pp塑料拉伸性能测试，注塑件缺陷检测

373 ( 1964)

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E206 (1972)

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BS 3518 第 一 部 分 ( 1962 )

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和 ASTM

中都有许多有关专业术语 、 数据处理

使用 Visual Basic 语言进行编程 , 可通过此程序对疲

劳过程进行计算并输出图线 。 本方法的具体过程为

( 见图 1) : 通过对试样的拉伸试验得到需要的材料参

数 , 将这些参数带入损伤力学本构方程中即可计算得

到材料在疲劳加载下的损伤演变曲线和疲劳寿命 。 这

种方法由于考虑了疲劳裂纹的产生过程 , 所以可以较

全面的模拟材料的全部疲劳破坏过程 , 与实际加载下

的疲劳破坏情况更为接近 。 与断裂力学方法相比 , 其

优点在于不仅考虑了疲劳裂纹的扩展过程而且考虑了

疲劳裂纹的产生过程 , 从而使模拟的结果更加接近真

实情况 ; 与实验测试疲劳寿命的方法相比 , 可节约大

量的时间和资金 , 仅通过简单的拉伸实验即可得到材

料的物性参数 。

和试验方法的有价值资料 。 这些用于金属的试验方法

相步骤也可被用于塑料检验 , 但使用时必须小心 , 因

为金属是低阻尼 、 高热传导的材料 , 因此规定塑料试

验的变形频率必须比金属试验的要小得多

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。 总的

来说 , 高分子材料的疲劳实验对于实验设备

的要求较高 、 实验时间较长 , 而且尚无拉伸疲劳测试

的标准可依 , 因此目前的相关研究较少 。 另外 , 疲劳

实验过程中的实验结果易受实验频率 、 聚合物的摩尔

质量 、 取向 、 实验温度等多种因素的影响 ,

控制 , 因此实验的可重复性较差

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。

1 1 2 拉伸疲劳寿命的理论预测

条件较难

对材料的疲劳寿命进行研究和预测的*常用理论

是断裂力学 , 它从构件本身存在的裂纹出发 , 研究裂

纹在疲劳载荷下的扩展特性 , 从而建立起宏观裂纹起

裂 、 裂纹的稳定扩展和裂纹失稳的判据并对材料的使

用寿命进行预测 。 但是断裂力学的基本假设为构件本

身在表面或内部存在裂纹 , 从而把材料的疲劳破坏过

程认为完全是裂纹疲劳扩展的问题 。 但是 , 绝大多数

构件在开始使用时并不存在宏观裂纹 , 因此断裂力学

理论实际上忽略了材料从开始使用到产生宏观裂纹这

一漫长过程 , 无法分析宏观裂纹出现以前材料中的微

缺陷或微裂纹的形成及其发展对材料力学性能的影

响 , 这是断裂力学的局限性

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。

与此相对 , 经典的固体力学理论虽然完备的描述

了无损材料的力学性能 , 但是材料的工作过程本身就

是一个不断损伤的过程 , 用无损材料的本构关系来描

述受损材料的力学性能显然也是不合理的 。

2 基于损伤力学的疲劳寿命预测

损伤力学是固体力学于 20 世纪末出现的一个新

兴领域 , 近年来发展十分迅速并取得了很多成果 , 它

为材料的损伤分析和失效预测提供了一种定量分析的

理论和方法 。 损伤力学通过力学变量来研究材料在载

荷的作用下性能退化并*终导致破坏的规律和机理 。

它建立在严格的热力学和微观力学基础上 , 着重研究

材料内部从初始损伤演变发展拿到工程可见裂纹的失

效初级阶段 。 与传统的基于断裂力学的疲劳理论相

比 , 损伤力学可以更准确 、 更科学的预测材料的疲劳

寿命 。

目前国内对于损伤力学的应用主要在金属材料和

无机非金属材料领域 , 并已取得了突破性成果 , 但是

尚未应用于高分子材料 。 本研究针对高分子材料 ,

利

用损伤力学方法对材料的疲劳破坏过程进行研究 ,

并

图 1 用基于损伤力学预测疲劳寿命的流程图

Fig 1 Flowchart of fatigue life - time prediction

based on damage mechanics

2 1 1 数学模型

2 1 1 1 1 基本假设

在建立数学模型时 , 做了以下假设

:

材料为各向同性弹塑性材料 ; 损伤为各向同性 ,

每一时刻各方向上的损伤度为同一值 ; 整个疲劳过程

为等温过程 , 忽略管道内外的环境温度及流体温度的

变化 ; 忽略损伤过程中材料密度的变化 ; 制件所受载

荷为一 维 疲 劳 交 变 拉 伸 载 荷 , 其 变 化 范 围 为 σ M 到

σ m , 不考虑材料受到的蠕变载荷及其两者间的耦合

作用 ; 材料遵循文献

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中的应变等价原理 , 有效应

力定义为 :

σ ～

σ =

1 - D

材料的其他有效力学参数根据有效应力推导得

到 。

2 1 1 1 2 数学描述 由于塑料制件在实际加载时的载荷

幅一般较小 ,

塑性应变也相应较小 , 甚至与弹性应变相比 , 在细观

尺度下可以被忽略 , 因此压力制件的失效循环数相对

较高 , 属于高周疲劳破坏 。 损伤的高度局部性是分析

高周疲劳损伤的一大难点 , 对于高分子材料 , 其微单

元损伤通过分子链段间的解缠结 、 重新取向和滑移导

致微裂纹随后沿垂直于载荷的方向扩展 。 因此 , 在高

周疲劳情况下 , 可以认为材料是准脆性的 , 可模拟为