塑料制品设计第二章讲稿

塑料制品设计第二章讲稿第一页，共五十六页，编辑于2023年，星期二了解塑料制品设计的一般程序和方法，掌握塑料制品设计的基本原则，熟悉塑料的非力学性能和力学特性，材料选择的方法和失效分析。学习目的与要求第二页，共五十六页，编辑于2023年，星期二1.1

塑料制品的设计原则和方法1.1.1塑料制品设计的三个阶段拟定方案、结构设计、生产准备1.拟定设计方案１）确定制品的功能和性能功能——指在一定时间和环境下的使用功能如支承、机械传动和电绝缘等。性能——指制品的力学、热力学、物理和化学等性能。第三页，共五十六页，编辑于2023年，星期二２）选择材料考虑制品的功能、性能、加工性和生产成本；３）确定加工方法根据制品的形状、大小、精度和生产成本选择；４）对制品进行失效分析对制品在使用环境下失效形式，进行预测性计算或相应的测试。第四页，共五十六页，编辑于2023年，星期二１)功能结构设计是结构设计的核心，确定制品的形状、尺寸和性能，决定制品的使用性能；２)工艺结构设计是制品生产的前提，主要考虑成型的可行性和生产成本；３)造型结构设计主要考虑外形美观。2.塑料制品结构设计第五页，共五十六页，编辑于2023年，星期二3.生产准备和定型工艺工程师和模具工程师合作，用CAD/CAE分析软件，对塑料制品进行二维和三维造型设计；然后用计算机模拟成型过程，获得成型过程及制品的分析数据；根据分析数据修改，直到定型。第六页，共五十六页，编辑于2023年，星期二1.1.2塑料制品设计的基本四个原则

1.保证塑料制品在使用期的功能和性能在失效分析基础上，进行计算校核和实验测试；

2.在保证塑料制品的功能和性能前提下选用材料，必须考虑加工可行和成本低；

3.必须考虑聚合物的流变性变化对制品的影响；

4.考虑装配关系，满足装配要求。第七页，共五十六页，编辑于2023年，星期二1.1.3材料性能及其选择方法1.材料性能

1)力学性能拉伸强度、断裂伸长率、拉伸屈服应力、压缩强度、拉伸模量、冲击强度和硬度。

2)热性能线膨胀系数、热变形温度、热导率、玻璃化温度。第八页，共五十六页，编辑于2023年，星期二塑料的热性能材料熔体流动速率维卡软化温度0CLDPE1.183HDPE1.1127LLDPE0.85101PP1.0154第九页，共五十六页，编辑于2023年，星期二

3)物理性能密度、渗透性（表1.２-４）、电性能、光学性能。

4)化学性能耐腐蚀性、耐候性（表1.２-７）、吸水性（表1.２-３）、可燃性（表１.２-５）。５)加工性能熔融温度（见表１.2-２）、分解温度、熔体流动速率、加工温度范围、收缩率。第十页，共五十六页，编辑于2023年，星期二第十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期二第十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期二各种塑料的最高温度塑料种类连续工作温度范围0C分解温度0C熔融温度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第十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期二2.材料选择的方法

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)中预选材料。３)在保证塑料制品性能的前提下，尽量选用价格较低的材料。第十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期二第十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期二2.材料选择的方法

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)中预选材料。３)在保证塑料制品性能的前提下，尽量选用价格较低的材料。第十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期二1.1.4加工方法的选择1、加工方法的选择主要考虑的因素制品的形状、尺寸和精度；材料性能；生产和投资成本。2、主要加工方法挤出成型注射成型压延成型热成型第十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期二1.2

塑料制品的失效分析1.影响塑料制品失效的因素

1)负载包括拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭曲等类型。金属件力学计算以强度为主。塑料制品考虑形变和冲击性，力学计算以刚度为主。2)温度橡胶制品的Ｔ（使用温度）＞Ｔg，塑料制品的Ｔ＜Ｔg。(PC:Ｔg≈150;PS≈100;PE≈-60)3)时间在应力作用下，制品有蠕变和松驰行为。在光、热、氧等条件下使用会逐渐老化失效。第十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期二2.塑料制品失效的形式1)屈服失效是塑料产生塑性变形的起点。塑料制品的极限应力应少于屈服点的应力。

第十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期二2)蠕变和松驰失效长期负载作用的塑料件会产生蠕变形变，最终会蠕变断裂。如密封件变松失效。3)冲击失效在冲击下变形和断裂。负荷作用时间极短，变形速率很高。如脆性材料PS等制品的破坏。第二十页，共五十六页，编辑于2023年，星期二4)疲劳失效在交变应力作用下的塑料件的断裂。如齿轮、传送带和轮胎破坏。5)环境失效在化学介质、光、氧、高温和低温等环境下，使大分子链断裂、降解而老化，降低塑料件的使用寿命。6)成型形成的缺陷熔合缝、取向、残余应力和收缩等影响塑料制品内部和表面质量，形状和尺寸精度。第二十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期二塑料制品失效举例：聚苯乙烯特征PS在坠落和受冲击时易断裂；避免壁厚不均，死角和嵌件造成应力集中；残余应力过大，会产生发白和裂纹；因热膨胀系数大，交替的冷缩热胀使塑料制品联接处开裂。聚酰胺（PA）PA含水量高，在高温下加工水解导致材料降解；固化时间过短，结晶不足，晶粒粗，而韧性差；使用环境湿度变化大，因吸水膨胀尺寸超出公差。第二十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期二1.3.1静载荷下的形变行为1.3.1.1应变特性1、应力—应变行为影响塑料力学性能的主要因素：材料、温度、时间、压力和加工。（1）材料结构：结构单元、共聚、侧基、支链；相对分子质量及分子量分布、分子取向、交联、结晶度与结晶形态、添加剂和共混物。1.3塑料的力学特性第二十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期二应力—应变曲线典型的拉伸应力—应变曲线比例极限屈服应力拉伸强度断裂伸长率第二十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期二△材料硬而脆刚性制品，不宜冲击，能承受静压力

典型实例：酚醛塑料制品△材料硬而强高模量高抗张，断裂伸长小或无屈服

典型实例：PVC硬制品△材料硬而韧高模量高抗张，断裂伸长大，有屈服

典型实例：聚碳酸酯制品

▲可以作为高强度塑料的高聚物第二十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期二△材料软而韧低模量低屈服，断裂伸长率及强度大

典型实例：硫化橡胶、LDPE制品△材料软而弱低模量低强度，断裂伸长率中等

典型实例：未硫化天然橡胶△材料弱而脆一般为低聚物

▲可以作为形变较大的材料

▲无使用价值的材料第二十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期二（2）温度高聚物状态转变温度玻璃态转化温度Tg无定形聚合物软化温度Tf结晶聚合物的熔点Tm图2.1-3反映了PP在不同温度下的拉伸应力—应变曲线第二十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期二（3）时间塑料的力学性能是时间的函数，在长时间的应力或应变作用下，塑料产生蠕变和松驰行为。（4）压力塑料在气体或液体的静压力下，弹性模量和屈服应力随之增大。（5）加工塑料经加工后因产生取向、结晶和残余应力等影响，其应力—应变曲线会发生明显变化。第二十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期二2、弹性模量（1）基本概念弹性模量E——是材料在弹性范围内，作用应力σ与产生的应变ε之比。塑料试样负载的五种类型：拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。三种弹性模量：拉伸弹性模量E、剪切弹性模量G和体积弹性模量K。第二十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期二（2）影响弹性模量的因素1）高聚物主链的刚性，刚性大模量也大；2）结晶度和交聚度，结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）温度，模量随温度升高而下降；5）加工助剂，填充剂会使模量增加。第三十页，共五十六页，编辑于2023年，星期二1.3.1.2屈服特性屈服点是制品设计和失效分析的重要参数和设计依据。1、屈服条件屈服条件取决于高聚物的种类、结晶态、测试温度和应变速率等因素。屈服条件即屈服点对应的应变和应力。脆性塑料无屈服点，屈服应力的确定方法有：方法一：应力—应变曲线的起始部分和最终部分作两切线，交点对应的应力为屈服应力。方法一：在应变=2%始，作应力—应变曲线起始部分的平行线，与曲线交点的应力为屈服应力。第三十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期二2、屈服失效屈服失效的征兆：出现颈缩或银纹，分为剪切屈服和银纹屈服。1）剪切屈服在外力作用下，塑料件出现的变形总是非均匀的，塑性变形先发生在某个部位，出现应力集中，变形量增大。通常塑性的塑料制品在拉力作用下出现颈缩和冷拉现象。2）银纹屈服受应力和环境因素影响，出现蠕变断裂、疲劳破坏、应力开裂前都有银纹现象，光学和透明制品要避免出现银纹。第三十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期二3、影响屈服的因素（1）温度和应变速率温度↑，屈服应力↓，粘流态屈服应力→O；应变速率↑，屈服应力↑。（2）结晶度结晶度↑，屈服应力↑。（3）取向取向方向屈服应力↑。如图21-9。因各方向的取向不均匀，造成制品因收缩不均匀而产生变形。（4）拉伸比如吹塑成型第三十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期二1.3.1.3蠕变蠕变计算是塑料结构设计或校核计算的主要项目1、蠕变曲线塑料属粘弹性材料，在外力作用下既有刚性固体的弹性，又有粘性液体的流动性。塑料的应变行为，如蠕变、松驰和回复对加载时间和温度有明显的依赖性。第三十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期二第三十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期二应力-应变的等时蠕变曲线和应力-时间对数的等应力蠕变曲线第三十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期二2、蠕变失效塑料制品的蠕变失效计算：1）刚度计算对制品重要部位的最大变形量进行限制。通常用允许应变值[ε]（表2.1-3）进行工作期限的设计或校核。

第三十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期二2）强度计算防止制品受过大载荷而蠕变破坏，通常以工作期限内不会产生银纹、颈缩或断裂的允许应力[σ]，作为设计的极限应力，如表2.1-4第三十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期二1.3.1.4松驰松驰失效常见于有金属嵌件的塑料制品、金属塑料套管、密封件等。要求保证在使用期内，塑料的内预应力不要松驰过多，导致配合和密封失效。第三十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期二1.3.1.5蠕变回复塑料件间歇受力作用，出现交替蠕变和回复。间歇应力下的应变响应如图2.1-23.受循环应力作用下，会产生残余应变积累εtn，残余应变的大小取决于施加应力的大小，特别与蠕变及回复的持续时间。残余应变不能太大。第四十页，共五十六页，编辑于2023年，星期二第四十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期二1.3.2动态载荷分析本节讲座塑料制品在交变载荷、振动载荷和冲击载荷下的力学特性。1、疲劳强度1）交变应力和疲劳曲线交变应力：随时间呈周期性变化的应力。例：一对传动齿轮的啮合过程中，齿轮每旋转一周，啮合一次。每次啮合，齿根受到的弯曲应力由零变化到某一最大值。第四十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期二疲劳：是材料在周期性的交变载荷作用下发生的破坏。疲劳寿命：试样在给定的交变应力下，试样断裂时的次数N。第四十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期二疲劳寿命：试样在给定的交变应力下，试样断裂时的次数N。疲劳强度：当试验应力S降到试样经受循环次数107以上并不发生疲劳断裂时，该应力称为疲劳强度。疲劳：是材料在周期性的交变载荷作用下发生的破坏。第四十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期二2.力学致热在振动外力作用下，由于固体高分子材料响应的粘滞效应和不良的导热性能，会使制品产生“热软化”或“热疲劳”。加载时峰值应力愈大，粘性阻力产生的摩擦热量愈大；在同等应力下，试验负载频率愈高，制品温度上升愈多。见图2.2-11第四十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期二例如：橡胶轮胎在60km/h以上速度行驶，无法散热时升温可达1000C。防热软化方法：使用刚性大的材料、降低工作应力和降低载荷频率。第四十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期二3.冲击强度影响冲击强度的因素：（1）缺口和应力集中试样中有裂纹和缺陷，缺口愈深，缺口尖角曲率半径愈小，冲击强度愈小。如右图第四十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期二（2）温度：温度高于Tg时，冲击强度大提高；（3）冲击速度：冲击速度高，冲击强度下降；（4）取向：平行于取向方向的冲击强度提高。第四十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期二拟弹性方法(P83页)粘弹性形变具有时间依赖性现行的标准工程公式：基于一些假定条件推导出不能不加区分随意使用拟弹性设计方法：性能指标考虑了时间依赖性(极限应变、设计使用寿命等)非直接方法，不能应用于所有塑料或某种塑料的所有场合。第四十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期二熔合缝当制品采用多浇口或有孔嵌件或设计的制品厚度不均时，熔体在模内发生两个方向以上的流动，在两股料流的汇集处就形成接合缝，又叫熔合缝、熔接痕等。在注塑制品中常遇到接合缝，制品受到外力等环境作用时，常在接合缝处发生破坏。熔合缝有二种：一种是在充模开始时形成的熔合缝。另一种是在充满终止时形成的熔合缝。具体表现：1.由于熔体料流径过一段流长后，其温度有所降低，两个波前锋汇集时表面不能互相熔合。2.对结晶型聚合物，在熔合缝的界面上不能形成完全结晶，使力学性能下降。3.在波前峰之间挟杂气体和杂质，使接触面减小，导致熔合缝强度降低。影响熔合缝的因素：1.熔体丘模具温度。2.充模速度。3.注射压力。4.退火处理或其它。和面、面粉