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樹脂基復(fù)合材料疲勞測試標(biāo)準(zhǔn)解讀
隨著以航天航空、汽車、風(fēng)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(fù)合材料需求日漸強(qiáng)勁，其動態(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
相對于傳統(tǒng)的金屬材料，樹脂基復(fù)合材料的疲勞測試既有共同點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 35465《聚合物基復(fù)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(jìn)行拉-拉疲勞測試，擬合出疲勞壽命曲線。
傳統(tǒng)試樣為兩端帶加強(qiáng)片的直條型，近年來由于復(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。
選取至少 12 個試樣，分成 4 個應(yīng)力（應(yīng)變）水平進(jìn)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(jìn)行補(bǔ)充試驗。
第一個水平以104循環(huán)次數(shù)為目標(biāo)；
第二個水平 以 105循環(huán)次數(shù)為目標(biāo)；
第三個水平以 5*105循環(huán)次數(shù)為目標(biāo)；
第四個水平以 1~2*106循環(huán)次數(shù)為目標(biāo)。
簡單來說，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；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。
為保證試驗有效性，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，因此對加載鏈的對中度提出了很高的要求。
Instron 8800 系列疲勞試驗機(jī)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(jī)架，避免了試驗過程中由于機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的 5 級對中度。
實(shí)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(fù)材內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)受擠壓的強(qiáng)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(dǎo)性好的材料來說影響不大，但對于樹脂基復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(fù)合材料視其最終使用場景有時需要在 -40~200°C 范圍內(nèi)進(jìn)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(jìn)行多軸試驗、高應(yīng)變速率試驗等。
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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