半晶态聚合物屈服行为及宏观唯象本构研究

摘要

作为常见的半晶态高聚物，聚酰胺由于其高强度、高耐磨性、耐酸碱等优异性能而成为最为重要的工程塑料之一，产量高而且应用广泛；其中，Polyamide66(PA66)在汽车工业得到了大量的应用，同时也广泛应用于机械零部件的制造。因此，其服役环境通常是比较复杂的，而为了将其更好地应用到人们的生活与工业的生产中，需要我们能更加全面地了解PA66各方面的性能，同时其在各行各业的广泛应用也促使我们对其进行更深入的研究。为了更有效地服务于其产品的设计、制造以及可靠性的估计，需要预测其在各种工况下的力学响应；对此本构模型则是一种很有用的工具，同时考虑到其广泛的工程应用性，提出一种简单且实用的本构模型的建立方法是必要的。因此本文采用试验与理论相结合的研究方法开展了以下三方面的工作：（1）半晶态高聚物PA66的初始屈服行为的试验研究；（2）PA66后继加载面演化的理论推导及试验验证；（3）PA66加载速率相关的宏观唯象本构的推导及验证。
　　采用两种试验方法（压剪杆和压剪试样）测试了PA66在三种加载速率下的压剪失效行为，深入分析了两种试验方法中试样承载时的应力状态，从而能够分解出PA66试样在不同加载角度下正应力与剪应力的分量；并且结合单轴压缩、拉伸和剪切的实验结果得到了PA66在三种加载速率下在主应力空间内的试验屈服轨迹；结合已有的屈服准则的讨论与试验得到的PA66的屈服轨迹的对比发现本文所采用的几种静水压相关屈服准则均能大致描述出PA66在复杂应力状态的屈服行为，但是相比较而言引入了应力偏量第三不变量J3的屈服准则的预测效果最好；同时也验证了本文所提出的压剪试样的测试方法对于研究材料试验屈服轨迹的可行性；在本文所研究的范围内讨论了加载速率对PA66初始屈服行为的影响，发现试验屈服轨迹随加载速率的增加而呈现出几乎各向同性的膨胀。
　　在确定了PA66初始屈服函数的基础上，引入双曲函数描述其拉伸与压缩的屈服后行为，结合混合强化的材料加工硬化模型，得出了PA66后继加载面的演化函数，并且通过与试验结果的对比验证了这个后继加载面演化函数的可用性，其中值得提出的本文采用PA66压拉强度比随非弹性应变变化的函数来表征 PA66的随动强化是可行的；此外，通过引入 Eyring理论来推导不同加载速率下PA66的流动应力，并在此基础上提出了PA66的加载速率相关的后继加载面的具体函数形式，并且结合实验数据进行了可靠性验证。
　　对PA66试样进行不同应变的压缩试验，进而采取X-ray衍射进行材料表征以此来定性地讨论PA66在变形过程中微观结构与力学性能关系，确定本文所研究的PA66宏观唯象本构的适用范围，同时结合前面章节的研究成果以及基于经典塑性力学理论推导出描述PA66力学性能的宏观唯象本构，并且通过简单应力状态下 PA66的压缩试验数据对所提出的本构进行有效性验证；在此基础上结合PA66加载速率相关的后继加载面得到PA66的加载速率相关的宏观唯象本构，并且验证了其可靠性；从而展示了一种简单的材料唯象本构模型的建立方法，为材料的设计制备的优化及工程应用的可靠性提供了一定的理论及数据支持。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2聚酰胺概述

1.3聚酰胺力学行为研究现状

1.4 复杂应力状态下材料力学行为研究进展

1.5 半晶态聚合物材料本构关系研究现状

1.6 本文主要工作内容

第二章 不同加载速率下PA66初始屈服行为的研究

2.1 实验材料与试样

2.2 实验设置

2.3初始屈服行为

2.4 本章小结

第三章 PA66屈服后行为的研究

3.1 后继屈服行为

3.2 加载速率对PA66后继屈服行为的影响

3.3 PA66率相关后继加载面

3.4 本章小结

第四章 有限变形条件下PA66加载速率相关的宏观唯象本构

4.1 PA66微观结构与力学性能关系的简单讨论

4.2 基于经典塑性力学的一维率无关弹塑性本构

4.3 PA66宏观唯象本构的建立

4.4 一维加载速率相关的本构推导

4.5 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的主要研究成果及获奖情况

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