CN104568602A - 聚合物持久与瞬时极限力学性能预示方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于粘弹性材料性能评价的聚合物持久与瞬时极限力学性能预示方法。包括下列步骤：条件选取与样品制备、力学试验、曲线制作与数据预示。条件选取与样品制备时，预示对象是一切具有粘弹性的材料。力学试验时，进行系列温度下的应力松弛试验、蠕变破坏试验和应力松弛破坏试验，获得松弛模量、破坏时间等数据；在曲线制作与数据预示阶段，根据力学试验结果和预示目标，制作系列温度下的松弛模量-时间曲线和松弛模量主曲线，确定一组极限力学性能与作用时间关系，获得聚合物持久与瞬时断裂应变或断裂强度预示值。本发明的优点是：方法简单有效、数据准确可靠、试验操作方便、试验过程简化、试验条件合理。

Description

聚合物持久与瞬时极限力学性能预示方法

技术领域

本发明是涉及一种粘弹性材料极端状态力学性能评价技术，具体说是一种聚合物持久与瞬时极限力学性能预示方法。

背景技术

现有技术中,通常采用应力应变主曲线预示法,它利用聚合物粘弹性的时温等效原理，用高温模拟持久状态，用低温模拟瞬时状态。对材料进行一系列温度下不同应变速率的应力应变试验，得到材料极限力学性能-应变速率曲线，通过曲线平移，将不同温度的试验曲线搭接成一条曲线，形成一条参考温度下极限力学性能主曲线。在力学性能主曲线上,直接读出参考温度下一定应变速率对应的极限力学性能预示值。主曲线预示法的主要缺陷是:受聚合物材料特性的影响,断裂应变的时温等效性能不理想；预示时间尺度偏小；应力应变测试是破坏性试验，工作量大。

发明内容

本发明是要提供一种聚合物持久与瞬时极限力学性能预示方法,它以应力松弛主曲线为基础，可靠地通过公式计算获得最大抗拉强度和最大断裂应变。

本发明的技术方案是：

设计一种聚合物持久与瞬时极限力学性能预示方法,包括下列步骤：条件选取与样品制备、力学试验、曲线制作与数据预示；在条件选取与样品制备阶段，预示对象是一切具有粘弹性的材料；在力学试验阶段，进行系列温度下的应力松弛试验、蠕变破坏试验和应力松弛破坏试验，获得松弛模量、破坏时间等数据；在曲线制作与数据预示阶段，根据力学试验结果和预示目标，制作系列温度下的松弛模量-时间曲线和松弛模量主曲线，确定一组极限力学性能与作用时间关系，获得聚合物持久与瞬时断裂应变或断裂强度预示值。

在曲线制作与数据预示阶段，根据应力松弛试验结果，制作系列温度下的松弛模量-时间曲线，通过曲线平移，得到松弛模量主曲线；根据蠕变破坏试验和应力松弛破坏试验结果，确定一组极限力学性能与作用时间关系；根据预示目标确定需要预示的瞬时或持久时间尺度，按照极限力学性能与松弛模量关系式，计算获得预示时间尺度对应的极限力学性能,即获得聚合物持久与瞬时断裂应变或断裂强度预示值。

在曲线制作与数据预示阶段，在预示的时间尺度下，材料处于粘弹态。在曲线制作与数据预示阶段，预示目标时间尺度与蠕变破坏或应力松弛破坏试验的时间尺度差异不小于2个数量级。

本发明的有益技术效果是：首先由于在力学试验阶段，通过非破坏性的应力松弛试验获得松弛模量主曲线，因而可以以少量的试验达到目的，节省了大量的材料和试验时间。同时由于在曲线制作与数据预示阶段，松弛模量主曲线可读取的时间尺度比应力应变主曲线更加宽泛，可预示的时间尺度更宽。另外由于在曲线制作与数据预示阶段，根据粘弹理论和应力应变主曲线,推导获得极限力学性能与应力应变关系式，因而预示方法简单有效，预示数据准确可靠。本发明还具有粘弹理论科学、试验操作方便、试验过程简化、试验条件合理的优点。

附图说明

图1是松弛模量主曲线图。

图中，参考温度T_s=25℃；横坐标为折合时间对数，时间单位为秒；纵坐标为松弛模量对数，单位为MPa，其中松弛模量值作了温度修正。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

预示硝酸酯增塑聚醚（NEPE）推进剂在-20℃下点火状态的抗拉强度和断裂应变，并预示贮存5年是否会发生持久破坏。已知该推进剂玻璃化温度为-47.8℃，常温抗拉强度σ_m=0.75MPa，断裂应变ε_b=1.13（测试条件：25℃，100mm/min）。该推进剂装填的发动机点火达到峰值的时间为t_f=25ms，贮存期间药柱最危险部位应力不大于0.20MPa，应变不大于0.15，贮存温度上限为25℃。

步骤一，条件选取与样品制备。

在条件选取与样品制备阶段，预示对象是一切具有粘弹性的材料。

将需要预示的材料制成适合力学性能测试的试件，根据材料特性、预示目标确定试验条件与预示参数。

样品制备：将经过混合、真空浇注和固化工艺得到的NEPE推进剂方坯切制成10mm厚试片，将试片切制成哑铃型单向拉伸试件。

试验条件选取：应力松弛试验采用标准为中国标准GJB770B-2005《火药试验方法》，应力松弛试验温度要高于材料玻璃化温度，确定应力松弛试验试验温度为-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、5℃、25℃、50℃和70℃,参考温度取日常贮存的上限温度25℃。应力松弛破坏试验的松弛应变ε_b,s,根据材料的常规测定的断裂应变ε_b确定,松弛应变ε_b,s一般取因此取ε_b,s=0.60。蠕变破坏试验的蠕变应力σ_m,s,根据抗拉强度σ_m确定,蠕变应力σ_m,s一般取因此取σ_m,s=0.50MPa。

名称与符号注释：参考温度T_s，抗拉强度σ_m,松弛应变ε_b,s,应力松弛破坏时间t_ε,s,断裂应变ε_b,蠕变应力σ_m,s,蠕变破坏时间t_σ,s，时间尺度t_p，松弛模量E(t_ε,s),蠕变柔量F(t_σ,s)。

步骤二，力学试验。

按照步骤一确定的试验条件，在力学试验阶段，进行应力松弛试验、蠕变破坏试验和应力松弛破坏试验，获得松弛模量、蠕变破坏时间和应力松弛破坏时间等数据。

试验测得8个温度水平下推进剂拉伸应力松弛模量如表1。蠕变应力σ_m,s=0.50MPa时蠕变破坏时间t_σ,s=4756（s）,松弛应变ε_b,s=0.60时应力松弛破坏时间t_ε,s=8508（s）。

表1推进剂应力松弛模量测试数据（E_r/MPa）

步骤三，曲线制作与数据预示。

在曲线制作与数据预示阶段，根据力学试验结果和预示目标，制作系列温度下的松弛模量-时间曲线和松弛模量主曲线，确定一组极限力学性能与作用时间关系，获得聚合物持久与瞬时断裂应变或断裂强度预示值。在曲线制作与数据预示阶段，根据应力松弛试验结果，制作系列温度下的松弛模量-时间曲线，通过曲线平移，得到松弛模量主曲线；根据蠕变破坏试验和应力松弛破坏试验结果，确定一组极限力学性能与作用时间关系；根据预示目标确定需要预示的瞬时或持久时间尺度，按照极限力学性能与松弛模量关系式，计算获得预示时间尺度对应的极限力学性能,即获得聚合物持久与瞬时断裂应变或断裂强度预示值。在曲线制作与数据预示阶段，在预示的时间尺度下，材料处于粘弹态。在曲线制作与数据预示阶段，预示目标时间尺度与蠕变破坏或应力松弛破坏试验的时间尺度差异不小于2个数量级。

根据步骤二所得数据，首先制作松弛模量主曲线，从主曲线上读取预示目标时间尺度下的松弛模量，然后按照下式计算需要预测的极限条件下的抗拉强度σ_m,p和断裂应变ε_b,p：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{m,p}=\frac{E\left(t_p\right)}{E\left(t_{\mathrm{\σ},s}\right)}{\mathrm{\σ}}_{m,s}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{b,p}==\sqrt{\frac{E\left(t_p\right)}{E\left(t_{\mathrm{\ϵ},s}\right)}}{\mathrm{\ϵ}}_{b,s}\end{array}\right.$

应力松弛试验与曲线制作。按照中国标准GJB770B-2005《火药试验方法》所述方法，对表1数据进行温度修正，通过曲线平移，得到松弛模量主曲线如图1，各温度下的平移因子如表2（参考温度T_s=25℃）。

表2推进剂温度-时间转换因子（T_s=25℃）

T/℃	-40	-30	-20	-10	5	25	50	70
									Δlg(aT)	1.534	1.688	1.312	1.613	1.053	0	-1.897	-1.221
lg(aT)	7.201	5.666	3.978	2.666	1.053	0	-1.897	-3.117

数据预示：步骤二测得t_ε,s=8508（s）、t_σ,s=4756（s），即lgt_ε,s=3.93、lgt_σ,s=3.68。从图1读得，即E(t_ε,s)≈0.82（MPa）、E(t_σ,s)≈0.85（MPa）。

根据表2，-20℃平移因子lg(a₂₀)=3.978，-20℃点火时间对应的常温时间尺度t_p,f＝t_fa₂₀，则lgt_p,f＝lgt_f-lg(a₂₀)=lg(0.025)-3.978=-1.60-3.978=-5.578。参照图1，即E(t_p,f)≈7.24（MPa）。

因此，可预测推进剂在-20℃点火时间对应的常温时间尺度的抗拉强度和断裂应变：

${\mathrm{\σ}}_{m,p,f}=\frac{E\left(t_{p,f}\right)}{E\left(t_{\mathrm{\σ},s}\right)}{\mathrm{\σ}}_{m,s}=\frac{7.24}{0.85}\×0.50=5.25\left(\mathrm{MPa}\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{b,p,f}=\sqrt{\frac{E\left(t_{p,f}\right)}{E\left(t_{\mathrm{\ϵ},s}\right)}}{\mathrm{\ϵ}}_{b,s}=\sqrt{\frac{7.24}{0.82}}\×0.60=1.78$

贮存5年的时间尺度t_p,l=5×365×24×3600=1.58×10⁸（s），则lg(t_p,l)=8.20。参照图1，即E(t_p,l)≈0.43（MPa）。可预测推进剂在常温贮存5年的抗拉强度和断裂应变：

${\mathrm{\σ}}_{m,p,l}=\frac{E\left(t_{p,l}\right)}{E\left(t_{\mathrm{\σ},s}\right)}{\mathrm{\σ}}_{m,s}=\frac{0.43}{0.85}\×0.40=0.25\left(\mathrm{MPa}\right)>0.2\left(\mathrm{MPa}\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{b,p,l}=\sqrt{\frac{E\left(t_{p,l}\right)}{E\left(t_{\mathrm{\ϵ},s}\right)}}{\mathrm{\ϵ}}_{b,s}=\sqrt{\frac{0.43}{0.82}}\×0.60=0.43>0.15$

由此可见，贮存5年后推进剂抗拉强度和断裂应变均高于允许值，不会发生持久破坏。

Claims (4)

1.一种聚合物持久与瞬时极限力学性能预示方法, 包括下列步骤：条件选取与样品制备、力学试验、曲线制作与数据预示；其特征在于：在条件选取与样品制备阶段，预示对象是一切具有粘弹性的材料；在力学试验阶段，进行系列温度下的应力松弛试验、蠕变破坏试验和应力松弛破坏试验，获得松弛模量、破坏时间等数据；在曲线制作与数据预示阶段，根据力学试验结果和预示目标，制作系列温度下的松弛模量-时间曲线和松弛模量主曲线，确定一组极限力学性能与作用时间关系，获得聚合物持久与瞬时断裂应变或断裂强度预示值。

2.根据权利要求1所述的聚合物持久与瞬时极限力学性能预示方法,其特征是：在曲线制作与数据预示阶段，根据应力松弛试验结果，制作系列温度下的松弛模量-时间曲线，通过曲线平移，得到松弛模量主曲线；根据蠕变破坏试验和应力松弛破坏试验结果，确定一组极限力学性能与作用时间关系；根据预示目标确定需要预示的瞬时或持久时间尺度，按照极限力学性能与松弛模量关系式，计算获得预示时间尺度对应的极限力学性能, 即获得聚合物持久与瞬时断裂应变或断裂强度预示值。

3.根据权利要求1所述的聚合物持久与瞬时极限力学性能预示方法,其特征是：在曲线制作与数据预示阶段，在预示的时间尺度下，材料处于粘弹态。

4.根据权利要求1所述的聚合物持久与瞬时极限力学性能预示方法,其特征是：在曲线制作与数据预示阶段，预示目标时间尺度与蠕变破坏或应力松弛破坏试验的时间尺度差异不小于2个数量级。