樹脂基復(fù)合材料疲勞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)解讀

更新時(shí)間：2025-04-08

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隨著以航天航空、汽車、風(fēng)電為代表的新能源和高級(jí)裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，高性能復(fù)合材料需求日漸強(qiáng)勁，其動(dòng)態(tài)疲勞力學(xué)性能也得到了極大的關(guān)注。

復(fù)合材料試樣

相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬材料，樹脂基復(fù)合材料的疲勞測(cè)試既有共同點(diǎn)也有其特別之處，需要額外關(guān)注。國(guó)內(nèi)主要采用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 35465《聚合物基復(fù)合材料疲勞性能測(cè)試方法》，分為以下6個(gè)部分：

第1部分：通則
第2部分：線性或線性化應(yīng)力壽命 (S-N) 和應(yīng)變壽命 (ε-N) 疲勞數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析
第3部分：拉-拉疲勞
第4部分：拉-壓和壓-壓疲勞
第5部分：彎曲疲勞
第6部分：膠粘劑拉伸剪切疲勞

第 3-6 部分為具體的試驗(yàn)要求，其中較為常見的是拉-拉疲勞，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是采用正弦波在不同的應(yīng)力/應(yīng)變水平下進(jìn)行拉-拉疲勞測(cè)試，擬合出疲勞壽命曲線。

01 試樣類型

傳統(tǒng)試樣為兩端帶加強(qiáng)片的直條型，近年來(lái)由于復(fù)材成型工藝的不同又發(fā)展出啞鈴型、四面加工型等試樣類型。

建議采用不小于 50mm 寬 75mm 長(zhǎng)夾持面積的液壓夾具，若測(cè)試過程中出現(xiàn)失穩(wěn)情況，則需采用防失穩(wěn)工裝。

02 試樣控制

選取至少 12 個(gè)試樣，分成 4 個(gè)應(yīng)力（應(yīng)變）水平進(jìn)行試驗(yàn)，每組 3 個(gè)有效數(shù)據(jù)，應(yīng)力（應(yīng)變）比一般采用 0.1。若夾持端產(chǎn)生破壞則屬于無(wú)效試驗(yàn)，需進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)。

第一個(gè)水平以10⁴循環(huán)次數(shù)為目標(biāo)；

第二個(gè)水平以 10⁵循環(huán)次數(shù)為目標(biāo)；

第三個(gè)水平以 5*10⁵循環(huán)次數(shù)為目標(biāo)；

第四個(gè)水平以 1~2*10⁶循環(huán)次數(shù)為目標(biāo)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，玻纖增強(qiáng)材料推薦選擇靜態(tài)拉伸強(qiáng)度或失效應(yīng)變的75%、55%、40%、30%進(jìn)行試驗(yàn)；碳纖增強(qiáng)材料推薦選擇靜態(tài)拉伸強(qiáng)度或失效應(yīng)變的80%、65%、55%、45%水平進(jìn)行試驗(yàn)。

為保證試驗(yàn)有效性，有以下兩點(diǎn)需要特別關(guān)注：

參照 JJG 556 的疲勞試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程，同軸度一般要求滿足 5%。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于纖維排列方向的不同，表現(xiàn)出明顯的各向異性，因此對(duì)加載鏈的對(duì)中度提出了很高的要求。

Instron 8800 系列疲勞試驗(yàn)機(jī)在保證較大測(cè)試空間以方便操作的同時(shí)也提供了更高剛度的機(jī)架，避免了試驗(yàn)過程中由于機(jī)架變形對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響。

結(jié)合靜壓的軸承作動(dòng)器、作動(dòng)缸防扭轉(zhuǎn)裝置、對(duì)中環(huán)、高剛度液壓夾具等設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)滿足 ASTM E1012 和 NADCAP AC7122 等標(biāo)準(zhǔn)的 5 級(jí)對(duì)中度。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

控制溫度變化，試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)試樣表面溫度并記錄，若試樣溫度變化超過10°C，啟用散熱裝置；若散熱裝置不能降低試樣的溫度，應(yīng)重新選擇試驗(yàn)頻率。

由于疲勞試驗(yàn)的加載水平和頻率的不同，復(fù)材內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)受擠壓的強(qiáng)度和速度也會(huì)不同，由此產(chǎn)生的累積熱量不同會(huì)使樣品的溫度產(chǎn)生變化。對(duì)于熱傳導(dǎo)性好的材料來(lái)說(shuō)影響不大，但對(duì)于樹脂基復(fù)材來(lái)說(shuō)會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生較大影響。而且由于該熱量是材料內(nèi)部產(chǎn)生的，采用溫度箱之類的輔助設(shè)備也無(wú)法消除。

行業(yè)內(nèi)通常采用的 5Hz 試驗(yàn)頻率，對(duì)于低加載水平試驗(yàn)可行，但對(duì)于高載荷水平仍會(huì)造成較大的升溫。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)允許的 10°C 溫差也會(huì)造成材料性能的較大改變。

USB 熱電偶輸入（4通道）

Instron 的樣品溫度自適應(yīng)控制技術(shù)，可將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的樣品溫度作為試驗(yàn)頻率的反饋信號(hào)，在容差范圍內(nèi)提高測(cè)試頻率，超出容差范圍則降低頻率，從而在提高整體測(cè)試效率的同時(shí)大幅減小由于溫差造成的結(jié)果離散性。

樹脂基復(fù)合材料視其最終使用場(chǎng)景有時(shí)需要在 -40~200°C 范圍內(nèi)進(jìn)行中低溫試驗(yàn)，或兼顧靜態(tài)測(cè)試、部件級(jí)的測(cè)試，又或需要進(jìn)行多軸試驗(yàn)、高應(yīng)變速率試驗(yàn)等。

Instron 測(cè)試解決方案

Instron 的電液伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)適用于以上各類如低周和高周疲測(cè)試、結(jié)構(gòu)測(cè)試及特殊測(cè)試，擁有一系列完整的測(cè)試解決方案最大軸向載荷范圍為 ±25kN 到 ±5000kN，可廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、汽車零部件等領(lǐng)域測(cè)試。

Instron 高溫、高速拉伸測(cè)試解決方案及 8800MT 控制器

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