单位文秘网 2021-07-22 08:09:58 点击: 次
摘 要:尼龙材料在用作齿轮、辊轴、航空器件等情况下需承受动态荷载,因此研究尼龙材料在静、动态荷载下的力学性能是有必要的。利用MTS810材料实验机和SHPB实验装置,开展尼龙(PA)的准静态压缩实验和动态压缩实验,通过实验获得尼龙材料的应力应变曲线。结果表明:尼龙材料在压缩时,随着应变率的增大屈服应力逐渐增大。与静态压缩相比,动态压缩软化效应减弱,而被随后而至的强化效应所取代,表明高应变率下应变软化和应变硬化存在竞争趋势。采用Cowper-Symonds过应力模型结合实验数据获得尼龙的材料参数并拟合理论曲线,其结果与实验结果的最大误差分别为2%,1%,7%,吻合较好。
關键词:分离式霍普金森压杆;本构模型;准静态压缩;动态压缩;尼龙
文献标志码:A 文章编号:1674-5124(2017)11-0129-05
0 引 言
聚酰胺(PA)俗称尼龙,具有优良的力学性能,其拉伸强度、压缩强度、冲击强度、刚性及耐磨性都较好,因此广泛地用作机械、化学及电器零件等[1]。在这些应用中,尼龙常处于高速冲击荷载环境中,如齿轮、滚子、滑轮、辊轴等,故对其动态力学性能有较高要求。现有对尼龙力学性能的研究主要集中在:1)尼龙材料的实验研究,如陈春晓等[2]利用SHPB实验装置,在常温和低温条件下对改性PA1010进行了动态冲击压缩实验,得到了改性PA1010在常温和低温条件下均存在明显的应变率效应,其压缩力学性能存在明显的温度依赖性;张向东[3]对尼龙材料在不同温度和应变率下的动态力学性能进行了分析,获得了应变率和温度对尼龙材料力学性能的影响;王玉东等[4]利用DMA242热机械分析仪,通过动态力学性能分析对尼龙1212的松弛与转变进行了研究,确定了尼龙1212的松弛转变峰。2)尼龙材料的本构模型研究。目前应用于聚合物研究的典型本构关系有ZWT模型[5]、过应力模型[6]、拟线性本构模型[7]、DSGZ模型[8]、BPA(boyce-parks-argon)模型[9]等。于思淼等[10]基于有限元辅助测试方法对新型聚合物PA66开展了直至破坏的全程单轴本构关系的研究;黄德进等[11]研究了两种PP/PA共混高聚物材料在高应变率(102~103 s-1)下的粘弹性力学行为,并用ZWT本构模型对其进行了描述;Pantel等[12]基于材料网络提出了适应于PA66的热机械大变形的本构模型。但上述研究的应变率范围相对较窄,对PA在宽应变率范围的本构模型研究较少。本文采用MTS810材料实验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)对PA试样宽应变率范围的压缩性能进行了实验研究,并采用Cowper-Symonds过应力模型结合实验数据获得尼龙的材料参数。
1 实验部分
1.1 试样制备
压缩实验所用试样由PA棒料经机械加工而成,准静态压缩实验的试样尺寸为?准20 mm×20 mm,动态压缩实验的试样尺寸为?准20 mm×10 mm,实验前所有试样在测试环境温度下进行状态调节48 h。为了确定PA材料的牌号,对PA材料做了DSC实验,实验设备为西南科技大学分析测试中心差示扫描量热仪DSCQ2000,实验结果如图1所示。
在DSC图中,PA材料熔融峰所对应的温度即为材料的熔点,由图1可以得出PA材料的熔点为221 ℃,查阅资料PA各牌号所对应的熔点[13]如表1所示,由此定出实验所用材料为PA6。
1.2 实验设备
准静态压缩实验在MTS810材料试验机上进行,动态压缩实验采用SHPB装置,子弹长300 mm,入射杆、透射杆长均为1 260 mm,子弹、入射杆、透射杆直径均为25mm,如图2所示。入射杆和透射杆上应变片记录的典型信号,如图3所示。
1.3 实验原理
SHPB实验系统在进行材料动态力学性能实验时,要求波导杆在实验过程中始终保持弹性,系统的主要假设是一维应力假设,即试件与波导杆中应力是一维的,只存在轴向应力,这使应力波在波导杆中的传播满足一维弹性应力波理论。
按安装在波导杆上的应变片记录的应变脉冲信号,由二波公式计算出试样上的应变、应变率和应力[14],其具体计算公式为
ε=(εi-εt)dτ=-εrdτ(1)
=(εi-εr-εt)=-εr(2)
σ=(εi+εr)=εt(3)
式中:C0——波导杆的弹性纵波波速;
E——波导杆的弹性模量;
A——波导杆的横截面积;
L0——试样的长度;
As——试件的横截面积;
εi、εr、εt——波导杆记录到的入射脉冲、反射脉冲和透射脉冲。
2 结果与讨论
2.1 PA材料的压缩性能
对准静态压缩实验的数据进行处理,获得PA的准静态压缩应力应变曲线如图4所示。
根据波导杆上的记录信号,利用二波公式计算得到的PA应力应变曲线如图5所示。
从图4可以看出在低应变率下PA材料的应力应变曲线有相似的形状,但是随着应变率的增加,屈服应力逐渐增大;从图5可以看出,在高应变率时4种聚合物材料也呈现出应变率敏感性,随着应变率的增大屈服应力逐渐增大;与静态压缩相比,动态压缩软化效应减弱,而被随后而至的强化效应所取代,表明高应变率下应变软化和应变硬化存在竞争趋势。
2.2 PA材料应变率敏感性分析
为了研究PA材料的应变率敏感性,现将应变率为10-4 s-1~10-1 s-1,102 s-1~103 s-1下PA材料的屈服应力值列于表2,并将此表的数据按应变率的对数作为横坐标,屈服应力作为纵坐标绘成图6所示曲线。
由表2可以看出,随着加载应变率的提高,PA材料的屈服应力值逐渐增大,表现对应变率的敏感性。为了在较宽应变率范围内获得PA屈服应力与应变率的关系,通过对实验结果的分析和归纳最后可得出下式:
σs=1.1(lg)2+8.3lg+106.2 (10-4 s-1<<1 247 s-1)
(4)
通过上式能够预测尼龙应变率范围在10-4 s-1~103 s-1范围内的屈服应力与应变率的关系。
3 PA材料本构模型研究
目前应用于聚合物研究的典型本构关系有ZWT模型、过应力模型、拟线性本构模型、DSGZ 模型、BPA(boyce-parks-argon)模型等。尼龙等高分子材料是对应变率敏感的材料,下面以最常用的Cowper-Symonds过应力模型[15]求出其相应的参数,并与实验数据进行对比。
Cowper-Symonds本构方程的一般形式为
p=D(-1)q(5)
式中:σD——动态流动应力;
σs——静态流动应力;
p——名义应变率;
D、q——材料常数。
因此式(5)可以变为
σD=σs+1(6)
用PA的静载弹性模量作为斜率得到弹性段的应力应变曲线,再将强化段拟合成直线并将其反向延长与弹性段直线相交,交点的应力值即可作为流动应力。现在可由实验求出D和q,对于PA材料,由准静态压缩实验可得σs=92 MPa,由图5可得应变率为642 s-1时,动态流动应力为140 MPa;应变率为1 247 s-1时,动态流动应力为142 MPa,将此数据代入式(5)可得q=2.59,D=3 190。
文中的应变率为平均应变率,塑性段每一点对应的应变率按式(6)都可以计算出一个流动应力,以计算出的流动应力为纵坐标,以每一点对应的塑性应变为横坐标,对试验值和Cowper-Symonds模型拟合出的曲线进行对比,如图7所示。
由于随着应变率的增加,材料变形由等热变形转变为绝热变形,从而温度对材料变形的影响加大,而Cowper-Symonds本构模型没有考虑温度对材料的影响,因此会有一定的误差。
从图7可以看出,试验值和Cowper-Symonds本构模型拟合出来的曲线有相同的趋势,图7(a)、图7(b)、图7(c)的最大误差分别为2%,1%,7%,吻合较好。
4 结束语
1)通过对实验结果分析可以得出,PA材料动态压缩的应力应变关系与准静态实验有所差异,主要表现在应变软化现象变弱。在研究应变率效应时发现,PA材料存在明显的应变率效应,即随着加载应变率的提高,应力值逐渐增大。PA材料的屈服应力与对数应变率的关系满足二次多项式方程。
2)采用Cowper-Symonds过应力模型结合实验数据获得尼龙的材料参数并拟合曲线,其结果与实验结果的最大误差分别为2%,1%,7%,吻合较好。
参考文献
[1] 黄丽. 高分子材料[M]. 北京:化学工业出版社,2005:100-106.
[2] 陈春晓,彭刚,冯家臣,等. 改性PA1010低温动态力学性能实验研究[J]. 塑料科技,2016,44(4):23-26.
[3] 张向东. 尼龙材料在不同温度和应变率下的动态力学性能分析[J]. 数字化用户,2013(31):41.
[4] 王玉东,赵清香,刘民英,等. 尼龙1212动态力学性能的研究[J]. 高分子材料科学与工程,2006,22(3):113-116.
[5] 王礼立. 应力波基础[M]. 北京:国防工业出版社,2010:166-169.
[6] MALVERN L E. Plastic wave propag-ation in a bar of material exhi-biting a strain-rate effect[J]. Quart of Applied Mathematics,1950(8):405-411.
[7] CRISTESCU N. A procedure for determining the const-
itutive equations for materials exhibiting both time-dependent and time-independent plasticity[J]. International Journal of Solids & Structures,1972,8(4):511-531.
[8] DUAN Y, SAIGAL A, GREIF R. A uniform phenomen- ological constitutive model for glassy and semicrystalline polymer[J]. Polymer Engineering and Science,2001,41(8):1322-1328.
[9] BOYCE M C, PARKS D M, ARGON A S. Large in elastic deformation of glassy polymers part I: rate depedent constitutive model[J]. Mechanics of Materials,1988,7(1):15-33.
[10] 于思淼,蔡力勋,赵国明. 聚合物PA66直至断裂的全程单轴本构关系研究[J]. 航空材料学报,2015,35(3):60-68.
[11] 黄德进,孙紫建,王礼立. 高聚物材料动态本构关系对PP/PA共混物的应用研究[J]. 材料工程,2006(3):3-5.
[12] PANTEL A M, BAQUET E, BIKARD J, et al. A thermomechanical large deformation constitutive model for polymers based on material network description: Application to a semicrystalline polyamide 66[J]. Intern-
ational Journal of Plasticity,2015,67(2):102-126.
[13] 黄德馀. 聚酰胺塑料的物理力学性能评价[J]. 塑料工业, 1991(5):44-47,50.
[14] LEE O S, KIM M S. Dynamic material property chara-
cterization by using split Hopkinson pressure bar(SHPB) technique[J]. Nuclear Engineering and Design,2003,226(2):119-125.
[15] 寧建国,王成,马天宝. 爆炸与冲击动力学[M]. 北京:国防工业出版社,2010:32-35.
(编辑:李妮)
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-115-69414-1.html
上一篇:前沿
下一篇:安全是矿山恒久的明灯
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用