第5-6章_高分子材料的疲勞與磨損

1,第5章 高分子材料的疲勞,2,本章主要內(nèi)容,5.1 疲勞概述5.2 疲勞的宏觀表征5.4 高分子材料疲勞破壞機(jī)理5.5 熱 疲 勞5.6 影響高分子材料疲勞性能的因素,3,5.1 疲勞破壞的一般規(guī)律,疲勞：工件在變動(dòng)載荷或應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，因累積 損傷而引起的斷裂現(xiàn)象,疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力b，甚至s,不產(chǎn)生明顯的塑性變形，呈現(xiàn)脆性的突然斷裂,疲勞斷裂是一種非常危險(xiǎn)的斷裂,4,一 疲勞破壞的變動(dòng)應(yīng)力,1.變動(dòng)載荷：載荷大小，甚至是方向隨時(shí)間變化,變動(dòng)應(yīng)力：變動(dòng)載荷在單位面積上的平均值,變動(dòng)應(yīng)力分類：規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力(或稱循環(huán)應(yīng)力)無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。,5,2、循環(huán)應(yīng)力,循環(huán)應(yīng)力的波形一般近似為正弦波、矩形波和三角形波等,（1）表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量 最大循環(huán)應(yīng)力max， 最小循環(huán)應(yīng)力min； 平均應(yīng)力m(max+min)/2 應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍： =/2= (max-min)/2 應(yīng)力比rmin/max,6,（2）循環(huán)應(yīng)力的種類,(1)對(duì)稱循環(huán)： m0，r-1 (2)不對(duì)稱循環(huán)： m0，-1r0，r0 或 m，0r1 (5)隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力： 循環(huán)應(yīng)力呈隨機(jī)變化。,7,二、疲勞破壞的概念和特點(diǎn),1、疲勞破壞的概念： (1)疲勞的破壞過(guò)程： 變動(dòng)應(yīng)力薄弱區(qū)域的組織逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開(kāi)裂 裂紋擴(kuò)展突然斷裂。 (2)疲勞破壞： 循環(huán)應(yīng)力引起的延時(shí)斷裂，其斷裂應(yīng)力b，甚至105) 低周疲勞(高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞, s，N=102105)。,（3）按環(huán)境:腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞等,10,5.2 疲勞的宏觀表征,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)：(1)四點(diǎn)彎曲， 對(duì)稱循環(huán) (m0，r-1)。(2)測(cè)定方法： 試樣（若干）， 選擇最大循環(huán)應(yīng)力max (0.67b0.4b) （1，2，3 n ）； 對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn) 直至斷裂； 測(cè)定應(yīng)力循環(huán)數(shù)N； 繪制(max)-N(lg N)曲線。,11,一.疲勞S-N曲線,疲勞強(qiáng)度，用-1表示。當(dāng) -1時(shí)，試樣可以經(jīng)歷無(wú)限次循環(huán)而不發(fā)生斷裂；當(dāng) -1時(shí)，則試樣僅經(jīng)歷有限次循環(huán)就會(huì)疲勞斷裂。,12,聚合物材料典型的SN曲線,I區(qū) 應(yīng)力幅大，銀紋在第一個(gè)應(yīng)力循環(huán)便產(chǎn)生了。,PS和PMMA，有明顯的I區(qū)存在,II區(qū) 疲勞壽命隨應(yīng)力幅降低而增大，銀紋形成生長(zhǎng)裂紋形成、擴(kuò)展,III區(qū) 對(duì)應(yīng)著材料的疲勞極限，其值約為抗拉強(qiáng)度的0.2 0.5,13,二、疲勞強(qiáng)度,疲勞強(qiáng)度:在指定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環(huán)應(yīng)力。指定的疲勞壽命可為無(wú)限周次也可為有限周次,1對(duì)稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度,對(duì)稱彎曲疲勞強(qiáng)度(-1)對(duì)稱扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度(-1)對(duì)稱拉壓疲勞強(qiáng)度(-1p),14,2.極限循環(huán)應(yīng)力圖,脆性材料（a）和塑性材料（b）,不同平均應(yīng)力下材料所能承受的max和a，max即作為非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度。,15,三、過(guò)載持久值及過(guò)載損傷界,1 過(guò)載持久值,材料在高于疲勞強(qiáng)度的一定應(yīng)力下工作，發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次，也稱為有限疲勞壽命,過(guò)載持久值表征了材料對(duì)過(guò)載疲勞的抗力，該值可由疲勞曲線傾斜部分確定,曲線傾斜得愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同的過(guò)載條件(縱坐標(biāo)值)下能經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)周次愈多，材料對(duì)過(guò)載荷的抗力愈高。過(guò)載應(yīng)力又稱為材料耐久強(qiáng)度。,16,2過(guò)載損傷界,把在每個(gè)過(guò)載應(yīng)力下運(yùn)行能引起損傷的最少循環(huán)周次連接起來(lái)就得到該材料的過(guò)載損傷界,過(guò)載損傷界到疲勞曲線間的影線區(qū)，稱為材料的過(guò)載損傷區(qū),材料的過(guò)載損傷界越陡直，損傷區(qū)愈窄，則其抵抗疲勞過(guò)載能力就愈強(qiáng),17,四、疲勞缺口敏感度qf,材料在變動(dòng)應(yīng)力作用下的缺口敏感性，常用疲勞缺口敏感度qf表征：,Kt:理論應(yīng)力集中系數(shù)Kf：疲勞缺口系數(shù),Kf為光滑試樣和缺口試樣疲勞強(qiáng)度之比:,Kf1，與缺口幾何形狀、材料等因素有關(guān)。 實(shí)驗(yàn)證明，qf并非只決定于材料的常數(shù)，當(dāng)缺口根部r Kth時(shí)裂紋擴(kuò)展較快，很快進(jìn)入第二階段,Kth表征材料阻止疲勞裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力，該值越大，材料的疲勞裂紋擴(kuò)展的阻力就越大，材料抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力就越強(qiáng),24,Kth和-1的區(qū)別,-1代表的是光滑試樣的無(wú)限壽命疲勞強(qiáng)度，適用于傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核；,Kth 是疲勞裂紋不擴(kuò)展的KI的臨界值，代表的是裂紋試樣的無(wú)限壽命疲勞性能，適于裂紋件的設(shè)計(jì)和疲勞強(qiáng)度校核,含裂紋件不發(fā)生疲勞斷裂（無(wú)限壽命）的校核公式為：,25,已知裂紋件的原始裂紋長(zhǎng)度a和材料的疲勞門檻值Kth，可求得該件在無(wú)限疲勞壽命時(shí)的承載能力：,已知裂紋件的工作載荷和材料的疲勞門檻值Kth，即可求得裂紋的尺寸a：,26,6、條件疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值(Kth) ：,平面應(yīng)變，da/dN=10-610-7mm/周次時(shí)的Kth,7、疲勞剩余壽命：,27,某層板式壓力容器的層板上有長(zhǎng)度為42mm的周向穿透裂紋，容器受到的交變應(yīng)力= 87.7 MPa，根據(jù)材料的斷裂韌度計(jì)算得到的臨界裂紋長(zhǎng)度為326mm，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得裂紋的擴(kuò)展速率符合Paris公式，且參數(shù)c = 2 10-12，n =3，試估算：（1）、該容器的疲勞壽命？（2）、經(jīng)過(guò)5萬(wàn)次循環(huán)以后裂紋尺寸擴(kuò)展了多少？,28,5.3 高分子材料疲勞破壞機(jī)理,1）易產(chǎn)生銀紋的非晶態(tài)聚合物（PS）的疲勞破壞過(guò)程主要決定于外加名義應(yīng)力：,高循環(huán)應(yīng)力銀紋裂紋材料疲勞破壞,機(jī)械疲勞和熱疲勞,中應(yīng)力循環(huán)銀紋裂紋材料疲勞破壞,低應(yīng)力循環(huán)材料微損傷累積及微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生微孔洞及微裂紋，并導(dǎo)致宏觀破壞。,29,3）對(duì)于因低應(yīng)力或本身不易產(chǎn)生銀紋的結(jié)晶態(tài)聚合物，其疲勞過(guò)程可出現(xiàn)以下現(xiàn)象：,整個(gè)過(guò)程，疲勞應(yīng)變軟化而不出現(xiàn)硬化；,分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結(jié)晶損傷及晶體精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；,產(chǎn)生顯微孔洞，微孔洞聚合成微裂紋，并擴(kuò)展成宏觀裂紋；,斷口呈裂紋擴(kuò)展形成的肋狀形態(tài)，材料呈被拉拔出的叢生簇狀結(jié)構(gòu)，每肋條間次級(jí)裂紋源顯示出細(xì)砂結(jié)構(gòu)。,30,4）聚合物疲勞斷口上可有兩種特征的條紋：疲勞輝紋和疲勞斑紋,A.疲勞輝紋是每周期變動(dòng)應(yīng)力作用時(shí)引起的裂紋擴(kuò)展，間距為10um左右；疲勞斑紋是不連續(xù)的、跳躍式的變動(dòng)應(yīng)力引起的裂紋擴(kuò)展，間距為50um左右。,B:較低分子量和低應(yīng)力強(qiáng)度因子有利于疲勞斑紋的產(chǎn)生,C:高分子量在所有的應(yīng)力強(qiáng)度因子條件下皆可形成疲勞輝紋,31,結(jié)晶態(tài)與非晶態(tài)高分子疲勞裂紋擴(kuò)展速率比較,高分子材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率主要取決于應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子幅K，與金屬材料相比，在相同的K下，高分子材料的裂紋擴(kuò)展速率要大很多。,32,5）塑料的疲勞,疲勞裂紋的引發(fā),隨著N增加，微裂紋尖端形成銀紋區(qū)；然后應(yīng)力集中效應(yīng)使銀紋區(qū)不斷擴(kuò)大，微裂紋尖端產(chǎn)生鈍化；N繼續(xù)增加鈍化部位破裂，微裂紋發(fā)展形成新銀紋區(qū)，直至宏觀裂紋形成,33,疲勞裂紋的擴(kuò)展,Paris公式,塑料疲勞中da/dNKI關(guān)系,疲勞裂紋擴(kuò)展速度da/dN與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子變化KI有關(guān),34,LDPE疲勞斷口形貌,低擴(kuò)展速率斷面形貌：粗糙和纖維狀,高擴(kuò)展速率斷面形貌：細(xì)微條形狀,35,塑料疲勞裂紋的兩種增長(zhǎng)方式,1.連續(xù)疲勞裂紋增長(zhǎng),2.遲延裂紋增長(zhǎng) （不連續(xù)裂紋增長(zhǎng)） 低交變應(yīng)力,36,6）橡膠的疲勞,裂紋引發(fā)階段有明顯的應(yīng)力軟化現(xiàn)象橡膠表面或內(nèi)部的微觀損傷發(fā)展引發(fā)宏觀裂紋,37,在疲勞過(guò)程中，橡膠材料的裂紋擴(kuò)展速度da/dN是非線性能量釋放率（G）的唯一函數(shù),為裂紋擴(kuò)展參數(shù)，表征了S-N曲線的形狀（傾斜率），即曲線變化的快慢，愈大意味著隨伸長(zhǎng)比的增加，裂紋擴(kuò)展速度愈快。,38,5.4 熱疲勞,一、熱疲勞：由周期變化的熱應(yīng)力或熱應(yīng)變引起的材料破壞,由溫度和機(jī)械應(yīng)力疊加引起的疲勞-熱機(jī)械疲勞。,熱應(yīng)力的產(chǎn)生的原因,a.外部約束，不讓材料自由膨脹,b.內(nèi)部約束，溫度梯度，熱膨脹系數(shù)差異，產(chǎn)生熱應(yīng)力,熱疲勞裂紋多萌生于表面熱應(yīng)變最大區(qū)域，有多個(gè)裂紋源，在循環(huán)過(guò)程中，其中幾個(gè)聯(lián)接成主裂紋，并垂直表面縱深發(fā)展引起材料龜裂或斷裂。,39,熱疲勞是高分子材料疲勞失效的主要原因之一,熱疲勞：溫度升高引起的熱軟化和塑性流動(dòng)導(dǎo)致試樣或機(jī)件失效,力學(xué)損耗：高聚物在交變應(yīng)力作用下，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，而使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿默F(xiàn)象,5.4.1 高分子材料的熱疲勞,40,每一應(yīng)力循環(huán)中所消耗的能量為：,溫度升高速率,影響因素：,應(yīng)力、頻率f、損耗柔量J,41,未填充天然橡膠的動(dòng)態(tài)過(guò)程滯后環(huán)的變化,42,5.4.2 熱疲勞損傷,熱疲勞屬于低周疲勞范疇，它和低周疲勞從本質(zhì)上講均受恒定的應(yīng)變控制，只是它是由于溫度反復(fù)變化，造成相應(yīng)的應(yīng)變變化引起的，有時(shí)也會(huì)疊加上機(jī)械應(yīng)力，是熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力疊加的綜合結(jié)果。,意味著不論塑性應(yīng)變幅如何影響疲勞失效壽命，最終失效積累的塑性變形量總為常數(shù),塑性好的材料，熱疲勞壽命就高,43,5.5 影響高分子材料疲勞性能的因素,一、 結(jié)構(gòu)因素,1、 高分子結(jié)構(gòu),高聚物的結(jié)晶度越高，抗疲勞裂紋擴(kuò)展的性能越好,在簡(jiǎn)單拉伸下，總是產(chǎn)生銀紋而不屈服的高分子，如PMMA、PS的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最快。而對(duì)那些在拉伸時(shí)除了產(chǎn)生銀紋還要屈服的高分子如PVC、PC，在相同K時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率較小。,44,2、相對(duì)分子量及其分布,大相對(duì)分子質(zhì)量能極大地提高高分子的抗斷裂、抗疲勞性能,45,3、 橡膠改性,用橡膠增韌可極大地提高脆性高分子的斷裂韌性，但耐疲勞性能改進(jìn)不顯著,4、 交聯(lián),交聯(lián)使非晶態(tài)高分子的剛性增加，導(dǎo)致疲勞性能下降。,46,二、 環(huán)境因素,1、氧氣,氧能加速某些高分子的疲勞破壞,臭氧能快速與碳碳雙鍵發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生裂紋,47,2 、形成氫鍵的介質(zhì),氫鍵介質(zhì)抑制了表面銀紋的引發(fā)，提高了裂紋引發(fā)和擴(kuò)展增長(zhǎng)的疲勞周次,表5-4 氫鍵介質(zhì)對(duì)PS疲勞壽命的影響,48,3 、頻率,提高動(dòng)態(tài)疲勞的頻率將導(dǎo)致疲勞壽命的降低,4、水分,吸收質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%水分時(shí)，尼龍66的疲勞裂紋擴(kuò)展速度降低，而吸收質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%水分時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速度反而高于干尼龍，耐疲勞性明顯下降,49,第六章 高分子材料的磨損性能,50,6.1 磨損的基本概念及類型,一、摩擦與磨損的概念,1摩 擦,接觸物體間阻礙運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，阻力稱為摩擦力,2磨損,在摩擦作用下物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面逐漸分離出磨屑從而不斷損傷的現(xiàn)象。靜強(qiáng)度理論基本適合于磨損過(guò)程分析,51,高分子材料的磨損,1.優(yōu)點(diǎn):,1)抗劃傷能力(柔性大,硬度小),2)聚合物對(duì)磨粒具有良好的適應(yīng)性、就范性和埋嵌性。,3)高彈性又可在接觸表面產(chǎn)生變形而不發(fā)生切削犁溝式損傷,4)就耐磨性而言，聚合物與金屬配對(duì)的摩擦副優(yōu)于金屬與金屬配對(duì)的摩擦副,2.缺點(diǎn):,摩擦熱使聚合物有顯著的蠕變現(xiàn)象,52,高分子材料與剛性表面在接觸界面上相互作用包括黏附和滯后變形，分別稱為黏附摩擦作用和滯后摩擦作用,黏附力Fa：兩個(gè)摩擦副表面分子間的相互作用力， 施加剪切力克服,滯后力FH：表面間粗糙凸體間的相互嚙合作用，必須施加足夠大的外力使軟表面產(chǎn)生位移、變形或局部破壞，才能產(chǎn)生相對(duì)滑移,53,黏附摩擦與滯后摩擦示意,54,使摩擦副開(kāi)始滑動(dòng)所需要的切向力稱為靜摩擦力,維持滑動(dòng)持續(xù)進(jìn)行所需要的切向力是動(dòng)摩擦力,材料的摩擦力與接觸時(shí)的法向壓力P和摩擦系數(shù)成正比,聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)很小，橡膠類彈性體的摩擦系數(shù)較大,55,3.摩擦形式與特點(diǎn),滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦、潤(rùn)滑摩擦,滾動(dòng)摩擦示意,低v，與載荷（W）無(wú)關(guān)；中等v，正比于W1/3;高v， 正比于W1/2,56,6.2 磨損,反復(fù)進(jìn)行局部變形和斷裂,材料表層經(jīng)過(guò)每次循環(huán)后總要變到新的狀態(tài),磨損三個(gè)階段：,跑合（磨合）階段穩(wěn)定磨損階段劇烈磨損階段,57,1.橡膠磨損特征與機(jī)理,分為黏附磨損、磨粒磨損、疲勞磨損起卷磨損,（1）黏附磨損,橡膠與金屬微凸處之間產(chǎn)生粘著，當(dāng)粘附部位的強(qiáng)度大于橡膠的強(qiáng)度時(shí)，剪切作用使粘附部位產(chǎn)生少量的橡膠磨屑,粘著磨損示意(金屬與橡膠間）,58,J. F. Archard提出了估算粘著磨損量的方法,59,(2)磨粒磨損,磨粒磨損示意(金屬與橡膠間）,橡膠的磨粒磨損是剛性金屬表面的微凸使橡膠變形且產(chǎn)生撕裂切屑而造成的。,60,61,(3)疲勞磨損,疲勞磨損示意(金屬與橡膠間）,在交變應(yīng)力作用下，橡膠與金屬表面微凸接觸點(diǎn)處受到周期性變化的應(yīng)力作用，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，剛性微凸使橡膠材料表面發(fā)生多次壓縮、拉伸、剪切變形，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定時(shí)產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展形成磨屑。,62,(4)起卷磨損,橡膠與較光滑的表面摩擦?xí)r，若表面具有較高的摩擦系數(shù)，發(fā)生起卷模塑是低模量、大變形的橡膠材料特有的磨損形式,必要條件：摩擦界面-高摩擦系數(shù) 橡膠-低撕裂強(qiáng)度,63,6.3 耐磨性及其測(cè)量方法,一、材料的耐磨性,耐磨性是指材料抵抗磨損的性能，通常用磨損量表示。,磨損量愈小，耐磨性愈高。,磨損量的測(cè)量有稱重法和尺寸法兩種：,稱重法是用精密分析天平稱量試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化 確定磨損量。,尺寸法是根據(jù)表面法向尺寸在試驗(yàn)前后的變化確定磨損量。,64,常用磨損量的倒數(shù)或用相對(duì)耐磨性()表征材料的耐磨性亦稱磨損系數(shù)。,比磨損量：?jiǎn)挝荒Σ辆嚯x、單位壓力下的磨損量,65,6.4 影響高分子材料磨損的因素,(1).微觀、細(xì)觀結(jié)構(gòu),影響高分子材料次價(jià)力作用和粘彈損耗的因素（組成、極性、柔順性、結(jié)晶度、滯后損失和模量）,塑料摩擦系數(shù)低于橡膠,交聯(lián)