主题：【原创】非金属材料的高、低周寿命评估，受哪些因素影响？

材料在变动的应力或应变重复作用下发生破坏，称为疲劳破坏或疲劳失效。疲劳破坏是材料最常见的失效方式，约占机件总失效方式的50%-90%。疲劳裂纹是由反复施加的载荷引起的，若施加的载荷太小，则不会导致失效。疲劳裂纹通常从部件表面开始，这是裂纹萌生。然后，裂纹可能沿垂直于正应力的方向扩展。这是裂纹扩展。最后部件可能会断裂。

下图展示了疲劳断裂的三个阶段：

图1 疲劳断裂的三个阶段

机件疲劳失效前的工作时间称为疲劳寿命。疲劳断裂与静态作用下的断裂有所不同，无论何种材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先并无明显的塑性变形，因此很难事先察觉，具有极大的危险性。所以对材料疲劳寿命的研究就变得尤为重要。

现有疲劳测试标准中大部分都是关于金属疲劳试验的标准，针对塑料疲劳测试的标准很少，所以很多金属的试验方法步骤被用于塑料试验，但是使用时必须小心，因为金属是低阻尼、高热传导的材料，而塑料是粘弹性、低热传导的材料。

据文献报道，在测试过程中加载频率，应变速率，应力比，波形等是影响疲劳寿命的主要因素。对于塑料而言，加载频率对于疲劳寿命的影响至关重要，过高会影响试验结果，过低则明显地使试验周期延长，因此国高材分析测试中心，对加载频率与疲劳寿命的影响规律展开了研究。

试验设计

试验样品制备

样品按照标准要求注塑成测试样条。具体尺寸为ISO 527 1A型拉伸样条。

试验样条疲劳寿命测试中

试验条件

试验依据相应标准进行，具体条件见表1。

表1 试验条件

结果与讨论

疲劳根据施加应力的大小和断裂时已循环周次的高低，结构件的疲劳分为高周疲劳和低周疲劳。一般而言，断裂时已循环周次小于5*104周次的疲劳称为低周疲劳，低周疲劳的疲劳寿命较短，断裂应力水平较高；而断裂时已循环周次高于5*104周次的疲劳称为高周疲劳，高周疲劳的疲劳寿命较长，断裂应力水平较低。

本研究中，低周疲劳的应力我们选择的是69MPa，高周疲劳的应力我们选择的是46MPa。

加载频率对低周疲劳寿命的影响

加载频率与低周疲劳寿命的结果见表2。

表2 试验条件

由表2可知，低周疲劳下试样温升随频率的增加而增加，而材料循环次数随试样温升的增加而降低，循环次数随频率的增加而降低。这是由于塑料为粘弹性材料，具有较大面积的应力滞后性，所以在循环过程中部分机械能转化为热能，使导热性差的试样本身温度急剧上升，甚至高于熔点或玻璃化转变温度，从而产生热疲劳，而热疲劳常是聚合物疲劳失效的主要原因。另外在低频率下，试样温度升高可通过热传递与环境温度达到热平衡；而高频率下，由于塑料的不良导热性，致使内部温度升高不能及时传递，热能的积累促进了热老化的进程和热降解，必然降低循环次数。

加载频率对高周疲劳寿命的影响

加载频率与高周疲劳寿命的结果见表3。

表3 试验条件

由表3可知，高周疲劳下试样温升与频率的关系，材料循环次数与试样温升的关系，材料循环次数与频率的关系与低周疲劳的规律是一致的。但是频率对高周疲劳的疲劳寿命的影响要明显高于低周疲劳。高周疲劳的疲劳寿命随频率的增加降低很明显，数据间偏离的很严重。这是由于高周疲劳的应力低，低频率下，循环速率慢，试样温度升高有足够的时间通过热传递与环境温度来达到热平衡，这也是为什么高周疲劳下试样的温升没低周疲劳试样的温升那么明显的原因。另外，低周频率热疲劳产生的热量有时间传递，有时这部分热量可以用来修补高分子的微结构损伤，使材料结构更缜密，反而提高材料的疲劳性能。

低周疲劳和高周疲劳的对比

由表2和表3可知，频率对低周疲劳的影响要明显高于对高周疲劳的影响，频率的差异对低周疲劳的疲劳寿命影响还保留在一个数量级上，而对于高周疲劳的疲劳寿命的影响已经不是在一个数量级上的了。笔者认为这是由于低周疲劳的应力较大，导致材料很短时间就失效，试验过程中产生的热能由于试验时间短来不及传递；而高周疲劳由于应力比较小，材料失效的时间相对会长一些，试验过程中产生的热能由于试验时间长可以通过热传递与环境温度来达到热平衡。

总结

加载频率对塑料疲劳寿命的影响：

1. 试样温升随频率的增加而增加，而材料循环次数随试样温升的增加而降低，循环次数随频率的增加而降低；

2. 频率对高周疲劳的影响要高于对低周疲劳的影响；

3. 频率导致试样发热的问题，笔者认为可以通过以下一些方法进行改善：

1） 减少样品尺寸，将样品制备的薄一些，有利于散热，较厚试样的滞后热积累较多，会降低疲劳寿命。

2）用空气或者液体冷却剂连续流过试样以进行人工冷却。但液体冷却剂不应产生如腐蚀、溶解。

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