第5章 高分子材料的疲劳

高分子材料性能学高分子材料性能学1第5章高分子材料的疲劳高分子材料性能学高分子材料性能学2本章主要内容5.1疲劳概述5.2疲劳的宏观表征5.4高分子材料疲劳破坏机理5.5热疲劳5.6影响高分子材料疲劳性能的因素高分子材料性能学高分子材料性能学3概念:疲劳、疲劳强度、过载损伤、过载持久值、疲劳缺口敏感度、疲劳裂纹扩展速率、疲劳裂纹扩展门槛值、热疲劳；疲劳曲线（脆性材料）及影响疲劳强度的因素。疲劳宏观断口特征和疲劳微观断口特征；难点：高分子材料疲劳破坏机理重点：高分子材料性能学高分子材料性能学45.1疲劳破坏的一般规律疲劳：工件在变动载荷或应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象疲劳破坏时的最大应力<σb，甚至<σs不产生明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂疲劳断裂是一种非常危险的断裂高分子材料性能学高分子材料性能学5一疲劳破坏的变动应力1.变动载荷：载荷大小，甚至是方向随时间变化变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值变动应力分类：规则周期变动应力(或称循环应力)无规则随机变动应力。高分子材料性能学高分子材料性能学62、循环应力循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等（1）表征应力循环特征的参量①最大循环应力σmax，最小循环应力σmin；②平均应力σm＝(σmax+σmin)/2③应力幅σα或应力范围Δσ：σα=Δσ/2=(σmax-σmin)/2④应力比r＝σmin/σmax高分子材料性能学高分子材料性能学7（2）循环应力的种类(1)对称循环：σm＝0，r＝-1(2)不对称循环：σm≠0，-1<r<1(3)脉动循环：σm＝σα>0，r＝0或σm＝σα<0，r＝∞(4)波动循环（重复载荷）：σm>σα，0＜r＜1(5)随机变动应力：循环应力呈随机变化。高分子材料性能学高分子材料性能学8二、疲劳破坏的概念和特点1、疲劳破坏的概念：(1)疲劳的破坏过程：变动应力→薄弱区域的组织→逐渐发生变化和损伤累积、开裂→裂纹扩展→突然断裂。(2)疲劳破坏：循环应力引起的延时断裂，其断裂应力σ<σb，甚至σ<σs(3)疲劳寿命：机件疲劳失效前的工作时间。(4)疲劳断裂：经历了裂纹萌生和扩展过程。断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。高分子材料性能学高分子材料性能学92．疲劳破坏的特点(1)是一种潜藏的突发性破坏，即出现脆性断裂(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂(3)疲劳对缺陷(缺口、裂纹及组织)十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性（5）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂(4)疲劳过程是损伤累积的过程高分子材料性能学高分子材料性能学103.疲劳的分类（1）按应力状态:弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳、复合疲劳等（2）按应力高低和断裂寿命分：高周疲劳(低应力疲劳，σ＜σs，N>105)低周疲劳(高应力疲劳或应变疲劳,σ≥σs，N=102~105)。（3）按环境:腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等高分子材料性能学高分子材料性能学115.2疲劳的宏观表征旋转弯曲疲劳试验：(1)四点弯曲，对称循环(σm＝0，r＝-1)。(2)测定方法：①试样（若干），②选择最大循环应力σmax(0.67σb～0.4σb)（σ1，σ2，σ3…～σn）；③对每个试样进行循环加载试验直至断裂；④测定应力循环数N；⑤绘制σ(σmax)-N(lgN)曲线。高分子材料性能学高分子材料性能学12一.疲劳S-N曲线疲劳强度，用σ-1表示。当σ≤σ-1时，试样可以经历无限次循环而不发生断裂；当σ>σ-1时，则试样仅经历有限次循环就会疲劳断裂。高分子材料性能学高分子材料性能学13聚合物材料典型的S—N曲线I区应力幅大，银纹在第一个应力循环便产生了。PS和PMMA，有明显的I区存在II区疲劳寿命随应力幅降低而增大，银纹形成→生长→裂纹形成、扩展III区对应着材料的疲劳极限，其值约为抗拉强度的0.2~0.5高分子材料性能学高分子材料性能学142）几种刚性聚合物的S-N曲线高分子材料性能学高分子材料性能学15聚合物静抗拉强度σb/MPa疲劳极限（107周次）σa/MPaσa/σb醋酸纤维素（CA）34.56.90.20聚苯乙烯（PS）40.08.60.21聚碳酸酯（PC）68.913.70.20聚苯醚（PPO）72.413.70.19聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）72.413.70.19尼龙66（25%水）77.223.40.30聚甲醛（POM）68.934.50.50聚四氟乙烯（PTFE）40Hz20.74.10.2030Hz20.76.20.30表5-1部分热塑性聚合物的静强度与疲劳极限高分子材料性能学高分子材料性能学16二、疲劳强度疲劳强度:在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。指定的疲劳寿命可为无限周次也可为有限周次1．对称循环疲劳强度对称弯曲疲劳强度(σ-1)对称扭转疲劳强度(τ-1)对称拉压疲劳强度(σ-1p)高分子材料性能学高分子材料性能学172.极限循环应力图脆性材料（a）和塑性材料（b）不同平均应力下材料所能承受的σmax和σa，σmax即作为非对称循环应力下的疲劳强度。高分子材料性能学高分子材料性能学18三、过载持久值及过载损伤界1过载持久值材料在高于疲劳强度的一定应力下工作，发生疲劳断裂的应力循环周次，也称为有限疲劳寿命过载持久值表征了材料对过载疲劳的抗力，该值可由疲劳曲线倾斜部分确定曲线倾斜得愈陡直，持久值就愈高，表明材料在相同的过载条件(纵坐标值)下能经受的应力循环周次愈多，材料对过载荷的抗力愈高。过载应力又称为材料耐久强度。高分子材料性能学高分子材料性能学19三个经验公式可估算非对称循环疲劳强度：Gerber公式：211bmaGoodman公式：bma11Soderberg公式：sma11高分子材料性能学高分子材料性能学202．过载损伤界把在每个过载应力下运行能引起损伤的最少循环周次连接起来就得到该材料的过载损伤界过载损伤界到疲劳曲线间的影线区，称为材料的过载损伤区材料的过载损伤界越陡直，损伤区愈窄，则其抵抗疲劳过载能力就愈强高分子材料性能学高分子材料性能学21四、疲劳缺口敏感度qf材料在变动应力作用下的缺口敏感性，常用疲劳缺口敏感度qf表征：11tffKKqKt:理论应力集中系数Kf：疲劳缺口系数Kf为光滑试样和缺口试样疲劳强度之比:Kf>1，与缺口几何形状、材料等因素有关。实验证明，qf并非只决定于材料的常数，当缺口根部r<1mm时，仍与缺口形状、尺寸有关。NfK11高分子材料性能学高分子材料性能学22当Kf＝1时，qf趋近零，表明材料对缺口完全不敏感；当Kf=Kt时，qf＝1，表明材料对缺口十分敏感。一般说来，qf随材料强度增高而增大。高分子材料性能学高分子材料性能学23五、疲劳裂纹扩展速率及扩展门槛值1、疲劳裂纹扩展速率(da/dN):疲劳裂纹亚稳扩展阶段的速率。针对疲劳过程的第Ⅱ阶段。2、裂纹长度a和循环周次N的关系曲线：试样（TPB或CCT或CT）；通过疲劳裂纹长度测量装置对每一定循环周次N测出对应的裂纹长度a，直到断裂为止，作出a~N曲线用曲线的斜率da/dN表示疲劳裂纹扩展速率高分子材料性能学高分子材料性能学243、应力强度因子幅(ΔKⅠ)：aYaYaYKKKIminmaxminmaxΔKI就是裂纹尖端控制疲劳裂纹扩展的复合力学参量第一，裂纹愈长，裂纹扩展速率愈大，当裂纹长大到临界尺寸ac后，da/dN无限大，裂纹失稳扩展，试样断裂；第二，应力幅愈大，裂纹扩展速率愈大，ac相应减小高分子材料性能学高分子材料性能学254、da/dN-ΔKⅠ（lgda/dN-lgΔKⅠ）将a-N曲线上各点的da／dN值用图解微分法或递增多项式计算法计算出来;利用应力强度因子幅(ΔKⅠ)公式将相应各点的ΔKⅠ值求出，在双对数坐标系上描点连接即得lgda/dN-lgΔKⅠ曲线。da/dN是由ΔKI控制的，二者的关系曲线可分为I、Ⅱ、Ⅲ3个区段高分子材料性能学高分子材料性能学26I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段:da/dN=10-8～10-6Ⅱ区是疲劳裂纹扩展的主要阶段:da/dN=10-5～10-2Ⅲ区是疲劳裂纹扩展的最后阶段nIKCdNda)(/Paris公式高分子材料性能学高分子材料性能学275、疲劳裂纹扩展门槛值(ΔKth)：代表疲劳裂纹不扩展的ΔKⅠ临界值，da/dN=0当ΔK>ΔKth时裂纹扩展较快，很快进入第二阶段ΔKth表征材料阻止疲劳裂纹开始扩展的能力，该值越大，材料的疲劳裂纹扩展的阻力就越大，材料抗疲劳裂纹扩展的能力就越强高分子材料性能学高分子材料性能学28ΔKth和σ-1的区别σ-1代表的是光滑试样的无限寿命疲劳强度，适用于传统的疲劳强度 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和校核；ΔKth是疲劳裂纹不扩展的ΔKI的临界值，代表的是裂纹试样的无限寿命疲劳性能，适于裂纹件的设计和疲劳强度校核含裂纹件不发生疲劳断裂（无限寿命）的校核公式为：thIKaYK高分子材料性能学高分子材料性能学29已知裂纹件的原始裂纹长度a和材料的疲劳门槛值ΔKth，可求得该件在无限疲劳寿命时的承载能力：aYKth已知裂纹件的工作载荷Δσ和材料的疲劳门槛值ΔKth，即可求得裂纹的尺寸a：221YKYath高分子材料性能学高分子材料性能学306、条件疲劳裂纹扩展门槛值(ΔKth)：平面应变，da/dN=10-6～10-7mm/周次时的ΔKth7、疲劳剩余寿命：ccaanNcaYcdadNN0)(0高分子材料性能学高分子材料性能学31例：某层板式压力容器的层板上有长度为12.8mm的周向穿透裂纹，容器受到的交变应力Δσ=71.0MPa，已知该材料的断裂韧度KIC=50.32MPa·m1/2，由实验测得裂纹的扩展速率符合Paris公式，且参数c=2×10-12，n=3，试计算该容器的疲劳寿命？高分子材料性能学高分子材料性能学325.3高分子材料疲劳破坏机理1）易产生银纹的非晶态聚合物（PS）的疲劳破坏过程主要决定于外加名义应力：I.高循环应力银纹→裂纹→材料疲劳破坏机械疲劳和热疲劳II.中应力循环银纹→裂纹→材料疲劳破坏III.低应力循环材料微损伤累积及微观结构变化产生微孔洞及微裂纹，并导致宏观破坏。高分子材料性能学高分子材料性能学333）对于因低应力或本身不易产生银纹的结晶态聚合物，其疲劳过程可出现以下现象：①整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化；②分子链间剪切滑移，分子链断裂，结晶损伤及晶体精细结构发生变化；③产生显微孔洞，微孔洞聚合成微裂纹，并扩展成宏观裂纹；④断口呈裂纹扩展形成的肋状形态，材料呈被拉拔出的丛生簇状结构，每肋条间次级裂纹源显示出细砂结构。高分子材料性能学高分子材料性能学341.大多数结局态（如PP、PA、POM）和非晶态（如PC、PMMA）高聚物均倾向于显示应变软化效应。2.高韧性的材料，如PP、PA初期变化明显，而后进入稳定状态，如PC初期有一孕育期，而后出现明显软化，再进入稳定状态。3.低韧性材料，如PMMA，软化效应相对较弱4.多成分材料，如ABS倾向于在全疲劳寿命期呈连续软化降低状态。高分子材料性能学高分子材料性能学354）聚合物疲劳断口上可有两种特征的条纹：疲劳辉纹和疲劳斑纹A.疲劳辉纹是每周期变动应力作用时引起的裂纹扩展，间距为10um左右；疲劳斑纹是不连续的、跳跃式的变动应力引起的裂纹扩展，间距为50um左右。B:较低分子量和低应力强度因子有利于疲劳斑纹的产生C:高分子量在所有的应力强度因子条件下皆可形成疲劳辉纹高分子材料性能学高分子材料性能学36疲劳辉纹高分子材料性能学高分子材料性能学37结晶态与非晶态高分子疲劳裂纹扩展速率比较高分子材料的疲劳裂纹扩展速率主要取决于应力场强度因子幅ΔK，与金属材料相比，在相同的ΔK下，高分子材料的裂纹扩展速率要大很多。高分子材料性能学高分子材料性能学385）塑料的疲劳I.疲劳裂纹的引发随着N增加，微裂纹尖端形成银纹区；然后应力集中效应使银纹区不断扩大，微裂纹尖端产生钝化；N继续增加钝化部位破裂，微裂纹发展形成新银纹区，直至宏观裂纹形成高分子材料性能学高分子材料性能学39II.疲劳裂纹的扩展nIKCdNda)(/Paris公式塑料疲劳中da/dN~ΔKI关系ΔKIda/dN疲劳裂纹扩展速度da/dN与裂纹尖端应力强度因子变化ΔKI有关aYKI高分子材料性能学高分子材料性能学40LDPE疲劳断口形貌低扩展速率断面形貌：粗糙和纤维状高扩展速率断面形貌：细微条形状高分子材料性能学高分子材料性能学41疲劳次数N裂纹长度a塑料疲劳裂纹的两种增长方式1.连续疲劳裂纹增长2.迟延裂纹增长（不连续裂纹增长）低交变应力高分子材料性能学高分子材料性能学426）橡胶的疲劳)(10NeSSS裂纹引发阶段有明显的应力软化现象橡胶表面或内部的微观损伤发展引发宏观裂纹高分子材料性能学高分子材料性能学43在疲劳过程中，橡胶材料的裂纹扩展速度da/dN是非线性能量释放率（G）的唯一函数BGdNdaβ为裂纹扩展参数，表征了S-N曲线的形状（倾斜率），即曲线变化的快慢，β愈大意味着随伸长比的增加，裂纹扩展速度愈快。高分子材料性能学高分子材料性能学44表5-3NR/BR共混胶的疲劳破坏参数NR/BR(共混比)βa0/minNR/BR(共混比)βa0/min100:02.230.15840:602.510.03080:202.300.08530:702.560.02570:302.360.04320:802.630.02260:402.380.0350:1002.760.015高分子材料性能学高分子材料性能学455.4热疲劳一、热疲劳：由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏由温度和机械应力叠加引起的疲劳-热机械疲劳。热应力的产生的原因a.外部约束，不让材料自由膨胀b.内部约束，温度梯度，热膨胀系数差异，产生热应力热疲劳裂纹多萌生于表面热应变最大区域，有多个裂纹源，在循环过程中，其中几个联接成主裂纹，并垂直表面纵深发展引起材料龟裂或断裂。高分子材料性能学高分子材料性能学46材料的抗热震性(热抗震性)：材料经受温度瞬变而不被破坏的能力瞬时断裂，称为热震断裂热冲击循环作用引起材料开裂、剥落、脆裂或变质，最后整体损伤，称为热损伤热震破坏材料的抗热震能力是其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合表现，可用材料的强度、断裂韧性等表征材料对热震破坏的抗力高分子材料性能学高分子材料性能学47材料热震破坏的动力：热应力和应力场强度因子。目前评价材料抗热震性有两种观点：A：热弹性理论认为，热震温差引起的热应力超过材料的断裂应力时，材料瞬时断裂；B：断裂力学理论认为，由热应力产生并贮存于材料中的热弹性应变能足以支付裂纹成核和扩展新增表面能时，便引起热震损伤形成裂纹并扩展。高分子材料性能学高分子材料性能学48材料热疲劳抗力常以在一定温度幅下产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数或在规定的循环周次下产生的裂纹长度表示。材料的抗热震性常用抗热震参数表征：（1）对于急剧受热和冷却的材料，抗热震断裂参数为：fcEvTR1ΔTc热震断裂临界温度；σf断裂强度E、ν、α分别为弹性模量、泊松比、热膨胀系数高分子材料性能学高分子材料性能学49（2）对于缓慢受热和冷却的材料，抗热震断裂参数也由临界温度差表征：（3）当材料(构件)表面以恒定速率进行加热或冷却时，抗热震参数可由临界变温速率表示：RAEvAATRc)1('RfcATRpc'dtdTTcT高分子材料性能学高分子材料性能学50εε1ε0ε2σσ0回缩拉伸热疲劳是高分子材料疲劳失效的主要原因之一热疲劳：温度升高引起的热软化和塑性流动导致试样或机件失效力学损耗：高聚物在交变应力作用下，产生滞后现象，而使机械能转变为热能的现象二、高分子材料的热疲劳高分子材料性能学高分子材料性能学51)(''2TfJfUpcTfJfT)(''2每一应力循环中所消耗的能量为：温度升高速率影响因素：应力σ、频率f、损耗柔量J’’高分子材料性能学高分子材料性能学52tan'''sin2max2maxmaxmaxEEW未填充天然橡胶的动态过程滞后环的变化高分子材料性能学高分子材料性能学53三、热疲劳损伤热疲劳属于低周疲劳范畴，它和低周疲劳从本质上讲均受恒定的应变控制，只是它是由于温度反复变化，造成相应的应变变化引起的，有时也会叠加上机械应力，是热应力和机械应力叠加的综合结果。ffcpN')2(2意味着不论塑性应变幅如何影响疲劳失效寿命，最终失效积累的塑性变形量总为常数塑性好的材料，热疲劳寿命就高高分子材料性能学高分子材料性能学54四、影响材料热疲劳性能的因素影响材料热疲劳性能的因素不仅有热传导、比热容等热学性质，还有材料弹性模量、屈服强度、韧性等力学因素，甚至几何因素等．脆性材料因其导热性差，韧性差，热应力不能及时得到塑性松弛，热疲劳危险性就大。高分子材料性能学高分子材料性能学555.5影响高分子材料疲劳性能的因素一、结构因素1、高分子结构高聚物的结晶度越高，抗疲劳裂纹扩展的性能越好在简单拉伸下，总是产生银纹而不屈服的高分子，如PMMA、PS的疲劳裂纹扩展速率最快。而对那些在拉伸时除了产生银纹还要屈服的高分子如PVC、PC，在相同ΔK时，疲劳裂纹扩展速率较小。高分子材料性能学高分子材料性能学562、相对分子量及其分布大相对分子质量能极大地提高高分子的抗断裂、抗疲劳性能051015202501020304050应力/MPa相对分子质量/105窄分布宽分布拉伸强度极限应力高分子材料性能学高分子材料性能学573、橡胶改性用橡胶增韧可极大地提高脆性高分子的断裂韧性，但耐疲劳性能改进不显著4、交联交联使非晶态高分子的刚性增加，导致疲劳性能下降。高分子材料性能学高分子材料性能学58二、环境因素1、氧气氧能加速某些高分子的疲劳破坏臭氧能快速与碳碳双键发生反应产生裂纹高分子材料性能学高分子材料性能学592、形成氢键的介质氢键介质抑制了表面银纹的引发，提高了裂纹引发和扩展增长的疲劳周次表5-4氢键介质对PS疲劳寿命的影响介质样品数表面张力/(mN•m-1)溶度参数/(J•cm-3)1/2平均Nf/周次Nf相对值对比样品1033~3618.6181001.0乙二醇447.729.9493002.7甲乙胺436.3434002.4甘油663.443.0792004.4水572.837.9157008.7高分子材料性能学高分子材料性能学603、频率提高动态疲劳的频率将导致疲劳寿命的降低4、水分吸收质量分数3%水分时，尼龙66的疲劳裂纹扩展速度降低，而吸收质量分数8%水分时，疲劳裂纹扩展速度反而高于干尼龙，耐疲劳性明显下降 第5章��高分子材料的疲劳 幻灯片编号2 幻灯片编号3 幻灯片编号4 幻灯片编号5 幻灯片编号6 幻灯片编号7 幻灯片编号8 幻灯片编号9 幻灯片编号10 5.2疲劳的宏观表征 幻灯片编号12 幻灯片编号13 幻灯片编号14 幻灯片编号15 幻灯片编号16 幻灯片编号17 幻灯片编号18 幻灯片编号19 幻灯片编号20 幻灯片编号21 幻灯片编号22 幻灯片编号23 幻灯片编号24 幻灯片编号25 幻灯片编号26 幻灯片编号27 幻灯片编号28 幻灯片编号29 幻灯片编号30 幻灯片编号31 幻灯片编号32 幻灯片编号33 幻灯片编号34 幻灯片编号35 幻灯片编号36 幻灯片编号37 幻灯片编号38 幻灯片编号39 幻灯片编号40 幻灯片编号41 幻灯片编号42 幻灯片编号43 幻灯片编号44 幻灯片编号45 幻灯片编号46 幻灯片编号47 幻灯片编号48 幻灯片编号49 幻灯片编号50 幻灯片编号51 幻灯片编号52 幻灯片编号53 幻灯片编号54 5.5影响高分子材料疲劳性能的因素 幻灯片编号56 幻灯片编号57 幻灯片编号58 幻灯片编号59 幻灯片编号60