ProE模流分析教程 第五章 材料性质与塑件设计

发布日期:[10-12-17 18:19:19] 浏览人次:[]

曲线

图5-5  负荷速率与温度对于典型聚合物之应力—应变图的影响

  加热半结晶性塑料使之通过玻璃转移温度(Tg),则负荷速度、温度等相关的效应更加明显,结果导致塑料产生全然不同的运动行为。不定形塑料通过软化区后呈现黏性流。

5-1-2 潜变与应力松弛

  设计承受长期负荷的塑件时,应非常注意潜变效应及应力松弛。不论所施加负荷的大小,只要持续地施加一定量负荷在塑料材料上,塑料材料就会连续地变形,这种长期间、永久性的变形称为潜变(creep),如图5-6所示。

图5-6  典型的潜变曲线,其潜变量根据负荷及时间而变化。

  要设计承受长期负荷的塑件,必须使用潜变量据以确保塑件不会在寿命周期内产生破坏、产生降伏、裂缝或是过量的变形。虽然大多数塑料拥有在相当时间内、特定应力及温度条件下的潜变量据,但是每个塑件设计仍需对其特定的负荷与使用条件来调整设计值。由于要针对各别设计塑件进行长期间的试验并不可行,而且塑件将来使用期间的应力与环境条件不容易进行长期间的预测,所以,往往必须从较短的潜变试验数据执行内插和外插。通常,工程师使用树脂供货商提供的潜变数据库获得应变相对于时间之数据,再进行内插和外插,以获得同一时间之应力—应变非线性曲线,如图 5-7。这些曲线将取代短期的应力—应变曲线,应用于长期静负荷之塑性设计。

图5-7  在固定应变下,应力随着经历时间而递减的情形。

  潜变模数(creep modulus, Ec)可以应用于固定应力或应力松弛计算。潜变模数与时间、温度有关系,它与固定应力(σ)以及随时间、温度变化的应变ε(t, T)之间的关系式定义如下:

                               

其它与潜变有关连的因素包括:

˙随着温度的上升,潜度速率与应力松弛速率都会上升。

˙只要施加负荷的时间够久,就可能发生破坏,此称为应力破裂(stress crack)。

˙内压力(残留应力)应该与外应力一并考虑。

  应力松弛是潜变的一种推论现象。假如变形量固定,则抵抗变形的应力会随着时间而递减。塑料材料发生潜变的物理机构也可以应用于应力松弛。图 5-7说明在固定应变下,应力随着经历时间而递减的情形。

5-1-3 疲劳

  当设计的塑件承受周期性的负载时,就应考虑疲劳效应(fatigue)。承受周期性负荷之塑料应该使用比例极限进行设计。假如施加时间间距短,而且为长期的反复性负荷,应该使用S-N曲线进行设计。

  S-N曲线是在固定频率、固定温度和固定负荷条件下,施加弯矩、扭力和拉伸应力于材料,测试而得。随着反复性负荷的频率数目增加,造成塑件因疲劳而破坏所须的应力会降低。许多材料存在一特定的应力忍受限度,在应力低于忍受限度时,材料不会因反复性负荷造成疲劳而破坏,参阅图 5-8。

  即使只施加很小的应力,根据施加应力的大小,材料承受反复性负荷时,可能在周期结束后无法恢复原状。当施加负荷与解除负荷的频率增加,或是施加负荷与无负荷的间隔时间缩短,塑件表面可能应为疲劳而产生微小裂缝或其它瑕疵,造成韧性降低。

图5-8  典型的挠曲疲劳S-N曲线具有一个应力忍耐限度,在此限度以下的应力不会造成破坏。

5-1-4 冲击强度

  因为塑料具有黏弹性,其性质与使用时间、负荷速率、负荷频率、施加负荷期间长短、使用温度都有密切的关系。塑料的冲击强度(或韧性)表示其抵抗脉冲负荷的能力。图 5-5显示塑料材料的冲击强度随着负荷速率的增加而增大。塑料材料承受高速的负荷时,会表现出脆性而没有拉伸的倾向。低温时,塑料应亦呈

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