塑料制品設(shè)計(jì)第二章講稿

塑料制品設(shè)計(jì)第二章講稿第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二了解塑料制品設(shè)計(jì)的一般程序和方法，掌握塑料制品設(shè)計(jì)的基本原則，熟悉塑料的非力學(xué)性能和力學(xué)特性，材料選擇的方法和失效分析。學(xué)習(xí)目的與要求第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二1.1

塑料制品的設(shè)計(jì)原則和方法1.1.1塑料制品設(shè)計(jì)的三個(gè)階段擬定方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備1.擬定設(shè)計(jì)方案１）確定制品的功能和性能功能——指在一定時(shí)間和環(huán)境下的使用功能如支承、機(jī)械傳動和電絕緣等。性能——指制品的力學(xué)、熱力學(xué)、物理和化學(xué)等性能。第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二２）選擇材料考慮制品的功能、性能、加工性和生產(chǎn)成本；３）確定加工方法根據(jù)制品的形狀、大小、精度和生產(chǎn)成本選擇；４）對制品進(jìn)行失效分析對制品在使用環(huán)境下失效形式，進(jìn)行預(yù)測性計(jì)算或相應(yīng)的測試。第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二１)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，確定制品的形狀、尺寸和性能，決定制品的使用性能；２)工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是制品生產(chǎn)的前提，主要考慮成型的可行性和生產(chǎn)成本；３)造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮外形美觀。2.塑料制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二3.生產(chǎn)準(zhǔn)備和定型工藝工程師和模具工程師合作，用CAD/CAE分析軟件，對塑料制品進(jìn)行二維和三維造型設(shè)計(jì)；然后用計(jì)算機(jī)模擬成型過程，獲得成型過程及制品的分析數(shù)據(jù)；根據(jù)分析數(shù)據(jù)修改，直到定型。第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二1.1.2塑料制品設(shè)計(jì)的基本四個(gè)原則

1.保證塑料制品在使用期的功能和性能在失效分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行計(jì)算校核和實(shí)驗(yàn)測試；

2.在保證塑料制品的功能和性能前提下選用材料，必須考慮加工可行和成本低；

3.必須考慮聚合物的流變性變化對制品的影響；

4.考慮裝配關(guān)系，滿足裝配要求。第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二1.1.3材料性能及其選擇方法1.材料性能

1)力學(xué)性能拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、拉伸屈服應(yīng)力、壓縮強(qiáng)度、拉伸模量、沖擊強(qiáng)度和硬度。

2)熱性能線膨脹系數(shù)、熱變形溫度、熱導(dǎo)率、玻璃化溫度。第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二塑料的熱性能材料熔體流動速率維卡軟化溫度0CLDPE1.183HDPE1.1127LLDPE0.85101PP1.0154第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二

3)物理性能密度、滲透性（表1.２-４）、電性能、光學(xué)性能。

4)化學(xué)性能耐腐蝕性、耐候性（表1.２-７）、吸水性（表1.２-３）、可燃性（表１.２-５）。５)加工性能熔融溫度（見表１.2-２）、分解溫度、熔體流動速率、加工溫度范圍、收縮率。第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二各種塑料的最高溫度塑料種類連續(xù)工作溫度范圍0C分解溫度0C熔融溫度0C聚酰胺110~175300~400260~290聚碳酸酯80~150340~440260~290聚丙烯80~130320~400200~300聚氯乙烯70~110130~150160~180ABS70~105250~400180~250聚乙烯50~85270~310160~240表1.2-2第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二2.材料選擇的方法

1)提出塑料制品的性能要求（如表1.1-1)。

2)在材料性能表（如表1.1-2)中預(yù)選材料。３)在保證塑料制品性能的前提下，盡量選用價(jià)格較低的材料。第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二2.材料選擇的方法

1)提出塑料制品的性能要求（如表1.1-1)。

2)在材料性能表（如表1.1-2)中預(yù)選材料。３)在保證塑料制品性能的前提下，盡量選用價(jià)格較低的材料。第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二1.1.4加工方法的選擇1、加工方法的選擇主要考慮的因素制品的形狀、尺寸和精度；材料性能；生產(chǎn)和投資成本。2、主要加工方法擠出成型注射成型壓延成型熱成型第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二1.2

塑料制品的失效分析1.影響塑料制品失效的因素

1)負(fù)載包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭曲等類型。金屬件力學(xué)計(jì)算以強(qiáng)度為主。塑料制品考慮形變和沖擊性，力學(xué)計(jì)算以剛度為主。2)溫度橡膠制品的Ｔ（使用溫度）＞Ｔg，塑料制品的Ｔ＜Ｔg。(PC:Ｔg≈150;PS≈100;PE≈-60)3)時(shí)間在應(yīng)力作用下，制品有蠕變和松馳行為。在光、熱、氧等條件下使用會逐漸老化失效。第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二2.塑料制品失效的形式1)屈服失效是塑料產(chǎn)生塑性變形的起點(diǎn)。塑料制品的極限應(yīng)力應(yīng)少于屈服點(diǎn)的應(yīng)力。

第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二2)蠕變和松馳失效長期負(fù)載作用的塑料件會產(chǎn)生蠕變形變，最終會蠕變斷裂。如密封件變松失效。3)沖擊失效在沖擊下變形和斷裂。負(fù)荷作用時(shí)間極短，變形速率很高。如脆性材料PS等制品的破壞。第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二4)疲勞失效在交變應(yīng)力作用下的塑料件的斷裂。如齒輪、傳送帶和輪胎破壞。5)環(huán)境失效在化學(xué)介質(zhì)、光、氧、高溫和低溫等環(huán)境下，使大分子鏈斷裂、降解而老化，降低塑料件的使用壽命。6)成型形成的缺陷熔合縫、取向、殘余應(yīng)力和收縮等影響塑料制品內(nèi)部和表面質(zhì)量，形狀和尺寸精度。第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二塑料制品失效舉例：聚苯乙烯特征PS在墜落和受沖擊時(shí)易斷裂；避免壁厚不均，死角和嵌件造成應(yīng)力集中；殘余應(yīng)力過大，會產(chǎn)生發(fā)白和裂紋；因熱膨脹系數(shù)大，交替的冷縮熱脹使塑料制品聯(lián)接處開裂。聚酰胺（PA）PA含水量高，在高溫下加工水解導(dǎo)致材料降解；固化時(shí)間過短，結(jié)晶不足，晶粒粗，而韌性差；使用環(huán)境濕度變化大，因吸水膨脹尺寸超出公差。第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二1.3.1靜載荷下的形變行為1.3.1.1應(yīng)變特性1、應(yīng)力—應(yīng)變行為影響塑料力學(xué)性能的主要因素：材料、溫度、時(shí)間、壓力和加工。（1）材料結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)單元、共聚、側(cè)基、支鏈；相對分子質(zhì)量及分子量分布、分子取向、交聯(lián)、結(jié)晶度與結(jié)晶形態(tài)、添加劑和共混物。1.3塑料的力學(xué)特性第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二應(yīng)力—應(yīng)變曲線典型的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線比例極限屈服應(yīng)力拉伸強(qiáng)度斷裂伸長率第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二△材料硬而脆剛性制品，不宜沖擊，能承受靜壓力

典型實(shí)例：酚醛塑料制品△材料硬而強(qiáng)高模量高抗張，斷裂伸長小或無屈服

典型實(shí)例：PVC硬制品△材料硬而韌高模量高抗張，斷裂伸長大，有屈服

典型實(shí)例：聚碳酸酯制品

▲可以作為高強(qiáng)度塑料的高聚物第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二△材料軟而韌低模量低屈服，斷裂伸長率及強(qiáng)度大

典型實(shí)例：硫化橡膠、LDPE制品△材料軟而弱低模量低強(qiáng)度，斷裂伸長率中等

典型實(shí)例：未硫化天然橡膠△材料弱而脆一般為低聚物

▲可以作為形變較大的材料

▲無使用價(jià)值的材料第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二（2）溫度高聚物狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg無定形聚合物軟化溫度Tf結(jié)晶聚合物的熔點(diǎn)Tm圖2.1-3反映了PP在不同溫度下的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二（3）時(shí)間塑料的力學(xué)性能是時(shí)間的函數(shù)，在長時(shí)間的應(yīng)力或應(yīng)變作用下，塑料產(chǎn)生蠕變和松馳行為。（4）壓力塑料在氣體或液體的靜壓力下，彈性模量和屈服應(yīng)力隨之增大。（5）加工塑料經(jīng)加工后因產(chǎn)生取向、結(jié)晶和殘余應(yīng)力等影響，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線會發(fā)生明顯變化。第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二2、彈性模量（1）基本概念彈性模量E——是材料在彈性范圍內(nèi)，作用應(yīng)力σ與產(chǎn)生的應(yīng)變ε之比。塑料試樣負(fù)載的五種類型：拉伸、壓縮、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)。三種彈性模量：拉伸彈性模量E、剪切彈性模量G和體積彈性模量K。第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二（2）影響彈性模量的因素1）高聚物主鏈的剛性，剛性大模量也大；2）結(jié)晶度和交聚度，結(jié)晶度和交聚度高模量也高；3）取向度，取向高方向的模量大于取向低方向的模量；4）溫度，模量隨溫度升高而下降；5）加工助劑，填充劑會使模量增加。第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二1.3.1.2屈服特性屈服點(diǎn)是制品設(shè)計(jì)和失效分析的重要參數(shù)和設(shè)計(jì)依據(jù)。1、屈服條件屈服條件取決于高聚物的種類、結(jié)晶態(tài)、測試溫度和應(yīng)變速率等因素。屈服條件即屈服點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變和應(yīng)力。脆性塑料無屈服點(diǎn)，屈服應(yīng)力的確定方法有：方法一：應(yīng)力—應(yīng)變曲線的起始部分和最終部分作兩切線，交點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力。方法一：在應(yīng)變=2%始，作應(yīng)力—應(yīng)變曲線起始部分的平行線，與曲線交點(diǎn)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力。第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二2、屈服失效屈服失效的征兆：出現(xiàn)頸縮或銀紋，分為剪切屈服和銀紋屈服。1）剪切屈服在外力作用下，塑料件出現(xiàn)的變形總是非均勻的，塑性變形先發(fā)生在某個(gè)部位，出現(xiàn)應(yīng)力集中，變形量增大。通常塑性的塑料制品在拉力作用下出現(xiàn)頸縮和冷拉現(xiàn)象。2）銀紋屈服受應(yīng)力和環(huán)境因素影響，出現(xiàn)蠕變斷裂、疲勞破壞、應(yīng)力開裂前都有銀紋現(xiàn)象，光學(xué)和透明制品要避免出現(xiàn)銀紋。第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二3、影響屈服的因素（1）溫度和應(yīng)變速率溫度↑，屈服應(yīng)力↓，粘流態(tài)屈服應(yīng)力→O；應(yīng)變速率↑，屈服應(yīng)力↑。（2）結(jié)晶度結(jié)晶度↑，屈服應(yīng)力↑。（3）取向取向方向屈服應(yīng)力↑。如圖21-9。因各方向的取向不均勻，造成制品因收縮不均勻而產(chǎn)生變形。（4）拉伸比如吹塑成型第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二1.3.1.3蠕變?nèi)渥冇?jì)算是塑料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或校核計(jì)算的主要項(xiàng)目1、蠕變曲線塑料屬粘彈性材料，在外力作用下既有剛性固體的彈性，又有粘性液體的流動性。塑料的應(yīng)變行為，如蠕變、松馳和回復(fù)對加載時(shí)間和溫度有明顯的依賴性。第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二應(yīng)力-應(yīng)變的等時(shí)蠕變曲線和應(yīng)力-時(shí)間對數(shù)的等應(yīng)力蠕變曲線第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二2、蠕變失效塑料制品的蠕變失效計(jì)算：1）剛度計(jì)算對制品重要部位的最大變形量進(jìn)行限制。通常用允許應(yīng)變值[ε]（表2.1-3）進(jìn)行工作期限的設(shè)計(jì)或校核。

第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二2）強(qiáng)度計(jì)算防止制品受過大載荷而蠕變破壞，通常以工作期限內(nèi)不會產(chǎn)生銀紋、頸縮或斷裂的允許應(yīng)力[σ]，作為設(shè)計(jì)的極限應(yīng)力，如表2.1-4第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二1.3.1.4松馳松馳失效常見于有金屬嵌件的塑料制品、金屬塑料套管、密封件等。要求保證在使用期內(nèi)，塑料的內(nèi)預(yù)應(yīng)力不要松馳過多，導(dǎo)致配合和密封失效。第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二1.3.1.5蠕變回復(fù)塑料件間歇受力作用，出現(xiàn)交替蠕變和回復(fù)。間歇應(yīng)力下的應(yīng)變響應(yīng)如圖2.1-23.受循環(huán)應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生殘余應(yīng)變積累εtn，殘余應(yīng)變的大小取決于施加應(yīng)力的大小，特別與蠕變及回復(fù)的持續(xù)時(shí)間。殘余應(yīng)變不能太大。第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二1.3.2動態(tài)載荷分析本節(jié)講座塑料制品在交變載荷、振動載荷和沖擊載荷下的力學(xué)特性。1、疲勞強(qiáng)度1）交變應(yīng)力和疲勞曲線交變應(yīng)力：隨時(shí)間呈周期性變化的應(yīng)力。例：一對傳動齒輪的嚙合過程中，齒輪每旋轉(zhuǎn)一周，嚙合一次。每次嚙合，齒根受到的彎曲應(yīng)力由零變化到某一最大值。第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二疲勞：是材料在周期性的交變載荷作用下發(fā)生的破壞。疲勞壽命：試樣在給定的交變應(yīng)力下，試樣斷裂時(shí)的次數(shù)N。第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二疲勞壽命：試樣在給定的交變應(yīng)力下，試樣斷裂時(shí)的次數(shù)N。疲勞強(qiáng)度：當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力S降到試樣經(jīng)受循環(huán)次數(shù)107以上并不發(fā)生疲勞斷裂時(shí)，該應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。疲勞：是材料在周期性的交變載荷作用下發(fā)生的破壞。第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二2.力學(xué)致熱在振動外力作用下，由于固體高分子材料響應(yīng)的粘滯效應(yīng)和不良的導(dǎo)熱性能，會使制品產(chǎn)生“熱軟化”或“熱疲勞”。加載時(shí)峰值應(yīng)力愈大，粘性阻力產(chǎn)生的摩擦熱量愈大；在同等應(yīng)力下，試驗(yàn)負(fù)載頻率愈高，制品溫度上升愈多。見圖2.2-11第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二例如：橡膠輪胎在60km/h以上速度行駛，無法散熱時(shí)升溫可達(dá)1000C。防熱軟化方法：使用剛性大的材料、降低工作應(yīng)力和降低載荷頻率。第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二3.沖擊強(qiáng)度影響沖擊強(qiáng)度的因素：（1）缺口和應(yīng)力集中試樣中有裂紋和缺陷，缺口愈深，缺口尖角曲率半徑愈小，沖擊強(qiáng)度愈小。如右圖第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二（2）溫度：溫度高于Tg時(shí)，沖擊強(qiáng)度大提高；（3）沖擊速度：沖擊速度高，沖擊強(qiáng)度下降；（4）取向：平行于取向方向的沖擊強(qiáng)度提高。第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二擬彈性方法(P83頁)粘彈性形變具有時(shí)間依賴性現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)工程公式：基于一些假定條件推導(dǎo)出不能不加區(qū)分隨意使用擬彈性設(shè)計(jì)方法：性能指標(biāo)考慮了時(shí)間依賴性(極限應(yīng)變、設(shè)計(jì)使用壽命等)非直接方法，不能應(yīng)用于所有塑料或某種塑料的所有場合。第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期二熔合縫當(dāng)制品采用多澆口或有孔嵌件或設(shè)計(jì)的制品厚度不均時(shí)，熔體在模內(nèi)發(fā)生兩個(gè)方向以上的流動，在兩股料流的匯集處就形成接合縫，又叫熔合縫、熔接痕等。在注塑制品中常遇到接合縫，制品受到外力等環(huán)境作用時(shí)，常在接合縫處發(fā)生破壞。熔合縫有二種：一種是在充模開始時(shí)形成的熔合縫。另一種是在充滿終止時(shí)形成的熔合縫。具體表現(xiàn)：1.由于熔體料流徑過一段流長后，其溫度有所降低，兩個(gè)波前鋒匯集時(shí)表面不能互相熔合。2.對結(jié)晶型聚合物，在熔合縫的界面上不能形成完全結(jié)晶，使力學(xué)性能下降。3.在波前峰之間挾雜氣體和雜質(zhì)，使接觸面減小，導(dǎo)致熔合縫強(qiáng)度降低。影響熔合縫的因素：1.熔體丘模具溫度。2.充模速度。3.注射壓力。4.退火處理或其它。和面、面粉