高低温环境对材料疲劳性能的影响及计算

通常，塑料在使用温度范围内，温度高低变化会对疲劳强度有一定的影响，但在制品设计时可采用安全系数修正。而当高温接近T_g或0.5T_m时，则要考虑高温疲劳的特殊性，因为此时会出现蠕变疲劳组成的复合的疲劳现象，称其为高温疲劳。

塑件在低温下，常规的疲劳强度比室温时高，但当接近脆化温度时，材料的脆性变形成分增加，而且制品上的缺口、裂纹等缺陷在循环应力作用下会产生局部应力集中，导致脆性断裂，所以此时也不同于常规疲劳。

因此，制品在上述高温及低温条件下承受循环应力作用时，其疲劳性能不同于室温状态。

1.高温疲劳性能

当温度升高出现蠕变与机械疲劳的复合疲劳现象时，材料的静载强度，如拉伸强度、屈服强度都会下降，伸长率及断面收缩率增大，疲劳强度下降，蠕变速率变快，蠕变量增大，S-N曲线斜率增大，持久极限下降，温度越高下降得越快。

（1）影响高温疲劳性能的因素 影响高温疲劳性能的因素主要体现在如下两个方面：

1）材料性能。耐热性好、结晶度高、交联结构、高相对分子质量、高强度刚性的塑料，以及抗蠕变、抗疲劳性好的塑料，抗高温疲劳性好。

2）循环应力及温度。应力幅值大，作用时间长，频率较低会形成热疲劳、塑性变形及蠕变疲劳，但频率高时则会使材料脆性成分增加，加速裂纹扩展，降低疲劳极限。

温度高低对抗高温疲劳性能有很大的影响，高温会加速循环应力的破坏作用，同时会引发应力集中，降低疲劳极限。

（2）高温疲劳计算 高温疲劳性能也可用高温条件下测试的S-N曲线或ε-N曲线来表示，但这种数据资料较少，通常采用室温时静载数据乘安全系数的方法来计算或校核耐高温疲劳性能。

由于高温状态时，材料的疲劳强度、蠕变强度、机械强度都会下降，所以要计算或校核这三种指标的极限值。

蠕变极限值σ_εK≤[σ_ε]

持久极限值σ_t·K≤[σ_t]

屈服强度σ_s·K≤[σ_s]

式中σ_ε、σ_t、σ_s——蠕变、疲劳及屈服时的应力值；(www.xing528.com)

K——安全系数，为经验数据，按温度高低选取或向材料生产

厂咨询取值。

计算时按室温条件下的数据计算各项工作应力后分别乘以安全系数后应小于高温时的允许应力值。未增强PC塑料的不同温度时允许工作应力见表6-6。

表6-6 未增强PC不同温度下的允许工作应力

注：短期负载时拉伸强度（屈服）为62MPa，连续负载作用时间为6h，脉冲负载作用时间≤6h。

各种理论计算方法很多，但仅供参考，可靠的作法是做模拟试验以求得确切的设计值。

2.低温疲劳

低温疲劳是指制品在材料脆化温度附近或接近最低允许工作温度范围内承受循环应力作用而发生的疲劳现象。与室温时相比，在较低温时材料的常规疲劳强度随温度的降低稍有升高，因此对低温疲劳性能的研究比室温和高温少。但是，对用于高空、寒冷地区及制冷设备等场合的制品，研究低温疲劳特性是非常重要的。低温疲劳特性的主要特点如下：

1）低温下材料的脆性成分增加，故其疲劳性能对应力集中、表面裂纹、表面粗糙程度、制品上有无缺口、尖角等因素非常敏感。

2）虽然在脆化温度前，随着温度下降，其疲劳极限有所提高，但并不说明低温下材料具有很好的抗疲劳性能，其疲劳寿命一般在10⁵次左右。

3）低温疲劳时裂纹扩展速度很快，因此通常采用裂纹扩展寿命计算方法和有限寿命计算方法来计算低温疲劳性能指标。

4）低温疲劳性能常用ε-N曲线表示。但供具体设计用的数据较少，在制品设计时应考虑导致应力集中（如缺口、尖角、各种缺陷），引发裂纹扩展速度（如表面粗糙，表面有裂纹等缺陷）、促使材料脆化（如疲劳应力幅、循环应力频率）等因素，设计合理的制品结构尺寸，选用耐低温材料或韧性材料，并选择适当的应力集中系数及安全系数。