固态高聚物的应力松弛行为

第18卷第2期高分子材料科学与工程Vol.18,No.2　2002年3月POLYMER MAT ERIALS SCIENCE AND ENGINEERING M ar.2002固态高聚物的应力松弛行为罗文波1,2,杨挺青1(1华中理工大学力学系,湖北武汉430074;2湘潭大学基础力学与材料工程研究所,湖南湘潭411105)摘要:研究了高密度聚乙烯(HDPE)和聚丙烯(PP)变形过程的应变率敏感性和应力松弛行为,实验发现应力松弛行为与应变历史有关。

加载过程中的应力松弛表现为应力随时间的增长而减小;卸载过程中应力松弛则表现出不同的现象:在卸载初始阶段,应力逐渐减小并趋于其平衡值,当卸载程度较大,其应力松弛表现为应力随时间逐渐增大并趋向其平衡值。

关键词:高聚物;应变率;应力松弛;非线性;粘弹性中图分类号:O631.2+1 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2002)02-0097-03 材料是国民经济和社会发展的基础与支柱。

通用材料的工程化与工程材料的高性能化是当今材料研究的热点,国家已将该领域的研究列入国家重点基础研究发展规划。

对于聚合物结构材料而言,强度与韧性是两个非常重要的力学指标,强韧化技术是实现高分子通用材料的工程化与高分子工程材料的高性能化的重要手段。

高聚物及其复合材料的变形和破坏规律以及结构与性能的关系等课题一直是材料和力学工作者共同关注和研究的问题之一[1～13],也是实现材料强韧化的研究基础。

高聚物通常具有明显的粘弹性,是一类率敏感材料,变形程度较大时,将出现塑性变形。

应力松弛是粘弹性材料的重要力学特性之一。

本文对HDPE和PP进行了常应变率加卸载实验和应力松弛实验。

人们通常认为应力松弛是材料在恒定变形过程中,其应力随时间的增长而逐渐减小的现象[14]。

这种理解对加载过程中的应力松弛是适合的,而实验发现卸载过程中的应力松弛则表现出不同的规律。

1　实验部分实验在CSS4400电子拉伸试验机上进行,试件材料选用北京燕山石化生产的HDPE 5000S和武汉青山石化生产的PP T30S,试件注塑成型,其形状与尺寸满足GB1040Ⅱ型试样的要求。

典型的实验结果如Fig.1～Fig.6所示。

2　结果与讨论由Fig.1可见,HDPE的变形是率相关的。

加载过程的率敏感性较强,卸载过程则较弱,这说明材料的率敏感性可能是由其塑性变形引起的。

加载过程中,塑性变形不断发展,而在卸载过程中,塑性变形被永久保留,这时的变形仅为粘弹性变形,故其率敏感性较弱。

　Fig.1　True stress-strain curve of HDPE at four different constant engineering strain rates收稿日期:2000-05-23;修订日期:2000-07-10　基金项目:国家自然科学基金(19632030)和湖南省教委高等学校科研项目(99C122)资助　作者简介:罗文波,男,30岁,博士,讲师.Fig .3　Stress response in PP specimen在Fig.2所示的变形历史中,PP 试样经历了恒工程应变率加载(OA)、应力松弛(AB)、再加载(BC )、卸载(CD )、应力松弛(DE )、继续卸载(EF)等变形过程,其应力响应见Fig.3。

加载过程中的应力松弛(AB)表现为应力随时间的增长而降低,而卸载过程中的应力松弛(DE)则表现为应力随时间的增长而升高,这与通常的理解不相符,它反映了应变历史的影响。

这种现象在其它变形历史,如矩形波循环应变过程中也会出现[15,16]。

对HDPE 试件,在Fig .4所示的变形历史中,OA 、BC 为加载段,AB 为加载过程中的松弛段;CD 、EF 、GH 、IJ 和KL 为卸载段,DE 、FG 、HI 和JK 为卸载过程中的松弛段。

在整个变形历史中,试件未出现颈缩现象。

由Fig.5可见,同PP 试件一样,HDPE 试件的应力松弛行为与应变历史相关。

加载过程中的应力松弛表现为应力随时间的增长反而逐渐减小并趋向其平衡值。

卸载过程中的某些应力松弛表现出相反的现象,应力随时间的增长反而逐渐增大并趋向其平衡值,如FG 、HI 和JK 松弛段。

卸载初始阶段的应力松弛行为与加载过程中的松弛行为相同,如DE 松弛段。

　Fig .6　Stress -strain relation in HDPEs pecimen under thedeformantion history shown in Fig .4这种与应变历史相关的应力松弛行为亦可通过应力理论[17～19]来解释。

设材料一维变形过程中的总应变 可以分解成弹性部分 e 和非弹性部分 in ,则有= e + in = /E +F [ -g ](1)式中:E ——材料的初始瞬时弹性模量;g ——一内变量,表征材料静力变形时的平衡应力,或称为背应力。

由于变形过程中伴随有材料微结构的改变,加卸载过程中对应于同一应变的平衡应力会有所不同,如Fig.6中虚线所示,其演化规律可通过实验确定。

F [ ]为增函数,可取如下形式[17]:98高分子材料科学与工程2002年　F [ -g ]=-g E k [ -g ](2)且F (0)=0。

k [ ]为连续有界的正的偶函数。

过应力模型可视为三元线粘弹性微分型本构关系的修正,它考虑粘性元件的非线性响应。

在松弛过程中, =0,由式(1)、式(2)有=-E F [ -g ]=- -gk [ -g ](3)可见应力松弛行为仅由过应力 -g 来决定。

若-g >0,则应力松弛表现为应力随时间的增长而衰减,直至 -g =0时达到其平衡值,如Fig .6中的AB 、DE 段;若 -g <0,则应力松弛表现为应力随时间的增长而逐渐增大,直至 -g =0时达到其平衡值,如Fig.6中的FG 、HI 、JK 段。

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