橡膠混合物疲勞度測(cè)試
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時(shí)間：2013-05-23
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討論的試驗(yàn)和分析將是基于能量的疲勞裂紋生長(zhǎng)及關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由全自動(dòng)的測(cè)試系統(tǒng)獲得。
我們將用兩個(gè)專(zhuān)利性的研究得到的數(shù)據(jù)實(shí)例來(lái)說(shuō)明通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的分析能夠獲得的數(shù)據(jù)、遇到的一些普遍問(wèn)題以及與替代材料的高質(zhì)量對(duì)比。但是本文不便公開(kāi)混合物及其應(yīng)用的細(xì)節(jié)，數(shù)據(jù)的類(lèi)型以及獲得數(shù)據(jù)的方法才是本文的主旨。
實(shí)驗(yàn)
在敘述本工作的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)之前，我們對(duì)數(shù)據(jù)分析所依賴(lài)的能量平衡原理作一些評(píng)論。Thomas基于他和Rivlin20世紀(jì)50年代率先提出研究彈性體的能量平衡方法描述了破裂標(biāo)準(zhǔn)。用T表示撕裂所需要的彈性能，或稱(chēng)“撕裂能”。對(duì)于某些樣品幾何結(jié)構(gòu)，我們測(cè)定了T的值。疲勞研究最為常用的一種幾何結(jié)構(gòu)是純剪切樣品，對(duì)這類(lèi)樣品而言，T值直接就是純剪切區(qū)域彈性能密度W與非應(yīng)變樣品的高度h0的乘積。
T=Wh0 (1)
對(duì)應(yīng)力－應(yīng)變曲線下方的面積積分可以直接測(cè)定W。大多數(shù)情況下我們采用卸載曲線數(shù)據(jù)，因?yàn)樗鼈儽硎緝?chǔ)存的能量，而負(fù)載曲線數(shù)據(jù)包含滯后能量。因此，在本文中由卸載應(yīng)變能密度計(jì)算出的T值記做Tu。使用現(xiàn)代化的高速計(jì)算機(jī)獲得每加載循環(huán)一次的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)片段的Tu值。注意：方程(1)中沒(méi)有與斷裂長(zhǎng)度相關(guān)的項(xiàng)。因此，T的數(shù)值與裂紋生長(zhǎng)無(wú)關(guān)，下面我們會(huì)討論到這一點(diǎn)。
這里所包含的結(jié)果來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同的實(shí)驗(yàn)室：密歇根州安阿伯市的Axel Products和俄亥俄州阿克隆市的實(shí)驗(yàn)服務(wù)中心。將他們區(qū)分為實(shí)驗(yàn)室1和實(shí)驗(yàn)室2，測(cè)試按此順序進(jìn)行。
試驗(yàn)采用純剪切樣品模式，也稱(chēng)為平面拉伸模式。如上所述，這種模式的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是如果最大應(yīng)力水平保持不變，撕裂能T也保持不變。在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)這就非常方便，因?yàn)闇y(cè)試能夠得以繼續(xù)，直到有足夠清楚的數(shù)據(jù)精確描述試驗(yàn)條件下裂紋的生長(zhǎng)速率（△c/△n）。在這種情況下，△c直接就是給定試驗(yàn)片段測(cè)量的裂紋生長(zhǎng)數(shù)量，△n是該片段拉伸循環(huán)的次數(shù)。既然試驗(yàn)條件的嚴(yán)格性與裂紋長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，那我們可以按照獲得一致性數(shù)據(jù)的要求連續(xù)測(cè)試許多片段。
盡管經(jīng)常采用橫界面為啞鈴形的純剪試件，這些研究工作中使用的試件樣品都是平整并相對(duì)較薄的（1mm）。這樣做的原因在于這些研究的主要目的是評(píng)估已被制成工業(yè)部件的混合物的性能。這就要打磨部件產(chǎn)生適合測(cè)試的平整樣品。能夠測(cè)試如此薄材料的優(yōu)勢(shì)就是能夠輕易研究一些變量，例如從很厚部件的表面到內(nèi)部的固化狀態(tài)的差異。
應(yīng)當(dāng)明白，如果我們?cè)噲D獲得那些與厚度無(wú)關(guān)的材料性質(zhì)，并不推薦使用很薄的樣品(T1mm)，因?yàn)楫?dāng)厚度小于1.5mm時(shí)，厚度對(duì)這些數(shù)據(jù)會(huì)有影響。然而，如果比較同一種彈性體相同厚度樣品的結(jié)果時(shí)，出于研發(fā)的目的，一般可以忽略厚度的影響。
附表給出了兩組實(shí)驗(yàn)程序中采用的測(cè)試條件。對(duì)每個(gè)測(cè)試條件下的每個(gè)測(cè)試時(shí)段而言，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)控的變量包括：最大應(yīng)力和最大應(yīng)變級(jí)；最低應(yīng)力和應(yīng)變級(jí)；動(dòng)態(tài)模量；負(fù)載，卸載和滯后損耗能；裂紋長(zhǎng)度；每個(gè)測(cè)試時(shí)段的負(fù)載循環(huán)次數(shù)和累計(jì)循環(huán)次數(shù)。
測(cè)試結(jié)束后的數(shù)據(jù)分析包括：從用數(shù)據(jù)平臺(tái)拍攝的數(shù)碼相片中反復(fù)檢查裂紋的外觀。幾乎所有的裂紋都是非常筆直水平的，具有不同程度的外觀粗糙度和裂紋尖端變鈍；計(jì)算每一個(gè)試驗(yàn)片段（應(yīng)變條件）重要參數(shù)的平均值，包括最大應(yīng)變、模量和去載撕裂能Tu；裂紋長(zhǎng)度對(duì)測(cè)試的循環(huán)次數(shù)作圖；仔細(xì)檢查，去掉那些不滿(mǎn)足純剪切FCG結(jié)果客觀標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)；對(duì)每種應(yīng)力情況，利用線性遞歸分析得出斜率dc/dn和遞歸系數(shù)R2；對(duì)每個(gè)樣品作圖，然后將混合物組成一定的所有樣品組合起來(lái)。
斜率dc/dn對(duì)Tu
斜率dc/dn對(duì)最大應(yīng)變
模量對(duì)最大應(yīng)變
為方便起見(jiàn)使用線性圖，dc/dn對(duì)Tu或最大應(yīng)變圖的遞歸線是二次方函數(shù)，因?yàn)橐阎@些數(shù)據(jù)滿(mǎn)足這種關(guān)系。
評(píng)論