玻璃态高分子复合型裂纹端部银纹化机理研究

本项目拟通过复合加载断裂实验和非接触式三维光学系统，分析测量玻璃态高分子材料裂纹临界扩展过程中的应变场，得到用应变表征的复合断裂参数；利用扫描电镜原位观测技术，分析不同复合度对裂尖银纹形态、厚度和密度的影响，研究裂尖银纹化机理；针对玻璃态高分子大变形和屈服后软化的特点，对我们现有的计算程序进行改进，计算复合加载下的裂尖应力应变场，并与测量结果进行对比分析。最后结合宏观断裂参数、银纹化机理研究和数值计算结果，给出一个与裂尖应变、银纹厚度和密度有关的复合断裂模型，将玻璃态高分子的宏观断裂行为与银纹化机理联系起来，得到更为合适的断裂控制参数。该研究成果可为相关结构的失效分析提供指导。

与金属材料相比，高分子材料的研究相对较少，尤其是复合型断裂。研究聚合物，研究方法也大多采用金属的，而且由于复合断裂的复杂性，理论研究较难开展，更多的则是要借助实验和数值手段。本项目通过复合加载断裂实验、电镜原位观测技术和数值方法，研究了高分子材料复合型裂纹端部银纹化机理及其影响因素，进而建立相关的复合断裂参数，为结构失效分析提供部分基础。得到的主要结论有：（1）对含有单边裂纹的紧凑拉伸剪切试样开展I型和I-II复合型断裂实验，采用非接触式CCD测量系统全程监测复合断裂过程，定义了一个参数KQ，发现KQ与加载角度无关，近似为一个常数。将实验过程中CCD拍摄到的图片用自编程序进行处理，可以得到不同加载角度下裂纹尖端在临界状态的应变场。发现临界起裂时，位于裂纹尖端的最大真应变的大小和方向与加载角度无关，始终近似为一常数，并且这个真应变的方向与我们直接测量得到的和最大周向应力计算得到的裂纹初始起裂角度相一致。（2）采用基础功法研究了聚合物双边缺口试样的断裂韧性。随着韧带长度的减小，载荷-位移曲线下的面积也逐渐减小，也就是说，试样断裂所需要的功逐渐减小。计算载荷-位移曲线下的面积，根据基础功的表达式，可得到不同加载角度下的断裂基础功we。随着加载角的逐渐减小，we呈不断增大趋势。这样的结果表明，剪切成分的存在可以提高聚合物材料的韧性。另外，随着加载角度的减小，临界扩展角呈明显增加趋势，表明裂纹扩展的方向越发偏离于初始裂纹方向。原位观测结果表明：裂纹尖端的银纹总是要经历萌生、聚合和扩展三个阶段，不同的加载角度决定了银纹达到同样的演化阶段时所受到的外加载荷不同，且银纹所聚合成的微裂纹方向不相同，从而导致不同的裂纹扩展方向。（3）采用数值方法研究了应变软化高分子材料中裂纹与孔洞的相互作用，考虑了孔洞形状改变对裂尖应力场、变形场和塑性耗散功的影响。结果表明：不管孔洞形状如何改变，孔洞沿着裂纹方向的长大速度总是快于其它方向，这是裂纹对孔洞直接作用的结果。裂纹面上的正应力在扁长形孔洞时值最高，但扁圆形孔洞情况下发生塑性变形的区域最大，因此具有较高的塑性耗散功。