（固体力学专业论文）热塑性材料缺口敏感性研究.pdf

摘要以聚丙烯p p 、苯乙烯丁二烯丙烯腈聚合物a b s 为代表的一类高分子热塑性材料，近年来越来越多的进入到工程领域中，作为结构承载构件得到广泛的应用；因而对这类材料的力学性能的研究日显重要。热塑性材料的缺口的敏感性研究在近来的文献中并不多见：已有这方面的研究大都集中在把缺口作为裂缝的极端状态。而工程上常见的大部分缺口其几何形状和尺寸并不适合视为裂缝，这类缺口对构件的缺口力学效应研究极少见诸报道。本文选择了p p 和a b s 两种热塑性塑料，制得多组不同半径( o 1 1 m m ) 和深度( 1 3 m m ) 的p p 和a b s 缺口试样，通过对这些缺口试样大量的拉伸试验，对获取的大量数据进行相关性的研究。并采用大型通用有限元软件a n s y s 对缺口试样建立模型，进行了详细的非线性有限元模拟分析。实验结果说明，聚丙烯( p p ) 材料的缺口敏感度m 哝平均值为1 1 1 ，p p 材料对缺口是不敏感的；苯乙烯丁二烯丙烯腈聚合物( a b s ) 的缺口敏感度嬲r 平均值为0 9 3 8 ，a b s材料对缺口基本不敏感。有限元计算结果支持实验结果关于p p 材料对缺口不敏感、a b s 材料对缺口基本不敏感的相关结论。关键词：热塑性材料；p p ；a b s ；缺口敏感性：应力；强度；a b s t r a c t 臆c r o 0 1 e c u l et h e 瑚o p l a s t i cp 0 1 y m e rw h i c hi sb e e no nb e h a l fo fp 0 1 y p r o p y l e n e( p p )a n da c r y l o n i t r i l eb u t a d i e n es t y r e n e( a b s )h a sb e e ni n c r e a s i n g l yi n t r o d u c e di n t oe n g i n e e r i n gf i e l da sas t r u c t u r e e m b e rb e a r i n gt h e1 r e i g h to fs t r u c t u r e t h u sc o r r e l a t i v es t u d yo ft h em a t e r i a li sb e c o i n gm o r ei m p o r t a n t n o w a d a y st h es t u d yo ft h en o t c hs e n s i t i v i t yo ft h e r 肿p l a s t i cp 0 1 y m e rs t i l ls t a yp o o r ：a n d o s to ft h es t u d i e sf o c u so nae x t r 锄es t a t e v i e w i n gn o t c ha sc r a c k h o w e v e ra c t u a lg e o m e t r ya n dd i m e n s i o no fm o s tn o t c h si ne n g i n e e r i n gf i e l ds h o u l d n tb ec o n s i d e r e da sc r a c k t h i st y p eo fn o t c h ss t u d yi sf i n i t i t ea n dp o o r i nt h i sp a p e r ，t h en o t c hs e n s i t i v i t yo ft h e r m o p l a s t i cp 0 1 y m e r ( p p 、a b s )c h o s e di ss t u d i e db yt h et e n s i l et e s t s t h en o t c h e so ft h et e s ts a m p l e sh a v ed i f f e r e n td e p t h e si nt h er a n g e1 - 3 咖a n dd i f f e r e n tr a d i u so ft h ec i r c u l a ra r co ft h eb o t t o mi nt h er a n g eo 1 一1 o 衄t h er e l a t i o n s h i p sb e t e e nt e n s i l es t r e n g t ha n d t h en o t c hd e p t h ，a n dt h er a d i u so ft h ec i r c u l a ra r co ft h en o t c hb o t t 伽a r ed i s c u s s e d i ti sa l s os t u d i e dt h a th o wt h ey i e l ds t r e s so ft h en o t c ht e s ts 锄p l e sr e l a t et ot h en o t c hd e d t ha n dt h er a d i u so ft h eb o t t 咖a r c 蜊s y ss o f t w a r eisu s e df o rs e t t i n gu pn o t c hs 锄p l em o d e l sa n dp e f o r i n gd e t a i l e dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t a la n a l y s i s e s e x p e r i m e n tr e s u l t sr e v e a lt h a tt h ea v e r a g ev a l u e so fn o t c hs e n s i t i v i t yo fp pa i l da b sa r e1 1 1a n d0 9 3 8 ，w h i c hi m p l y st h a tb o t ht h e r p l a s t i cp o l y m e rm a t e r i a l sa r e n to fs e n s i t i v i t y f u r t h e rt h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n t a la n a l y s i s e ss u p p o r tt h es u 衄i n g u pc o n c l u d e df r o mt h ee x d e r i m e n tr e s u l t s k e yw o r d s ：t h e r m o p l a s t i cp o l y m e r ：p p ；a b s ；n o t c hs e n s i t i v i t y ：s t r e s ss t r e n g t h ；2贵，懈大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究1 ，1 前言第一章热塑性材料缺口敏感性研究综述从飞船的失事到钢制结构大桥的突然坍塌，都有材料的脆性断裂在作祟；我们常常会惊异地发现，在确认太部分构件绝对安全的强度情况下，却有小部件由于其工程材料发生失效币i 破坏而导致的极大损失! 我们无法回避其中的问题，便只有去寻找和认识其中的规律，以便去认识和掌握这些规律，来为今后避免类似的危害事件的发生作一个理论上的准备。因此，我们必须在这里提到并且阐述工程材料的力学性能在材料科学与工程中的地位：一般来说，力学性能是工程结构材料研究和应用中最关键性的问趔”j 。这是因为：力学性能通常是工程结构或部件设计中最重要的数据和依据。力学性能通常是新材料能否由研制状态进入工程应用的基本考核指标，尤其是综合性能( 包括强度和塑性) 的优劣常常是决定性因素。任何机器结构的失效( 包括不能满足设计的工作能力或未达到预期的工作寿命而损坏) 尽管形式多种多样，究其原因除设计不当外，一般都归因于，在服役中的载荷形式和环境条件下未能达到要求的力学性能。所以，通常的失效形式在很大程度上也是围绕载荷和环境以及相关力学性能分析而展开的。由于实际的机器结构总是由多个零部件组成，而且它们之间必然有某种联接以传递载荷或完成某项预定的工作，所以这些零部件上也就必然有各种螺纹、台阶、孔洞、键槽等几何不均匀性，从般意义上来说它们都是切口体，而切口的引入必然会引起一系列力学效应，诸如应力集中、多轴应力状态、应变集中和局部应变速率增大等缺口效应。而这些缺口效应正是导致结构材料对金属材辩和高聚物材料来说都是如此脆韧转交的一个重要因素，尖锐的缺口可以使材料由韧性断裂转变为脆性断裂。正因如此，结构的破坏一般总是开始于缺口和圆孔等应力集中部位的缺陷处i l 】i ”。因而关于缺口效应方面的研究有着重要的工程指导意义。材料在不周应力状态和加载方式下常常有不同的力学性能响应，这是因为，在不同加载打式中，受载物体的任何一点处的应力总可以分解成切应力和正应力两部分。一般切应力容易引起材料的塑性变形，使材料发生韧性断裂，而正应力通常引起弹性变形，最终容易导致脆性的解理断裂。实际应用中的材料，其变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态。不同的应力状态意味着其对脆性正断起主要作用的的最大正应力与对塑性变形和韧性断裂起主要作用的最大切应力的相对大小是不一样的。所以，从宏观上来说，为正确估计材料的失效形式，至少可以利用不同应力状态中的最大切应力和最大正应力的比值，来判断材料在所受加载方式下更趋向于那种变形和断裂。令此比值即为应力状态软性系数_ 牡芒。磊三寿面式中按嘬大切吒。2 i q 一声l c r 2 + 吗j l应力理论”计算最大切应力，即f 。= ( q 一玛) ，2 ，按“相当最大正应力理论”计算最大正应力，郎吒。= q 一( 吒+ q ) 一由一点应力状态分析理论有最大切应力。= ( q 一吧) 2 ，单向拉伸加载时贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究q = 吧= 0 ，则口k = q ，f 。= 吒所以口= 0 5n 显然口越大，最大切应力越大，表示应力状态越软，越容易产生塑性变形和韧性断裂。反之，口越小，表示应力状态越硬，越容易产生脆性断裂。下表1 1 是几种常见的典型的加载方式( 应力状态) 的应力状态软性系数口值，可见三向不等拉伸和三向不等压缩是两种很极端的状态，而单向拉伸比较适中，所以在工程材料的力学性能试验研究中，常常进行单向拉伸实验，以得到试样在较硬的应力状态下的力学性能表现”j 。表l l 不同加载条件下的应力状态软性系数口值( = 0 2 5 )加载方式软性系数( 口)巧吒扭转盯o盯o 8单向拉伸盯00o 5三向等拉伸口盯盯0三向不等拉伸盯8 盯，98 盯，90 1单向压缩00盯2 o两向压缩od 。- c rl三向压缩一盯_ 2 盯2 盯本研究正是基于上述考虑，采用加工带缺口的试样( 以自然获得两向应力状态) 来进行单向拉伸试验，测定本研究的热塑性材料的相关力学性能，并最终得出本研究所讨论的热塑性材料的有关缺口敏感性的结论。1 1 1 工程塑料的广泛应用材料是当代文明的支柱之一，也是一切技术发展的物质基础。高聚物材料作为一种新型的结构材料在我国的工农业生产、高科技以及日常生活中正在得到越来越广泛的应用。高聚物从微观结构上来说是由大量小分子单体以化学键的方法结合而成的大分子化合物，分子量极大，可达l o l l 07 数量级。由于组成高聚物主链的碳碳单键有内旋转自由度，所阻对丁一个分子量不太高的大分子，高分子可能会有极多数量的链构象。由于高聚物的这种特殊分子结构，使得高聚物的力学性能与金属等其他材料相比有着显著的不同。塑料实际上就是一种有机聚合物，是一种高分子材料，是近代工业历史发展起来的一种新型材料。它的使用历史虽然比金属、陶瓷为短，但它却是材料中的一支新秀，很快脱颖而出。在国民经济各部门以及人民的日常生活中，得到广泛应用。由于塑料用量的日益增长，塑料的用量按体积计算于1 9 7 9 年就超过了钢的用量，自那时起，塑料用量增长更加迅速，其用量与钢的用量的差距就日益拉大。目前全球的塑料总产量已经超过1 6 亿吨。与钢铁相比，塑料有着其鲜明的优点。其主要优点如下：l 产品成本低，这是指可实现产品的低成本化。除了极少数树脂价格十分便宜外，大多数塑料价格比钢材要贵的多，但是，其加工工艺性好，采用这些塑料成型工艺所制成适用性产品，其效率极高。而且，热塑性塑料成型加工可通过对工艺过程中废料的回收利用，几乎可实现百分百的利用率。2 减轻质量。塑料的质量比天然材料的质量低的多( 除某些木材如轻木外) ，这也是大量应用的驱动力。塑料的广泛应用可使汽车制造厂家每台汽车减重约2 5 ，由此可相应的节约其燃料消耗。2贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究3 性能适用范围广，可从极低的性能变化到低碳钢的性能，而且塑料所具备的一些性能是这类材料所独有的。高聚物有众多的分类，根据其加工行为进行分类，简单的可分为两大类；热固性塑料和热塑性塑料。其中，热塑性塑料以其容易注塑成型以及可回收性好等优点，在国民经济生活中得到尤其广泛的应用【”。1 1 2 工程塑料的广泛应用所带来的研究需求近年来随着高分子合成技术的进步，加工工艺的合理化和一系列改性、增强等措施的实现，高聚物的物理力学性能得到了很大提高。高聚物材料已经开始大量用作结构材料。特别是性能优异的工程塑料和用各种纤维增强的增强塑料已经在机械、建造、建筑、航空、造船等工业部门广泛用来代替铜、钢等有色金属以及其他传统材料。这就迫使人们们越来越重视研究高聚物材料的强度和断裂性能：断裂的裂纹扩展规律和机理、断裂准则以及高聚物材料的强度，以解决结构的疲劳、寿命估计和强度能提高到什么程度等问题。作为材料来使用的高聚物，总是要求高聚物具有必要面适当的力学性能，可以说，对于大部分应用而言，力学性能比高聚物的其他物理性能显得更为重要。高聚物材料具有所有已知的材料中可变性范围最宽的力学性质，包括从液体、软橡皮到很硬的刚性固体。各种高聚物对于机械应力的反应也相差很大，例如聚苯乙烯制品很脆，一敲就碎：而尼龙制品却很坚韧，不易变形也不易破碎。高聚物力学性质的多样性，为不同的应用提供了广阔的选择余地。高聚物的力学性质之所以具有这些特点，是由于高聚物由长链分子组成，分子运动具有明显的松弛特性的缘故。而各种高聚物的力学性质的差异，则直接与各种结构因素有关，除了化学组成之外，这些结构因素包括分子量及其分布、支化和交联、结晶度和结晶的形态、共聚的方式、分子取向、增塑以及填料等削。而随着高聚物材料的大量应用，人们迫切地需要了解和掌握高聚物力学性质的一般规律和特点及其与高聚物结构的相互关系。只有掌握了这些知识，才能恰当地选择所需要的高聚物材料，才能正确地控制加工的条件以获得需要的力学性质，并合理的利用。而更深入的研究高聚物的的力学性质及其与结构的关系，必将帮助我们进一步提高材料的力学性能，发展新材料，并为整个高分子科学的发展做出贡献。而关于高聚物力学性能的研究中最有意义的是玻璃态和结晶态高聚物的极限力学行为屈服、破坏和强度，高聚物材料所特有的高弹性，以及高聚物的力学松弛粘弹性。其中，作为固态共聚物，其强度和屈服这两种力学性能对其用来选择作为结构构件的材料的考虑尤其重要。综上，热塑性材料作为重要的工程材料之一，随着材料科学的迅速发展，已经不仅仅只是作为装饰材料和填充辅助材料，而且作为受力构件的制造材料，在工程领域中得到越来越广泛的应用。用热塑性材料制成的受力构件，其破坏模式并不都呈现塑性屈服破坏的模式，一个重要破坏现象是热塑性材料的脆性断裂。而造成热塑性材料破坏的一个重要因素是受力部件的集合形状以及与之相关联的应力状态，这就是缺口敏感性问题。热塑性材料的缺口敏感性研究对这类材料的工程应用以及对这类材料制成的结构构件的力学性能评价都具有极其明显的重要意义。随着热塑性材料的极大丰富以及投入使用，所带来的研究需求也就越来越多且越来越迫切。贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究1 2 缺口以及缺口强度的研究的国内外研究概况1 2 1 缺口以及缺口带来的危害一方面，我们所使用的构件总是存在着各种不同形式的缺陷因为构件在加工制造和使用过程中，即使有了先进的冶炼技术和制造工艺，也很难消除构件中的全部缺陷；另一方面机械和工程结构的零构件由于结构细节设计的需要。如钻螺栓孔、铆钉孔、开键槽等。使零构件的外形具有几何不连续件。这种缺陷以及几何不连续性可以看成是广义的“缺口”。缺口的存在改变了零构件中的应力和应变分布：在切口根部引起应力和应变集中， i 起应力和应变的多向性。缺口根部的应力集中和应力的多向性，对材料的塑性变形和断裂过程产生很大的影响促使材料、尤其是高强度材料发生低应力脆断。缺口零构件的脆断要设法防止。长期以来，人们用带缺口的试件，测定冲击韧性以表示材料的臆断倾向。但是，对材料的缺口冲击韧性的要求。尚不能根据零构件的设计应力来确定；只能根据经验，尤其是事故的教训，提出对材料缺口冲击韧性的要求。本研究主要研究的缺口类型是v 型切口。v 型切口问题在实际工程中是经常遇到的。由于在v 型切口尖端可能存在着应力奇异性，严重地影响了构件的承载能力，很可能成为裂纹的起裂点。因此对于单边或双边具有对称的v 型切口的断裂研究，包括断裂规律、断裂准则的建立以及应力强度因子经验公式的得出等，对防止v 型切口所可能带来的脆性断裂危害具有十分重要的意义。本文拟对v 型切口的研究不着重于应力奇异性，而是考虑v 型切口尖端有一定的曲率半径时所表现出来的缺口敏感度这一宏观力学表现i l 儿4 j p j 。1 2 2 缺口对静加载下力学性能的影响实际机械和工程结构的零构件，由于结构细节设计的需要。如钴螺栓孔、铆钉孔、开键槽等，使零构件的外形具有几何不连续件。这种几何不连续性可以看成是广义的“缺口”。缺口的存在改变了零构件中鲍应力和应交分布：在缺口根部引起应力和应变集中，引起应力和应变的多向性。缺口根部的应力集中和应力的多样性对材料的塑性交形和断裂过程产生很大的影响，促使材料、尤其是高强度材料发生低应力脆断。本节所述缺口对静加载下力学性能的影响也正是缺口之所以可能带来脆性断裂的危害的深层原因1 1j i ”。1 2 2 1 缺口效斑介绍l l | 1 1 却| 1 。j j l 口q 以光滑试样为例，有缺口必将引起应力集中、多轴应力状态、应变集中和局部应变速率增大等缺口效应。这些缺口效应在引起材料的破坏和失效等方面有着重要的影响，了解这些可有助于针对性邋改善辜| 艇、构传的力学性链，以能更好的使用材料的最大性能。应力集中和多轴应力状态图1 1 为圆截面截面缺口试样单轴静拉 申时的虚力分布。图1 2 为试样缺口根部截颈由表及里逐步进入弹塑性状态后的仉应力分布的变化。轴向应力q 和切向应力q 都是在缺口顶端表面处最大，但径向应力t 的最大值却位于离表面一定距离处，而在缺口表面处为o ，通常用最大轴向应力q 。与该截面上的平均4费州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究应力之比给出理论应力集中系数墨值：墨2 罨 。p 暑o 图1 - l 圆截面缺口试样单轴静拉伸时的应力分布图1 - 2 应力分布的变化在缺口处出现多轴应力状态和应力集中现象后，由点应力状态分析最大切应力f 。= ( q 一乃) 您，所以当材料给定，因而切变屈服强度t 给定的情况下，在多轴应力状态下使试样屈服就必须要更大的单轴应力。应变集中和局部应变速率增大在给定外力和缺口几何条件下，缺口根部截面上，由表面开始部分进入弹塑性状态后，表层应力就比按弹性集中应力所预计的应力有所下降，而且随表层屈服深度加大而下降更大。因而由弹性状态进入了弹塑性状态给定的外力条件下，由缺口根部表面算起会出现一定深度的塑性区域，而且q 的弹性分布过渡到弹塑性分布( 见图1 - 2 ) 。q 。也由表面进入弹性区与弹塑性区交界的内部某点。随着外力的增大塑性区不断扩大，q 。点也不断向内移动，只要材料的断裂抗力水平仍然大于乃。，q 。点最后可以达到缺口截面的中心。由于缺口应变集中所以从应变速率的意义上来说，在外加应变速率给定时，缺口根部的应变速率可能提高几个数量级。提高的程度随缺口根部的曲率半径减小增大。而缺口裉部的应变速率数量级的大幅提高对材料的脆断趋向有很大的促进影响。，t贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究1 2 2 2 板的缺口处的应力分布特点以及缺口效应1 ) 板在弹性状态下的应力分布一薄板上开有缺口，如图l 一3 所示。当板在y 方向所受单向拉应力低于材料的弹性极限时，其缺口截面上的应力分布为轴向应力q 在缺口根部最大，且随离根部的距离增加，吒不断下降，即在根部产生了应力集中。当这种集中应力达到材料的屈服强度时，便引起缺口根部附近区域的塑性变形，即缺口造成应力应变集中。图l 一3 薄板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布缺口根部内侧还出现了横向拉应力吒，其分布形状也如图l 一3 所示，它是由于材料横向收缩引起的，可以设想，将薄板沿x 方向等分成若干很小的拉伸试样。由于小试样所处的位置不同，故它们受到的拉应力巧，大小不同，相应的纵向应变，也不同。根据泊松系数关系，对应每一0 每一试样产生的横向应变t ( q = 一俺，y 为泊松系数) 也就不同。如果自由收缩，小试样彼此间要发生分离，由于薄板是连续的整体，不允许横向自由收缩，于是在垂直于相邻试样界面方向上必然要产生横向拉应力d ，以阻止横向收缩分离。在缺口截面上吒的分布与q 不同，在缺口根部吒为零，这是由于缺口根部无约束所致。巳分布先增后减- 这是由于x 较小时，q 较大，造成q 迅速增加；当x 较大时，盯。逐渐减小，相邻试样间纵向应变差减小，于是盯。下降。另外由于薄板在垂直于板面方向上可以自由6贵州火学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究变形，于是有吒；o 。因此，薄板中心是两向拉伸的平面应力状态。图l - 4 厚板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布对于厚板，在垂直于板面方向上的变形受到约束，岛5 0 ，故吒o ，吒= p ( t + q ) 。其弹性状态下的应力分布如图1 4 所示。可见，缺口根部为两向应力状态，缺口内侧为三向应力状态且吼 - 吒卜吒。这种三向应力状态是造成缺口试样或构件早期断裂的主要原因。上述分析表明，缺日程部的缺口前方的应力状态，使材料所受的应力由原来的摹向拉 申改变为两向或三向拉伸，这自然也就造成了应力状态软性系数的改变。2 ) 板在塑性状态下的应力分布以厚板为例，如图1 5 所示，当载荷增加到局部应力超过材料的屈服应力时，材料的该局部区域开始进入塑性，产生塑性变形，此塑性变形会导致缺口截面上的应力重新分布。7贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究图1 - 5 缺口前方局部屈服后的应力分布由屈雷斯卡t r e s c a 判据s 庐q q 2 吒，可得q = 吒+ 吒，在缺口根部，吒。0 ，所以q = 啄因此当外如载荷增加时，缺口根部最先满足st f q 气2 正而开始屈服，根部一旦屈服，口j 便松弛而降低到材料的吒值。但在缺口内侧，吒o ，故要满足屈雷斯卡判据要求，必须增加纵向应力巳，即心部屈服要在q 不断增加的情况下才能产生，若满足这一条件，塑性变形便自表面向心部扩展。与此同时，盯，t 随盯，快速增加而增加，一直增加到塑性区与弹性区交界为止。因此当缺口前方产生塑性变形后，最大应力已经不在缺口裰部，而在其前方定距离处，该处盯。最大，所以f 。、t 也最大，越过交界，盯。是连续下降的。显然，随塑性变形逐步向内迁移，各应力峰不但越来越高，而且它们的位置也逐步移向中心。以上分析表明，在有缺口条件下，由于出现了三向应力，试样的平均屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓缺口“强化”现象。缺口使塑性材料得到强化这个缺口效应在许多热塑性材料中都广泛存在。但应该指出，缺口“强化”不能被看作是强化材料的一种手段，因缺口“强化”纯粹是由于三向应力约束了材料的塑性变形所致，此时材料本身的仃。值并未发生变化。比较缺口试样与相同截面的光滑试样可以发现，在有缺口时，塑性材料的强度极限因塑性变形约束而有一定程度的增加，对脆性材料或低塑性材料，缺口试样拉伸常常是直接由弹性状态过渡到断裂。很难通过缺口前方的塑性变形使应力重新分布。所以脆性材料缺口试样的强度比光滑试样要低。8贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺日敏感性研究1 2 2 3 拉伸试验过程中常见的颈缩部分以及颈缩处的应力分布尽管并不是所有的材料在拉伸等力学行为时都会有颈缩现象，但对于高聚物材料，对于本文所研究的热塑性工程材料来说，却是极其普遍的。颈缩是断裂过程一种非常典型的问题，特别是颈缩截面上的应力分布，对于理解材料断裂的特征以及断裂强度的实质都有重要意义。在工程材料中，颈缩现象的出现并不一定意味着断裂本身，特别是在高聚物豹变形中常常是形成另一种结构的过程。但对于切口试件而言，由于切口的存在大大削弱了高聚物材料作为高分子材料而具有的较高塑性，使得带切口试件的断裂机制往往转向脆性断裂的趋势。在拉伸的均匀变形过程中，拉伸试样截面上的应力分布是均匀的。一旦颈缩开始，颈缩截面上的应力分布就不再均匀。下图l 一6 为一金属材料的颈缩处截面上的应力分布图：图1 颈缩处截面上的应力分布圈在颈缩处较远的均匀变形截面s b 处试样承受的单向轴向应力为仉，但在颈缩附近的阴影体积部分基本上处于无应力状态。所以，当颈缩处纵向延伸变形时，这部分体积将阻止其横向收缩变形，从而出现横向阻力。所以该处不再是单向受力而是处于三向受力状态。即图示的轴向应力q 、径向应力咋和切向应力q ，而且径向应力q 和切向应力皿的出现，提高了塑性流变所需豹轴向应力q 。由于径向应力q 和切向应力q 有图示的分布，则毋也有类似分布。9贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺u 敏感性研究1 2 3 当前热塑性材料缺口强度的研究概况对金属材料的缺口敏感性研究很早就开展了，理论以及实验研究方面都已经比较成熟。而热塑性材料由于其多样性、大分子链结构和缺口处应力状态的复杂性，目前这方面的研究不多，而且全面性很欠缺删口“。1 2 3 1 关于高聚物的韧性、脆性以及屈服从实用的观点看高聚物材料的最大优点之一是它们内在的韧性，即其在断裂前能吸收大量的机械能，在这一点上，高聚物材料在所有非金属材料中是无双的。但是，高聚物材料内在的韧性并不总能表现出来。由于加载方式改变，或温度、应变速率、试样形状和大小的改变都会使材料的韧性变坏，甚至竟以脆性的形式而断裂。为此我们必须了解高聚物材料的两类断裂过程脆性断裂和韧性断裂，掌握脆韧转变的规律，使高聚物材料总是处于韧性状态下工作。对于脆性和韧性，还没有明确的定义，一般我们从应力一应变曲线出发做这样的区分：脆性本质上总是与材料的弹性响应相关的，在断裂点前试样的形变是均匀的，致使试样断裂的裂缝迅速贯穿与应力方向垂直的平面。断裂试样不显示有明显的推迟形变，相应的应力应变关系是线性的( 或者微微有些曲线形) ，断裂的应变值低于5 ，断裂所需的能量不大。而所谓韧性则通常有大得多的形变，这形变沿着试样长度方向上可以是不均匀的。如果发生断裂，试样断面常常显示有外延的形变，这形变不立即回复。其应力应变关系是非线性的，在断裂点前其斜率可以变为零，甚至是负的，消耗的断裂能很大。仔细观察拉伸过程中高聚物试样的变化不难发现，脆性高聚物在断裂前，试样并没有明显的变化，断裂面一般与拉伸方向垂直，断裂面也很光洁；而韧性高聚物拉伸至屈服点时，常可看到试样上出现与拉伸方向成大约4 5 度角倾斜的剪切滑移变形带，或者在材料内部形成与拉伸方向倾斜一定角度的“剪切带”。这可由对高聚物单轴拉伸做一简单的材料力学分析简单得到；切应力在4 5 度的截面倾角时最大。不同的高聚物有不同的反抗拉伸应力和剪切应力破坏的能力。一般来说，韧性材料在拉伸时，斜截面上的最大切应力首先达到材料的剪切强度，因此试样上首先出现与拉伸方向成4 5 度角的剪切滑移变形带或互相交叉的剪切带，相当于材料屈服。进一步拉伸时，变形带中由于分子链高度取向强度提高，暂时不再发生进一步变形，而变形带的边缘则进一步发生剪切变形，同时倾角为1 3 5 度的斜截面上也要发生剪切滑移变形，因而试样逐渐生成对称的细颈，直至细颈扩展到整个试样为止。对于脆性材料情况则不同，在最大切应力达到剪切强度之前，正应力已经超过材料的拉伸强度，因此试样来不及发生屈服就断裂了。最大法向应力发生在横截面上，所以发生这种断裂时，试样的断面与拉伸方向垂直。1 2 3 。2 高聚物材料的断裂材料的断裂根据断裂前的宏观塑性变形程度同样可以分为韧性断裂和脆性断裂两种形式。韧性断裂的特征是伴有明显的塑性变形，拉伸试样有颈缩现象。断口的试样与轴线成4 5 度角，是剪切型断裂，韧性断裂断口粗糙，常呈暗灰色纤维状，是一种高能量断裂。由于断裂前的塑性变形容易被及时察觉，故危险性较小；材料脆性断裂的特征是断裂突然发生，没有或只伴有少量的塑性变形，在拉伸试样上，断裂前没有颈缩现象，断口平直且与试样的轴线方向垂直，有金属光泽，也常常见到人字纹或放射花样等宏观形貌。断裂时试样或零件断面尺寸、形状基本不变。脆性断裂属于低能量断裂，通常其裂纹源一般是材料内部或表面1 0费州大学硕士研究生论文热塑性材科的缺口敏感性研究的宏观缺陷，例如加工或环境条件下产生的裂纹，在零件运转中不断扩大，最后达到临界尺寸而突然断裂。由于破裂时工作应力远低于材料的屈服应力甚至远低于许用应力，故又称为低应力断裂。同一种材料可能发生韧性断裂，也可能发生脆性断裂，相关因素有应力状态、温度以及应变速率等。1 2 。3 。3 高聚物材料的断裂理论高聚物材料的断裂理论较多，传统的g r i m l h 理论从能量的角度来考虑材料的脆性断裂问题，他认为断裂产生的裂纹增加了材料的表面，从而增加了材料的表面能，这表面能的增加由物体中弹性储能的减小来提供。g r 豳t h 理论实际上研究的是限于完全脆性的情况，而事实上绝大多数金属材料断裂前和断裂过程中裂尖区都会有塑性变形，裂尖也因塑性变形而钝化。o f o w o n 发展了g r i m 山的理论，认为裂纹扩展前其尖端附近要产生一个塑性区因此提供裂纹扩展的能量不仅用于形成新表面所需要的表面能，而且还需要用于引起这种塑性变形所需的能量( 塑性功) ，塑性功和表面能一起成为裂纹扩展的阻力。断裂的动力学理论则认为：高聚物宏观断裂本质上是高分子原子间键合力的破坏，这里面包括高聚物分子链共价键的断裂和高分子问范得瓦尔键的破坏。而对于玻璃态高聚物，特别是对于热塑性材料而言，其制品在储存和使用过程中，由于应力以及环境的影响，往往会出现银纹而影响其使用性能。一般认为银纹的生成是玻璃态高聚物脆性断裂的先兆。银纹中物质的破裂往往造成裂纹的引发和生成，以致于最后发生断裂现象。高聚物的实际强度比理论强度差很多：一般认为是材料内局部的应力集中形成的。应力集中部分有几何的不连续：孔、空洞、缺口、沟槽、裂纹；材料的不连续：杂质小颗粒；载荷的不连续：集中力，不连续的分布载荷；由于不连续的约束产生的应力集中等。当这样的局部应力集中存在时，在材料的某个小体积中，作用的应力比材料平均所受到的拉力大得多。这样，在材料内的平均应力还没有达到它的理论强度之前，在存在有应力集中的这小体积内的应力首先达到断裂强度值，材料便在那里开始屈服和破坏，从而引起宏观的断裂。上面所述的几何不连续实际上便是上文我们所称的广义上的“缺口”。由于热塑性材料的多样性以及缺口处应力状态的复杂性，目前这方面的研究不多，在诸如缺口敏感性造成热塑性材料由塑性屈服破坏向脆性断裂破坏的转换机理以及相应的判定依据等方面，有很多工作可做。值得研究”j 1 7 ji l ”。l2 3 4 当前热塑性材料缺口强度的研究概况以聚丙烯p p 、苯乙烯一丁二烯丙烯臆聚合物a b s ( 本文以下皆简称为p p 、a b s ) 为代表的一类高分子热塑性材料，近年来越来越多的进入到工程领域中。作为结构承载构件得到广泛的应用；因而对这类材料的力学性能的研究日显重要。尽管对缺口试件的断裂做了很多研究，但多数限于金属材料方面，而对于工程上日益广泛应用的热塑性材料而言。由于其本身的太分子链结构的特殊性，它不如金属类试徉容易加工彳艮难保证切口精度豹各项指标，且此类材料受温度和湿度等环境因素影响较大，所以热塑性材料的缺口的敏感性研究在近来的文献中并不多见；已有这方面的研究大都集中在把缺口作为裂缝的极端状态。而工程上常见的大部分缺口其几何形状和尺寸并不适合视为裂缝，这类缺口对构件力学性能的影响的研究极少见诸报道i 】1 嘲1 3 】1 4 1 嗍聊i “。贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究l _ 3 本文的主要研究内容本文的主要内容是关于平面缺口的缺口力学效应的实验研究以及采用大型通用有限元软件a n s y s 进行有限元分析模拟这两个方面。首先，选择了p p 和a b s 两种热塑性塑料，制得多组不同半径和深度的p p 和a b s 缺口试样，通过对这些缺口试样大量的试验，对获取的大量数据进行相关性的研究，以发现缺口的深度和半径的变化对材料的强度有何影响，希望能掌握此两种材料制成的构件在有缺口的情况下其力学强度会有什么样的变化表现，以图能给予设计生产和使用此材料的力学性能指导，使它们能够最大程度的得到最大性能的使用。其次采用大型通用有限元软件a n s y s 对缺口试样建立模型，进行了详细的非线性有限元模拟分析，得到有限元意义上的极限载荷以及缺口几何尺寸的变化对试样强度以及最大塑性变形的发生区域的影响。并将其与试验结果做一比照和验证。在此基础上，归纳了关于所研究的这两种材料的缺口敏感性方面的一些规律，并提出了自己的看法。最后对整个课题研究进行了总结，得出自己的研究结论。贵州太学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究第二章带缺口试样缺口敏感性的实验研究缺口试样的拉伸试验，用于测定拉伸条件下的材料对缺口的敏感性，研究在硬性应力状态( 应力状态软性系数口 0 5 ) 和应力集中条件下材料的脆化倾向。2 1 试验模型的选取以及制备试验模型按g b 厂r1 0 4 0 9 2 塑料拉伸试验方法的有关规定1 0 】制备，本例选取i 型( 双铲型) 试验模型，示意图如下图2 1 ：图2 一l 试验样条示意图其基本几何尺寸为：l - 1 5 0 ，h = 1 1 0 。c = 6 0 ，忙2 0 ，b = 1 0 ，厚度d = 4 ( 单位：m ) p p 、a b s 选取的原材料分别是市售的韩国肿a n d a i 以及宁波甬兴的产品。样条的注塑在贵州省材料创新基地的实验室进行。取足够的原料在注塑机上，按国家标准打出样条，然后置于平板上冷却或水冷3 小时，然后初步加工以除去表面的亳边等注塑缺陷。2 1 1 缺口的加工方法的选取以及试验结果数据的获得由于使用模塑方法一次性直接成型时，会因为材料的收缩率不同，脱模后试样缺口的实际外形尺寸总要发生不同程度的改变，特别是缺口底部曲率半径交化较大，难以保证缺口各部分符合标准规定的要求，从而影响所测得的有关力学性能值。而使用机械加工方法加工缺口。则可以提高缺口尺寸的精度要求，如果使用经过严格检查的刀具，可以达到标准要求。因此，标准试验方法中规定，除菲受试材料有要求可以使用模塑缺口试样矫，箍荐使用机械加工的缺口试样，以减少对结果的影响并提高试验结果的可比性。本研究采用机械加工的试样来进行拉伸试验。参照缺口底部曲率半径对冲击强度的影响。本研究也同样采用改变缺口底部的曲率半径来获得各组试样，以对比观察缺口底部曲率半径对缺口试样的强度值有何种影响。本例中在标距段审间位置在万能毒l 样机上采用特制的加工刀具开双边对称切口。取适宣的切口张角为3 0 0 ，切口深度h 分别取l m m 、2 咖、3 蛐三组，对应每个切口深度切口底部圆弧半径r 分别取o 1 、o 2 、o 3 、o 4 、0 5 、o 6 、o 7 、0 8 、0 9 、1 0 m m 总共三十组来制取试样首先按圆弧半径r 分别取o 1 、o 2 、o 3 、o 4 、o 。5 、o 6 、o 。7 、o 。8 、o 9 、1 o b j m ，总共十组加工刀具。刀具委托贵州航天机械厂加工。缺口的深度则在试验过程中控制，三十组缺口试样每一组制取4 0 个试样，取这几个试3贵州大学硕士研究生论文熟塑性材料的缺l i 敏感性研究样的试验平均值作为这一组的试验值。加工试样的缺口在贵州大学材料学院中心试验室的万能试样加工机上进行。加工的试样检验合格后，在万能材料试验机上进行拉伸试验。试验参数参照国家有关拉伸试验标准选取。试验温度选为宣温2 0 ，拉伸速率选为5 0 “u n ，m 证。为考察高分子热塑性材料的缺口敏感性，主要测试了各组带切口试样的抗拉强度和屈服应力值；作为比较，还取了8 个无切口光滑试样，同样取试验乎均值，得到无切口光滑试样豹强度极限和屈服应力。2 2 试验过程以及有关现象2 2 1p p 试样的拉伸断裂过程以及现象完好试样的拉伸断裂过程阐述：可明显的分为两阶段。第一段应变随应力线性增加。试样被均匀拉长，过最高点后试样的截面发生突变，不再均匀，在试样的中部出现一明显“细颈”，由此开始进入第二阶段。在第二阶段，出现有应力发白区，且越来越明显。同时细颈部分截面积不断缩小，整个试样中部变细的比蜘如大，在试样的中部截面上，应力达到极大值，最终在试样的最狭窄部位发生拉断。拉断时有轻微响声。完好试样的伸长率在4 6 左右上下浮动，整个时间在拉伸应变率为5 0 m m m ；n 的条件下，约需用时1 4 秒左右。断口与截面不垂直，有暗色断口。带切口试样拉伸断裂过程阐述：拉断过程不能明显的分为两阶段。拉伸开始时应变随应力线性增加，试样被拉长，过最高点后试样的截面发生突变，与完好试祥的拉伸相比，看不出控长的均匀性，且这段持续时间也短的多。在试样的中部出现一不太明显的“细颈”，中间的应力发白区也不是很明显在试样的中部截面上，应力达到极大值，最终在试样的最狭窄部位发生拉断。拉断时有较清脆的响声。切口试样的伸长率随深度h 的变化有显著的不同：在h 1 m m 时，切口试样的伸长率在1 1 6 3 一1 5 9 5 浮动，平均力1 3 2 ；在h _ 2 m m 时，切口试样的伸长率在8 5 6 】4 2 2 浮动，平均为9 8 8 ；在h - 3 m m 时，切口试样的伸长率在6 7 8 胁l o 们浮动，平均为8 4 。整个时间在拉伸应变率为5 0 m i i l ，删n 的条件下，约需用时8 1 1 秒左右。2 2 2a b s 试样的控伸断裂过程以及现象完好试样的拉伸断裂过程阐述：可明显的分为两阶段。第一阶段应变随应力线性增加，试样被均匀拉长，过最高点后试样的截面发生突变，不再均匀，在试样的中部出现一明显“细颈”，由此开始进入第二价段。在第二阶段，出现有应力发自区，且越来越明显。同时细颈部分截面积不断缩小，整个试样中部变细的比例加大，在试样的中部截面上，应力达到极大值，最终在试样的最狭窄部位发生拉断。拉断时有轻微响声。完好试样的伸长率在1 6 左右上下浮动，整个时间在拉伸应变率为5 0 m m ，m j i l 的条件下，约需用肘1 2 秒左右。带切口试样拉律断裂过程阐述：拉断过程不能明显的分为两阶段。拉伸开始时应变随应力线性增加，试样被拉长，过最高点后试样的截面发生突变，与完好试样的拉伸相比，看不出拉长的均匀性，且这段持续时间也短的多。在试样的中部出现一不太明显的“细颈”，中间的应力发白区也不是很明显，在试样的中部截面上，应力达到极大值，最终在试样的最狭窄部位发生拉断。拉断时有较清脆的响声。切口试样的伸长率随深度h 的变化有显著的不同：在h = l m m 时，切口试样的伸长率在l o 6 7 一1 2 3 3 浮动平均为1 1 7 3 ；在h = 2 m m 时，切口试样的伸长率在1 4贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究8 3 3 1 1 6 5 浮动，平均为9 6 2 ；在h _ 3 m m 时，切口试样的伸长率在5 2 5 1 1 0 9 浮动平均为8 8 9 。整个时间在拉伸应变率为5 0 m i i l ，m i n 的条件下，约需用时5 8 秒左右。2 3 试验结果和讨论z 3 1p p 试样的试验结果实验表明，所有带双边v 型的p p 切口试样在拉伸载荷作用下，开裂总是从切口尖端开始，然后大致沿水平方向由两切口尖端向中间扩展直至拉断。由于试样缺口尖端加工的差异，俩边的扩展有时有小的时间差。对作为脆、韧性断裂的重要表征的断裂截面的观察结果普遍显示：带切口p p 试样的断裂截面的纹理较为平滑；与之相比，无切口p p 光滑试样拉断的断口则显见延性断裂情况下普遍可见的韧窝状形貌，且有比较明显的颈缩现象( 见图2 2 ) 。由带切口试样拉断后的断口来看，断裂面几乎沿着切口对称线。在无切口光滑试样断口面两端附近的局部区域组织内，可见有较大面积的由于拉伸加载所生成的浅色的应力发白区( 塑变区) ，而带切口试样的应力发白区不太明显。图2 2 从上到下依次是带切口试样的拉断图和无切口光滑试样的拉断图，无切口光滑试样的拉断表现出的是总体尺寸拉延较大( 延伸率约为4 6 ) ，而于带切口试样则几乎无明显的拉延。图2 2 带切口试样以及无切口光滑试样的拉断宏观观察图对无切口光滑p p 试样的试验的应力强度结果如下：抗拉强度为1 9 o m p a ，屈服应力为1 8 5m p a 。带切口试件抗拉强度和屈服应力与切口深度的关系见图2 3 ，带切口试件抗拉强度和屈服应力与切口底部圆弧半径r 的关系见图2 4 。其中的应力值均以带切口试样拉伸前的切口处截面的净面积来计算。贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究图2 _ 3 1 切口底部半径，e m 1 m m图2 _ 3 - 2 切口底部半径间2 m m图2 3 - 3 切口底部半径闭3 m m图2 - 3 4 切口底部半径，卸4 m m图2 - 3 5 切口底部半径，= 0 5 m m图2 3 6 切口底部半径，= 0 6 m m1 6贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究图2 - 3 - 7 切口底部半径r = 0 7 m m图2 - 3 8 切口底部半径，= 0 8 m m图2 - 3 - 9 切口底部半径，= 0 9 m图2 3 1 0 切口底部半径，= 1 0 m mh 抗拉强度c 切口试样)- _ 二屈服应力( 切口试样)一强度极限( 光滑试样一一- 一屈服应力( 光滑试样)图2 3p p 切口试件抗拉强度和屈服应力与切口深度的关系图图2 4 1 切口深度 = l m m1 7图2 4 2 切口深度 = 2 m m贵州大学硕士研究生论文热塑性材料的缺口敏感性研究| h 抗拒强度( 韧口试样)_ h 屈服应力( 切口试样)一强度极限光滑试样)一一一屈服匣力光滑试样)图2 4