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1、高分子材料的疲劳性质李志鹏 高分子 0915701109017摘要：材料 、 能源、 信息是当代科学技术的三大支柱 。 高分子材料是材料领域的后起之秀 ,对高分子材料的研究是当代材料研究的重要内容之一 。关于高分子材料的静态力学性能研究较多 ,疲劳性能研究较少 。随着它们在结构中的应用 , 作为工程中最普遍的失效形式之一的疲劳性能的研究正在引起人们的广泛关注 。讲述对高分子材料的疲劳研究的背景、目的、意义。展现在研究理论和方法以及了解最近研究进展。关键词：目的意义、研究方法及理论、研究进展背景：法国的 J.-V.彭赛列于1839年首先论述了疲劳问题并提出“疲劳”这一术语。但疲劳研究的奠基人则是
2、德国的A.沃勒。他在19世纪5060年代首先得到表征疲劳性能的S-N曲线,并提出疲劳极限的概念。疲劳研究有百余年历史，文献极多。目的：通过对疲劳性能的研究调整材料组织、成分等，提高材料的疲劳性能。为了避免疲劳破坏以便及时发现潜在的危险。现在的材料已经广泛采用“疲劳寿命”方法，设计阶段已经充分考虑了材料的疲劳问题。材料的疲劳寿命是机械可靠性设计的基础。意义：劳失效是指材料在正常工作情况下，在长期反复作用的应力下所发生的性能变化。这些应力的大小并没有超出材料能够承受的范围，但是长期反复的作用就会引起材料的疲劳。材料的疲劳破坏并不是一开始就会被察觉的，它是一个缓慢的发展过程。例如一条发动机曲轴可以在
3、投入运行时间不太长的时候就产生很小的疲劳裂纹，这些肉眼看不出来的裂纹会不断扩大，直到有一天曲轴忽然断裂。鉴别了解他们，对材料的使用选择或是改性处理都有十分重要的意义！人类付出昂贵的代价才获得了对材料疲劳的认识。 研究理论：疲劳失效过程 H H. Kausch 1987 认为高聚物的损伤断裂是一个复杂的多层次多阶段过程 , 其疲劳失效过程不仅仅如此 ,更重要的是一个累积损伤的过程 : 微观层次的分子链的滑移 、 解缠 ; 细观层次上疲劳微裂纹的萌生和成核 , 伴随着银纹 、 剪切带的形成 、 长大 、 断 裂 ; 宏观层次上的微裂纹的生长到主裂纹的形成 ( 短 裂纹扩展阶段) ,以及主裂纹扩展直
4、到断裂 , 此过程伴随着银纹 、 剪切带的相互作用 、 相互竞争 。高分子材料在周期应力 ( 或应变 ) 作用下 , 由于高分子之间的磨擦效应 , 某些分子被磨损断开 。在均聚或其他形式的高分子材料中 ,分子是纵横交织的 ,在应力作用下某些分子要形变 ( 拉长 ) , 而有一些分子 则阻止其形变 ( 流动) ,结果互相磨擦 ,在物理现象上 是试样温度升高 ,在力学现象上是一些分子断开或半断开 ,形成银纹 ( 半断开) 和裂纹 ( 断开) 。 高分子材料疲劳损伤演化宏 、 细观过程可叙述如下 : 不论何种原因出现银纹以后 ,有一个银纹增长 过程 ,经过一定的周期后 ,银纹的数量和密度达到一个极限
5、值 ,由于应力集中 ,裂纹的尖端又形成新的银纹 ,在循环应力作用下 ,银纹中微纤不断受到高度拉伸 ,愈来愈细 ,银纹中的空洞不断合并 ,空洞愈来愈大 , 同时 , 银纹尖端本体材料不断微纤化 ,使银纹长度增加 , 此时 , 在某一应力循环的载荷上升期间 ,银纹中的部分微纤被拉断 ,使裂纹扩展一个量。 端应力分布银纹微纤化断裂机理 : 认为有机玻璃裂纹扩展不仅与 有关 , 而且与微纤的极限伸长量 c 和弹性模量 E 有关 ,并得到了如下的疲裂纹扩展表达式 da 2 = B ( K - Kth ) . dN ; 裂纹尖端经过钝化 、锐化交替作用 , 裂纹以一定的速度慢慢向前发展 , 当裂纹长度扩展
6、到极限值时 ,试样失稳 , 疲劳裂纹快速发展 , 疲劳断裂立刻发生 。 疲劳宏观主裂纹扩展属于宏观层次 , 高分子材料中由于存在银纹 、 剪切带的相互作用 、 相互竞争导 致其微观扩展机制非常复杂 , 形式繁多 , 如疲劳辉纹。研究方法：正态分布和威布尔分布的特点，综述了数据处理方法在疲劳寿命研究中的具体应用。利用当前主流有限元分析软件Simulation对传动轴进行疲劳分析，打破了传统的手工计算，其意义是重大的。在材料实际测试中，将疲劳失效所需的应力水平与循环次数对应起来，绘制成一条曲线，我们称之为S-N（应力-寿命）曲线。而连续损伤力学方法是一种重要的疲劳损伤研究方法 ,其首要的任务是要选
7、择反映损伤演化特征的 损伤变量来定义和描述损伤程度和状态 , 并建立损 伤演变模型 。基于金属材料损伤机制的疲劳损伤变 量、 损伤模型很多 , 在著名的王-楼模型的基础上, 充分考虑了高分子材料的循环软化特性, 得到了高分子材料三轴应力场中的低周疲劳损模型. 由该模型可知: 应力控制的低周疲劳中, 循环软化现象表现为平均应变随循环数增加而增加, 材料的损伤包括循环塑性损伤和由随循环数增加的平均应变引起的蠕变损伤, 同时得到了三轴应力场中的疲劳失效准则和损伤演化方程。高聚物材料在一定的长期的或反复多次的应力或应变的情况下，其力学性能的衰减乃至材料的最后损坏。在给定的温度和应力或应变条件下，使材料
8、损坏所需的时间或周期数称为疲劳寿命。材料在多次形变下先产生裂纹（即银纹），再发展成裂缝，最终导致材料的破坏。因此，通过疲劳试验，可以知道高聚物抵抗产生裂缝的能。研究进展：尽管疲劳研究有百余年历史，文献极多，但许多理论还不清楚，有待进一步的研究。研究进展也是挺快的。一、 王泓分析了有机玻璃在循环载荷作用下裂纹尖 1 - max min min . 其中 , B ( K4I ( t) ) T 为一个疲劳载荷周期内蠕变分量 的均值 ;为裂纹尖端张开位移 16 。 二、Y. HU 研究了聚氯乙烯慢速疲劳裂纹扩展 、 蠕变和疲劳裂纹扩展都可以用 Paris 公式表示 , 疲劳裂纹扩展速率取决于应变率 ,
9、 因此聚氯乙烯慢速 疲劳裂纹扩展速率为 ? da 21 7 ) = B K Imax ( 1 + C . dt 其中 , B 可从试验疲劳数据外推得到 。如果外推至 大于蠕变 B 值 ,归因于疲劳卸载裂纹闭合时银纹微纤的损伤 。三、 宋之敏探讨了在疲劳/ 蠕变复合作用下聚苯乙 烯的损伤交互作用 、 时温等效关系 。结果表明 ,在疲 劳/ 蠕变复合作用下聚苯乙烯存在疲劳和蠕变的交互损伤 ,其断裂寿命比纯疲劳或纯蠕变的断裂寿命低 ; 断裂机制是疲劳循环载荷松动和活化了分子链或链段 ,从而促进蠕变运动和断裂 。并且 , 疲劳/ 蠕 变的交互损伤程度与温度密切相关。四、 Hiroshi 通过理论和实验
10、方法证明循环载荷作用下的热功比值与高分子材料的缠结密度成正比 ,热功比数值越大 ,疲劳寿命越长 。其中的功和热分别采用粘弹性和热传导方程得到 ,可分别表示为 2 / 失效过程中缺陷的作用 。疲劳试验断口分析表明 , 裂纹萌生源于缺陷 ; 预疲劳加载拉伸试验试验表明 , 断裂应变大幅度减小是由于缺陷处小裂纹扩展引 起 ; 预疲劳加载缺口冲击 Izo d 试验表明 , 缺陷使材料变脆 ,但影响较小 。以上 3 个试验表明材料疲劳行为由缺陷处微观小裂纹扩展寿命控制 。五、 基于连续损伤力学理论 ,B. Wang 提出用断裂应变定义损伤变量 , 并得到了疲劳损伤演化方程和疲劳寿命预估公式 , 用此模型
11、描述了 PC 材料的疲劳损伤 ,与实验结果一致 。拉伸断裂应变用数字成像技术获得 。六、 Bai S L 指出玻璃珠填充HD P E 在循环载荷作用下的损伤可用弹性模量的改变表示 , 循环加载后的残余应变随施加的应变的增加而增加。七、程光旭基于损伤力学理论 , 结合聚合物基复合 材料粘弹性力学特征 , 建立一种能够包括应力松弛或应变松弛在内的两阶段损伤力学模型 , 从而提高 预测疲劳寿命的精度 。李志军提出的力学化学疲劳模型 ,从力学化学的角度出发 ,在复合材料的疲劳研究中充分考虑材料内部在力学作用的活化下所产生的化学效应 ,并将整个疲劳过程看成是一个连续的力学活化过程 ,不仅能够解释其他纯粹
12、的宏观唯象模型所无法解释的氢键提高材料的疲劳性能 、 间歇疲劳寿命大于连续疲劳寿命等现象 , 还能够较好地 预测复合材料的剩余强度及其分布规律 。八、Constable I 指出 , 多数高分子材料 , 应变速率 足够高 ,温度上升 ,引起软化 ,循环应力较低时 ,温度 快速上升 ,然后稳定 ,形成平台 ,继而又快速上升 ,直 到断裂 。 最 近 , D. Rittel 通 过 研 究 了 PC 、 PMMA 、 两种改性聚合物 ( PMMA_R EF) ( PMMA_ MOD) 在高循环压应力下的滞后热效应 , 发现 PC 具有独特的温度分布规律 ,开始阶段具有峰值现象 , 而且尖锐度随应力幅值和频率增加而提高 , 并且有限元数值模拟结果与实验结果吻合 。结束语：高分子材料及其合金的疲劳研究属于力学 、 材料学交叉学科 ,国内外学者虽然在宏 、 细 、微观的诸多因素。 疲劳损伤变量与疲劳损伤模型损伤决定材料的性能 , 对疲劳性能起着尤为重要的作用 。R. Marissen 用扫描电镜研ABS 疲劳多方面取得了许多重要研究成果, 但总的来说研究尚属初期, 许多方面的研究还很匮乏, 相信不久的将来 ,创造性的研究成果会不断涌现。参考文献：高分子材料疲劳研究进展，高分子力学性能，中文期刊，百度文库
