樹脂基復合材料疲勞測試標準解讀

更新時間：2025-04-08

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隨著以航天航空、汽車、風電為代表的新能源和高級裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，高性能復合材料需求日漸強勁，其動態(tài)疲勞力學性能也得到了極大的關(guān)注。

復合材料試樣

相對于傳統(tǒng)的金屬材料，樹脂基復合材料的疲勞測試既有共同點也有其特別之處，需要額外關(guān)注。國內(nèi)主要采用的測試標準為 GB/T 35465《聚合物基復合材料疲勞性能測試方法》，分為以下6個部分：

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 部分為具體的試驗要求，其中較為常見的是拉-拉疲勞，簡單來說，就是采用正弦波在不同的應(yīng)力/應(yīng)變水平下進行拉-拉疲勞測試，擬合出疲勞壽命曲線。

01 試樣類型

傳統(tǒng)試樣為兩端帶加強片的直條型，近年來由于復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 長夾持面積的液壓夾具，若測試過程中出現(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 個試樣，分成 4 個應(yīng)力（應(yīng)變）水平進行試驗，每組 3 個有效數(shù)據(jù)，應(yīng)力（應(yīng)變）比一般采用 0.1。若夾持端產(chǎn)生破壞則屬于無效試驗，需進行補充試驗。

第一個水平以10⁴循環(huán)次數(shù)為目標；

第二個水平以 10⁵循環(huán)次數(shù)為目標；

第三個水平以 5*10⁵循環(huán)次數(shù)為目標；

第四個水平以 1~2*10⁶循環(huán)次數(shù)為目標。

簡單來說，玻纖增強材料推薦選擇靜態(tài)拉伸強度或失效應(yīng)變的75%、55%、40%、30%進行試驗；碳纖增強材料推薦選擇靜態(tài)拉伸強度或失效應(yīng)變的80%、65%、55%、45%水平進行試驗。

為保證試驗有效性，有以下兩點需要特別關(guān)注：

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

纖維增強復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，因此對加載鏈的對中度提出了很高的要求。

Instron 8800 系列疲勞試驗機在保證較大測試空間以方便操作的同時也提供了更高剛度的機架，避免了試驗過程中由于機架變形對結(jié)果產(chǎn)生的影響。

結(jié)合靜壓的軸承作動器、作動缸防扭轉(zhuǎn)裝置、對中環(huán)、高剛度液壓夾具等設(shè)計，確保系統(tǒng)滿足 ASTM E1012 和 NADCAP AC7122 等標準的 5 級對中度。

實時數(shù)據(jù)顯示

控制溫度變化，試驗過程中監(jiān)測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)重新選擇試驗頻率。

由于疲勞試驗的加載水平和頻率的不同，復材內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)受擠壓的強度和速度也會不同，由此產(chǎn)生的累積熱量不同會使樣品的溫度產(chǎn)生變化。對于熱傳導性好的材料來說影響不大，但對于樹脂基復材來說會對其性能產(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)備也無法消除。

行業(yè)內(nèi)通常采用的 5Hz 試驗頻率，對于低加載水平試驗可行，但對于高載荷水平仍會造成較大的升溫。同時標準允許的 10°C 溫差也會造成材料性能的較大改變。

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

樹脂基復合材料視其最終使用場景有時需要在 -40~200°C 范圍內(nèi)進行中低溫試驗，或兼顧靜態(tài)測試、部件級的測試，又或需要進行多軸試驗、高應(yīng)變速率試驗等。

Instron 測試解決方案

Instron 的電液伺服疲勞試驗系統(tǒng)適用于以上各類如低周和高周疲測試、結(jié)構(gòu)測試及特殊測試，擁有一系列完整的測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)域測試。

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