高分子材料三軸應(yīng)力狀態(tài)下的循環(huán)變形及損傷研究.pdf

1、眾所周知，工程構(gòu)件的破壞80[％]屬于疲勞失效。工程構(gòu)件由于工藝要求不可避免存在的缺口往往就是構(gòu)件的疲勞裂紋源。缺口不僅造成應(yīng)力集中，還會使構(gòu)件處于三軸應(yīng)力場中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部甚至整體破壞。因此，缺口構(gòu)件的安全性評估一直受到學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視。三軸應(yīng)力場中材料的力學(xué)性能、尤其疲勞性能的研究具有重要的理論價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　 隨著高分子材料在結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，其疲勞性能的研究正在引起人們的廣泛關(guān)注，但目前見諸報(bào)道的研究

2、工作非常有限。高分子材料三軸應(yīng)力場的疲勞性能的研究尚未見諸文獻(xiàn)報(bào)道，應(yīng)力三軸度如何影響高分子材料的循環(huán)變形、損傷機(jī)制，進(jìn)而影響其疲勞壽命尚不清楚。
　　 本文利用帶有非接觸光學(xué)測試系統(tǒng)的INSTRON5544材料試驗(yàn)機(jī)和圓柱形圓周缺口試樣、應(yīng)用試驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法，對高分子材料三軸應(yīng)力場中的低周循環(huán)變形和損傷進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容和結(jié)論概括如下：
　　 (1)對高分子材料(PP)三軸應(yīng)力場中循環(huán)變形行為進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)

3、研究，試驗(yàn)包括位移控制和載荷控制兩類。
　　 位移控制下，缺口處的應(yīng)變幅度遠(yuǎn)大于施加的應(yīng)變幅度，而且應(yīng)變幅度隨循環(huán)數(shù)增加而增加；載荷控制下，缺口處的應(yīng)力幅度遠(yuǎn)大于施加的應(yīng)力幅度，而且缺口處應(yīng)力幅度隨循環(huán)數(shù)增加而增加。這種由于應(yīng)力三軸度導(dǎo)致的應(yīng)變幅度、應(yīng)力幅度增加的現(xiàn)象稱為強(qiáng)化現(xiàn)象。
　　 在位移控制的低周疲勞中，缺口處應(yīng)力幅度隨循環(huán)數(shù)增加而減少，發(fā)生循環(huán)軟化現(xiàn)象；在載荷控制的低周疲勞中，缺口處應(yīng)變幅度數(shù)值隨循環(huán)數(shù)增加，時(shí)

4、而增加，時(shí)而減小，循環(huán)軟化硬化交替出現(xiàn)。
　　 在位移控制的低周疲勞中，平均應(yīng)力隨循環(huán)數(shù)增加而減少，發(fā)生平均應(yīng)力松弛或循環(huán)應(yīng)力松弛現(xiàn)象；在載荷控制的低周疲勞中，由于塑性應(yīng)變累積會發(fā)生循環(huán)棘輪現(xiàn)象,同時(shí)平均應(yīng)變隨循環(huán)數(shù)增加而增加會發(fā)生循環(huán)蠕變現(xiàn)象。
　　 (2)提出了基礎(chǔ)應(yīng)力幅度、附加應(yīng)力幅度，基礎(chǔ)應(yīng)變幅度、附加應(yīng)變幅度的概念，在此基礎(chǔ)上對位移控制下高分子材料三軸應(yīng)力場中的循環(huán)軟化現(xiàn)象、循環(huán)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，載荷控制下高分子

5、材料三軸應(yīng)力場中的循環(huán)軟化硬化交替出現(xiàn)現(xiàn)象作出了解釋。
　　 對高分子材料而言，位移控制條件下基礎(chǔ)應(yīng)變幅度導(dǎo)致的應(yīng)力幅度體現(xiàn)高分子材料單軸應(yīng)力狀態(tài)下的循環(huán)軟化特性，而附加應(yīng)變幅度導(dǎo)致的應(yīng)力幅度使試樣發(fā)生循環(huán)軟化速率減小。基礎(chǔ)應(yīng)變幅度使材料發(fā)生循環(huán)軟化速率大于附加應(yīng)變幅度引起循環(huán)軟化速率減小的幅度，缺口試樣發(fā)生循環(huán)軟化現(xiàn)象。
　　 對高分子材料而言，位移控制條件下基礎(chǔ)應(yīng)變幅度導(dǎo)致的平均應(yīng)力體現(xiàn)高分子材料單軸應(yīng)力狀態(tài)下的循環(huán)

6、應(yīng)力松弛，而附加應(yīng)變幅度導(dǎo)致的平均應(yīng)力使試樣發(fā)生循環(huán)應(yīng)力松弛速率減小，但并不會改變?nèi)笨谠嚇拥难h(huán)應(yīng)力松弛的特性。
　　 載荷控制條件下，基礎(chǔ)應(yīng)力幅度導(dǎo)致的應(yīng)變幅度體現(xiàn)高分子材料單軸應(yīng)力狀態(tài)下的循環(huán)軟化特性；由于缺口限制變形，基礎(chǔ)應(yīng)力幅度導(dǎo)致的應(yīng)變幅度減小，使應(yīng)變幅度曲線的軟化速率減小，缺口試樣出現(xiàn)循環(huán)硬化現(xiàn)象；附加應(yīng)力幅度導(dǎo)致的應(yīng)變幅度使應(yīng)變幅度曲線的軟化速率增加。所以缺口試樣的應(yīng)變幅度曲線由以上三方面因素決定，能夠出現(xiàn)出現(xiàn)循環(huán)

7、硬化、循環(huán)軟化交替出現(xiàn)的現(xiàn)象。硬化、軟化階段的比例隨應(yīng)力三軸度、應(yīng)力幅度的變化而變化。
　　 (3)在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析了應(yīng)力三軸度、應(yīng)力幅度、應(yīng)變幅度對疲勞壽命的影響。
　　 位移控制下，壽命的長短與初始循環(huán)應(yīng)力幅度、循環(huán)軟化速率、循環(huán)應(yīng)力松弛速率有關(guān)。同樣的應(yīng)變幅度下,三軸度增大時(shí)，初始循環(huán)應(yīng)力幅度、循環(huán)軟化、循環(huán)應(yīng)力松弛速率減小，壽命增加；同樣的應(yīng)力三軸度下,應(yīng)變幅度增大時(shí)，初始循環(huán)應(yīng)力幅度增加，循環(huán)軟化速率增加,

8、循環(huán)應(yīng)力松弛速率增加，試樣壽命較小。
　　 載荷控制下,材料由棘輪應(yīng)變、循環(huán)蠕變造成的損傷發(fā)生破壞。同樣的應(yīng)力幅度，三軸度越大，棘輪應(yīng)變速率越大，循環(huán)蠕變速率越大，疲勞壽命越短。同樣的應(yīng)力三軸度下,應(yīng)力幅度增加時(shí)，棘輪應(yīng)變速率增大，循環(huán)蠕變速率增大大，疲勞壽命縮短。
　　 (4)在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上定義了適用于高分子材料的疲勞損傷變量。
　　 位移控制下，適宜用應(yīng)力幅度表示損傷；載荷控制下，適宜用棘輪應(yīng)變表示損傷。

9、r>　　 (5)采用連續(xù)損傷力學(xué)方法，在王-樓模型的基礎(chǔ)上，考慮了高分子材料的循環(huán)應(yīng)力松弛特性、循環(huán)蠕變特性，得到了高分子材料三軸應(yīng)力場中的低周疲勞損傷模型。
　　 在位移控制的低周疲勞中，材料損傷包括循環(huán)塑性應(yīng)變引起的疲勞損傷和由平均應(yīng)力松弛引起的蠕變損傷，在載荷控制的低周疲勞中，材料損傷包括塑性應(yīng)變引起的疲勞損傷和由隨循環(huán)數(shù)增加的平均應(yīng)變引起的蠕變損傷。由此建立的高分子材料三軸應(yīng)力場中的損傷模型包括三軸應(yīng)力場中的損傷演化

10、方程、循環(huán)應(yīng)力松弛演化方程、循環(huán)蠕變演化方程、與循環(huán)塑性損傷演化有關(guān)的材料常數(shù)和與循環(huán)蠕變演化、循環(huán)應(yīng)力松弛演化有關(guān)的材料常數(shù)之間的關(guān)系式。
　　 (6)將提出的疲勞損傷模型和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，并對擬合值和試驗(yàn)值產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析。
　　 由于高分子材料本身材料的特性，加工較困難，易在缺口處產(chǎn)生初始損傷，而缺口對各種參數(shù)的初始值影響較大，這就導(dǎo)致了高分子材料三軸應(yīng)力場中的損傷模型中的各種參數(shù)在循環(huán)初期擬合值和試