Ảnh hưởng của tần số đến đáp ứng cơ học chu kỳ của vật liệu polyethylene

Bài viết này là một nghiên cứu thực nghiệm về biến dạng ratcheting và vòng trễ ứng suất-biến dạng trong các thí nghiệm mỏi chu kỳ kéo điều khiển ứng suất ở nhiệt độ phòng đã được thực hiện để xem xét ảnh hưởng của tần số tải đến đáp ứng cơ học chu kỳ của high-density polyethylene (HDPE).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng của tần số đến đáp ứng cơ học chu kỳ của vật liệu polyethyleneSCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015Ảnh hưởng của tần số đến đáp ứng cơhọc chu kỳ của vật liệu polyethylene Nguyễn Song Thanh Thảo Lê Thị Tuyết NhungTrường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM(Bài nhận ngày 13 tháng 7 năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 10 năm 2015)TÓM TẮTMột nghiên cứu thực nghiệm về biếndạng ratcheting và vòng trễ ứng suất-biếndạng trong các thí nghiệm mỏi chu kỳ kéođiều khiển ứng suất ở nhiệt độ phòng đãđược thực hiện để xem xét ảnh hưởng củatần số tải đến đáp ứng cơ học chu kỳ củahigh-density polyethylene (HDPE). Nó chỉ rarằng tần số thay đổi từ 0.01 Hz đến 1 Hz chủyếu ảnh hưởng đến sự tích lũy biến dạngtrong thời gian ngắn (tức là thời gian của bảnthân chu kỳ) và không ảnh hưởng trong thờigian dài (tức là thời gian thí nghiệm). Ngoàira, tần số càng cao, vòng trễ càng đóng vànghiêng nhiều hơn. Hơn nữa, tần số chỉ ảnhhưởng đến khuynh hướng ổn định của biếndạng ratcheting nhưng không ảnh hưởngđáng kể đến khuynh hướng ổn định của vòngtrễ.Từ khóa: ratcheting, tần số tải, chu kỳ ổn định.1. GIỚI THIỆUPhương pháp thiết kế mỏi dựa trên các tiêuchuẩn mỏi đòi hỏi các thông số cơ học -ví dụ nhưứng suất tương đương, ứng suất lớn nhất hay cácthành phần năng lượng- được xác định từ mộttrạng thái ổn định. Trường hợp kim loại chịu tảimỏi trong chế độ đàn hồi, các thông số đầu vàocủa các tiêu chuẩn mỏi thường được tính toán từchu kỳ đầu tiên.Do tính nhớt, việc xác định một chu kỳ ổnđịnh như vậy trong trường hợp của polymerkhông dễ dàng. Hiệu ứng ratcheting đáng kể đượcquan sát trong hàng chục hoặc hàng trăm chu kỳđầu tiên. Ratcheting là hiện tượng tích lũy dầndần biến dạng khi vật liệu chịu tải chu kỳ, đặc biệtlà tải điều khiển ứng suất với ứng suất trung bìnhkhác không. Vì vậy, việc định nghĩa và xác địnhchính xác trạng thái ổn định của polymer chịu tảimỏi rất cần được xem xét.Trang 162Trong hai thập kỷ gần đây, hiện tượng nàyđang được nghiên cứu rộng rãi trong cả thựcnghiệm và mô hình. Ban đầu, các nghiên cứu vềratcheting chủ yếu tập trung đối với kim loại, hợpkim và composite, nhưng gần đây đang rất đượcquan tâm đối với polymer. Nhiều điều kiện tảiphức tạp hơn được xem xét và nhiều đặc tính mớicủa hiện tượng ratcheting đã được quan sát. Điềunày cho phép phát triển các mô hình cấu trúc ngàycàng chính xác hơn. Kết quả thực nghiệm chỉ racác yếu tố chi phối hiện tượng ratcheting gồmứng suất trung bình, biên độ ứng suất, tốc độ tải,nhiệt độ và lịch sử tải. Nhiều polymer khác nhauđã được nghiên cứu trong điều kiện tải chu kỳđơn trục kéo [1,2] hoặc nén [3,4] ở nhiệt độphòng, cũng như ở nhiệt độ cao [5,6]. Ứng xửratcheting đa trục cũng bắt đầu được nghiên cứugần đây [7]. Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉmới phân tích sự phát triển của biến dạngratcheting mà chưa xem xét đến sự ổn định củaTAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015nó, cũng như chưa có nhiều nghiên cứu quan tâmđến sự phát triển và ổn định của bản thân vòng trễứng suất-biến dạng [8].130°C. Mẫu thử kéo bề dày 2mm được gia côngtheo tiêu chuẩn ISO R527. Kích thước vùng làmviệc là 10mm chiều rộng và 60mm chiều dài.Từ các quan sát thực nghiệm, nhiều mô hìnhđang được phát triển nhằm mô phỏng chính xáchơn ứng xử mỏi chu kỳ của polymer. Trường hợppolymer bán tinh thể, cả hai mô hình biến dạngnhỏ [9] và lớn [10,11] đã được đề nghị. Cách xâydựng mô hình rất đa dạng, từ các mô hình lưubiến [12], đến các mô hình trong nhiệt động lựchọc các quá trình không thuận nghịch [13] haycác mô hình dựa trên sự quá tải với các luật táibền động học khác nhau [14,15]. Phần lớn chúngđều dựa trên các tải đơn giản như vài chu kỳ đầucủa tải mỏi, thí nghiệm dão hay hồi phục. Tronghầu hết các nghiên cứu này, mỏi chu kỳ được sửdụng như là một tải để xác định thông số của cácmô hình hơn là nghiên cứu bản chất ứng xử mỏichu kỳ. Các nghiên cứu ảnh hưởng của mỏi chukỳ hay hiện tượng ratcheting đến tuổi thọ mỏithường được giới hạn ở các thí nghiệm điều khiểnbiến dạng và không dựa trên một trạng thái ổnđịnh [16-19]. Vì vậy cần thêm nhiều nghiên cứuđể nắm bắt chính xác quá trình phát triển và ổnđịnh của hiệu ứng ratcheting trong polymer,nhằm cải thiện tính chính xác của việc ước lượngtuổi thọ mỏi dựa trên các tiêu chuẩn mỏi.Biến dạng được xác định từ chuyển vị củabốn điểm đánh dấu trên bề mặt mẫu thử nhờ phầnmềm Videotraction. Trong quá trình thínghiệm, các điểm đánh dấu được theo dõi bằngmáy ảnh CCD. Biến dạng dọc trục và biến dạngngang logarit được tính theo phương trình (1)Trong nghiên cứu này, ứng xử mỏi chu kỳđược nghiên cứu thông qua việc xem xét ảnhhưởng của tần số đến sự phát triển và ổn định củabiến dạng ratcheting và bản thân vòng trễ ứngsuất-biến dạng (nghĩa là sự đóng vòng, diện tíchvà độ nghiêng của vòng) trong các thí nghiệmđiều khiển ứng suất ở tần số thấp và nhiệt độ môitrường, từ đó định nghĩa một trạng thái ổn địnhcho phép xác định các thông số đầu vào của cáctiêu chuẩn mỏi.2. THỰC NGHIỆMVật liệu được nghiên cứu là high-densitypolyethylene (HDPE) có nhiệt độ chuyển hóathủy tinh -120°C và nhiệt độ nóng chảy khoảng L L  l  ln    ln 1 L0  L0 W  W  t  ln    ln  1 W0  W0 (1)với L và L0, W và W0 lần lượt là khoảng cáchhiện tại và ban đầu giữa các điểm đánh dấu dọctrục và ngang trục. Ứng suất dọc trục Cauchyđược xác định theo phương trình (2), trong điềukiện đẳng tích và giả định các biến dạng ngangđẳng hướng.F F1S S 0 exp  2 t (2)với S0 là tiết diện ngang ban đầu và F là lựcdọc trục hiện tại.Tất cả thí nghiệm được thực hiện theo điềukiện điều khiển ứng suất ở nhiệt độ phòng bằngmáy Instron 1195. Việc điều khiển ứng suấtCauchy là rất quan trọng để có được sự phân tíchchính xác ứng xử cấu trúc của polymer, đặc biệtlà đối với các thí nghiệm thực hiện với ứng suấtlớn nhất có giá trị cao như minh họa trong hình 1. ...