哈物ABS的應力疲勞性能與交變應力頻率的關系王轉【摘要】在疲勞實驗的基礎上研究聚合物ABS在不同頻率的對稱循環交變應力作用下的應力疲勞性能，并給出ABS的有限疲勞壽命(Nf=5x105)的疲勞強度與交變應力頻率的關系.【期刊名稱】《貴州大學學報(自然科學版)》【年(卷)，期】2013(030)004【總頁數】5頁(P114-118)【關鍵詞】聚合物;疲勞性能;疲勞曲線;交變應力頻率【作者】王轉【作者單位】貴州交通職業技術學院建筑工程系貴州貴陽550008【正文語種】中文【中圖分類】TU502.6材料疲勞問題的研究至今已有160余年的歷史，關于疲勞的研究對象的文獻主要集中在金屬材料領域，關于高分子聚合物材料疲勞性能研究較少。而高分子聚合物材料作為重要的工程材料之一，隨著材料科學的迅速發展，已經不僅僅只是作為裝飾材料和填充輔助材料，而且作為受力構件的制造材料，在工程領域中得到越來越廣泛的應用。用聚合物材料制成的受力構件，其破壞模式呈現多樣性，一個重要破壞現象就是疲勞破壞。聚合物材料的疲勞性能研究對這類材料的工程應用以及對這類材料制成的結構構件的力學性能評價都具有明顯的重要意義。1試樣制備及試驗方案試驗材料為聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS).試樣采用注塑成型的方法制備。試件的形狀與尺寸滿足國家標準《塑料拉伸實驗方法》(GB/T1040-92)中的I形試樣要求。試驗在貴州大學力學實驗室的CSS-280H-100電伺液壓疲勞試驗機上進行，載荷精度0.2%，試驗溫度20±2°C.試驗分為兩部分：第一部分:測定ABS試件在不同頻率不同應力幅的對稱循環交變應力作用下的疲勞壽命。第二部分:用升降法測定ABS試件在不同頻率的對稱循環交變應力作用下有限疲勞壽命為5x105時的疲勞強度。ABS試件在不同頻率不同應力幅的對稱循環交變應力作用下的疲勞壽命試驗選取的對稱循環交變應力頻率有8個，分別為25、20、18、15、13、10、8和5Hz.對應每一個頻率，試樣分為6組，每組試樣對應交變載荷的一個應力幅值，分別為27.5、25.0、20.0、18.0、16.0、14.0MPa.每組試樣仍取3-4個試件，測定每個試件的疲勞壽命，然后取平均值，作為該頻率下該應力幅(Sa)對應的疲勞壽命(Nf)。試驗結果見表1.表1ABS試件在不同頻率不同應力幅的對稱循環交變應力作用下的疲勞壽命frequency(Hz)Stress(MPa)2520181527.533223037322135962543875249544842572012530145381450111579183802321295250352595416562294639467445396241414684892997132100120091續表1frequency(Hz)Stress(MPa)13108527.5306026892468278725502350024563296520148671446813745109811830603260602552527324165370944171340092447814906378068487482877531.2用升降法測定ABS試件在不同頻率交變應力作用下的疲勞強度用升降法測定ABS的疲勞強度時，交變應力頻率取3個，25Hz、20Hz和18Hz，規定有限疲勞壽命為5x105,相鄰應力幅值的差值為0.25MPa，試件數量不小于13個，試驗結果見圖1和表2.表2ABS試件在不同頻率交變應力作用下的疲勞強度(升降法測定值frequencyf(Hz)182025fatiguestrengthSa(MPa)(Nf=5x105)12.37512.37512.3672結果與討論根據ABS在不同頻率的對稱循環交變應力作用下的有限疲勞壽命的疲勞強度的試驗結果，分析其應力疲勞性能與交變應力頻率的關系。ABS在不同頻率的對稱循環交變應力作用下的應力疲勞公式和應力疲勞曲線按照疲勞缺口系數Kf確定方法的研究擬合應力疲勞公式的方法，對表1的試驗數據進行分析處理，其中應力疲勞公式中的應力疲勞抗力指數根據文獻［10］的相關結果，取為-2.由表1的試驗結果擬合出8個頻率的對稱循環交變應力作用下的聚合物ABS的應力疲勞公式：頻率為5Hz的應力疲勞公式：頻率為8Hz的應力疲勞公式：頻率為10Hz的應力疲勞公式：頻率為13Hz的應力疲勞公式：頻率為15Hz的應力疲勞公式:頻率為18Hz的應力疲勞公式：頻率為20Hz的應力疲勞公式：頻率為25Hz的應力疲勞公式：相應這8個頻率的ABS應力疲勞曲線見圖2.由圖可見，這些擬合的S-N曲線與表1列出的疲勞壽命實測數據點的符合程度都是比較好的。ABS的有限疲勞壽命的疲勞強度與交變應力頻率的關系根據ABS不同頻率的應力疲勞公式(1)-(8)式以及相應的應力疲勞曲線，計算當有限疲勞壽命Nf=5x105時的疲勞強度值，結果列入表3.為檢驗其結果，表中亦列入由升降法測定的相應疲勞強度值，并計算出相應的誤差以資比較。由表3可見，由應力疲勞曲線計算的疲勞強度與由升降法測定的相應疲勞強度是可以相互驗證的，它們之間的誤差不超過7%.由表3，就升降法測定的疲勞強度而言，它們顯然與交變應力的頻率無關。就應力疲勞曲線計算的疲勞強度而言，當交變應力的頻率從5Hz變動到25Hz時，相應的疲勞強度在12.28MPa到13.16MPa之間波動，它們的最大差值0.88MPa,約為其平均值(12.62MPa)的6.97%.考慮到疲勞實驗數據的分散性和實驗誤差，可以認為在本文實驗所涉及的頻率范圍內，交變應力頻率對ABS的有限疲勞壽命的疲勞強度沒有影響(圖3).圖2ABS在不同頻率的對稱循環交變應力作用下的S-N擬合曲線3結論用升降法測定了聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)在18、20、25Hz的對稱循環交變應力作用下有限疲勞壽命為5x105時的疲勞強度為12.375、12.375、12.367MPa,其平均值為12.372MPa，疲勞強度測定值與平均值的最大差值為0.005MPa，約為平均值的0.04%.表3ABS在不同頻率對稱循環交變應力下有限疲勞壽命(Nf=5x105)的疲勞強度frequencyf18Hz20Hz25HzfatiguestrengthSa(MPa)(Calculationofstressfatiguecurve)13.0012.4213.16fatiguestrengthSa(MPa)(Determinationofthevalueoftheup-and-downmethod)12.37512.37512.367error(%)5.050.366.4圖3ABS疲勞強度(規定疲勞壽命Nf=5x105)與交變應力頻率的關系圖實驗測定了聚合物ABS在交變載荷頻率從5Hz到25Hz范圍內共8個頻率的交變載荷作用下對應6個不同應力幅的疲勞壽命，并擬合出相應的應力疲勞公式及S-N曲線，計算出有限疲勞壽命為5x105時的相應疲勞強度，其平均值為12.62MPa，各疲勞強度計算值與平均值的最大差值為0.54MPa，約為平均值的4.3%.根據升降法和擬合S-N曲線法的結果，考慮到疲勞實驗數據的分散性和實驗誤差，在本文實驗所涉及的頻率范圍內，交變載荷頻率對ABS的有限疲勞壽命的疲勞強度沒有影響。⑷由升降法和擬合S-N曲線法兩種方法求出的聚合物ABS的有限疲勞壽命為5x105時的疲勞強度很接近，其平均值之間的誤差僅約2%.參考文獻：[1]武艷霞，陳維毅高分子材料研究進展[J].太原理工大學學報，2005,36(6):42-45.[2]王從曾.材料性能學[M].北京:北京工業大學出版社，2001.[3]何其笙.高聚物的力學性能[M].合肥:中國科學技術大學出版社，1996.[4]馮力軍.聚甲基丙烯酸甲酯疲勞裂紋擴展的研究[J].高分子材料科學與工程，2000,16(6):121-123.[5]許鳳和.高分子材料力學實驗[M].北京:科學出版社，1988.[6]S.Suresh.材料的疲勞[M].國防工業出版社，1993.10.[7]程育仁.疲勞強度[M].中國鐵道出版社，1990.11.[8]陳耀明.評價及估算切口疲勞強度的新方法[M].北京:航空工業出版社，20.[9]王轉，蔡長安.苯乙烯-丁二烯-丙烯腈在對稱循環交變應力作用下的應力疲勞曲線擬合[J].貴州科學，2008,26(3):7-9.[10]謝根栓，王茂廷.疲勞缺口系數Kf確定方法的研究[J].力學與實踐，1991,13(2):22-25.[11]MeyerRW,PruittIA.Theeffectofcyclictruestrainonthemorphology,structure,andrelaxationbehaviorofultrahighmolecularweightpolyethyl