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1、第九章 非金属材料及复合材 料的疲劳91 高分子材料的疲劳911 高分子材料的疲劳特点 n在循环应变作用下，聚合物的疲劳总是表现为循环软化。n高分子材料中普遍存在粘滞阻尼效应，在高频率的循环加 载时（一般超过30Hz）能引起滞后升温。在极低的应变速 率和循环频率下可引起聚合物的蠕变。n高分子材料对应变速率的敏感性要比金属高得多。n银纹实际可起到与金属中驻留滑移带相同的作用。分子量 对银纹化和剪切流变都有影响。 912 高分子材料中的疲劳裂纹扩展n在高K水平下，聚合物断裂表面上也出现疲劳 条带，与金属中看到的非常相似。n在较低的K水平下，许多高分子材料呈现现不 连续的增长带（DGSs），它们表面
2、上与疲劳条 带类似。然而，DGBs间距常常大于每循环裂纹 扩展率许多倍，表明裂纹并非每个应循环都向 前进展，而是几十个或几百个循环过后才向前 突进一次。n在聚氯乙烯（PVC）的疲劳中就会出现这种不 连续增长，同时伴随着与裂纹共面的银纹化。 n在一些聚合物中，自由表面萌生的短表 面裂纹以银纹化（与裂纹面一致）和剪 切弯曲（取向45，对裂纹面对称）的复 合形式的前进，使裂纹剖面成希腊字母 形态，称作不连续裂纹扩展。n这种疲劳断裂过程在聚碳酸酯、聚砜、 聚酯碳酸酯共聚物以及聚丙烯酸酯盐共 聚物中都观察到。 nPMMA有机玻璃具有很高的疲劳裂纹扩展速率 ，主要原因是PMMA有机玻璃的弹性模量很低 ，仅
3、有3 GPa左右，比金属的要低12个量级 。n若将所有材料的da/dN表示为K/E的函数，则 图中所有材料疲劳裂纹扩展速率的试验结果均 分布在同一曲线的两侧。n这也表明，PMMA有机玻璃与一些金属材料的 疲劳裂纹扩展遵循共同的机理和规律。 92 陶瓷材料的疲劳n陶瓷材料疲劳的概念，与金属材料的疲劳有所不同。n陶瓷材料的疲劳分为静态疲劳、动态疲劳和循环疲劳 。n陶瓷材料的静态疲劳是在持久载荷的作用下发生的失 效断裂，对应于金属材料中的应力腐蚀和高温蠕变。n陶瓷材料的动态疲劳，是以恒定的速率加载，研究材 料的失效断裂对加载速率的敏感性，类似于金属材料 应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸。n陶瓷材料的循
4、环疲劳，是在循环应力作用下发生的失 效断裂，对应于金属中的疲劳。 921 陶瓷材料的循环疲劳寿命n陶瓷材料循环疲劳的一个主要特点，是疲劳寿 命的试验结果非常分散，最长与最短的疲劳寿 命相差达5-6个数量级。n因此，陶瓷材料循环疲劳寿命的试验结果，必 须进行统计分析。n统计分析表明，陶瓷材料循环疲劳寿命的试验 结果也遵循对数正态分布，与金属材料疲劳寿 命的试验结果遵循相同的分布规律。P-S-N曲线nAl2O3陶瓷具有给定存活率的循环疲劳寿 命曲线与试验结果，如图所示。n可见，随着存活率的提高，循环疲劳寿 命曲线趋于水平。这是不同于金属疲劳 的又一特点。n同时，这也表明，陶瓷材料结构件要达 到高的
5、存活率，恐只能采用无限寿命或 安全寿命设计。 922 陶瓷材料的疲劳裂纹扩展速率n陶瓷材料的疲劳裂纹扩展速率曲线如图 所示。n试验结果表明，无论在循环载荷或静载 荷下，陶瓷材料的完整的裂纹扩展速率 曲线包含三个区：即近门槛区，中部区 或稳态扩展区和快速扩展区。这与金属 的裂纹扩展速率曲线相似曲线的下边界 是门槛值Kth ，上边界是KIC。n陶瓷材料的Kth/KIC的比值很低，只有金属的 十分之一至几十分之一。n因此，陶瓷材料的裂纹扩展曲线非常陡峭。而 且，当K Kth时，裂纹不扩展；若一旦开始 扩展，则裂纹扩展非常之快，比金属的快几个 量级。n降低陶瓷材料裂纹扩展速率的主要措施，是提 高断裂韧
6、性KIC。 n上述陶瓷材料疲劳性能的特点，决定了 陶瓷零部件的疲劳设计思想，应与金属 的有所不同；其原因主要是：陶瓷材料 疲劳寿命的分散性大，若陶瓷零部件的 设计应力高于存活率为99.9%时的疲劳 极限，则陶瓷零部件的疲劳可靠性大大 降低。而且利用裂纹扩展寿命效益有限 ，且风险很大。 93 复合材料的疲劳n材料的疲劳强度低于其静强度。包括金 属、塑料和复合材料在内几乎所有材料 皆如此。n有关复合材料疲劳性能的许多重要方面 已为人们所了解。但是到目前为止尚未 能建立类似金属疲劳那样明确的设计准 则。 931 复合材料的疲劳损伤n与金属材料比较复合材料有以下特点： 复合材料有多种疲劳损伤形式，如界
7、面 脱粘、分层、纤维断裂、空隙增长等， 比金属材料的损伤形式多。932 复合材料疲劳性能特点n复合材料有多种损伤的存在，裂纹起始寿命较短，但 由于增强纤维的牵制，对切口、裂纹和缺陷不敏感， 因此有较大的安全寿命。n金属材料的疲劳破坏往往是突然发生的，复合材料并 非如此，常常难以确认破坏与否，不会发生骤然破坏 。因此，复合材料常以模量下降的百分数作为破坏的 依据。n聚合物复合材料疲劳试验时，温度明显升高，这是由 于材料的导热性差，吸收机械能变为热能，且不易逸 散之故。试样的温度升高会导致材料性能下降。n金属材料屈服现象的存在使其对应变并不敏感。而对 于复合材料，较大的应变将使纤维和基体变形不一致 而引起纤维与基体界面的破坏，形成疲劳源，压缩应 变会使复合材料纵向开裂而提前破坏。所以复合材料 对应变，特别是压缩应变特别敏感。n比循环应力的概念下复合材料的疲劳性能比其它金属 材料更加优越，一般条件下，复合材料的疲劳曲线在 中长寿命范围内较为平坦。n比循环应力是交变载荷最大值除以材料的密度。
