基于稳态蠕变方程的应力松弛模型的实证分析

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蠕变与应力松弛是粘弹性材料的固有力学属性,对材料蠕变和应力松弛行为的研究和预测不仅能使我们正确认识粘弹性材料长期服役时的失效机制,同时也为粘弹性材料的设计加工和运用提供一个新的思路。本文应用基于稳态蠕变方程的应力松弛模型,对几种金属材料和高分子材料的应力松弛行为进行描述,并对其蠕变及应力松弛机制进行了分析。在此基础上,提出了一种新的稳态蠕变机理猜想,通过设计试验对此猜想进行实证分析。具体研究内容及结果如下:(1)通过对AA7150-T7751合金、巴氏合金ZCh Sn Sb11-6和铍青铜C17500的应力松弛曲线进行拟合分析,并与其他研究人员对该材料的蠕变和松弛机制研究进行比较,分析应力松弛参数与蠕变和松弛机制之间的关系。结果表明:基于稳态蠕变方程的应力松弛模型对几种金属材料有较好的拟合效果,拟合优度均大于0.99。随着试验温度和初始应力的增大,应力松弛速率越大,应力松弛参数(稳态蠕变率指数m和特征松弛时间对数lgλ)均呈下降趋势,应力松弛是松弛过程中材料各微元变形逐步叠加的结果。(2)采用基于稳态蠕变方程的应力松弛模型拟合分析高分子材料的应力松弛试验数据,选用聚乙烯和聚氨酯材料,分析试验条件的变化对应力松弛参数的影响,并分析应力松弛过程中蠕变变形机制的变化与应力松弛参数间的关系。结果表明:聚乙烯和聚氨酯材料的基于稳态蠕变方程的应力松弛模型拟合优度均大于0.97。对于非交联聚合物的松弛过程,实际是由各运动单元松弛迭加的结果,应力松弛参数随温度升高平稳下降。交联聚合物由于存在交联点,不产生分子链的质心位移,只能逐渐松弛到平衡值,应力松弛参数随温度升高出现短暂增大,随后继续减小趋势。(3)基于前述金属材料与高分子材料的蠕变机理和基于稳态蠕变方程的应力松弛模型的推导基础,提出了一种新的稳态蠕变机理猜想。并设计多测点及多试样复合体系应力松弛试验,测定复合体系及体系内各组分的应力松弛性能,运用新模型对复合体系及各组分应力松弛参数进行分析,进而对该稳态蠕变机理猜想进行实证分析。结果表明:多测点和多试样复合体系及各组分应力松弛结果均可采用基于稳态蠕变方程的应力松弛模型描述;复合体系应力松弛参数处于各组分应力松弛参数极值之间,各组分应力松弛参数与该组分的弹性模量相关。串联复合体系的各组分间的松弛参数存在明显差异,串联复合体系的稳态蠕变率指数m的倒数等于体系内各组分的m值的倒数与该体系的体积分数乘积,理论值与试验值的拟合优度为0.98。并联复合体系的应力松弛结果,与该体系内尺寸最大的组分的应力松弛结果相近;并联复合体系的稳态蠕变率指数m等于体系内各组分的m值与该体系的体积分数乘积,理论值与试验值的拟合优度为0.9975。松弛过程中,粘弹性材料总体的松弛特性,是该材料各组分的应力松弛叠加的结果。
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