梁志鴻，李 建，闞前華，康國(guó)政

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031)

形狀記憶聚氨酯(SMPU)是一種能夠響應(yīng)溫度刺激的智能高分子材料，具有低密度、低成本、易加工、變形大以及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和紡織等領(lǐng)域[1-2]。由于SMPU分子鏈運(yùn)動(dòng)的活躍性依賴(lài)于溫度，其基本力學(xué)性能和熱物理特性在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度上下將發(fā)生劇烈的變化[3]，而玻璃態(tài)聚合物變形過(guò)程中常常伴隨著塑性耗散生熱[4-5]，這表明SMPU的變形過(guò)程是一個(gè)典型的熱力耦合作用過(guò)程。因此，環(huán)境溫度和聚合物塑性耗散生熱與變形的熱力耦合作用引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。例如，Rittel[6]討論了非晶態(tài)聚合物在變形和斷裂過(guò)程中的熱力耦合效應(yīng)，并通過(guò)溫度變化來(lái)揭示非晶聚合物的變形和斷裂機(jī)制。Li等[7]對(duì)SMPU進(jìn)行了不同應(yīng)變率下單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，將耗散機(jī)制歸結(jié)為彈性結(jié)構(gòu)熱引起的溫降和黏塑性耗散導(dǎo)致的溫升(當(dāng)前溫度減去初始溫度)。Pieczyska等[8-9]在室溫下對(duì)SMPU進(jìn)行了不同應(yīng)變率下的單調(diào)拉伸實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了變形過(guò)程中的溫升是主要由塑性耗散機(jī)制所引起。研究還發(fā)現(xiàn)，SMPU的塑性耗散生熱將導(dǎo)致其在拉伸過(guò)程呈現(xiàn)出顯著的塑性流動(dòng)局部化擴(kuò)展過(guò)程。齊德瑄[10]的分析表明，固有的應(yīng)變軟化行為是導(dǎo)致其塑性流動(dòng)局部化的主要原因。Zhang等[11]通過(guò)對(duì)玻璃態(tài)聚合物進(jìn)行熱處理，分別研究了淬火和退火狀態(tài)下兩種不同的應(yīng)變局部化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)退火后的塑性變形呈現(xiàn)剪切流動(dòng)形式，而淬火后的塑性變形則呈現(xiàn)頸縮變形形式。

為了解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，許多學(xué)者開(kāi)展了數(shù)值模擬研究。Li等[12]通過(guò)模擬玻璃態(tài)聚合物塑性流動(dòng)局部化的擴(kuò)展過(guò)程發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低和應(yīng)變率的增加或更大程度的結(jié)構(gòu)重硬化，塑性流動(dòng)局部化的發(fā)展更快，最終塑性流動(dòng)局部化的程度隨著分子鏈纏結(jié)密度的增加而逐漸減小。Kweon等[13]通過(guò)有限元分析研究了不同厚度對(duì)玻璃態(tài)聚合物塑性流動(dòng)及局部化現(xiàn)象的影響。結(jié)果表明材料軟化程度依賴(lài)于試樣厚度，塑性流動(dòng)重取向引起的應(yīng)變硬化迫使局部化應(yīng)變場(chǎng)擴(kuò)展，在剪切帶中易產(chǎn)生局部化的塑性流動(dòng)，從而改變了塑性流動(dòng)局部化形式。Xiao等[14]針對(duì)玻璃態(tài)聚合物的軟化行為進(jìn)行模擬，結(jié)果表明應(yīng)變軟化較大程度上依賴(lài)于熱機(jī)械歷史，應(yīng)變軟化導(dǎo)致塑性流動(dòng)局部化的產(chǎn)生并最終導(dǎo)致聚合物失效，屈服后的軟化行為強(qiáng)烈依賴(lài)于溫度、應(yīng)變率和加載歷史。

以上學(xué)者分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元模擬手段，調(diào)查了SMPU拉伸變形過(guò)程的率相關(guān)性和溫度相關(guān)性，對(duì)觀測(cè)到的塑性流動(dòng)局部化擴(kuò)展過(guò)程給出了解釋。然而，對(duì)于SMPU在拉伸變形過(guò)程中伴隨的熱力耦合作用及其導(dǎo)致的塑性流動(dòng)局部化擴(kuò)展過(guò)程的實(shí)驗(yàn)表征和數(shù)值模擬還不夠深入，主要體現(xiàn)在：上述研究未考慮應(yīng)變率對(duì)塑性流動(dòng)局部化過(guò)程的影響，未考慮溫度誘發(fā)的應(yīng)變軟化與分子鏈優(yōu)先取向?qū)е碌膽?yīng)變硬化之間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制等。為了深入調(diào)查SMPU拉伸過(guò)程中的熱力耦合變形行為，揭示耗散生熱機(jī)制以及溫升對(duì)SMPU塑性流動(dòng)局部化過(guò)程的影響，本工作開(kāi)展了不同應(yīng)變率下的單調(diào)拉伸實(shí)驗(yàn)，獲取變形過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布，結(jié)合有限元軟件ABAQUS對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，再現(xiàn)SMPU特有的局部化塑性流動(dòng)現(xiàn)象，揭示熱力耦合作用與塑性流動(dòng)局部化萌生與擴(kuò)展過(guò)程的聯(lián)系。

1 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和工況

實(shí)驗(yàn)材料為MM4520熱塑性形狀記憶聚氨酯(SMPU)，按照GB/T16421-1996通過(guò)微型注塑機(jī)注塑成啞鈴型[15]，試樣標(biāo)距段長(zhǎng)度為33mm，尺寸如圖1所示。

圖1 試樣尺寸Fig.1 Specimen size

采用DMA Q800動(dòng)態(tài)熱分析儀對(duì)試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試，獲取的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為48℃。采用MTS-Acumen對(duì)SMPU試樣進(jìn)行不同速率的單調(diào)拉伸實(shí)驗(yàn)，名義應(yīng)變率設(shè)置為0.015，0.006,0.003s-1。采用FLIR紅外測(cè)溫儀對(duì)試樣的表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)FLIR R&D software提取不同時(shí)刻試樣的表面溫度分布云圖，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)不同時(shí)刻的平均溫度。

1.2 結(jié)果與分析

圖2給出了不同應(yīng)變率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變和平均溫升-真應(yīng)變曲線。其中σtr，εtr，Δθave分別為真應(yīng)力、真應(yīng)變、平均溫升。從圖2中可知，在彈性變形階段，溫度隨著應(yīng)力的增加而降低，表現(xiàn)出熱彈性效應(yīng)，溫度最低處即為彈性變形最大處。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服峰時(shí)，分子鏈發(fā)生解纏運(yùn)動(dòng)，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線表現(xiàn)出后繼屈服軟化現(xiàn)象。由于屈服后分子鏈的摩擦耗散機(jī)制，平均溫升開(kāi)始增加。隨著應(yīng)變的持續(xù)增加，分子鏈在拉伸方向發(fā)生優(yōu)先取向，導(dǎo)致材料變形抗力增加，宏觀上體現(xiàn)為應(yīng)變硬化現(xiàn)象[8]。在此過(guò)程中，由于分子鏈段的矯直、缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展，會(huì)促進(jìn)宏觀上的塑性流動(dòng)局部化的成核與擴(kuò)展[15]，同時(shí)伴隨著不斷增加的平均溫升。對(duì)比圖2可以看出，平均溫升隨著應(yīng)變率的增加而增加：應(yīng)變率為0.003,0.006,0.015s-1時(shí)的最大平均溫升分別為1.0,1.6,3.0℃。其原因是隨著應(yīng)變率的增加，材料內(nèi)部的耗散熱來(lái)不及與環(huán)境進(jìn)行充分熱交換，從而表現(xiàn)出平均溫升增加的率相關(guān)性[7]。

圖2 真應(yīng)力-真應(yīng)變和平均溫升-真應(yīng)變曲線(a)0.003s-1;(b)0.006s-1;(c)0.015s-1Fig.2 Curves of true stress vs true strain and average temperature rise vs true strain(a)0.003s-1;(b)0.006s-1;(c)0.015s-1

將應(yīng)變軟化的終點(diǎn)(點(diǎn)B)作為流動(dòng)應(yīng)力的起點(diǎn)，提取了流動(dòng)應(yīng)力增量隨真應(yīng)變的演化曲線，可用來(lái)調(diào)查應(yīng)變強(qiáng)化階段的塑性流動(dòng)抗力與應(yīng)變率的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。可以看出，流動(dòng)應(yīng)力增量隨應(yīng)變率呈現(xiàn)出非單調(diào)變化，即流動(dòng)應(yīng)力增量在應(yīng)變率為0.006s-1時(shí)突然增大，在應(yīng)變率為0.015s-1時(shí)又降低到初始水平。隨著應(yīng)變率的增加，不同的變形機(jī)制在微觀尺度上被激活，分子鏈也隨之重新取向和排列，導(dǎo)致試樣硬化程度增加[16-17]。故當(dāng)應(yīng)變率為0.006s-1時(shí)，應(yīng)變率對(duì)應(yīng)變硬化的增幅大于溫升引起的應(yīng)變軟化，導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力增量高于應(yīng)變率為0.003s-1時(shí)的值。隨著應(yīng)變率的繼續(xù)增加，溫升快速升高，分子熱運(yùn)動(dòng)被激活，促進(jìn)了分子鏈的伸展，塑性流動(dòng)阻力降低。此時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力增量開(kāi)始下降，即溫升引起的應(yīng)變軟化開(kāi)始占主導(dǎo)地位。因此，SMPU在拉伸過(guò)程中表現(xiàn)出的應(yīng)變強(qiáng)化和溫升誘發(fā)的應(yīng)變軟化導(dǎo)致了上述流動(dòng)應(yīng)力增量與應(yīng)變率之間的非單調(diào)關(guān)系。

圖3 不同應(yīng)變率的流動(dòng)應(yīng)力增量-真應(yīng)變曲線圖Fig.3 Curves of flow stress increment vs true strain at different strain rates

選取變形過(guò)程中的幾個(gè)特殊時(shí)刻，提取試樣溫度場(chǎng)云圖，如圖4所示。其中，左側(cè)標(biāo)簽0為溫度標(biāo)尺，試樣中的橫線表示試樣頂端的初始位置。1為初始時(shí)刻；2為塑性變形開(kāi)始時(shí)刻；3，4，5，6為塑性流動(dòng)不斷增強(qiáng)的不同階段。由圖4可以看出，不同應(yīng)變率的溫度場(chǎng)演化有相似的規(guī)律，即在塑性變形的開(kāi)始階段，溫度云圖出現(xiàn)局部溫升，隨著拉伸位移的增加，溫升峰值不斷移動(dòng)，導(dǎo)致溫度場(chǎng)不斷擴(kuò)大，而開(kāi)始產(chǎn)生溫升的位置通過(guò)與外界的熱交換溫度不斷降低。塑性流動(dòng)階段的溫升源自塑性耗散[18]，因而溫升局部化過(guò)程也反映了塑性流動(dòng)局部化過(guò)程。

圖4 不同應(yīng)變率下的溫度云圖(a)0.003s-1;(b)0.006s-1;(c)0.015s-1Fig.4 Temperature contours at different strain rates(a)0.003s-1;(b)0.006s-1;(c)0.015s-1

進(jìn)一步提取不同時(shí)刻試樣中軸線的溫升(Δθ)隨試樣縱向變化曲線(其中提取點(diǎn)距離底端距離為H)，如圖5所示。由圖5可知，不同時(shí)刻下溫升初始為1個(gè)峰值，隨著拉伸位移的增加分裂為兩個(gè)峰值，兩者的間距越來(lái)越大，且溫度變化越來(lái)越大。這是由于隨著塑性流動(dòng)局部化的擴(kuò)展，最大溫升由萌生處向兩側(cè)擴(kuò)展，而溫升流動(dòng)到下一位置處時(shí)原位置的溫升因與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換而不斷降低。同時(shí)，隨著應(yīng)變率的增加，溫升峰值顯著增加，且應(yīng)變率越大，溫升峰面移動(dòng)越快。故當(dāng)速率為0.015s-1時(shí)溫升峰經(jīng)過(guò)的位置降溫較小。而當(dāng)速率較慢時(shí)，溫升峰值降低且溫升峰移動(dòng)較慢，經(jīng)過(guò)的位置熱交換更為充分，降溫更快。

圖5 不同位置溫升變化曲線(a)0.003s-1;(b)0.006s-1;(c)0.015s-1Fig.5 Temperature rise curves at different locations(a)0.003s-1;(b)0.006s-1;(c)0.015s-1

2 材料模型

2.1 熱力耦合本構(gòu)方程

由于SMPU變形過(guò)程包括屈服后應(yīng)力迅速跌落的應(yīng)變軟化和后繼應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程，為增加模擬過(guò)程中的數(shù)值穩(wěn)定性，忽略此過(guò)程中的非線性，采用經(jīng)典的應(yīng)變率相關(guān)的多段線性各向同性硬化模型來(lái)描述SMPU應(yīng)變率相關(guān)的應(yīng)力軟化和應(yīng)變強(qiáng)化。

熱力耦合本構(gòu)方程簡(jiǎn)述如下：首先將總應(yīng)變分解為：

ε=εe+εp

(1)

式中：ε，εe和εp分別為總應(yīng)變、彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變張量。

彈性應(yīng)變可表示為：

εe=D-1:σ

(2)

式中：σ為應(yīng)力張量；D為四階彈性張量。

考慮屈服后的應(yīng)變軟化和后繼應(yīng)變強(qiáng)化及其對(duì)溫度的依賴(lài)性，可定義如下各向同性硬化屈服函數(shù)：

(3)

塑性流動(dòng)法則如式(4)所示：

(4)

通過(guò)塑性耗散生熱方程和溫度相關(guān)的材料參數(shù)可模擬SMPU的熱力耦合作用[7,19]。根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，外界對(duì)物體做功可轉(zhuǎn)變?yōu)槲矬w溫度的改變，部分能量通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的形式耗散，熱平衡方程可表示為：

(5)

2.2 材料參數(shù)

有限元模擬中的材料參數(shù)均根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得或者擬合得到。

2.2.1 基本力學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，SMPU在本工作涉及溫升范圍內(nèi)可忽略彈性模量的溫度相關(guān)性，取其平均值為1100MPa。為考慮塑性參數(shù)對(duì)應(yīng)變率和溫度的依賴(lài)性，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了22，25，30℃下不同應(yīng)變率的真應(yīng)力-塑性應(yīng)變參數(shù)(如圖2中點(diǎn)A，B，C)。遵循屈服應(yīng)力隨溫度增加而減小、隨應(yīng)變率增大而增大的原則，提取實(shí)驗(yàn)曲線中A,B,C3點(diǎn)的應(yīng)力和塑性應(yīng)變來(lái)設(shè)置不同溫度和應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)，如表1所示。通過(guò)對(duì)不同應(yīng)變率下的溫升進(jìn)行擬合，確定塑性耗散因子為0.6。

表1 不同應(yīng)變率和溫度下的塑性參數(shù)Table 1 Plastic parameters at different temperatures and strain rates

2.2.2 熱物理參數(shù)

SMPU在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度前后的密度、比熱容和熱膨脹系數(shù)有所差異，但在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)隨溫度變化較小，模擬中設(shè)置為常數(shù)。給定試樣初始溫度場(chǎng)后，為了模擬內(nèi)部耗散生熱后試樣表面溫升，設(shè)置隨溫度升高而增加的傳導(dǎo)系數(shù)[20]和薄膜系數(shù)。所有的熱物理參數(shù)，包括溫度T、密度ρ、熱傳導(dǎo)系數(shù)k、熱膨脹系數(shù)α，熱對(duì)流系數(shù)h和比熱c，如表2所示。

表2 熱物理參數(shù)Table 2 Thermo-physical parameters

2.3 模型和材料參數(shù)驗(yàn)證

2.3.1 有限元模型

為驗(yàn)證多段線性各向同性硬化材料模型對(duì)不同溫度和應(yīng)變率下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)能力，采用C3D8HT熱力耦合單元建立立方體單元(模擬1個(gè)積分點(diǎn)的響應(yīng))進(jìn)行有限元模擬。對(duì)單元模型相鄰3個(gè)面進(jìn)行法向位移約束，并在任意1個(gè)自由面施加位移荷載，初始溫度場(chǎng)設(shè)為22℃。

2.3.2 模擬結(jié)果

將單元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到真應(yīng)力-真應(yīng)變和溫升-真應(yīng)變曲線如圖2所示?？梢钥闯?，真應(yīng)力-真應(yīng)變和溫升-真應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)曲線吻合較好，從而驗(yàn)證了多段線性各向同性硬化材料模型和材料參數(shù)的合理性。

3 薄板熱力耦合拉伸變形模擬

3.1 有限元模型

按照試樣尺寸創(chuàng)建三維實(shí)體部件，設(shè)置材料參數(shù)，裝配部件后采用C3D8HT單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，有限元模型如圖6所示。

圖6 薄板有限元模型Fig.6 Finite element model of sheet

考慮到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中下夾頭用來(lái)固定試樣，上夾頭用來(lái)夾持試樣并進(jìn)行垂向位移，約束有限元模型底端所有自由度，頂端在垂向施加33mm(名義應(yīng)變?yōu)?00%)位移并約束除垂向外的所有平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。試樣初始溫度場(chǎng)設(shè)置為22℃。由于有限元模型上下兩端為金屬夾持裝置，傳導(dǎo)遠(yuǎn)高于SMPU，假定其溫度與室溫保持相同，其余部位設(shè)置薄膜系數(shù)實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的熱交換。為考慮拉伸變形的率相關(guān)性，根據(jù)實(shí)際變形時(shí)間設(shè)置不同的分析步時(shí)間。

3.2 模擬結(jié)果

首先提取3種應(yīng)變率下的力-位移(F-d)和溫升-位移(Δθave-d)曲線，如圖7(a)所示。與圖7(b)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果除了應(yīng)變軟化階段曲線與光滑的實(shí)驗(yàn)曲線相比有所差異外，其他區(qū)域在數(shù)值和趨勢(shì)上均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。原因是應(yīng)變軟化階段是熱力耦合作用的起始位置，應(yīng)力梯度非常大，應(yīng)力和溫度在每一次迭代過(guò)程中被交替更新，需要更多的迭代次數(shù)才獲得收斂的結(jié)果。隨著應(yīng)力梯度的不斷降低，迭代更容易進(jìn)行，曲線逐漸變得光滑。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果曲線，可以看出模擬能較好地反映實(shí)驗(yàn)規(guī)律，但是力-位移曲線及溫升曲線在數(shù)值上仍存在一些差異，其主要原因如下：(1)實(shí)驗(yàn)獲得的溫升-位移曲線在彈性階段由于熱彈性效應(yīng)出現(xiàn)輕微的溫度降低現(xiàn)象，而模擬中采用了ABAQUS提供的各向同性硬化律和塑性耗散生熱系數(shù)，忽略了熱彈性效應(yīng)；(2)模擬中采用了ABAQUS提供的多線性各向同性硬化律，忽略了應(yīng)變軟化和應(yīng)變強(qiáng)化階段的非線性；(3)模擬中輸入的應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)通過(guò)不同速率下的實(shí)驗(yàn)獲取，包含熱力耦合作用的影響；而采用熱力耦合單元進(jìn)行有限元分析時(shí)考慮了變形生熱對(duì)其力學(xué)性能的影響，導(dǎo)致模擬得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力-位移曲線的屈服點(diǎn)較實(shí)驗(yàn)曲線略低，即目前尚無(wú)法將熱效應(yīng)的影響從實(shí)驗(yàn)曲線中完全剝離。

截取與圖4對(duì)應(yīng)的不同時(shí)刻下的塑性應(yīng)變?cè)茍D和溫度云圖，分別如圖8和圖9所示。

圖8 應(yīng)變率為0.015s-1時(shí)的塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Plastic strain contours at strain rate of 0.015s-1

由圖8的塑性應(yīng)變?cè)茍D可知，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服峰后，由于應(yīng)力軟化出現(xiàn)整體塑性屈服，在過(guò)渡段部分由于應(yīng)力集中的影響應(yīng)力偏高，導(dǎo)致塑性變形開(kāi)始在此處累積，萌生了局部化的塑性變形；隨著變形量的繼續(xù)增加，SMPU發(fā)生應(yīng)變強(qiáng)化，當(dāng)應(yīng)變強(qiáng)化階段變形所需的應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力時(shí)，塑性流動(dòng)無(wú)法在原位置繼續(xù)進(jìn)行，自發(fā)向另一端所需應(yīng)力更低處擴(kuò)展。試樣在變形過(guò)程中分子鏈間的作用力不斷被削弱，進(jìn)而促進(jìn)了塑性流動(dòng)，最終局部化塑性流動(dòng)擴(kuò)展到試樣整個(gè)工作段。由圖9可知，溫度局部化過(guò)程與塑性流動(dòng)局部化過(guò)程完全一致。

對(duì)應(yīng)圖5顯示的不同時(shí)刻，提取中軸線上應(yīng)力和溫升(Δθ)隨距離(H)的變化曲線，結(jié)果如圖10所示。在屈服后的應(yīng)變軟化開(kāi)始階段(時(shí)刻2)，由于只萌生了局部化的塑性流動(dòng)，試樣整體應(yīng)力水平較高，溫升增加非常緩慢；進(jìn)入應(yīng)變硬化階段時(shí)(時(shí)刻3和4)，應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于屈服峰，在缺陷處萌生了更為明顯的局部化塑性流動(dòng)，導(dǎo)致溫升峰開(kāi)始出現(xiàn)，此時(shí)試樣其他區(qū)域變形所需的應(yīng)力仍較高，塑性流動(dòng)的擴(kuò)展阻力較大。隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，應(yīng)變強(qiáng)化不斷增強(qiáng)(時(shí)刻5)，塑性流動(dòng)所需的應(yīng)力不斷增加，逐漸超過(guò)屈服峰，導(dǎo)致塑性流動(dòng)開(kāi)始向應(yīng)變硬化較弱的未擴(kuò)展區(qū)域推進(jìn)，直至整個(gè)區(qū)域均發(fā)生了塑性流動(dòng)(時(shí)刻6)。此時(shí)，試樣工作段的溫度場(chǎng)趨于均勻分布。

為了進(jìn)一步考察溫升對(duì)力-位移曲線的影響，圖11給出了考慮和不考慮溫升情況下的模擬結(jié)果。

由圖11可以看出，不考慮溫升時(shí)的力-位移曲線表現(xiàn)出更為明顯的應(yīng)變硬化階段。這是由于拉伸過(guò)程中分子鏈發(fā)生優(yōu)先取向，導(dǎo)致材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，在硬化階段的變形阻力增加；考慮溫升時(shí)，溫升的持續(xù)增加抑制了一部分應(yīng)變硬化，使塑性流動(dòng)阻力降低。因此，應(yīng)變硬化與溫升誘發(fā)的應(yīng)變軟化之間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制是SMPU拉伸過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變率呈現(xiàn)非單調(diào)關(guān)系的根本原因，這種熱力耦合作用進(jìn)一步導(dǎo)致了率相關(guān)的塑性流動(dòng)局部化過(guò)程。

需要指出的是，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)還是有限元分析，其溫度邊界條件皆為室溫，試樣變形時(shí)的溫度也低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，沒(méi)有涉及高溫塑形-降溫冷卻-低溫卸載-升溫回復(fù)的形狀記憶過(guò)程模擬，即本工作僅關(guān)注了SMPU在機(jī)械載荷作用下由于內(nèi)部熱效應(yīng)誘發(fā)的溫升-應(yīng)變-應(yīng)力的耦合作用，這是深入理解形狀記憶聚合物力學(xué)性能的重要基礎(chǔ)。后續(xù)工作中，仍需建立更加合理的描述SMPU在高溫下熱力耦合變形行為的本構(gòu)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)形狀記憶效應(yīng)的有限元模擬。

4 結(jié)論

(1) SMPU具有明顯的率相關(guān)性，即隨著應(yīng)變率的增加，屈服峰不斷升高，對(duì)應(yīng)的溫度最低點(diǎn)絕對(duì)值也增大，屈服后塑性耗散引起的溫升增加。拉伸變形過(guò)程中由于應(yīng)力軟化導(dǎo)致塑性流動(dòng)局部化效應(yīng)和耗散生熱增加，從而宏觀表現(xiàn)出溫度場(chǎng)的局部化，并逐漸擴(kuò)展至試樣整個(gè)工作段。耗散生熱誘導(dǎo)的軟化和分子鏈優(yōu)先取向?qū)е碌膽?yīng)變硬化之間存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，使得局部化塑性流動(dòng)過(guò)程對(duì)加載速率的敏感性降低。

(2)基于有限元分析軟件ABAQUS，采用多段線性彈塑性模型和熱平衡方程對(duì)SMPU的熱力耦合行為進(jìn)行了有限元模擬，重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的塑性流動(dòng)局部化和伴隨的溫升現(xiàn)象，揭示了塑性流動(dòng)局部化萌生、擴(kuò)展過(guò)程以及不同應(yīng)變率下溫升對(duì)力-位移曲線的影響。