一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法

摘要

本发明提供了一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法，基于对PMI材料进行的四种温度下的逐级加载蠕变试验，获得PMI材料在不同温度和载荷条件下的蠕变曲线。并将分级等应力法与时间‑温度等效原理相结合，组成分级等应力‑时温等效法方法，构建了PMI材料的蠕变性能主曲线，实现了PMI材料长期蠕变性能的加速表征。该方法应用等效原理将原本耗时较长蠕变性能的力学试验通过升高温度、载荷并沿对数时间轴移位的方式构建出参考应力和温度下的主曲线。该主曲线表征的时间跨度可扩展到试验时长的数个甚至数十个数量级，进而大大缩短试验时间。

说明书

技术领域

本发明属于弹塑性材料蠕变特性研究领域，特别是一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法。

背景技术

聚甲基丙烯酸甲酯(PMI)等材料因其良好的缓冲减振性能、高比强度、高比刚度、性能可设计和易加工成型等优势在诸多领域均获得了广泛应用。与传统弹塑性材料的力学特性不同，此类材料往往在常温下即表现出粘弹性力学特性，即其力学参数具有时间、温度、应力和应变率相关性。在刚强度满足设计要求的前提下，此类粘弹性材料的失效形式多源于长期工作产生的蠕变和应力松弛所导致的力学性能减弱甚至损伤和断裂。

现阶段关于PMI等材料的蠕变研究基本都是基于宏观蠕变实验，通过对蠕变实验进行数据分析，寻找规律建立蠕变本构模型并进行材料蠕变寿命预测。当前主流的对材料长期蠕变性能加速表征方法的研究主要基于时间温度等效原理(TTSP)、与分级等应力方法(SSM)进行研究，利用TTSP方法可以理解为原本耗时较长的力学试验通过升高温度并沿对数时间轴移位的方式构建出某一参考温度下的主曲线。该主曲线的时间跨度可扩展到试验时长的数个甚至数十个数量级，进而大大较短试验时间。SSM方法即使用单个试验件在恒定温度下进行加载，使用阶梯载荷进行加载且每级载荷均持续一定时间，经过垂直移位、曲线重构、水平移位，最终通过在对数坐标轴上对曲线进行水平移位获得材料在参考应力σ

以上等效原理虽然可以作为一种材料长期蠕变性能加速表征的方法，但在实际的应用中存在试验件数量过多，试验件间形状误差和初始缺陷等因素对试验结果的影响过大，表征时间范围相对较短的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法，以解决现有的加速表征材料长期蠕变特性的方法，TTSP与SSM中存在当其表征时间长时，其所需材料试件过多引起的误差过多和表征时间范围小的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法，包括以下步骤：

步骤1、对硬质泡沫材料进行蠕变试验，得出硬质泡沫材料不同温度条件下的时间-应变曲线实验结果；

步骤2、对不同温度下的时间-应变曲线分别进行垂直移动，得到各温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线；

在单一温度下的时间-应变曲线，将每一级载荷瞬时的应变去掉，曲线下移，得出去除瞬时应变只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线；

步骤3、对各温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线进行重构，得到去除蠕变累积的各单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线；

采用幂率函数拟合的方法得到除初始载荷外的其余各级载荷作用下从理论加载起点开始的蠕变曲线，将除第一级以外的其余各级载荷的理论加载起点均移动到时间零点处，并去除掉该级之前的前几级载荷的蠕变累积，即可得到该单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线；

步骤4、对已经获得的该单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线使用SSM方法进行水平移位，获得材料在参考应力σ

对各单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线进行对数时间轴的处理，并在对数坐标轴上对各条应变曲线后进行水平移位，从而获得材料在参考应力σ

步骤5、将材料在不同温度下参考应力都为σ

将得到不同温度下参考应力σ

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)与现有的应用TTSP、TSSP(时间-应力等效方法)等等效原理方法构建的材料长期蠕变曲线相比，本发明在预测同等时间长度材料蠕变主曲线时，所需材料试件数量更少，减少了试验件间形状误差和初始缺陷等因素对试验结果的影响。

(2)在使用本发明作为进行长期蠕变性能加速表征时，可以比现有的TTSP和TSSP等方法预测的时间范围更广，采用的试验方式更灵活。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2(a)为试件实物图片、图2(b)为试件尺寸图片。

图3为试验加载曲线。

图4为各温度下PMI试验应变-时间曲线。

图5 PMI试验为原始应变数据

图6为垂直移动处理。

图7为重构蠕变曲线。

图8为水平移动。

图9为转化为某一温度下，延长时间范围时各试验应力下蠕变曲线。

图10为使用SSM方法对各级载荷下材料蠕变曲线进行水平移位。

图11为对数时间轴中参考应力下20℃的PMI蠕变主曲线。

图12为对数时间轴中不同温度下、同一参考应力的PMI蠕变主曲线。

图13为使用TTSP方法对不同温度下的材料蠕变主曲线进行水平移位。

图14为通过处理所得到的20℃、1Mpa下PMI材料蠕变主曲线。

具体实施方式

结合图1，一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法，主要处理步骤为进行蠕变试验、SSM方法的垂直移动、曲线重构、水平移位和TTSP部分水平移动。下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

步骤1、对硬质泡沫材料进行蠕变试验，得出硬质泡沫材料时间-应变曲线实验结果。

结合图3、图4、使用含高低温试验箱的万能材料试验机对材料进行逐级加载法的方法进行试验。逐级加载法：即在同一试件上施加某一应力后观测试样的蠕变变形，在观测一定时间或材料蠕变状态趋于稳定后，再施加下一级应力继续观测其蠕变变形，依次类推。为使材料在试验过程中出现较为明显蠕变现象，且使建立的主曲线能够预测更长蠕变时间后的材料性能，末级载荷依据材料自身特性而定，第一级载荷应略大于材料长期储存的受压载荷，其余各级载荷依据第一级载荷和末级载荷的跨度进行均分设定。采用逐步加载的施加载荷方式，并让试件在不同的试验温度条件下得到不同温度下试验材料的应变-时间曲线。

步骤2、对步骤1蠕变试验得到的时间-应变曲线进行垂直移动，得到不同温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线。

结合图6，基于公式(1)，通过对步骤1得到的不同温度下试验材料的应变-时间曲线进行垂直移动，去除各阶段载荷施加时产生的弹性应变(即施加载荷后的瞬间变形)，保留蠕变应变。将每一级载荷瞬时的应变去掉，曲线下移，得出去除瞬时应变只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线。

ε

其中ε

步骤3、将不同温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线进行曲线重构得到去除蠕变累积的各单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线。

结合图7，因为试验中每一级载荷作用所产生的材料蠕变都包括前几级载荷的蠕变累积，采用幂率函数拟合的方法得到除初始载荷外的其余各级载荷作用下从理论加载起点开始的蠕变曲线，如图7所示。结合图8，将除第一级以外的其余各级载荷的理论加载起点移动到时间零点处,移动具体距离为ts

步骤4、对已经获得的该单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线使用SSM方法进行水平移位，获得材料在参考应力σ

在步骤3的基础上对各单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线进行对数时间轴的处理，得到如图9所示的曲线，继而对对数时间轴下各条蠕变曲线进行水平移动即获得材料在参考应力σ

水平移位的大小是应力的函数，为了确定应力对材料蠕变率及移位距离的影响方式，使用了Eyring方程，Eyring方程的基本形式为：

其中，ΔG为Gibbs活化自由能，k

其中，V

进而得在对数轴上水平移动距离的大小d：

根据上式可以得出水平移动距离的大小，其中σ为试验应力、σ

步骤5、将材料在不同温度下参考应力都为σ

通过步骤4分别将在不同温度下参考应力σ

根据自由体积理论可知，材料粘度η和自由体积分数f满足Doolittle方程:

其中，A和B为材料常数。材料的自由体积分数与温度变化呈线性关系，即：

f＝f

其中，α

其中，C

经过步骤1～5的一系列处理，最终可以获得参考应力σ

具体实施例：

获得典型粘弹性材料蠕变主曲线

以高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMI)材料为研究对象采用含高低温试验箱的万能材料试验机对四块PMI材料进行了四种温度下的逐级加载蠕变试验，获得材料在不同温度下逐级加载条件下的蠕变全过程曲线。基于试验曲线，将SSM与TTSP两种等效原理方法相结合形成SS-TTSM方法，构建了PMI材料蠕变性能主曲线，实现了对PMI材料长期蠕变性能的加速表征。构建材料主曲线，就是指在材料满足等效原理的前提下，对试验获得的一系列短期力学性能曲线，将其沿对数坐标轴平移，并有序叠合在一起，形成一条光滑的跨度相对较宽的曲线。该方法的应用使得仅通过短期的蠕变试验，可在理论上实现对1MPa下蠕变25年后的PMI材料性能的预估。

步骤1、对PMI材料进行蠕变试验，得出材料时间-应变曲线实验结果。

结合图2，从密度为160kg/m

步骤2、对得出PMI材料的时间-应变曲线进行垂直移动

基于公式(1)，对步骤1中试验曲线的垂直移动，去除各阶段载荷施加时产生的弹性应变(即瞬时应变)，只保留蠕变应变，即保留第一级载荷的所有应变，其他的各级载荷分别向下移动，和上一级载荷的蠕变曲线末点重合，结果如图6所示。

步骤3、对步骤2得到的PMI材料蠕变曲线进行曲线重构

在已经得到的实验曲线中已有多级加载试验曲线中获得理论加载起点,采用幂率函数拟合的方法，得到除初始载荷外的其余各级载荷作用下，从理论加载起点开始的蠕变曲线得到的曲线如图7所示。而后根据外推曲线的开始时间与实际时间的差距将曲线在时间轴上平移,理论加载起点移动到时间零点处，去除掉前几级载荷对PMI材料的蠕变累积，得到在初始时刻且各单级载荷独立作用下的一组蠕变曲线如图8所示。

步骤4、对步骤3得到的蠕变曲线进行SSM方法的水平移位

对上述步骤处理之后的蠕变曲线进行对数处理，得到了在对数时间轴上的新的蠕变曲线如图9所示，使用TSSP(时间-应力等效)的方法，保持第一级载荷的蠕变曲线不变，对其余各级载荷的蠕变曲线进行水平移位，最后得出在各个温度下1Mpa时PMI材料的蠕变主曲线。移位因子α

步骤5、对获得的各温度条件下获得的PMI材料蠕变曲线进行TTSP的水平移动

将四块试件在20℃、40℃、65℃和90℃的在1Mpa应力下的蠕变主曲线分别通过以上三个步骤得出，并一起放在对数时间轴上，四条蠕变主曲线如图11所示，根据TTSP的方法，通过对40℃、65℃和90℃的材料蠕变主曲线进行等效移位，最后得到了20℃、1Mpa应力下PMI材料的蠕变主曲线最后所得结果如图12所示，移位因子为温度的函数具体计算方法参考公式(5)、(6)、(7)、(8)。