高分子材料疲劳裂纹扩展行为测试与表征

高分子材料的疲劳裂纹扩展测试，是评估其在循环载荷作用下抵抗裂纹扩展能力的关键手段，广泛应用于材料筛选、寿命预测和结构安全设计。以下是测试的核心内容整理：

一、测试目的

- 测定材料在交变应力下的裂纹扩展速率（da/dN）；

- 获取裂纹扩展参数（如Paris公式中的C、m）；

- 评估材料的损伤容限性能，用于寿命预测与结构设计。

二、标准方法

目前主要参考以下标准：

- GB/T 6398-2017：金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法（适用于部分高分子及其复合材料）；

- GB/T 35465 系列：聚合物基复合材料疲劳性能测试方法，涵盖拉-拉、拉-压、弯曲等疲劳模式；

- ISO 12108:2018：金属材料疲劳裂纹扩展法，部分适用于增强型高分子材料；

- CSN 64 0618-1975：塑料疲劳测试方法，适用于基础塑料材料。

三、试样制备与预制裂纹

- 试样通常采用紧凑拉伸（CT）或三点弯曲（SEB）形式；

- 在缺口根部通过循环加载预制疲劳裂纹，确保裂纹自然扩展，形成真实疲劳前沿。

四、测试系统与加载方式

- 设备：电液伺服疲劳试验机、高频疲劳试验机；

- 加载方式：恒幅载荷控制（力控或位移控），常用正弦波；

- 环境控制：可选高温、湿度、腐蚀介质等环境，模拟服役条件；

- 频率选择：避免过热或频率效应，通常0.1–10 Hz。

五、裂纹长度监测方法

六、应用场景

1. 寿命预测：结合初始缺陷尺寸与载荷谱，积分Paris公式预测剩余寿命；

2. 材料比对：评估不同高分子材料或改性方案对裂纹扩展抗力的影响；

3. 环境影响评估：测试在高温、湿热、腐蚀介质等条件下的裂纹扩展行为；

4. 结构安全设计：为损伤容限设计提供实验依据，制定检修周期。

七、注意事项

- 高分子材料具有黏弹性，频率、温度、湿度对结果影响显著；

- 增强型高分子（如CFRP、GFRP）需考虑纤维方向、界面结合等因素；

- 裂纹路径可能受填料、界面、取向等影响，需结合断口分析（SEM）判断失效机制。