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高分子材料三轴应力状态下的循环变形及损伤研究

武艳霞  
【摘要】: 众所周知,工程构件的破坏80%属于疲劳失效。工程构件由于工艺要求不可避免存在的缺口往往就是构件的疲劳裂纹源。缺口不仅造成应力集中,还会使构件处于三轴应力场中,导致结构的局部甚至整体破坏。因此,缺口构件的安全性评估一直受到学术界和工程界的高度重视。三轴应力场中材料的力学性能、尤其疲劳性能的研究具有重要的理论价值和工程应用价值。 随着高分子材料在结构中的广泛应用,其疲劳性能的研究正在引起人们的广泛关注,但目前见诸报道的研究工作非常有限。高分子材料三轴应力场的疲劳性能的研究尚未见诸文献报道,应力三轴度如何影响高分子材料的循环变形、损伤机制,进而影响其疲劳寿命尚不清楚。 本文利用带有非接触光学测试系统的INSTRON5544材料试验机和圆柱形圆周缺口试样、应用试验和理论相结合的方法,对高分子材料三轴应力场中的低周循环变形和损伤进行了研究。主要内容和结论概括如下: (1)对高分子材料(PP)三轴应力场中循环变形行为进行了系统的试验研究,试验包括位移控制和载荷控制两类。 位移控制下,缺口处的应变幅度远大于施加的应变幅度,而且应变幅度随循环数增加而增加;载荷控制下,缺口处的应力幅度远大于施加的应力幅度,而且缺口处应力幅度随循环数增加而增加。这种由于应力三轴度导致的应变幅度、应力幅度增加的现象称为强化现象。 在位移控制的低周疲劳中,缺口处应力幅度随循环数增加而减少,发生循环软化现象;在载荷控制的低周疲劳中,缺口处应变幅度数值随循环数增加,时而增加,时而减小,循环软化硬化交替出现。 在位移控制的低周疲劳中,平均应力随循环数增加而减少,发生平均应力松弛或循环应力松弛现象;在载荷控制的低周疲劳中,由于塑性应变累积会发生循环棘轮现象,同时平均应变随循环数增加而增加会发生循环蠕变现象。 (2)提出了基础应力幅度、附加应力幅度,基础应变幅度、附加应变幅度的概念,在此基础上对位移控制下高分子材料三轴应力场中的循环软化现象、循环应力松弛现象,载荷控制下高分子材料三轴应力场中的循环软化硬化交替出现现象作出了解释。 对高分子材料而言,位移控制条件下基础应变幅度△ε0导致的应力幅度△σ0(N)体现高分子材料单轴应力状态下的循环软化特性,而附加应变幅度△εT(N)导致的应力幅度△σT(N)使试样发生循环软化速率减小。基础应变幅度使材料发生循环软化速率大于附加应变幅度引起循环软化速率减小的幅度,缺口试样发生循环软化现象。 对高分子材料而言,位移控制条件下基础应变幅度△ε0导致的平均应力σm0(N)体现高分子材料单轴应力状态下的循环应力松弛,而附加应变幅度△εT(N)导致的平均应力σmT(N)使试样发生循环应力松弛速率减小,但并不会改变缺口试样的循环应力松弛的特性。 载荷控制条件下,基础应力幅度△σ0导致的应变幅度△ε0(N)体现高分子材料单轴应力状态下的循环软化特性;由于缺口限制变形,基础应力幅度△σ0导致的应变幅度△ε0(N)减小,使应变幅度曲线的软化速率减小,缺口试样出现循环硬化现象;附加应力幅度△σT(N)导致的应变幅度△εT(N)使应变幅度曲线的软化速率增加。所以缺口试样的应变幅度曲线由以上三方面因素决定,能够出现出现循环硬化、循环软化交替出现的现象。硬化、软化阶段的比例随应力三轴度、应力幅度的变化而变化。 (3)在实验基础上,分析了应力三轴度、应力幅度、应变幅度对疲劳寿命的影响。 位移控制下,寿命的长短与初始循环应力幅度、循环软化速率、循环应力松弛速率有关。同样的应变幅度下,三轴度增大时,初始循环应力幅度、循环软化、循环应力松弛速率减小,寿命增加;同样的应力三轴度下,应变幅度增大时,初始循环应力幅度增加,循环软化速率增加,循环应力松弛速率增加,试样寿命较小。 载荷控制下,材料由棘轮应变、循环蠕变造成的损伤发生破坏。同样的应力幅度,三轴度越大,棘轮应变速率越大,循环蠕变速率越大,疲劳寿命越短。同样的应力三轴度下,应力幅度增加时,棘轮应变速率增大,循环蠕变速率增大大,疲劳寿命缩短。 (4)在实验基础上定义了适用于高分子材料的疲劳损伤变量。 位移控制下,适宜用应力幅度表示损伤;载荷控制下,适宜用棘轮应变表示损伤。 (5)采用连续损伤力学方法,在王一楼模型的基础上,考虑了高分子材料的循环应力松弛特性、循环蠕变特性,得到了高分子材料三轴应力场中的低周疲劳损伤模型。 在位移控制的低周疲劳中,材料损伤包括循环塑性应变引起的疲劳损伤和由平均应力松弛引起的蠕变损伤,在载荷控制的低周疲劳中,材料损伤包括塑性应变引起的疲劳损伤和由随循环数增加的平均应变引起的蠕变损伤。由此建立的高分子材料三轴应力场中的损伤模型包括三轴应力场中的损伤演化方程、循环应力松弛演化方程、循环蠕变演化方程、与循环塑性损伤演化有关的材料常数和与循环蠕变演化、循环应力松弛演化有关的材料常数之间的关系式。 (6)将提出的疲劳损伤模型和试验结果进行了比较,并对拟合值和试验值产生误差的原因进行了分析。 由于高分子材料本身材料的特性,加工较困难,易在缺口处产生初始损伤,而缺口对各种参数的初始值影响较大,这就导致了高分子材料三轴应力场中的损伤模型中的各种参数在循环初期拟合值和试验值之间的误差。循环后期拟合值和试验值吻合较好。 (7)在王铁军的韧性损伤断裂准则的基础上,给出了与应力三轴度相关的韧性疲劳断裂参数,应用Manson-Coffin公式导出了三轴应力场中的疲劳寿命预测模型。


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