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聚丙烯（PP）具有質(zhì)輕、性能優(yōu)良、耐腐蝕和易成形加工等優(yōu)點，其優(yōu)越性在于不僅能代替熱固性塑料和金屬，還能代替其他熱塑性塑料，玻纖增強(qiáng)的聚丙烯材料可使原有材料的韌性、剛性以及耐久性得到大幅度的提升，在汽車、家電、電動工具等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。如美國Solar公司用Ferro公司的玻璃增強(qiáng)PP制造家用除草機(jī)外殼等。

較多學(xué)者在制備工藝、配方改性及常規(guī)力學(xué)性能上的研究成果顯著，但在長期的機(jī)械可靠性方面的關(guān)注較少，無法滿足實際的工程應(yīng)用需求。筆者對長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料（PP-LGF40）進(jìn)行不同取向上的力學(xué)性能測試，研究機(jī)械可靠性：疲勞性能的各向異性行為，探究纖維增強(qiáng)聚丙烯材料的疲勞和性能與纖維取向、溫度、載荷等因素之間的關(guān)系，為工程應(yīng)用和各向異性疲勞本構(gòu)模型提供指導(dǎo)。

1、長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料疲勞性能各向異性行為

圖1 長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料常溫疲勞S-N曲線

Fig 1 Fatigue S-N curve of long glass fiber reinforced polypropylene material at room temperature

對不同方向的樣條進(jìn)行尺寸測量，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 13003-2003進(jìn)行疲勞性能測試，選取拉伸強(qiáng)度的50%-90%范圍內(nèi)作為最大應(yīng)力水平，每個應(yīng)力水平測試2個平行樣，應(yīng)力比0.1，頻率10Hz，長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料三個方向在常溫下的疲勞S-N曲線結(jié)果如圖1所示。從結(jié)果可以看出，注塑長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料的疲勞性能依然存在明顯的各向異性，0°、45°、90°方向疲勞性能的整體水平與拉伸強(qiáng)度有著直接性的關(guān)系，因此在同一應(yīng)力水平下，0°、45°、90°方向的疲勞性能逐漸降低；且最大應(yīng)力的對數(shù)與疲勞循環(huán)次數(shù)的對數(shù)呈線性關(guān)系，隨著應(yīng)力水平的降低，疲勞壽命升高，可依據(jù)擬合曲線公式表征長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料0°、45°、90°方向的疲勞壽命，對于指導(dǎo)工程應(yīng)用和產(chǎn)品開發(fā)有重要意義。

在低溫和高溫情況下，注塑長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料的疲勞性能也具有常溫條件下表現(xiàn)的各向異性，結(jié)果如圖2所示。且隨著溫度的升高，疲勞強(qiáng)度整體向下偏移，這與靜態(tài)拉伸強(qiáng)度有著直接性的關(guān)系；低溫和常溫條件下，45°和90°方向疲勞性能表現(xiàn)較一致，與0°方向疲勞性能差異較大；在高溫條件下，各方向間性能的差異性相對減弱，疲勞壽命曲線的差異也出現(xiàn)相對減弱。

差異也出現(xiàn)相對減弱。

圖2 長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料高低溫環(huán)境條件下疲勞S-N曲線

Fig 2 Fatigue S-N curve of long glass fiber reinforced polypropylene material under high and low temperature

圖3長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料疲勞斷口形貌

Fig 3 Fatigue fracture morphology of long glass fiber reinforced polypropylene

對疲勞斷口形貌進(jìn)行觀察（如圖3所示），疲勞斷口在整體上與靜態(tài)拉伸斷口較一致，0°方向斷口呈鋸齒狀，45°和90°方向斷口基本呈平整狀，且與施力方向分別近似呈45°和90°夾角。這說明注塑長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料結(jié)構(gòu)上存在明顯各向異性，在疲勞過程中，0°方向纖維發(fā)生斷裂后引起的裂紋擴(kuò)展和斷裂，部分纖維從基體中拔出；45°和90°方向拉伸主要為基體開裂或基體與玻纖之間的界面開裂所引發(fā)的斷裂，裂紋沿著玻纖取向方向擴(kuò)展和斷裂。且疲勞斷面具有明顯的特征形貌，疲勞裂紋源區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)光亮平整，瞬斷區(qū)高低起伏，與拉伸斷口非常相似。在疲勞過程中，材料表面或內(nèi)部某缺陷處在循環(huán)作用力下形成損傷微裂紋，此微裂紋的尖端銀紋區(qū)應(yīng)力集中效應(yīng)使得此裂紋不斷增大，裂紋端部逐漸鈍化，經(jīng)過一定的累計損傷后鈍化部位破裂形成新的尖端銀紋區(qū)，致使裂紋向前擴(kuò)展，且在此過程中，裂紋兩側(cè)的基體材料不斷擠壓摩擦，形成光亮平整面。當(dāng)微裂紋不斷擴(kuò)展形成宏觀裂紋后，裂紋快速向前擴(kuò)展表現(xiàn)出瞬斷。

2. 結(jié)論

最大應(yīng)力的對數(shù)與疲勞循環(huán)次數(shù)的對數(shù)呈線性關(guān)系，應(yīng)力水平的降低，疲勞壽命升高；機(jī)械可靠性能的變化與靜態(tài)強(qiáng)度性能息息相關(guān)。