摘 要:某機(jī)器人裝備聚氨酯管發(fā)生開(kāi)裂,采用宏觀觀察、紅外光譜分析、力學(xué)性能測(cè)試、掃描電 鏡及能譜分析等方法對(duì)其開(kāi)裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:聚氨酯管并未發(fā)生熱氧老化及紫外老化; 環(huán)境中的細(xì)小鋁顆粒對(duì)管件表面造成磨損,損傷處成為應(yīng)力集中點(diǎn)并萌生裂紋,裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展并 貫穿管壁,最終導(dǎo)致內(nèi)部介質(zhì)泄漏。 

關(guān)鍵詞:聚氨酯管;裂紋;磨損;熱氧老化 

中圖分類(lèi)號(hào):TQ328.3;TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)04-0057-05

某機(jī)器人裝備聚氨酯(PU)管發(fā)生開(kāi)裂,該管件 有2個(gè)品種:一種為透明的PU管,其內(nèi)部介質(zhì)為粉 水混合物,壓力為0.3~0.5MPa;另一種為藍(lán)色PU 管,其內(nèi)部介質(zhì)為干燥空氣,壓力為0.4~0.6MPa。 筆者采用宏觀觀察、紅外光譜分析、力學(xué)性能測(cè)試、 掃描電鏡(SEM)及能譜分析等方法對(duì)其開(kāi)裂原因 進(jìn)行分析,以防止該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

PU管整體宏觀形貌如圖1所示。使用過(guò)的 PU管局部宏觀形貌如圖2所示,由圖2可知:透明管 外表面存在裂紋,裂紋方向?yàn)榄h(huán)向;藍(lán)色管表面可見(jiàn) 貫穿的裂紋以及許多細(xì)小裂紋,裂紋方向也為環(huán)向。

1.2 紅外光譜分析 

為了研究 PU 管是否發(fā)生熱氧老化或紫外老 化,對(duì)新、舊PU管進(jìn)行了紅外光譜分析,結(jié)果如圖 3所示。由圖3可知:A、B、C、D4個(gè)紅外圖譜的吸 收峰位和強(qiáng)度幾乎是一樣的,說(shuō)明新、舊兩種管材的 吸收振動(dòng)峰并沒(méi)有不同之處。在波速為3330cm-1 處,可見(jiàn)明顯的吸收峰,即存在-N-H 的振動(dòng)伸縮 峰;在波速為1701cm-1 處,可見(jiàn)氫鍵化的氨酯羰 基振動(dòng)吸收峰。波速為1220cm-1 處的硬段氨酯 基-C-O-O 振 動(dòng) 吸 收 峰 和 波 速 為 1529cm-1 處 的-C-N-H 振動(dòng)吸收峰也無(wú)減弱消失的現(xiàn) 象,說(shuō) 明-N-H 鍵和-C-H 鍵并未發(fā)生老化斷裂,氨酯羰基 也未因老化而減少。波速為1726cm-1 處的軟段 氨酯羰基和硬段游離氨酯羰基的振動(dòng)吸收峰也并沒(méi) 有出現(xiàn)因老化而增強(qiáng)的現(xiàn)象,從而判斷出材料并未 發(fā)生熱氧老化或紫外老化[1-4]。

1.3 硬度測(cè)試 

以50mm為間距,選取舊管上靠近裂紋處至遠(yuǎn) 離裂紋處的7個(gè)位置進(jìn)行邵氏硬度測(cè)試,隨機(jī)選取 新管的首個(gè)測(cè)試位置,同樣每間隔50mm 測(cè)試一 次,結(jié)果如表1所示。由表1可知:新、舊管的硬度 差異并不明顯,基本保持在95~96HA。 

1.4 力學(xué)性能測(cè)試 

在兩種開(kāi)裂PU管的遠(yuǎn)離裂紋處和靠近裂紋處 分別進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果如表2所示。由表2可 知:兩種PU管上遠(yuǎn)離裂紋處的平均抗拉強(qiáng)度分別為52.0MPa和53.8MPa,靠近裂紋處的平均抗拉強(qiáng)度 分別為40.6MPa和43.2MPa;遠(yuǎn)離裂紋處的斷裂應(yīng) 變分別為490%和480%,高于靠近裂紋處的斷裂應(yīng) 變。管材在局部反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的老化使得其局部力學(xué) 性能下降,該結(jié)果與傅里葉紅外測(cè)試結(jié)果相符。

1.5 掃描電鏡和能譜分析 

分別在垂直于透明管和藍(lán)色管的裂紋處截取剖 面試樣和斷口試樣,將試樣置于掃描電子顯微鏡下 觀察。透明管裂紋處剖面SEM 形貌如圖4所示, 透明管斷口SEM 形貌如圖5所示,由圖4,5可知: 裂紋起源于外表面,向內(nèi)表面擴(kuò)展,裂紋源區(qū)可見(jiàn)明 顯臺(tái)階特征,其上有較多黏附的顆粒物;裂紋擴(kuò)展區(qū) 可見(jiàn)大致平行的疲勞輝紋。

對(duì)透明管斷口外表面進(jìn)行SEM 分析,其外表 面SEM 形貌如圖6所示,其外表面存在垂直于裂 紋方向的劃傷痕跡,且還殘留著顆粒物。采用能譜 儀對(duì)透明管裂紋源區(qū)及外表面顆粒物進(jìn)行分析,結(jié) 果如圖7,8所示,由圖7,8可知:顆粒物中除了碳、 氧元素外,鋁元素的含量較高,由于PU管主要用于 鋁制產(chǎn)品的脫模,因此分析認(rèn)為這些顆粒物為細(xì)小的鋁顆粒。

藍(lán)色管裂紋處剖面SEM形貌如圖9所示,從圖9 可知,裂紋起源于外表面,并向內(nèi)表面擴(kuò)展。藍(lán)色管斷 口SEM形貌如圖10所示,由圖10可知:裂紋起源于外 表面,裂紋源區(qū)可見(jiàn)明顯臺(tái)階特征,其上有較多黏附的 顆粒物;裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)大致平行的疲勞輝紋,其斷口 微觀SEM形貌符合疲勞開(kāi)裂的微觀形貌特征。 

藍(lán)色管外表面SEM 形貌如圖11所示,由圖11 可知:其外表面存在垂直于裂紋方向的劃傷痕跡,且 還殘留著顆粒物。

采用能譜儀對(duì)藍(lán)色管裂紋源區(qū)及外表面顆粒物 進(jìn)行分析,結(jié)果如圖12,13所示,由圖12,13可知: 顆粒物中除了碳、氧元素以外,鋁元素的含量較高, 由于PU管主要用于鋁制產(chǎn)品的脫模,因此分析認(rèn) 為這些顆粒物也為細(xì)小的鋁顆粒。

2 綜合分析 

由紅外光譜分析可以判斷出材料并未發(fā)生熱氧 老化或紫外老化。新、舊管材的硬度差異并不明顯, 基本保持在95~96HA。由力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可 知:遠(yuǎn)離裂紋處的材料力學(xué)性能要好于靠近裂紋處, 說(shuō)明管材在局部頻繁彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生老化,使其得 局部力學(xué)性能下降。

由SEM 分析可知:使用過(guò)的兩種PU管表面存 在較多環(huán)向分布的裂紋,裂紋起始于外表面,開(kāi)裂面 SEM 形貌呈疲勞開(kāi)裂特征;開(kāi)裂處的外表面存在劃 傷痕跡,裂紋源區(qū)和劃傷痕跡中均存在細(xì)小鋁顆粒。

由以上分析結(jié)果可知:PU 管運(yùn)動(dòng)時(shí),其外表面 先受到外來(lái)細(xì)小鋁顆粒的影響,并發(fā)生磨粒磨損,在 管外表面產(chǎn)生了機(jī)械損傷,然后在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中,外表 面的損傷處產(chǎn)生應(yīng)力集中,并在拉應(yīng)力的作用下萌 生裂紋,裂紋在交變載荷的作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展并 貫穿管壁,最終導(dǎo)致內(nèi)部介質(zhì)泄漏。 

3 結(jié)論 

(1)送檢開(kāi)裂PU管并未發(fā)生熱氧老化及紫外 老化。 

(2)工作環(huán)境中的細(xì)小鋁顆粒對(duì)PU 管表面造 成磨粒磨損,在損傷處產(chǎn)生應(yīng)力集中并萌生裂紋,裂 紋擴(kuò)展后貫穿管壁,最終導(dǎo)致內(nèi)部介質(zhì)泄漏。

參考文獻(xiàn): 

[1] 曹楠.核電主管道用不銹鋼不同溫度熱老化機(jī)理研究 [D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2019. 

[2] 王玨,陳勇軍,陳娟,等.熱塑性聚氨酯/納米銅復(fù)合材 料的制備與表征[J].合成材料老化與應(yīng)用,2009,38 (2):5-9. 

[3] 張琴,陳正明,何新中,等.軟質(zhì)PVC/PU合金的制備 及性能研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,38(5): 482-485,513. 

[4] 何婷,何志輝,李杰.PU 氣管故障分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 塑料,2018,47(2):111-113. 

<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 59卷 > 4期 (pp:57-61)>