高分子材料疲勞裂紋擴展行為測試與表征

高分子材料的疲勞裂紋擴展測試，是評估其在循環載荷作用下抵抗裂紋擴展能力的關鍵手段，廣泛應用于材料篩選、壽命預測和結構安全設計。以下是測試的核心內容整理：

一、測試目的

- 測定材料在交變應力下的裂紋擴展速率（da/dN）；

- 獲取裂紋擴展參數（如Paris公式中的C、m）；

- 評估材料的損傷容限性能，用于壽命預測與結構設計。

二、標準方法

目前主要參考以下標準：

- GB/T 6398-2017：金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法（適用于部分高分子及其復合材料）；

- GB/T 35465 系列：聚合物基復合材料疲勞性能測試方法，涵蓋拉-拉、拉-壓、彎曲等疲勞模式；

- ISO 12108:2018：金屬材料疲勞裂紋擴展法，部分適用于增強型高分子材料；

- CSN 64 0618-1975：塑料疲勞測試方法，適用于基礎塑料材料。

三、試樣制備與預制裂紋

- 試樣通常采用緊湊拉伸（CT）或三點彎曲（SEB）形式；

- 在缺口根部通過循環加載預制疲勞裂紋，確保裂紋自然擴展，形成真實疲勞前沿。

四、測試系統與加載方式

- 設備：電液伺服疲勞試驗機、高頻疲勞試驗機；

- 加載方式：恒幅載荷控制（力控或位移控），常用正弦波；

- 環境控制：可選高溫、濕度、腐蝕介質等環境，模擬服役條件；

- 頻率選擇：避免過熱或頻率效應，通常0.1–10 Hz。

五、裂紋長度監測方法

六、應用場景

1. 壽命預測：結合初始缺陷尺寸與載荷譜，積分Paris公式預測剩余壽命；

2. 材料比對：評估不同高分子材料或改性方案對裂紋擴展抗力的影響；

3. 環境影響評估：測試在高溫、濕熱、腐蝕介質等條件下的裂紋擴展行為；

4. 結構安全設計：為損傷容限設計提供實驗依據，制定檢修周期。

七、注意事項

- 高分子材料具有黏彈性，頻率、溫度、濕度對結果影響顯著；

- 增強型高分子（如CFRP、GFRP）需考慮纖維方向、界面結合等因素；

- 裂紋路徑可能受填料、界面、取向等影響，需結合斷口分析（SEM）判斷失效機制。