1,第5章 高分子材料的疲勞,2,本章主要內容,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 疲勞破壞的一般規律,疲勞：工件在變動載荷或應變長期作用下，因累積 損傷而引起的斷裂現象,疲勞破壞時的最大應力b，甚至s,不產生明顯的塑性變形，呈現脆性的突然斷裂,疲勞斷裂是一種非常危險的斷裂,4,一 疲勞破壞的變動應力,1.變動載荷：載荷大小，甚至是方向隨時間變化,變動應力：變動載荷在單位面積上的平均值,變動應力分類：規則周期變動應力(或稱循環應力)無規則隨機變動應力。,5,2、循環應力,循環應力的波形一般近似為正弦波、矩形波和三角形波等,（1）表征應力循環特征的參量 最大循環應力max， 最小循環應力min； 平均應力m(max+min)/2 應力幅或應力范圍： =/2= (max-min)/2 應力比rmin/max,6,（2）循環應力的種類,(1)對稱循環： m0，r-1 (2)不對稱循環： m0，-1r0，r0 或 m，0r1 (5)隨機變動應力： 循環應力呈隨機變化。,7,二、疲勞破壞的概念和特點,1、疲勞破壞的概念： (1)疲勞的破壞過程： 變動應力薄弱區域的組織逐漸發生變化和損傷累積、開裂 裂紋擴展突然斷裂。 (2)疲勞破壞： 循環應力引起的延時斷裂，其斷裂應力b，甚至105) 低周疲勞(高應力疲勞或應變疲勞, s，N=102105)。,（3）按環境:腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞等,10,5.2 疲勞的宏觀表征,旋轉彎曲疲勞試驗：(1)四點彎曲， 對稱循環 (m0，r-1)。(2)測定方法： 試樣（若干）， 選擇最大循環應力max (0.67b0.4b) （1，2，3 n ）； 對每個試樣進行循環加載試驗 直至斷裂； 測定應力循環數N； 繪制(max)-N(lg N)曲線。,11,一.疲勞S-N曲線,疲勞強度，用-1表示。當 -1時，試樣可以經歷無限次循環而不發生斷裂；當 -1時，則試樣僅經歷有限次循環就會疲勞斷裂。,12,聚合物材料典型的SN曲線,I區 應力幅大，銀紋在第一個應力循環便產生了。,PS和PMMA，有明顯的I區存在,II區 疲勞壽命隨應力幅降低而增大，銀紋形成生長裂紋形成、擴展,III區 對應著材料的疲勞極限，其值約為抗拉強度的0.2 0.5,13,二、疲勞強度,疲勞強度:在指定疲勞壽命下，材料能承受的上限循環應力。指定的疲勞壽命可為無限周次也可為有限周次,1對稱循環疲勞強度,對稱彎曲疲勞強度(-1)對稱扭轉疲勞強度(-1)對稱拉壓疲勞強度(-1p),14,2.極限循環應力圖,脆性材料（a）和塑性材料（b）,不同平均應力下材料所能承受的max和a，max即作為非對稱循環應力下的疲勞強度。,15,三、過載持久值及過載損傷界,1 過載持久值,材料在高于疲勞強度的一定應力下工作，發生疲勞斷裂的應力循環周次，也稱為有限疲勞壽命,過載持久值表征了材料對過載疲勞的抗力，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載條件(縱坐標值)下能經受的應力循環周次愈多，材料對過載荷的抗力愈高。過載應力又稱為材料耐久強度。,16,2過載損傷界,把在每個過載應力下運行能引起損傷的最少循環周次連接起來就得到該材料的過載損傷界,過載損傷界到疲勞曲線間的影線區，稱為材料的過載損傷區,材料的過載損傷界越陡直，損傷區愈窄，則其抵抗疲勞過載能力就愈強,17,四、疲勞缺口敏感度qf,材料在變動應力作用下的缺口敏感性，常用疲勞缺口敏感度qf表征：,Kt:理論應力集中系數Kf：疲勞缺口系數,Kf為光滑試樣和缺口試樣疲勞強度之比:,Kf1，與缺口幾何形狀、材料等因素有關。 實驗證明，qf并非只決定于材料的常數，當缺口根部r Kth時裂紋擴展較快，很快進入第二階段,Kth表征材料阻止疲勞裂紋開始擴展的能力，該值越大，材料的疲勞裂紋擴展的阻力就越大，材料抗疲勞裂紋擴展的能力就越強,24,Kth和-1的區別,-1代表的是光滑試樣的無限壽命疲勞強度，適用于傳統的疲勞強度設計和校核；,Kth 是疲勞裂紋不擴展的KI的臨界值，代表的是裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，適于裂紋件的設計和疲勞強度校核,含裂紋件不發生疲勞斷裂（無限壽命）的校核公式為：,25,已知裂紋件的原始裂紋長度a和材料的疲勞門檻值Kth，可求得該件在無限疲勞壽命時的承載能力：,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、條件疲勞裂紋擴展門檻值(Kth) ：,平面應變，da/dN=10-610-7mm/周次時的Kth,7、疲勞剩余壽命：,27,某層板式壓力容器的層板上有長度為42mm的周向穿透裂紋，容器受到的交變應力= 87.7 MPa，根據材料的斷裂韌度計算得到的臨界裂紋長度為326mm，由實驗測得裂紋的擴展速率符合Paris公式，且參數c = 2 10-12，n =3，試估算：（1）、該容器的疲勞壽命？（2）、經過5萬次循環以后裂紋尺寸擴展了多少？,28,5.3 高分子材料疲勞破壞機理,1）易產生銀紋的非晶態聚合物（PS）的疲勞破壞過程主要決定于外加名義應力：,高循環應力銀紋裂紋材料疲勞破壞,機械疲勞和熱疲勞,中應力循環銀紋裂紋材料疲勞破壞,低應力循環材料微損傷累積及微觀結構變化產生微孔洞及微裂紋，并導致宏觀破壞。,29,3）對于因低應力或本身不易產生銀紋的結晶態聚合物，其疲勞過程可出現以下現象：,整個過程，疲勞應變軟化而不出現硬化；,分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，結晶損傷及晶體精細結構發生變化；,產生顯微孔洞，微孔洞聚合成微裂紋，并擴展成宏觀裂紋；,斷口呈裂紋擴展形成的肋狀形態，材料呈被拉拔出的叢生簇狀結構，每肋條間次級裂紋源顯示出細砂結構。,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應力作用時引起的裂紋擴展，間距為10um左右；疲勞斑紋是不連續的、跳躍式的變動應力引起的裂紋擴展，間距為50um左右。,B:較低分子量和低應力強度因子有利于疲勞斑紋的產生,C:高分子量在所有的應力強度因子條件下皆可形成疲勞輝紋,31,結晶態與非晶態高分子疲勞裂紋擴展速率比較,高分子材料的疲勞裂紋擴展速率主要取決于應力場強度因子幅K，與金屬材料相比，在相同的K下，高分子材料的裂紋擴展速率要大很多。,32,5）塑料的疲勞,疲勞裂紋的引發,隨著N增加，微裂紋尖端形成銀紋區；然后應力集中效應使銀紋區不斷擴大，微裂紋尖端產生鈍化；N繼續增加鈍化部位破裂，微裂紋發展形成新銀紋區，直至宏觀裂紋形成,33,疲勞裂紋的擴展,Paris公式,塑料疲勞中da/dNKI關系,疲勞裂紋擴展速度da/dN與裂紋尖端應力強度因子變化KI有關,34,LDPE疲勞斷口形貌,低擴展速率斷面形貌：粗糙和纖維狀,高擴展速率斷面形貌：細微條形狀,35,塑料疲勞裂紋的兩種增長方式,1.連續疲勞裂紋增長,2.遲延裂紋增長 （不連續裂紋增長） 低交變應力,36,6）橡膠的疲勞,裂紋引發階段有明顯的應力軟化現象橡膠表面或內部的微觀損傷發展引發宏觀裂紋,37,在疲勞過程中，橡膠材料的裂紋擴展速度da/dN是非線性能量釋放率（G）的唯一函數,為裂紋擴展參數，表征了S-N曲線的形狀（傾斜率），即曲線變化的快慢，愈大意味著隨伸長比的增加，裂紋擴展速度愈快。,38,5.4 熱疲勞,一、熱疲勞：由周期變化的熱應力或熱應變引起的材料破壞,由溫度和機械應力疊加引起的疲勞-熱機械疲勞。,熱應力的產生的原因,a.外部約束，不讓材料自由膨脹,b.內部約束，溫度梯度，熱膨脹系數差異，產生熱應力,熱疲勞裂紋多萌生于表面熱應變最大區域，有多個裂紋源，在循環過程中，其中幾個聯接成主裂紋，并垂直表面縱深發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導致試樣或機件失效,力學損耗：高聚物在交變應力作用下，產生滯后現象，而使機械能轉變為熱能的現象,5.4.1 高分子材料的熱疲勞,40,每一應力循環中所消耗的能量為：,溫度升高速率,影響因素：,應力、頻率f、損耗柔量J,41,未填充天然橡膠的動態過程滯后環的變化,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上講均受恒定的應變控制，只是它是由于溫度反復變化，造成相應的應變變化引起的，有時也會疊加上機械應力，是熱應力和機械應力疊加的綜合結果。,意味著不論塑性應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,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、 結構因素,1、 高分子結構,高聚物的結晶度越高，抗疲勞裂紋擴展的性能越好,在簡單拉伸下，總是產生銀紋而不屈服的高分子，如PMMA、PS的疲勞裂紋擴展速率最快。而對那些在拉伸時除了產生銀紋還要屈服的高分子如PVC、PC，在相同K時，疲勞裂紋擴展速率較小。,44,2、相對分子量及其分布,大相對分子質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，但耐疲勞性能改進不顯著,4、 交聯,交聯使非晶態高分子的剛性增加，導致疲勞性能下降。,46,二、 環境因素,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生反應產生裂紋,47,2 、形成氫鍵的介質,氫鍵介質抑制了表面銀紋的引發，提高了裂紋引發和擴展增長的疲勞周次,表5-4 氫鍵介質對PS疲勞壽命的影響,48,3 、頻率,提高動態疲勞的頻率將導致疲勞壽命的降低,4、水分,吸收質量分數3%水分時，尼龍66的疲勞裂紋擴展速度降低，而吸收質量分數8%水分時，疲勞裂紋擴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,接觸物體間阻礙運動的現象，阻力稱為摩擦力,2磨損,在摩擦作用下物體相對運動時，表面逐漸分離出磨屑從而不斷損傷的現象。靜強度理論基本適合于磨損過程分析,51,高分子材料的磨損,1.優點:,1)抗劃傷能力(柔性大,硬度小),2)聚合物對磨粒具有良好的適應性、就范性和埋嵌性。,3)高彈性又可在接觸表面產生變形而不發生切削犁溝式損傷,4)就耐磨性而言，聚合物與金屬配對的摩擦副優于金屬與金屬配對的摩擦副,2.缺點:,摩擦熱使聚合物有顯著的蠕變現象,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生位移、變形或局部破壞，才能產生相對滑移,53,黏附摩擦與滯后摩擦示意,54,使摩擦副開始滑動所需要的切向力稱為靜摩擦力,維持滑動持續進行所需要的切向力是動摩擦力,材料的摩擦力與接觸時的法向壓力P和摩擦系數成正比,聚四氟乙烯的摩擦系數很小，橡膠類彈性體的摩擦系數較大,55,3.摩擦形式與特點,滑動摩擦、滾動摩擦、潤滑摩擦,滾動摩擦示意,低v，與載荷（W）無關；中等v，正比于W1/3;高v， 正比于W1/2,56,6.2 磨損,反復進行局部變形和斷裂,材料表層經過每次循環后總要變到新的狀態,磨損三個階段：,跑合（磨合）階段穩定磨損階段劇烈磨損階段,57,1.橡膠磨損特征與機理,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生粘著，當粘附部位的強度大于橡膠的強度時，剪切作用使粘附部位產生少量的橡膠磨屑,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）,在交變應力作用下，橡膠與金屬表面微凸接觸點處受到周期性變化的應力作用，在相對運動中，剛性微凸使橡膠材料表面發生多次壓縮、拉伸、剪切變形，當應力循環次數達到一定時產生疲勞裂紋，進而擴展形成磨屑。,62,(4)起卷磨損,橡膠與較光滑的表面摩擦時，若表面具有較高的摩擦系數，發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 橡膠-低撕裂強度,63,6.3 耐磨性及其測量方法,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前后的質量變化 確定磨損量。,尺寸法是根據表面法向尺寸在試驗前后的變化確定磨損量。,64,常用磨損量的倒數或用相對耐磨性()表征材料的耐磨性亦稱磨損系數。,比磨損量：單位摩擦距離、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、細觀結構,影響高分子材料次價力作用和粘彈損耗的因素（組成、極性、柔順性、結晶度、滯后損失和模量）,塑料摩擦系數低于橡膠,交聯