评估因疲劳载荷和生产缺陷导致的聚合物强度和耐久性损失

关键词：疲劳测试、拉伸强度、耐久性、ElectroForce、聚合物疲劳

EF038-CN

摘要

P聚合物对循环载荷高度敏感，其疲劳强度通常远低于测量的拉伸强度。尽管如此，在材料选择中常常忽视疲劳测试。NORYL™ 731 样品采用单浇口和双浇口设计注塑成型，以研究生产缺陷的影响，研究中使用熔合纹作为代表性缺陷。拉伸测试表明，对于双浇口样品，熔合纹不影响模量，可轻度影响极限拉伸强度 (UTS)，但双断裂伸长率明显降低。疲劳测试表明，两种样品间的强度存在显著差异：单浇口样品在其极限强度的 50% 下可达到 30,000 次循环，而双浇口样品在此应力水平下仅达到 6,000 次循环。

引言

机械强度通常是材料选择中的关键设计参数，但对于需承受循环应力（包括振动）的零件，还必须考虑耐久性。疲劳是聚合物零件的主要失效机制之一 [1]； 即使在中度偏低的应力下，聚合物的疲劳寿命也会相对较低，从而导致部件失效。如果零件在设计周期后期或产品上市后出现故障，则需要花费大量的时间和金钱，而在设计过程中及早识别和消除疲劳故障并对疲劳寿命进行早期筛查则可以降低成本 [2]。

聚合物的耐久性受多种因素影响，包括分子结构、温度效应和零件设计中的应力集中 [2] [3]。此外，在零件生产过程中，可能会产生熔合纹、空隙和内应力。它们会影响疲劳性能，但不一定是标准数据表中报告的参数（如模量或拉伸强度）。在材料选择和验证过程中，评估存在生产缺陷时材料强度和耐久性的损失是一个重要步骤。

本说明通过评估带有和不带有熔合纹的 NORYL 731 样品来说明疲劳测试的重要性。本研究测量了零件的机械强度和耐久性，研究结果显示了循环载荷造成的强度损失，以及生产条件如何进一步加剧该损失。

实验

NORYL 731 聚苯醚 (PPE) + 聚苯乙烯 (PS) 被注塑成型为 ASTM D638-22 I 型狗骨 [5]。其中一组样品被制成单浇口样品，整个部件具有一致的特性；第二类样品采用双浇口工艺制成，在浇口部分的中心形成一条熔合纹。单浇口和双浇口零件的示例如图 1 所示。

拉伸测试根据 ASTM D638-22 进行，速率为 2 英寸/分钟（50.8 毫米/分钟）。对每种样品类型进行五次拉伸测试。使用 TA Instruments™ ElectroForce™ 3330 测试仪进行疲劳测试，如图 2 所示。样品在 5 Hz 的张力-张力下进行测试，测试周期为最大载荷的 100% 至 10% (R=0.1)。在样品上轻轻吹扫压缩空气，以确保材料的自热不会使温度升高并影响测试结果。在整个测试过程中对样品温度进行监测。

Figure 1. Mold filling simulation of molding single and dual gate sample geometries. Color gradients represent fill time, the time taken to flow material to part during molding.
Figure 1. Mold filling simulation of molding single and dual gate sample geometries. Color gradients represent fill time, the time taken to flow material to part during molding.
Figure 2. ElectroForce 3330 test instrument used for fatigue testing of samples
Figure 2. ElectroForce 3330 test instrument used for fatigue testing of samples

结果和讨论

拉伸测试结果如表 1 所示，其中报告了五次测试的平均值和标准差。两种样品的模量变化极小。与单浇口样品相比，双浇口样品的拉伸强度轻度降低，断裂伸长率显著降低。

较低的断裂伸长率表明延展性已经丧失，图 3 所示的拉伸曲线可看出样品行为的差异。双浇口样品所表现出的延展性损失将影响耐久性，尽管从该测试中还无法获知所受影响的严重程度。

疲劳测试显示，单浇口和双浇口样品的寿命显著缩短。图 4 是 S-N 曲线，绘制了应力 (S) 与循环次数 (N) 的关系，并显示了单浇口样品（蓝色）和双浇口样品（橙色）的疲劳寿命。随着疲劳应力的增加，材料寿命显著降低，对于双浇口样品而言尤其如此。在相同的应力水平下，双浇口样品的疲劳寿命约为单浇口样品的 6-18%。

从 S-N 曲线来看，单浇口样品在 50% UTS 加载下可达到 30,000 次循环，而双浇口样品仅达到 6,000 次循环。相比之下，金属的疲劳寿命通常要高出几个数量级；50% UTS 的疲劳应力会导致数百万次的循环寿命，有时甚至接近无限寿命极限。

表 1. 拉伸测试结果*

模量 (MPa) 拉伸强度 (MPa) 断裂应力 (MPa) 断裂伸长率 (%)
单浇口 2330.4 ± 21.4 52.6 ± 0.2 47.3 ± 0.2 29.49 ± 2.74
双浇口 2289.5 ± 7.3 44.1 ± 0.1 44.1 ± 0.1 2.29 ± 0.01
差异 (%) 2% 16% 7% 92%

*由 Madison Group 提供

Figure 3. Tensile curves of single gate and dual gate samples
Figure 3. Tensile curves of single gate and dual gate samples
Figure 4. S-N curves of single and dual gate samples. Testing courtesy of Kameron Brown and Tim Dwyer at TA Instruments
Figure 4. S-N curves of single and dual gate samples. Testing courtesy of Kameron Brown and Tim Dwyer at TA Instruments

结论

尽管许多零件都会经历反复加载，而且聚合物的疲劳强度远低于拉伸强度，但数据表通常不会报告材料的疲劳强度数据。对单浇口和双浇口 NORYL 731 样品进行了拉伸和疲劳测试，结果表明，熔合纹对零件的模量和拉伸强度影响很小，但会显著影响零件的疲劳寿命和延展性。应用 ElectroForce 3300 测试仪进行的测试表明，双浇口熔合样品的疲劳寿命是单浇口样品的 6-18%。单浇口样品在 UTS 50% 的应力水平下可达到 3 万个循环，而双浇口样品在该应力水平下仅达到 6 千个循环。除熔合纹等生产缺陷外，聚合物疲劳还可能受到温度和成型条件等多种因素的影响。在材料选择和产品研发过程中尽早纳入疲劳测试，可避免因最新的研发变化而导致的产品故障和高成本。

参考文献

  1. J. A. Jansen, “Webinar: “Fatigue of Plastic Materials”,” Society of Plastics Engineers, 2016.
  2. B. Davis, P. Gramann and A. Rios, “Using Computer-Aided Engineering to Design Better Thermoset Composite Parts,” in Automotive Composites Conference and Expositions, 2002, 2002.
  3. T. H. Courtney, Mechanical Behavior of Materials, Long Grove, Illinois: Waveland Press, 2005.
  4. M. Eftekhari and A. Fatemi, “On the strengthening effect of increasing cycling frequency on fatigue behavior of some polymers and their composites: Experiments and modeling,” International Journal of Fatigue, vol. 87, pp. 153-166, 2016.
  5. ASTM International, “ASTM D638-22 Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics,” ASTM International, Conshohocken, PA USA, 2022.

致谢

本工作是与 Madison Group 聚合物加工研究公司 (The Madison Group) 合作完成的。

本文由 TA Instruments 的 Jennifer Vail 博士、Andy Simon 以及 Madison Group 的 Jeffrey A. Jansen 撰写。

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