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1、1,第5章 高分子材料的疲劳,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,3,5.1 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b，甚至s,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,4,一 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。,5,2、循环应力,循环应力的波形一般近似为
2、正弦波、矩形波和三角形波等,（1）表征应力循环特征的参量 最大循环应力max，最小循环应力min；平均应力m(max+min)/2 应力幅或应力范围：=/2=(max-min)/2 应力比rmin/max,6,（2）循环应力的种类,(1)对称循环：m0，r-1(2)不对称循环：m0，-10，r0 或 m，0r1(5)随机变动应力：循环应力呈随机变化。,7,二、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b，甚至s(3)疲劳寿命：机件疲劳失效前的工作时间。(
3、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。,8,2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,9,3.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，s，N105)低周疲劳(高应力疲劳或应变疲劳,s，N=102105)。,（3）按环境:腐蚀疲劳、热疲劳、接
4、触疲劳等,10,5.2 疲劳的宏观表征,旋转弯曲疲劳试验：(1)四点弯曲，对称循环(m0，r-1)。(2)测定方法：试样（若干），选择最大循环应力max(0.67b0.4b)（1，2，3 n）；对每个试样进行循环加载试验 直至断裂；测定应力循环数N；绘制(max)-N(lg N)曲线。,11,一.疲劳S-N曲线,疲劳强度，用-1表示。当-1时，试样可以经历无限次循环而不发生断裂；当-1时，则试样仅经历有限次循环就会疲劳断裂。,12,聚合物材料典型的SN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
5、、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 0.5,13,二、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(-1)对称扭转疲劳强度(-1)对称拉压疲劳强度(-1p),14,2.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max和a，max即作为非对称循环应力下的疲劳强度。,15,三、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
6、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。,16,2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,17,四、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：,Kt: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:,Kf1，与缺口几何形状、材料
7、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r1mm时，仍与缺口形状、尺寸有关。,18,当Kf1时，qf趋近零，表明材料对缺口完全不敏感；,当Kf=Kt时，qf1，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。,19,五、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aN曲线,用曲线的斜率da/dN表示疲劳裂纹扩展速率,20,3、应力强度因子
8、幅(K)：,KI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,21,4、da/dN-K（lgda/dN-lgK）将a-N曲线上各点的dadN 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(K)公式将相应各点的K值求出，在双对数坐标系上描点连接即得 lgda/dN-lgK曲线。,da/dN是由KI控制的，二者的关系曲线可分为I、3个区段,22,I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段:da/dN=10-810-6区是疲劳裂纹扩展的主要阶段:
9、da/dN=10-510-2,区是疲劳裂纹扩展的最后阶段,Paris公式,23,5、疲劳裂纹扩展门槛值(Kth)：,代表疲劳裂纹不扩展的K临界值，da/dN=0,当K Kth时裂纹扩展较快，很快进入第二阶段,Kth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,24,Kth和-1的区别,-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和校核；,Kth 是疲劳裂纹不扩展的KI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：,25,已知裂纹件的
10、原始裂纹长度a和材料的疲劳门槛值Kth，可求得该件在无限疲劳寿命时的承载能力：,已知裂纹件的工作载荷和材料的疲劳门槛值Kth，即可求得裂纹的尺寸a：,26,6、条件疲劳裂纹扩展门槛值(Kth)：,平面应变，da/dN=10-610-7mm/周次时的Kth,7、疲劳剩余寿命：,27,某层板式压力容器的层板上有长度为42mm的周向穿透裂纹，容器受到的交变应力=87.7 MPa，根据材料的断裂韧度计算得到的临界裂纹长度为326mm，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，试估算：（1）、该容器的疲劳寿命？（2）、经过5万次循环以后裂纹尺寸扩展了多少？,28,5.
11、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：,高循环应力银纹裂纹材料疲劳破坏,机械疲劳和热疲劳,中应力循环银纹裂纹材料疲劳破坏,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。,29,3）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：,整个过程，疲劳应变软化而不出现硬化；,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；,产生显微孔洞，微孔洞聚合成微裂纹，并扩展成宏观裂纹；,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。,3
12、0,4）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,31,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K，与金属材料相比，在相同的K下，高分子材料的裂纹扩展速率要大很多。,32,5）塑料的疲劳,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
13、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,33,疲劳裂纹的扩展,Paris公式,塑料疲劳中da/dNKI关系,疲劳裂纹扩展速度da/dN与裂纹尖端应力强度因子变化KI有关,34,LDPE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,35,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,36,6）橡胶的疲劳,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,37,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,为裂纹扩展
14、参数，表征了S-N曲线的形状（倾斜率），即曲线变化的快慢，愈大意味着随伸长比的增加，裂纹扩展速度愈快。,38,5.4 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。,39,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
15、生滞后现象，而使机械能转变为热能的现象,5.4.1 高分子材料的热疲劳,40,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、频率f、损耗柔量J,41,未填充天然橡胶的动态过程滞后环的变化,42,5.4.2 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。,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,43,5.5 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
16、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K时，疲劳裂纹扩展速率较小。,44,2、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,45,3、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。,46,二、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,47,2、形成氢键的介质,氢键介质抑制了表面银纹的
17、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,48,3、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,49,第六章 高分子材料的磨损性能,50,6.1 磨损的基本概念及类型,一、摩擦与磨损的概念,1摩 擦,接触物体间阻碍运动的现象，阻力称为摩擦力,2磨损,在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。静强度理论基本适合于磨损过程分析,51,高分子材料的磨损,1.优点:,1)抗划伤能力(柔性大,硬度小
18、),2)聚合物对磨粒具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。,3)高弹性又可在接触表面产生变形而不发生切削犁沟式损伤,4)就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优于金属与金属配对的摩擦副,2.缺点:,摩擦热使聚合物有显著的蠕变现象,52,高分子材料与刚性表面在接触界面上相互作用包括黏附和滞后变形，分别称为黏附摩擦作用和滞后摩擦作用,黏附力Fa：两个摩擦副表面分子间的相互作用力，施加剪切力克服,滞后力FH：表面间粗糙凸体间的相互啮合作用，必须施加足够大的外力使软表面产生位移、变形或局部破坏，才能产生相对滑移,53,黏附摩擦与滞后摩擦示意,54,使摩擦副开始滑动所需要的切向力称为静摩擦力,维持滑动持续进
19、行所需要的切向力是动摩擦力,材料的摩擦力与接触时的法向压力P和摩擦系数成正比,聚四氟乙烯的摩擦系数很小，橡胶类弹性体的摩擦系数较大,55,3.摩擦形式与特点,滑动摩擦、滚动摩擦、润滑摩擦,滚动摩擦示意,低v，与载荷（W）无关；中等v，正比于W1/3;高v，正比于W1/2,56,6.2 磨损,反复进行局部变形和断裂,材料表层经过每次循环后总要变到新的状态,磨损三个阶段：,跑合（磨合）阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段,57,1.橡胶磨损特征与机理,分为黏附磨损、磨粒磨损、疲劳磨损起卷磨损,（1）黏附磨损,橡胶与金属微凸处之间产生粘着，当粘附部位的强度大于橡胶的强度时，剪切作用使粘附部位产生少量的橡胶磨
20、屑,粘着磨损示意(金属与橡胶间）,58,J.F.Archard提出了估算粘着磨损量的方法,59,(2)磨粒磨损,磨粒磨损示意(金属与橡胶间）,橡胶的磨粒磨损是刚性金属表面的微凸使橡胶变形且产生撕裂切屑而造成的。,60,61,(3)疲劳磨损,疲劳磨损示意(金属与橡胶间）,在交变应力作用下，橡胶与金属表面微凸接触点处受到周期性变化的应力作用，在相对运动中，刚性微凸使橡胶材料表面发生多次压缩、拉伸、剪切变形，当应力循环次数达到一定时产生疲劳裂纹，进而扩展形成磨屑。,62,(4)起卷磨损,橡胶与较光滑的表面摩擦时，若表面具有较高的摩擦系数，发生起卷模塑是低模量、大变形的橡胶材料特有的磨损形式,必要条件
21、：摩擦界面-高摩擦系数 橡胶-低撕裂强度,63,6.3 耐磨性及其测量方法,一、材料的耐磨性,耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，通常用磨损量表示。,磨损量愈小，耐磨性愈高。,磨损量的测量有称重法和尺寸法两种：,称重法是用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化 确定磨损量。,尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。,64,常用磨损量的倒数或用相对耐磨性()表征材料的耐磨性亦称磨损系数。,比磨损量：单位摩擦距离、单位压力下的磨损量,65,6.4 影响高分子材料磨损的因素,(1).微观、细观结构,影响高分子材料次价力作用和粘弹损耗的因素（组成、极性、柔顺性、结晶度、滞后损失和模量）,塑料摩擦
22、系数低于橡胶,交联密度低，粘弹损耗大，摩擦系数和磨损增大,分子链柔性下降，磨损量下降,纤维增强复合材料，沿垂直纤维取向方向摩擦，磨损率低；沿纤维取向摩擦，磨损率高,66,(2).载荷,正压力较低时摩擦系数随增压力增加而减小；正压力较高时，摩擦系数变化不大,67,(3).滑动速度与温度,硅橡胶,PMMA,PS,PE,尼龙66,68,(4).摩擦环境的影响,摩擦环境决定了摩擦形式和磨损程度,干摩擦是两个完全干净表面间的摩擦，摩擦系数很大,湿摩擦是两摩擦表面间存在水或润滑剂等液体的摩擦，摩擦系数较低，磨损率也较低,摩擦过程中高分子材料与周围介质发生化学反应而产生的表面损伤称为侵蚀磨损，包括氧化磨损和
23、特殊介质磨损,69,（5）填充的影响,在高分子材料中填充一些能降低摩擦系数的液态或固态的润滑材料，可以有效的降低材料的摩擦系数。,70,6.5 磨损中的表面力化学反应,表面力化学反应指在两相物质表面处，由于受到机械作用而引发的各种化学反应,（1）链断裂反应,天然橡胶从最弱的-亚甲基键处断裂,71,（2）氧化降解与热降解反应,大分子链中双键被氧化降解,72,摩擦力作用下，交联橡胶的中S-S交联键断裂，并与氧作用,表面层的氧化降解和热降解，降低了强度性能，加速了磨损,73,（3）与环境介质的反应,100200oC或较长时间条件下，-CN容易水解成酰氨基，产物I和产物II脱落，使材料磨损,74,磨损实例-F1赛车的轮胎,
