引言

材料的力學性能是工程師在選擇材料時的重要參數之一。時至今日，人們對傳統強度(及無缺陷材料在靜載荷作用下的強度)的認識已經相當深刻，工程中強度設計和實踐經驗和積累也十分豐富。但是對于承受循環載荷的結構部件而言，也必須考慮材料的抗疲勞性能和耐久性。疲勞與斷裂是引起工程結構和構件失效的主要的原因之一，即使在中低應力水平的條件下，聚合物材料的疲勞壽命也可能相對較低。從而導致產品失效。在產品設計和選材階段對材料的疲勞壽命進行測試，有助于選擇更加合適的材料，降低研發和生產成本。

聚合物的強度和耐久性受到多種因素的影響，總體來說包括兩類：一類是與材料本身有關的，包括聚合物的化學結構，分子量及其分布，支化和交聯，結晶與取向，增塑劑、共混填料等；另一類是外界條件，如溫度，濕度，氧化老化，應力大小及速度等。此外，在聚合物材料的加工過程中，可能由于某種原因，產生熔接痕，孔隙導致局部應力集中，也會影響材料的機械性能。因此在材料的選擇和驗證過程中，評估這些生產缺陷存在時材料的強度及耐久性是非常重要的一步。

本文通過對采用不同注塑工藝(單澆口和雙澆口)的NORYL 731樣品進行靜態拉伸性、不同應力水平下的疲勞性能，詳細說明在循環應力的作用下，聚合物材料強度的損失以及如何預測其耐久性。

實驗方法

NORYL 731 聚苯醚(PPE)+聚苯乙烯(PS)通過注塑成型成符合ASTM D638-2022的標準I型狗骨狀試樣。一組試樣采用單一澆口成型，另一組采用雙澆口工藝成型，在標距段中心形成熔接痕，詳見圖1。

圖1：單澆口和雙澆口樣品注塑成型模具模擬

靜態拉伸實驗按照ASTM D638-22的標準進行，拉伸速率為5mm/min，每種類型的樣品進行了5次實驗，疲勞試驗的應力水平是zui大載荷的100%-10%（R=0.1），頻率為5Hz。使用圖2所示的全新上市的ElectroForce Apex 1機械性能測試儀來完成這兩部分實驗。同時，在疲勞實驗過程中，使用壓縮空氣吹掃樣品，以確保材料自身發熱導致樣品溫度升高而影響實驗結果，并在整個實驗過程中對樣品進行了溫度監控。

圖2：ElectroForce Apex 1

機械性能測試儀(落地式)

實驗結果與討論

拉伸測試曲線見圖3，測試結果匯總于表1。由測試結果可以看出，采用兩種工藝注塑成型的樣品模量非常接近，但是雙澆口的樣品的抗拉強度有所下降，斷裂伸長率則顯著降低。斷裂伸長率的降低表明材料的韌性及延展性降低。

圖3：拉伸測試曲線

表1：拉伸測試結果匯總

不同應力下疲勞實驗的結果如圖4所示。圖中為疲勞試驗典型的S-N曲線，橫坐標為循環次數，縱坐標為循環載荷的應力水平。從圖中可以看出，單澆口和雙澆口試樣的疲勞壽命存在明顯差異。其中藍色為單澆口試樣，橙色為雙澆口試樣。隨著循環應力水平的增加，二者的疲勞壽命明顯縮短，尤其是雙澆口試樣。在相同的應力水平下，雙澆口試樣的疲勞壽命約為單澆口試樣疲勞壽命的6%-18%。另外，從S-N曲線中還可以看出，在循環應力為50%的材料屈服強度時，單澆口樣品可以承受30000次循環實驗，而雙澆口則僅有6000次的疲勞壽命。

結論

通常情況下，材料在實際工況中所承受的應力水平要遠低于其強度，但是聚合物材料在承受外部循環載荷作用時，都會產生疲勞現象。本文通過對單澆口和雙澆口NORYL 731 樣品進行了靜態拉伸和疲勞測試，結果表明, 不同的注塑工藝對模量和拉伸強度影響不大，但對零件的疲勞壽命和延展性有顯著影響。使用ElectroForce Apex 1對不同試樣進行測試的結果表明：在相同的應力水平下，雙澆口試樣的疲勞壽命約為單澆口試樣疲勞壽命的6%-18%；在循環應力為50%的材料屈服強度時，單澆口樣品可以承受30000次循環實驗，而雙澆口則僅有6000次的疲勞壽命。

所以在實際的聚合物的選擇和加工過程中，除了聚合物本身的結構以及工藝造成的生產缺陷以外，其耐久性還有可能受到溫濕度和實際應力水平等多種因素的影響。工程師在材料的選擇和產品的研發階段引入疲勞測試，有助于避免產品故障和后期開發過程中的材料變更而產生的更高昂的成本。

ElectroForce Apex 1機械性能測試儀可讓科學家、工程師和技術人員在進行簡單的培訓后通過單調加載(或稱拉伸試驗)、疲勞試驗及其他實驗來迅速準確的測試評估材料的力學強度以及疲勞性能，以協助評估不同配方及工藝對產品性能的影響。

致謝

本文由的章曙撰寫。