基于DIC和热电偶实现高聚物力热响应特性研究

伍璧超，卢玉斌

（西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室，四川 绵阳 621010）

基于DIC和热电偶实现高聚物力热响应特性研究

伍璧超，卢玉斌

（西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室，四川 绵阳 621010）

利用非接触式、高精度和全场实时观测的三维数字散斑动态变形测量分析方法，结合热电偶实现高聚物材料在单轴准静态实验中变形和表面温度变化的同步测量，并获得超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和聚碳酸酯（PC）在准静态实验中的应变场和表面温度场。实验结果表明：高聚物表面在变形开始阶段会出现短暂的降温现象，或由于试件体积的膨胀，随着变形增大，应变率增大，温度升高，温升速率也随之增大，表面温度在实验结束后达到最大值，表现为大量放热现象，最终温度下降逐渐趋于稳定；在准静态实验中UHMWPE和PC具有一定的应变率敏感性，弹性模量和拉伸强度随应变率的增大而增大；且UHMWPE的压缩性能明显强于其拉伸性能。

固体力学；温升速率；同步采集；数字图像相关（DIC）；应变率效应

0 引 言

高聚物作为近年来迅猛发展的一种新型高分子材料，许多金属制品和部件已由它替代。越来越多的高聚物材料应用于机械、建筑乃至高新技术领域中，其力热响应特性在诸多物理性能中尤为重要。而目前传统的接触式应变片和引伸计的测量方法存在着明显不足，它们以点测量为基础，不能获得全场的变形信息，并且其测量量程有限，已不能很好地满足测量需求[1]。数字图像相关技术（digital image correlation，DIC）是一种典型的光学应变测量方法[2]。因其具有非接触式、准确度高、光路相对简单、对测量环境没有特别要求和三维全场实时测量的特点，近几年来逐步成为国内外学者关注的焦点。随着其应用的飞快发展，现已广泛应用于静动态应变、断裂力学、全场应变测量及材料参数的测量等各个领域。

DIC方法是20世纪80年代由美国南卡罗莱纳州大学（university of south carolina）的Peter和Ranson[3]首先提出的。最初，对于DIC的研究主要应用于对二维变形的测量，称为二维DIC方法[4]。历经各国学者30多年的研究改进及积累，随后提出了采用双目立体视觉测量技术测量物体三维变形的三维DIC方法，目前已成为一种成熟的测量方法，并已成功地应用于力学实验测量中。马少鹏等[5-7]用DIC方法全面捕捉岩石结构复杂的变形和破坏过程，并对其损伤破坏过程进行了实验观测，基于观测位移和应变场对损伤破坏过程进行定量分析。Tung等[8]利用DIC技术获得了各向异性铝板的弹性模量，并对其进行了实验验证。赵燕茹等[9]采用DIC方法和单纤维拉拔试验相结合，直接测量钢纤维从混凝土基体拔出过程中界面的应变分布及变化规律，并实时观测界面粘结、脱粘、滑移全过程。DIC方法在指接木材、竹材、水稻茎秆和钢绞线等的力学性能分析方面也得到广泛应用[10-13]。

虽然DIC方法在高聚物的拉伸应变和动态应变测量方面已有一定的应用[14-19]，但使用该方法结合热电偶研究高分子聚合物的力热响应特性的工作目前尚未见报道。本文选取超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和聚碳酸酯（PC）这两种典型的热塑性塑料进行准静态试验。

1 实验研究

1.1 实验原理

DIC是通过试件表面图像匹配的方法进行分析，从而对全场位移和应变进行量化分析的一种光学测量的实验力学方法，其基本原理是通过实时比较试件变形前后表面随机分布的人工散斑图像的变化来获得试件的变形信息，从而确定其位移场和应变场。

本实验采用西安交通大学研制的XJTUOM型光学非接触式三维动态变形测量系统，该系统测量范围较大，测量对象范围为1～2000mm；应变测量范围从0.01%～300%，可用于试件表面形貌、位移以及应变的测量和分析，测量结果显示直观。该系统采用互成一定角度的两个高速摄像机（相机分辨率是1392× 1040）实时采集试件各个变形阶段的散斑图像。同时，为了保证图像的清晰，使用两个LED灯作为光源。应用DIC算法实现试件表面变形点的匹配，根据各点的视差数据和预先标定得到的相机参数重建计算点的三维坐标；通过比较每一变形状态测量区域内试件表面各点的运动（即三维坐标）的变化得到试件的位移场，并进一步计算得到试件的应变场。

1.2 实验方法

首先对UHMWPE和PC进行准静态下不同速率的拉伸实验，试验是在WDW型-100双立柱微机控制电子万能试验机上进行，并用无纸记录仪和K型毫秒级微细响应热电偶（响应时间≤200ms）实时测量试件在变形过程中的表面温度变化，最终获得其应变和温度数据的流程，如图1所示。拉伸试件的形状和尺寸如图2所示，UHMWPE拉伸试件的厚度为10 mm，PC拉伸试件的厚度为8 mm；再对UHMWPE进行准静态压缩实验，试样尺寸为10mm×10mm× 20mm。

环境温度为室温，UHMWPE拉伸速度分别为80 mm/min及8 mm/min，按（为平均应变率，ν为加载速度，l为试样标距长度）获得相应的平均应变率为4.04×10-2s-1及4.04×10-3s-1。压缩速度为8 mm/min，相应的平均应变率为6.67×10-3s-1。PC拉伸速度分别为8mm/min及5mm/min，相应的平均应变率为4.04×10-3s-1及2.52×10-3s-1。

图1 基于DIC和热电偶的准静态实验流程图

图2 拉伸试件的形状和尺寸（单位：mm)

实验开始前首先需要对XJTUOM型三维动态变形测量系统进行标定，还需在试样表面喷涂黑白哑光漆，形成黑白相间的随机分布图案，作为DIC方法跟踪被测件表面变形的散斑特征。需要注意的是，由于采集图像的密集性和散斑系统图像容量的局限性，加载速度越小，最终能够测得的试样的最大应变也越低。拉伸试件散斑图像如图3所示。

图3 拉伸试件的散斑图像

2 结果与讨论

2.1 准静态拉伸试验中的应力-应变特性

实验发现UHMWPE在拉伸过程中，开始阶段，随着应力增加，位移也不断增加，试件沿拉伸方向不断延伸，试件的横截面尺寸不断变小，并在试件上产生局部颈缩现象；当应力增大到最大值后不再增加，甚至稍微有下降趋势，这时应力不再增加，但其变形却没有停止。当局部颈缩达到一定的极限时，就不再继续颈缩，但颈缩区的台肩沿拉伸方向向着试件两端均匀延展，随后变形增大，应力也增加直到试件最终在颈缩处断裂破坏。

图4为UHMWPE的拉伸试件在平均应变率分别为4.04×10-2s-1和4.04×10-3s-1时的真实应力-应变曲线。可以看出：UHMWPE材料在承受静载拉伸变形时经历了3个阶段，分别为弹性阶段、屈服阶段和应变硬化阶段。其弹性模量和拉伸强度随应变率的增大而增大，短暂的屈服平台区后出现明显的应变硬化现象。由于UHMWPE是一种线形的、分子之间高度缠绕的长链型大分子，分子柔性大，在其拉伸过程中能产生较大的变形。另外，根据试件断裂后标距长度增加量与初始标距长度的比值可算得断裂伸长率（l1为试件断裂后的标距长度，l为试样初始标距长度）。在拉伸速度为80mm/min时，断裂伸长率约为20%；而在拉伸速度为8mm/min时，断裂伸长率达到540%，说明其具有很好的延性。

PC试样在平均应变率为4.04×10-3s-1和2.52× 10-3s-1时的真实应力-应变曲线如图4所示。可以看出，该曲线有明显的屈服阶段，表现为弹性变形阶段后的应变软化现象，并出现不太明显的颈缩现象，此时应力随着应变增大而逐渐减小。随后真实应力-应变曲线表现为稳定的塑性流动阶段，最后随着应变的进一步增大，试件发生断裂破坏，断裂端面表现为平直断口，其宏观破坏表明PC具有明显的脆性特征。从图5可以看出PC具有一定的应变率敏感性，应变率越大，其拉伸强度就越大，屈服应变也随之增加。

比较UHMWPE和PC可知，在同一应变率下PC的屈服应力明显大于UHMWPE的屈服应力，且PC对应变率的敏感性也较UHMWPE的更强，但UHMWPE的延展性比PC的好。UHMWPE和PC试件拉伸断裂后的状态如图6所示。

2.2 准静态压缩试验中的应力-应变特性

图4 不同平均应变率下UHMWPE的真实应力-应变曲线

图5 不同平均应变率下PC的真实应力-应变曲线

图6 UHMWPE（上）和PC（下）试件拉伸断裂后的状态

图7 UHMWPE静态真实应力应变曲线

UHMWPE在压缩速度及拉伸速度均为8mm/min时的真实应力-应变曲线如图7所示。可以看出，在压缩实验中UHMWPE的屈服应力明显大于拉伸时的屈服应力，其压缩弹性模量也明显高于拉伸弹性模量，故UHMWPE的压缩强度明显大于其拉伸强度。压缩真实应力-应变曲线在弹性阶段结束后表现为非线性，没有明显的屈服平台，发生了较大的塑性流动，且试件未被压坏，容许有较大的变形，表明UHMWPE有很好的抗压性能。UHMWPE压缩变形后的状态如图8所示。

图8 UHMWPE试件压缩变形后的状态

2.3 准静态拉伸试验中的温度变化及与应变和应变率的关系

基于准静态拉伸实验研究试件的表面温度变化，材料在受拉时，试件表面颈缩区的温度变化最为明显，所以热电偶测量端主要粘在试件表面的颈缩区内。图9是在拉伸速度为80mm/min时UHMWPE的真实应变/相对温度-时间曲线。图10为图9的局部图，其时间范围为试验的持续时间。由图可知：在拉伸实验的开始阶段，试件表面颈缩区的温度有小幅度的下降，可能是由于处于静态的试件突然受到拉力，体积膨胀所致；随后进入屈服阶段，试件变形继续增大，温度开始升高，温升速率（即相对温度-时间曲线的斜率）随瞬时应变率（即真实应变-时间曲线的斜率）的增加而增大；直到实验结束，温度开始大幅度提升，温升速率达到最大，原因是试件塑性变形过程中来不及放出大量的热量；随着时间的推移，试件的表面颈缩区温度降低并逐渐趋于稳定，这是由于试样和所处环境空气之间进行了热交换。

图11是在拉伸速度为5 mm/min时PC的真实应变/相对温度-时间曲线。可以看出，同样在实验一开始，PC试件表面颈缩区的温度降低，应变随时间增大，而后温度再升高，且之后温度升高的变化率与瞬时应变率成正比。

图9 UHMWPE的真实应变/相对温度-时间曲线

图10 UHMWPE的局部真实应变/相对温度-时间曲线

图11 PC的真实应变/相对温度-时间曲线

3 结束语

1）利用DIC全面捕捉UHMWPE和PC的变形破坏过程，实时观察并得到定量化的实验数据，用于后续分析，该方法也解决了传统应变片不能测量其全场应变的问题；实验结合DIC与热电偶技术进行准静态拉伸实验，在变形过程中同时测量试件颈缩区的表面温度变化并实时记录，实现了应变场与温度场的同步测量，对研究高聚物力热响应特性有重要意义。

2）UHMWPE和PC在拉伸变形中，最开始都在试件上形成局部的颈缩区，发生局部变形。随后UHMWPE的局部变形达到极限，引起整个试件的均匀变形，直到整个试件均达到变形极限时才产生断裂破坏，出现了明显的应变硬化现象，表现出很强的延性特征；PC试件在拉伸过程中表现出有明显的屈服，并出现明显的应变软化现象，PC试件的破坏表现出明显的脆性。且UHMWPE和PC具有一定的应变率敏感性，应变率越大，其弹性模量和拉伸强度就越大，屈服应变也越高。同时通过准静态压缩实验比较得出UHMWPE的抗压能力明显强于其拉伸能力。

3）通过结合热电偶的准静态拉伸实验研究，发现UHMWPE和PC在变形一开始出现降温现象，可能是由于试件突然体积膨胀；随着变形增大，瞬时应变率提高，温度大幅度升高，温升速率也增大，且温度在实验结束时出现最大值，这是由试件变形后的放热产生的；最终与所处环境进行热交换，温度下降并逐渐趋于稳定。

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Research on mechanical-thermal response characteristics of polymers based on digital image correlation and thermocouple techniques

WU Bichao，LU Yubin
（Key Laboratory of Testing Technology for ManufacturingProcess of Ministry of Education，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China）

Simultaneous measurement on material deformation and surface temperature variations of polymers in uniaxial quasi-static experiments was implemented by using an analysis method of three-dimensional digital-speckle dynamic-deformation measurement of non-contact，high precision and real-time full-field observation and by employing a thermocouple.The strain field and surface temperature field in ultra-high molecular weight polyethylene（UHMWPE）and polycarbonate（PC）during quasi-static experiments were obtained through the above measurement.Experimental results show that thereisashort coolingphenomenon asthebeginningstageofpolymersurface deformation，which may be caused by the expansion of specimen volume.The temperature and temperature-rising rate increased with the deformation and strain rate.The surface temperature reached themaximum after the experimentand characterized by excessiveheat release and gradually-stabilized temperature decline.The UHMWPE and PC were a bit sensitive to the strain rate during quasi-static experiments.The elastic modulus and tensile strength increased with the strain-rate，and moreover，the compression performance of the UHMW PE was much stronger than the tensile property thereof.

solid mechanics；heat rate；synchronous acquisition；digital image correlation；strain-rate effect

A

：1674-5124（2015）05-0021-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.006

2014-09-03；

：2014-11-15

留学回国人员科技活动项目择优资助（14zd102）西南科技大学研究生创新基金（14ycx0119）

伍璧超（1988-），女，四川自贡市人，硕士研究生，专业方向为实验力学。