聚甲基丙烯酰亚胺泡沫平面断裂韧性实验研究

杨 洋，陈新文，王 翔，马思奇，郭 宁

（中国航发北京航空材料研究院，北京100095；航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095；中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室，北京100095）

聚甲基丙烯酰亚胺（Polymethylimide，PMⅠ）泡沫是一种轻质交联的多孔硬质泡沫塑料，具有密度低、比强度高、比模量高、热稳定性良好、易于加工等特点。同时，PMⅠ泡沫可与各种夹层面材复合，能承受高温复合材料固化工艺，能够适应各种成型方法[1-4]。由于其优异的性能，PMⅠ泡沫在航空航天、船舶兵器、能源动力、交通运输、医疗体育器材等领域得到广泛应用[5-7]。而PMⅠ泡沫的平面断裂韧性作为一项重要韧性指标，对于结构强度设计具有重要意义。工程结构的突然断裂通常是由于裂纹的快速扩展或失稳扩展造成的。平面应变断裂韧性KⅠC表征材料在线弹性范围内，带裂纹工作时抵抗裂纹的能力，是材料的一种固有力学属性，不仅能正确反映材料抵抗低应力破坏的能力，而且还能预判断裂应力[8-10]。

本文通过针对含有预制裂纹的PMⅠ泡沫CT 试样，开展了平面断裂韧性实验，并获得了相应载荷-位移曲线。随后通过超景深三维显微镜获得了CT 试样断口的显微图和三维形貌，标定了裂纹前缘，并精确测量了裂纹长度。最终通过计算获得PMⅠ泡沫的平面断裂韧性KⅠC大小和离散系数，证明了实验的可行性和可靠性。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料及试样

实验所用材料为未经热处理的PMⅠ泡沫板材，密度为110 kg/m3。参考ASTM D 5045 标准[11]，切割为如图1 所示的紧凑拉伸（Compact Tension，CT）试样。图1（a）为CT试样示意图，其中W为100 mm，B为50 mm。图1 中的缺口首先通过薄锯片机加工出尖端近似V 形的凹槽，然后使用薄刀片切出V 形凹槽尖端的最后2～4 mm，来预制出一个近似天然的裂纹。预制的裂纹应保证应力在试样厚度方向上均匀分布，并且在预期的裂纹扩展面两侧对称分布。机加工的凹槽深与刀片预制裂纹长度之和为a，需满足0.45＜a/W＜0.55。CT 试样实物如图1（b）所示。

图1 CT 试样

1.2 实验过程与方法

平面断裂韧性实验按照ASTM D 5045 标准进行。实验前将待测试样置于（23±2）℃和相对湿度为（50±10）%的大气环境下24 h 进行状态调节。实验温度为23 ℃，选取5件已完成裂纹预制的试样进行PMⅠ泡沫平面断裂韧性实验。将试样安装于如图2 所示的PMⅠ泡沫平面断裂韧性实验加载系统，加载系统由Ⅰnstron 5882 电子万能试验机和MTS断裂韧性实验夹具组成。以10 mm/min 速率对试样施加载荷，直到试样断裂，停止实验，同时记录载荷-位移数据。

试样断裂以后，在断口上测量裂纹长度a。由于试样为乳白色均质多孔材料，直接通过肉眼难以分辨裂纹前缘。因此采用OLYMPUS DSX110 超景深三维显微镜对断裂试样断口区域进行不同高度扫描，并合成三维形貌，来进行裂纹前缘的标定和裂纹长度的测量。

图2 PMⅠ泡沫平面断裂韧性实验加载系统

2 结果与分析

PMⅠ泡沫平面断裂韧性试样的载荷-位移数据如图3 所示。从图3 中可见，加载起始时，随着位移的增加，载荷增加越来越缓慢，变化较小。当试验机夹头位移上升到约0.5 mm 时，载荷开始增大，此阶段载荷和位移基本呈线性关系，曲线比较平滑，裂纹逐渐张开，直至达到最大载荷。随后载荷逐渐呈阶梯状下降，加载过程中CT 试样沿着预制裂纹逐渐断裂，最终断为两截，其破坏模式如图3 所示。

图3 PMⅠ泡沫平面断裂韧性实验载荷-位移曲线及其破坏模式

通过超景深三维显微镜观测平面断裂韧性实验断口，如图4（a）所示。获得裂纹前缘显微如图4（b），并生三维形貌如图4（c）所示。通过三维形貌图可以看出，通过刀片预制的裂纹较平缓，而裂纹扩展后的天然裂纹区域具有较大的高低落差，粗糙度明显大于预制裂纹的区域，因此通过识别平缓区和粗糙区的分界线，可以明晰地标定出裂纹的前缘，绘制出裂纹前缘连线，并测量出裂纹的真实长度。取沿厚度方向从缺口外边及加载线到裂纹前缘测量5 处，即裂纹前缘的中心三点A2、A3、A4 以及每个表面上裂纹前缘边缘A1、A5，如图4（d）所示。五处测量长度分别为a2、a3、a4以及a1和a2，取平均值作为裂纹长度a，即a=（a1+a2+a3+a4+a5）/5。

图4 平面断裂韧性实验断面测量

参考ASTM D 5045 标准，条件断裂韧性KQ按照下式进行计算：

式（1）中：KQ为条件断裂韧性，MPa·m1/2；Pm为最大破坏载荷，kN；B为试样厚度，cm；W为试样宽度，cm。

f（x）为有限宽度校正系数，按照下式进行计算：

式（2）中：x=a/W且0.45

按照本方法，只有试样厚度B、裂纹长度a以及韧带尺寸（W－a）均满足下式，实验结果才是有效的：

式（3）中：KQ为条件断裂韧性，MPa·m1/2；σy为PMⅠ泡沫屈服强度，MPa，本研究通过采用ASTM D 695 标准[12]，对PMⅠ泡沫拉伸试样进行实验获得PMⅠ泡沫屈服强度，大小为4.34 MPa。

如果材料的形状能满足式（3）的要求，则平面应变断裂韧性KⅠC=KQ。

将实验获得的每一件试样的最大载荷、裂纹长度、试样厚度、宽度以及裂纹长度代入式（1）（2）中计算获得条件断裂韧性，然后通过公式（3）进行有效性判断，得到每件PMⅠ泡沫CT 试样的平面断裂韧性，具体数据如表1 所示。其平均值大小为0.103 MPa·m1/2，离散系数大小为2.66%，显示实验结果具有较好的重复性。

3 结论

通过PMⅠ泡沫平面断裂韧性实验加载系统，对含有预制裂纹的PMⅠ泡沫CT 试样开展了平面断裂韧性实验，并获得了相应载荷-位移曲线。随后通过超景深三维显微镜获得了CT 试样断口的显微图和三维形貌，标定了平面断裂韧性实验裂纹前缘，并精确测量了裂纹长度。为多孔材料平面断裂韧性实验裂纹长度测量提供了新的方法。最终通过计算获得PMⅠ泡沫的平面断裂韧性KⅠC为0.103 MPa·m1/2，且离散系数2.66%，充分证明了实验的可行性和可靠性。

表1 PMⅠ泡沫平面断裂韧性实验结果