形对象直径的1.6次方成正比。所以粗厚件会延长成形周期时间，降低单位时间所射出塑件的数量，增加每个塑件的制造成本。另外，塑料射出成形先天上就会发生收缩，然而，剖面或整个组件的过量收缩