The rapid deformation behaviour of various polymers

(Received 23 April 1991, accepted 13 September 1991)

Abstract
Engineers are increasingly applying polymers in structures that have to withstand impact. However, compared to metals, relatively few studies of their mechanical properties at high rates of deformation have been carried out. Ibis paper describes an investigation of the high strain-rate behaviour in compression of a number of widely used polymeric materials. The necessity of proper materials characterization is discussed, as the variation of commercial grades bearing the same name is considerable. Also polymers are much more susceptible to change during storage than, for example, metals. A knowledge of thermal properties is important when considering rapid (and hence adiabatic) deformation, and tables of such properties are presented. Extensive use was made of high-speed photography (interframe time 7  s) to study qualitatively the behaviour of solid discs of polymers at strain rates of  s ^-1 both at room temperature (300 K) and at 100 K. The framing speed was sufficiently fast to capture fracture initiation and subsequent failure of all the polymers studied, including polycarbonate (PC) which fails in an almost explosive manner at a natural strain of ca. 1.1. PC was also seen to fail at this level of strain at 100 K. Quantitatively, this technique was used to check the applicability of Avitzur's analysis of a deforming annulus to polymers. Agreement was found to be good and hence friction could be measured during deformation at high rates of strain. The best lubricant (i.e. the one that reduces friction closest to zero) was found to be petroleum jelly. Similar studies were also carried out at low strain rates using an Instron mechanical testing machine. Agreement with Avitzur's analysis was found to be poorer, and no lubricant was found to reduce friction below about 3-4%. Higher strain rates were achieved using two sizes of direct impact Hopkinson bars, both developed in this laboratory. Care was taken to eliminate sources of error, including friction and calibration errors. In addition, a study was carried out into unlubricated deformation at strain rates of 10³ s ^-1 using specimens of different thickness. Each polymer was found to have a different variation of friction with thickness, some showing zero friction. The strain rate sensitivity of the yield stress of lubricated polymers varied in the range 5-15 MPa per decade of strain rate at room temperature. However, many showed some softening as the strain rate was raised from 10³ to 10⁴ s ^-1. The stress-strain response of polymers to deformation at strain rates of 10³ s ^-1 at 100 K was also investigated.

Résumé
Les ingénieurs font un usage de plus en plus intensif des polymères dans les structures qui supportent des impacts. Cependant, comparé aux métaux, relativement peu d'études ont été menées de leur propriétés mécaniques. Cet article décrit une étude du comportement de différents polymères fréquemment utilisés, sous une contrainte de compression rapide. La nécessité de l'établissement d'une méthode de caractérisation de ces matériaux est discutée puisqu'il y a une grande variété en propriétés entre des matériaux avec le même nom. De plus les propriétés des polymères sont plus susceptibles de changer durant un entreposage que celles d'un métal. Une connaissance des propriétés thermiques est importante quand on s'intéresse aux déformations rapides et donc adiabatiques. Une table de ces propriétés est présentée. Un usage intensif de photographie à grande vitesse (temps de pose de 7  s) est effectué afin d'étudier qualitativement le comportement de disques solides de polymère pour une vitesse de déformation de  s ^-1 et pour les températures 300 et 100 K. Le temps de pose était assez rapide pour mettre en évidence l'initiation de la fracture et la destruction qui suit, pour tous les polymères étudiés y compris le polycarbonate (PC) qui rompt d'une façon à peu près explosive pour un taux de déformation naturel d'à peu près 1,1. Cette destruction du PC a aussi été mise en évidence pour le même niveau de déformation à une température de 100 K. Quantativement, cette technique a été utilisée afin de vérifier si l'analyse d'Avitzur de la déformation d'un anneau s'applique à un anneau de polymère. L'agrément est trouvé bon et donc la friction a pu être mesurée durant la déformation pour des vitesses de déformation très élevés. Le meilleur lubrifiant (celui qui ramène la friction proche de zéro) apparait être la vaseline. Des études similaires ont aussi été menées pour des vitesses de déformation plus faibles en utilisant une machine mécanique Instron. L'agrément avec l'analyse d'Avitzur apparait être pauvre et aucun lubrifiant n'a été trouvé qui permettait de réduire la friction à moins de 3 ou 4%. De plus importantes vitesses de déformation ont été obtenues en utilisant deux tailles différentes de barre de Hopkinson, toutes deux préparées dans ce laboratoire. Une attention spéciale a été donnée à la recherche de l'élimination de toute source d'erreur y compris les erreurs de friction et de calibration. De plus, une étude a été menée portant cette fois sur des déformations non lubrifiées à des vitesses de déformation de 10³ s ^-1 en utilisant des échantillons de différentes épaisseurs. Chaque polymère présente une variation différente de la friction avec l'épaisseur, certains présentant une friction nulle. La sensibilité à la vitesse de déformation de la contrainte d'écoulement des polymères lubrifiés montre une variation de 5 à 15 MPa/décade de vitesse de déformation à température ambiante. Cependant la plupart ont présenté un adoucissement en contrainte-déformation pour les vitesses de déformation entre 10³ et 10⁴ s ^-1. la réponse a aussi été explorée pour des vitesses de déformation de 10³ s ^-1 à une température de 100 K.