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材料在變動(dòng)的應(yīng)力或應(yīng)變重復(fù)作用下發(fā)生破壞，稱為疲勞破壞或疲勞失效。疲勞破壞是材料最常見的失效方式，約占機(jī)件總失效方式的50%-90%。疲勞裂紋是由反復(fù)施加的載荷引起的，若施加的載荷太小，則不會(huì)導(dǎo)致失效。疲勞裂紋通常從部件表面開始，這是裂紋萌生。然后，裂紋可能沿垂直于正應(yīng)力的方向擴(kuò)展。這是裂紋擴(kuò)展。最后部件可能會(huì)斷裂。

 

下圖展示了疲勞斷裂的三個(gè)階段：

 

 

圖1 疲勞斷裂的三個(gè)階段

 

機(jī)件疲勞失效前的工作時(shí)間稱為疲勞壽命。疲勞斷裂與靜態(tài)作用下的斷裂有所不同，無論何種材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先并無明顯的塑性變形，因此很難事先察覺，具有極大的危險(xiǎn)性。所以對材料疲勞壽命的研究就變得尤為重要。

 

現(xiàn)有疲勞測試標(biāo)準(zhǔn)中大部分都是關(guān)于金屬疲勞試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，針對塑料疲勞測試的標(biāo)準(zhǔn)很少，所以很多金屬的試驗(yàn)方法步驟被用于塑料試驗(yàn)，但是使用時(shí)必須小心，因?yàn)榻饘偈堑妥枘?、高熱傳?dǎo)的材料，而塑料是粘彈性、低熱傳導(dǎo)的材料。

 

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在測試過程中加載頻率，應(yīng)變速率，應(yīng)力比，波形等是影響疲勞壽命的主要因素。對于塑料而言，加載頻率對于疲勞壽命的影響至關(guān)重要，過高會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，過低則明顯地使試驗(yàn)周期延長，因此我們對加載頻率與疲勞壽命的影響規(guī)律展開了研究。

 

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

試驗(yàn)樣品制備

 

樣品按照標(biāo)準(zhǔn)要求注塑成測試樣條。具體尺寸為ISO 527 1A型拉伸樣條。

 

試驗(yàn)條件

 

試驗(yàn)依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，具體條件見表1。

 

表1 試驗(yàn)條件

 

 

結(jié)果與討論

 

疲勞根據(jù)施加應(yīng)力的大小和斷裂時(shí)已循環(huán)周次的高低，結(jié)構(gòu)件的疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。一般而言，斷裂時(shí)已循環(huán)周次小于5*104周次的疲勞稱為低周疲勞，低周疲勞的疲勞壽命較短，斷裂應(yīng)力水平較高；而斷裂時(shí)已循環(huán)周次高于5*104周次的疲勞稱為高周疲勞，高周疲勞的疲勞壽命較長，斷裂應(yīng)力水平較低。

 

本研究中，低周疲勞的應(yīng)力我們選擇的是69MPa，高周疲勞的應(yīng)力我們選擇的是46MPa。

 

加載頻率對低周疲勞壽命的影響

 

加載頻率與低周疲勞壽命的結(jié)果見表2。

 

表2 試驗(yàn)條件

 

 

由表2可知，低周疲勞下試樣溫升隨頻率的增加而增加，而材料循環(huán)次數(shù)隨試樣溫升的增加而降低，循環(huán)次數(shù)隨頻率的增加而降低。這是由于塑料為粘彈性材料，具有較大面積的應(yīng)力滯后性，所以在循環(huán)過程中部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使導(dǎo)熱性差的試樣本身溫度急劇上升，甚至高于熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而產(chǎn)生熱疲勞，而熱疲勞常是聚合物疲勞失效的主要原因。另外在低頻率下，試樣溫度升高可通過熱傳遞與環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡；而高頻率下，由于塑料的不良導(dǎo)熱性，致使內(nèi)部溫度升高不能及時(shí)傳遞，熱能的積累促進(jìn)了熱老化的進(jìn)程和熱降解，必然降低循環(huán)次數(shù)。

 

加載頻率對高周疲勞壽命的影響

 

加載頻率與高周疲勞壽命的結(jié)果見表3。

 

表3 試驗(yàn)條件

 

 

由表3可知，高周疲勞下試樣溫升與頻率的關(guān)系，材料循環(huán)次數(shù)與試樣溫升的關(guān)系，材料循環(huán)次數(shù)與頻率的關(guān)系與低周疲勞的規(guī)律是一致的。但是頻率對高周疲勞的疲勞壽命的影響要明顯高于低周疲勞。高周疲勞的疲勞壽命隨頻率的增加降低很明顯，數(shù)據(jù)間偏離的很嚴(yán)重。這是由于高周疲勞的應(yīng)力低，低頻率下，循環(huán)速率慢，試樣溫度升高有足夠的時(shí)間通過熱傳遞與環(huán)境溫度來達(dá)到熱平衡，這也是為什么高周疲勞下試樣的溫升沒低周疲勞試樣的溫升那么明顯的原因。另外，低周頻率熱疲勞產(chǎn)生的熱量有時(shí)間傳遞，有時(shí)這部分熱量可以用來修補(bǔ)高分子的微結(jié)構(gòu)損傷，使材料結(jié)構(gòu)更縝密，反而提高材料的疲勞性能。

 

低周疲勞和高周疲勞的對比

 

由表2和表3可知，頻率對低周疲勞的影響要明顯高于對高周疲勞的影響，頻率的差異對低周疲勞的疲勞壽命影響還保留在一個(gè)數(shù)量級上，而對于高周疲勞的疲勞壽命的影響已經(jīng)不是在一個(gè)數(shù)量級上的了。筆者認(rèn)為這是由于低周疲勞的應(yīng)力較大，導(dǎo)致材料很短時(shí)間就失效，試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的熱能由于試驗(yàn)時(shí)間短來不及傳遞；而高周疲勞由于應(yīng)力比較小，材料失效的時(shí)間相對會(huì)長一些，試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的熱能由于試驗(yàn)時(shí)間長可以通過熱傳遞與環(huán)境溫度來達(dá)到熱平衡。

 

總結(jié)

 

加載頻率對塑料疲勞壽命的影響：

 

1. 試樣溫升隨頻率的增加而增加，而材料循環(huán)次數(shù)隨試樣溫升的增加而降低，循環(huán)次數(shù)隨頻率的增加而降低；

 

2. 頻率對高周疲勞的影響要高于對低周疲勞的影響；

 

3. 頻率導(dǎo)致試樣發(fā)熱的問題，筆者認(rèn)為可以通過以下一些方法進(jìn)行改善：

 

1） 減少樣品尺寸，將樣品制備的薄一些，有利于散熱，較厚試樣的滯后熱積累較多，會(huì)降低疲勞壽命。

 

2）用空氣或者液體冷卻劑連續(xù)流過試樣以進(jìn)行人工冷卻。但液體冷卻劑不應(yīng)產(chǎn)生如腐蝕、溶解。