楊海慶,趙瑞蘭,周曉娟
(山西工程技術(shù)學(xué)院土建系,山西 陽泉 045000)
有機玻璃作為一種透明的高分子聚合物,具有較強的粘性特征[1,2],被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。因有機玻璃常處于振動工況中,故關(guān)于其受疲勞載荷作用時的研究較多。門坤發(fā)[3]等委托中航工業(yè)失效分析中心分析某型直升飛機擋風(fēng)有機玻璃裂紋形成原因,發(fā)現(xiàn)裂紋擴展區(qū)源頭有清晰可見的化學(xué)腐蝕以及較不光滑條紋狀區(qū)域,推斷產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因為有機玻璃與骨架用溶劑結(jié)合在一起時,溶劑極有可能對本就存在表面缺損的有機玻璃局部進行腐蝕,并制造相應(yīng)銀紋進而在直升機機械振動環(huán)境下擴展為宏觀裂紋。高宗戰(zhàn)[4]等對航空有機玻璃在不同溫度范圍內(nèi)進行了疲勞裂紋擴展行為研究,實驗結(jié)果表明有機玻璃失效發(fā)生時的韌性和溫度呈現(xiàn)出正相關(guān)性。許鳳和[5]等認為飛機風(fēng)擋玻璃常處于大霧或雨水環(huán)境中,所以研究了水環(huán)境對定向和非定向有機玻璃疲勞裂紋擴展速度的影響,發(fā)現(xiàn)水環(huán)境可使定向有機玻璃疲勞裂紋更快擴展,對非定向有機玻璃裂紋擴展速度的影響則與前者相反。
本文關(guān)于有機玻璃的循環(huán)載荷試驗與疲勞類似,區(qū)別在于循環(huán)加卸載并不以研究疲勞壽命為目的,相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)也只有幾次遠低于疲勞循環(huán)次數(shù)。首次加載曲線峰值應(yīng)力超過了屈服點,而且每次加載目標(biāo)位移都以等差數(shù)列增加,這主要因為應(yīng)力超過屈服點后材料才會出現(xiàn)明顯的塑形變形,應(yīng)力應(yīng)變曲線形成的滯回環(huán)會相對飽滿寬厚,可以更清晰明顯對比滯回環(huán)特征變量(粘性)隨預(yù)應(yīng)變的增加而改變的趨勢。
本文選取圓柱形有機玻璃試樣,高h=10mm,橫截面直徑d=10mm。采用量程為100KN的電子萬能實驗機對有機玻璃試樣進行循環(huán)載荷壓縮實驗。實驗分別設(shè)置了三種加卸載速率分別為0.6mm/min、6mm/min、60mm/min,根據(jù)應(yīng)變率的定義為應(yīng)變相對于時間的導(dǎo)數(shù),有:
其中,v為加卸載速度,h為試樣高度。根據(jù)公式1得到三種應(yīng)變率分別為10-3s-1、10-2s-1、10-1s-1。
在每種加卸載速率下實驗都先加載到位移1.1mm,之后卸載直至力為0,第二次加載位移增加至1.2mm,再卸載直至力為0,像這樣連續(xù)加卸載七次,最后一次循環(huán)加載到位移1.7mm再卸載直至力為0。
根據(jù)實驗得到每種應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線包括7個滯回環(huán)。如圖1所示,滯回環(huán)由卸載曲線DBC和加載曲線CAD圍成,其中,D為卸載曲線和再次加載曲線的交點,C為卸載曲線最低點,過CD中點作垂線,與加卸載曲線相交于A、B兩點。CD為滯回環(huán)的長軸,AB為滯回環(huán)的短軸,滯回環(huán)的寬長比計算公式如下:
其中,AB、CD分別為線段AB與線段CD的長度。寬長比越大,梭形滯回環(huán)越飽滿,表明有機玻璃的粘性越強,反之則表明有機玻璃粘性越差[6]。
圖1 滯回環(huán)短長軸
為計算三種應(yīng)變率下各循環(huán)周期寬長比,在各應(yīng)變率下的循環(huán)加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線中,每次循環(huán)滯回環(huán)長軸和短軸端點分別取橫縱坐標(biāo)后,便可利用公式(2)計算寬長比,并根據(jù)冪指函數(shù)(3)對實驗數(shù)據(jù)點進行擬合。
如圖2所示,三種應(yīng)變率下,隨著預(yù)應(yīng)變的增加,滯回環(huán)的寬長比都逐漸降低,圖2中三條曲線分別擬合了在三種應(yīng)變率下每個循環(huán)滯回環(huán)寬長比隨循環(huán)次數(shù)增加的變化關(guān)系。
在公式3中,a和b為擬合參數(shù)。a表示第一次循環(huán)滯回環(huán)寬長比,b表示滯回環(huán)寬長比隨循環(huán)次數(shù)增加而下降的速度。
圖2 三種應(yīng)變率下寬長比隨循環(huán)次數(shù)增加的變化規(guī)律
通過擬合得到參數(shù)a和b的值,如表1所示。
各應(yīng)變率下每次循環(huán)公式2中擬合參數(shù)a、b 表1
如圖3所示,擬合參數(shù)a隨應(yīng)變率的升高逐漸下降,表明首次循環(huán)壓縮時試樣粘性隨著應(yīng)變率的增大逐漸變?nèi)?。而擬合參數(shù)b先降低后升高,表明隨著應(yīng)變率的增大,循環(huán)壓縮試樣粘性隨循環(huán)次數(shù)增加而下降的速度隨著應(yīng)變率的升高先下降后上升。
圖3 三種應(yīng)變率下擬合參數(shù)a、b變化規(guī)律
比較10-3s-1和10-2s-1兩個應(yīng)變率下滯回環(huán)寬長比隨循環(huán)次數(shù)增加而下降的速度,發(fā)現(xiàn)較低應(yīng)變率對應(yīng)的粘性下降速度要略高于較高應(yīng)變率,這可能是因為較低應(yīng)變率下首次循環(huán)速度較慢,材料內(nèi)部分子鏈松弛程度較高[7],相應(yīng)的峰值應(yīng)力較小,在之后的循環(huán)中,由于隨著循環(huán)次數(shù)的增加,分子鏈?zhǔn)S嗨沙诳臻g變小,導(dǎo)致隨著循環(huán)次數(shù)的增加,出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變硬化,滯回環(huán)寬長比下降速度也相對較快,相應(yīng)的材料粘性也隨著循環(huán)次數(shù)的增加而下降較快。
然而對于應(yīng)變率為10-1s-1時的循環(huán)加卸載,加載速度已高達60mm/min,在首次循環(huán)加載過程當(dāng)中,試樣內(nèi)部大分子鏈相互纏繞及高速加載,不能及時松弛,故峰值應(yīng)力較高。因此出現(xiàn)了分子鏈間較高水平的應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致材料內(nèi)部微觀層面的損傷,較高程度的損傷也致使在之后的循環(huán)中,峰值應(yīng)力明顯下降,若只考慮峰值應(yīng)力的下降,滯回環(huán)寬長比似乎可能增大,但粘性下降速度較其他兩個應(yīng)變率更快。這可能是因為較高應(yīng)變率下加載導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象增強,損傷程度更大,造成了彈性應(yīng)變能快速下降,以致同一滯回環(huán)中,在卸載曲線和加載曲線同一應(yīng)力水平下,應(yīng)變差隨著循環(huán)次數(shù)增加而快速下降,滯回環(huán)也隨著循環(huán)次數(shù)的增加而變得更窄。
①在循環(huán)加卸載壓縮作用下,隨著預(yù)應(yīng)變的增加,有機玻璃粘性逐漸降低,且下降規(guī)律與冪指數(shù)函數(shù)基本吻合。
②隨著應(yīng)變率的增加,有機玻璃在第一次加載時表現(xiàn)出的粘性逐漸降低。
③在和兩個相對較低應(yīng)變率下,粘性隨預(yù)應(yīng)變增加的下降速度隨應(yīng)變率增加而下降;在較高的應(yīng)變率下,粘性隨預(yù)應(yīng)變增加的下降速度較其他兩個較低應(yīng)變率的明顯升高。