Analysis of the bulk creep influence on stress-strain curves under tensile loadings at constant rates and on Poisson's ratio evolution based on the linear viscoelasticity theory
- Authors: Khokhlov A.V.1
-
Affiliations:
- Lomonosov Moscow State University, Institute of Mechanics
- Issue: Vol 23, No 4 (2019)
- Pages: 671-704
- Section: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/1991-8615/article/view/34667
- ID: 34667
Cite item
Abstract
The Boltzmann–Volterra linear constitutive equation for isotropic non-aging viscoelastic materials is studied analytically in order to elucidate its abilities to provide a qualitative simulation of rheological effects related to different behavior types of lateral strain and the Poisson's ratio (i.e. lateral contraction ratio) observed in uni-axial tests under tension or compression at constant stress rate. The viscoelasticity equation is controlled by two material functions of a positive real argument (that is shear and bulk creep compliances); they are implied to be positive, differentiable, increasing and convex up functions. General properties of the volumetric, longitudinal and lateral strain-time curves, stress-strain curves and the Poisson's ratio evolution in time generated by the viscoelasticity relation (with an arbitrary shear and bulk creep functions) are examined, their dependence on stress rate and on qualitative characteristics of two creep functions are analyzed, conditions for their monotonicity and convexity or for existence of extrema, inflection points and sign changes are studied. Taking into account compressibility and volumetric creep (governed by a time-dependent bulk creep function) is proved to affect strongly the qualitative behavior of lateral strain and the Poisson's ratio. In particular, it is proved that the linear theory can reproduce increasing, decreasing or non-monotone and convex up or down dependencies of lateral strain and Poisson's ratio on time under tension or compression at constant stress rate, it can provide existence of minimum, maximum or inflection points and sign changes from minus to plus and vice versa. It is shown, that the Poisson's ratio at any moment of time is confined in the interval from $-1$ to 0.5 and the restriction on creep compliancies providing negative values of the Poisson's ratio is derived. Criteria for the Poisson's ratio increase or decrease and for extrema existence are obtained. The analysis revealed the set of characteristic features of the theoretic volumetric, axial and lateral strain-time curves, stress-strain curves families and the Poisson's ratio dependence on time which are convenient to check in tensile tests at constant stress rates and should be employed as indicators of the linear viscoelasticity theory applicability (or non-applicability) for simulation of a material behavior before identification. The specific properties of the two models are considered based on the assumption that the Poisson's ratio is time-independent or the assumption that bulk creep function is constant which neglects bulk creep and simulates purely elastic volumetric strain dependence on a mean stress. This assumptions reduce the number of material function to the single one and one scalar parameter and are commonly (and very often) used for simplification of viscoelasticity problems solutions. A number of restrictions and additional applicability indicators are found for this models. In particular, it is proved that elastic volumetric deformation assumption does not cut the overall range of the Poisson's ratio values and does not demolish the Boltzmann–Volterra relation ability to describe non-monotonicity and sign changes of lateral strain and to produce negative values of the Poisson's ratio, but neglecting bulk creep restricts this ability significantly and reduces drastically the variety of possible behavior modes of lateral strain-time curves and the Poisson's ratio evolution and so contracts applicability field of the model. The model with constant bulk compliance generates only convex-up lateral strain-time curves which can not have minima or inflection points and can change sign from minus to plus only and the Poisson's ratio is increasing convex-up function of time (without any extrema or inflection points which are possible in general case) and can not change sign from positive to negative.
Keywords
viscoelasticity, volumetric creep, tensile tests at constant stress rates, non-monotone lateral strain-time curves, sign changes of lateral strain, lateral contraction ratio, non-monotone Poisson’s ratio, negative Poisson's ratio, viscoelastic auxetics, evolution of auxetic behavior, indicators of linear range limits, identification
Full Text
##article.viewOnOriginalSite##About the authors
Andrew Vladimirovich Khokhlov
Lomonosov Moscow State University, Institute of Mechanics
Email: andrey-khokhlov@ya.ru
Candidate of technical sciences, Head Scientist Researcher
References
- Ильюшин А. А., Победря Б. Е., Основы математической теории термовязкоупругости, Наука, М., 1970, 280 с.
- Москвитин В. В., Сопротивление вязкоупругих материалов (применительно к зарядам ракетных двигателей на твердом топливе), Наука, М., 1972, 328 с.
- Cristensen R. M., Theory of viscoelasticity. An introduction, Academic Press, New York, 1971, xii+364 pp.
- Работнов Ю. Н., Элементы наследственной механики твeрдых тел, Наука, М., 1977, 384 с.
- Айнбиндер С. Б., Тюнина Э. Л., Цируле К. И., Свойства полимеров в различных напряженных состояниях, Химия, М., 1981, 232 с.
- Гольдман А. Я., Объемная деформация пластмасс, Машиностроение, Л., 1984, 232 с.
- Гольдман А. Я., Прогнозирование деформационно-прочностных свойств полимерных и композиционных материалов, Химия, Л., 1988, 272 с.
- Tschoegl N. W., The Phenomenological Theory of Linear Viscoelastic Behavior, Springer-Verlag, Berlin, 1989, xxv+769 pp.
- Lakes R. S., Viscoelastic Materials, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2009, xvi+461 pp.
- Christensen R. M., Mechanics of Composite Materials, Dover Publ., New York, 2012, 384 pp.
- Bergström J. S., Mechanics of Solid Polymers. Theory and Computational Modeling, William Andrew, San Diego, 2015, xiv+509 pp.
- Брехова В. Д., "Исследование коэффициента Пуассона при сжатии некоторых кристаллических полимеров постоянной нагрузкой", Механика полимеров, 1965, № 4, 43-46
- Дзене И. Я., Путанс А. В., "Коэффициент Пуассона при одномерной ползучести полиэтилена", Механика полимеров, 1967, № 5, 947-949
- Дзене И. Я., Крегерс А. Ф., Вилкс У. К., "Особенности процесса деформирования при ползучести и повторной ползучести полимеров в условиях одноосного растяжения. Часть 1", Механика полимеров, 1974, № 3, 399-405
- Щербак В. В., Гольдман А. Я., "Объемные изменения дисперсно наполненных композитов при испытании в условиях ползучести", Механ. композит. матер., 1982, № 3, 549-552
- Калинников А. Е., Вахрушев А. В., "О соотношении поперечной и продольной деформаций при одноосной ползучести разносопротивляющихся материалов", Механ. композит. матер., 1985, № 2, 351-354
- Naqui S. I., Robinson I. M., "Tensile dilatometric studies of deformation in polymeric materials and their composites", J. Mater. Sci., 28:6 (1993), 1421-1429
- Özüpek S., Becker E. B., "Constitutive equations for solid propellants", J. Eng. Mater. Technol., 119:2 (1997), 125-132
- Tschoegl N. W., "Time dependence in material properties: An overview", Mech. Time-Depend. Mater., 1:1 (1997), 3-31
- Okoli O. I, Smith G. F., "The effect of strain rate and fibre content on the Poisson's ratio of glass/epoxy composites", Composite Structures, 48:1-3 (2000), 157-161
- Hilton H. H., "Implications and constraints of time-independent Poisson's ratios in linear isotropic and anisotropic viscoelasticity", J. Elasticity, 63:3 (2001), 221-251
- Tschoegl N. W., Knauss W. G., Emri I., "Poisson's ratio in linear viscoelasticity – A critical review", Mech. Time-Depend. Mater., 6:1 (2002), 3-51
- Arzoumanidis G. A., Liechti K. M., "Linear viscoelastic property measurement and its significance for some nonlinear viscoelasticity models", Mech. Time-Depend. Mater., 7:3 (2003), 209-250
- Krempl E., Khan F., "Rate (time)-dependent deformation behavior: an overview of some properties of metals and solid polymers", Int. J. Plasticity, 19:7 (2003), 1069-1095
- Cangemi L., Elkoun S., G'Sell C., Meimon Y., "Volume strain changes of plasticized Poly(vinylidene fluoride) during tensile and creep tests", J. Appl. Polym. Sci., 91:3 (2004), 1784-1791
- Ломакин Е. В., "Механика сред с зависящими от вида напряженного состояния свойствами", Физ. мезомех., 10:5 (2007), 41-52
- Pandini S, Pegoretti A., "Time, temperature, and strain effects on viscoelastic Poisson's ratio of epoxy resins", Polym. Eng. Sci., 48:7 (2008), 1434-1441
- O'Brien D. J., Sottos N. R., White S. R., "Cure-dependent viscoelastic Poisson's ratio of epoxy", Exp. Mech., 47:2 (2007), 237-249
- Быков Д. Л., Пелешко В. А., "Определяющие соотношения деформирования и разрушения наполненных полимерных материалов в процессах преобладающего осевого растяжения в различных баротермических условиях", Изв. РАН. МТТ, 2008, № 6, 40-65
- Grassia L., D'Amore A., Simon S. L., "On the viscoelastic Poisson's ratio in amorphous polymers", J. Rheology, 54:5 (2010), 1009-1022
- Shekhar H., Sahasrabudhe A. D., "Longitudinal strain dependent variation of Poisson's ratio for HTPB based solid rocket propellants in uni-axial tensile testing", Propellants Explosives Pyrotechnics, 36:6 (2011), 558-563
- Tscharnuter D., Jerabek M., Major Z., Lang R. W., "Time-dependent Poisson's ratio of polypropylene compounds for various strain histories", Mech. Time-Depend. Mater., 15:1 (2011), 15-28
- Emad K., Grasley Z. C., Masad E., "Viscoelastic Poisson's ratio of asphalt mixtures", Int. J. Geomechanics, 13:2 (2011), 162-169
- Guo J. X., Luigi G., Simon S. L., "Bulk and shear rheology of a symmetric three-arm star polystyrene", J. Polymer Science. Part B: Polymer Physics, 50:17 (2012), 1233-1244
- Kästner M., Obst M., Brummund J., Thielsch K., Ulbricht V., "Inelastic material behavior of polymers - Experimental characterization, formulation and implementation of a material model", Mech. Mater., 52 (2012), 40-57
- Кожевникова М. Е., "Характер изменения границы зоны пластичности и коэффициента Пуассона в зависимости от пластического разрыхления", Физ. мезомех., 15:6 (2012), 59-66
- Cui H. R., Tang G. J., Shen Z. B., "Study on viscoelastic Poisson's ratio of solid propellants using digital image correlation method", Propellants Explosives Pyrotechnics, 41:5 (2016), 835-843
- Aurangzeb Q., Ozer H., Al-Qadi I. L., Hilton H. H., "Viscoelastic and Poisson's ratio characterization of asphalt materials: Critical review and numerical simulations", Mater. Struct., 50:1 (2017), 49
- Lakes R., "Foam structure with a negative Poisson's ratio", Science, 235:4792 (1987), 1038-1040
- Friis E. A., Lakes R. S., Park J. B., "Negative Poisson's ratio polymeric and metallic materials", J. Mater. Sci., 23:12 (1988), 4406-4414
- Caddock B. D., Evans K. E., "Microporous materials with negative Poisson's ratios. I: Microstructure and mechanical properties", J. Physics D: Applied Physics, 22:12 (1989), 1877-1882
- Берлин Ал. Ал., Ротенбург Л., Басэрт Р., "Особенности деформации неупорядоченных полимерных и неполимерных тел", Высокомолек. соед. А, 34:7 (1992), 6-32
- Milton G. W., "Composite materials with Poisson's ratios close to
$-1$ ", J. Mech. Phys. Solids, 40:5 (1992), 1105-1137 - Alderson K. L., Evans K. E., "The fabrication of microporous polyethylene having negative Poisson's ratio", Polymer, 33:20 (1992), 4435-4438
- Lakes R. S., Elms K., "Indentability of conventional and negative Poisson's ratio foams", J. Compos. Mater., 27:12 (1993), 1193-1202
- Chan N., Evans K. E., "Indentation resilience of conventional and auxetic foams", J. Cell. Plastics, 34:3 (1998), 231-260
- Chan N., Evans K. E., "The mechanical properties of conventional and auxetic foams. Part 1: Compression and tension", J. Cell. Plastics, 35:2 (1999), 130-165
- Alderson K. L., Fitzgerald A., Evans K. E., "The strain dependent indentation resilience of auxetic microporous polyethylene", J. Mater. Sci., 35:16 (2000), 4039-4047
- Конек Д. А., Войцеховски К. В., Плескачевский Ю. М., Шилько С. В., "Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (Обзор)", Мех. композ. матер. констр., 10:1 (2004), 35-69
- Liu Y., Hu H., "A review on auxetic structures and polymeric materials", Sci. Res. Essays, 5:10 (2010), 1052-1063
- Greaves G. N., Greer A. L., Lakes R. S., Rouxel T., "Poisson's ratio and modern materials", Nature Materials, 10:11 (2011), 823-837
- Huang C., Chen L., "Negative Poisson's ratio in modern functional materials", Advanced Materials, 28:37 (2016), 8079-8096
- Volokh K. Yu., "On arterial fiber dispersion and auxetic effect", J. Biomech., 61 (2017), 123-130
- van der Varst P. G. Th., Kortsmit W. G., "Notes on the lateral contraction of linear isotropic viscoelastic materials", Arch. Appl. Mech., 62:5 (1992), 338-346
- Hilton H. H., Sung Y., "The significance of (an)isotropic viscoelastic Poisson ratio stress and time dependencies", Int. J. Solids Structures, 35:23 (1998), 3081-3095
- Lakes R. S., Wineman A. S., "On Poisson's ratio in linearly viscoelastic solids", J. Elasticity, 85:1 (2006), 45-63
- Abudushalamu A., Vandamme M., Torrenti J. M., Benoit M., "Theoretical and practical differences between creep and relaxation Poisson's ratios in linear Viscoelasticity", Mech. Time-Depend. Mater., 19:4 (2015), 537-555
- Hilton H. H., "Elastic and viscoelastic Poisson's ratios: The theoretical mechanics perspective", Mater. Sci. Appl., 8:4 (2017), 291-332
- Айнбиндер С. Б., Алксне К. И., Тюнина Э. Л., Лака М. Г., Свойства полимеров при высоких давлениях, Химия, М., 1973, 192 с.
- Гольдштейн Р. В., Городцов В. А., Лисовенко Д. С., "Изменчивость коэффициента Пуассона для гексагональных кристаллов под давлением", Труды МАИ, 2016, № 87, 1-22
- Векилов Ю. Х., Красильников О. М., Луговской А. В., "Упругие свойства твердых тел при высоких давлениях", УФН, 185:11 (2015), 1215-1224
- Хохлов А. В., "Моделирование зависимости кривых ползучести при растяжении и коэффициента Пуассона реономных материалов от гидростатического давления с помощью нелинейно-наследственного соотношения Работнова", Мех. композ. матер. констр., 24:3 (2018), 407-436
- Хохлов А. В., "Характерные особенности семейств кривых деформирования линейных моделей вязкоупругости", Проблемы прочности и пластичности, 77:2 (2015), 139-154
- Хохлов А. В., "Анализ свойств кривых ползучести с произвольной начальной стадией нагружения, порождаемых линейной теорией наследственности", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 22:1 (2018), 65-95
- Хохлов А. В., "Анализ общих свойств кривых ползучести при циклических ступенчатых нагружениях, порождаемых линейной теорией наследственности", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 21:2 (2017), 326-361
- Хохлов А. В., "Двусторонние оценки для функции релаксации линейной теории наследственности через кривые релаксации при ramp-деформировании и методики ее идентификации", Изв. РАН. МТТ, 2018, № 3, 81-104
- Хохлов А. В., "Анализ возможностей описания влияния гидростатического давления на кривые ползучести при растяжении и коэффициент Пуассона реономных материалов в рамках линейной теории вязкоупругости", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 23:2 (2019), 304-340
- Хохлов А. В., "Асимптотика кривых ползучести, порождeнных нелинейной теорией наследственности Работнова при кусочно-постоянных нагружениях, и условия затухания памяти", Вестник Московского университета. Математика. Механика, 2017, № 5, 26-31
- Хохлов А. В., "Анализ свойств кривых релаксации с начальной стадией ramp-деформирования, порождаемых нелинейной теорией наследственности Работнова", Мех. композ. матер., 54:4 (2018), 687-708
- Хохлов А. В., "Индикаторы неприменимости линейной теории вязкоупругости по данным испытаний материала на ползучесть при растяжении с наложением гидростатического давления", Мех. композ. матер. констр., 25:2 (2019), 259-280
- Хохлов А. В., "Свойства семейства диаграмм деформирования, порождаемых нелинейным соотношением Работнова для вязкоупругопластичных материалов", Изв. РАН. МТТ, 2019, № 2, 29-47
- Работнов Ю. Н., "Равновесие упругой среды с последействием", ПММ, 12:1 (1948), 53-62
- Работнов Ю. Н., Ползучесть элементов конструкций, Наука, М., 1966, 752 с.
Supplementary files

