高分子材料因其輕質(zhì)、耐腐蝕、易加工等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和消費(fèi)品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。許多應(yīng)用場景中，高分子部件長期處于循環(huán)載荷作用下（如減震墊、密封圈、關(guān)節(jié)假體等），其 疲勞性能 直接決定了產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。壓縮疲勞試驗(yàn)作為評估高分子材料在循環(huán)壓應(yīng)力下耐久性的關(guān)鍵手段，至關(guān)重要。本文將系統(tǒng)闡述壓縮疲勞試驗(yàn)的基本原理、測試方法、關(guān)鍵參數(shù)、失效機(jī)理以及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

一、為何關(guān)注壓縮疲勞？

與金屬材料相比，高分子材料的疲勞行為更為復(fù)雜，其力學(xué)性能顯著依賴于時(shí)間、溫度、加載頻率和負(fù)載歷史。靜態(tài)測試（如一次性壓縮試驗(yàn)）無法反映材料在動(dòng)態(tài)循環(huán)載荷下的真實(shí)表現(xiàn)。壓縮疲勞試驗(yàn)通過模擬材料在實(shí)際工況中承受的反復(fù)壓縮應(yīng)力，旨在揭示材料性能的演變規(guī)律（如剛度衰減、溫升、損傷累積），并確定其 疲勞極限 或 S-N 曲線 （應(yīng)力-壽命曲線），從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料篩選和壽命預(yù)測提供核心數(shù)據(jù)。

二、壓縮疲勞試驗(yàn)的基本原理

壓縮疲勞試驗(yàn)的核心是在高分子試樣上施加一個(gè)周期性變化的壓縮載荷，直至試樣失效或達(dá)到預(yù)定的循環(huán)次數(shù)。

1.加載波形 ：通常采用正弦波，也可使用方波、三角波等。正弦波能較好地模擬許多實(shí)際工況。

2.加載方式：

應(yīng)力控制：保持循環(huán)應(yīng)力幅值恒定，觀察應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化。直接與負(fù)載條件相關(guān)。

應(yīng)變控制：保持循環(huán)應(yīng)變幅值恒定，觀察應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化。適用于研究材料的應(yīng)力松弛行為。

3.關(guān)鍵參數(shù)：

最大應(yīng)力 (σ_max) 和最小應(yīng)力 (σ_min)

應(yīng)力幅 (σ_a) : σ_a = (σ_max - σ_min) / 2

平均應(yīng)力 (σ_m) : σ_m = (σ_max + σ_min) / 2

應(yīng)力比 (R) : R = σ_min / σ_max（對于壓縮疲勞，R 通常為正值，例如 R=0.1 或 R=0.5，有時(shí)也可大于1）

頻率 (f) : 單位時(shí)間的循環(huán)次數(shù)。頻率的選擇至關(guān)重要，因?yàn)楦叻肿邮钦硰椥圆牧?，高頻加載會(huì)導(dǎo)致顯著的滯后生熱，使試樣溫度升高，從而影響疲勞性能。

三、試驗(yàn)方法與步驟

1.試樣制備：通常采用圓柱體或立方體試樣，尺寸需符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如 ISO 604, ASTM D695）。試樣表面應(yīng)光滑、無缺陷，以確保應(yīng)力分布均勻。

2.試驗(yàn)設(shè)備：使用伺服液壓或電動(dòng)伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)。設(shè)備需能精確控制載荷或位移，并配備高低溫環(huán)境箱以研究溫度效應(yīng)。

3.測試流程：

安裝試樣：將試樣精確對中安裝在試驗(yàn)機(jī)的上下壓板之間，避免偏心加載。

設(shè)定參數(shù)：設(shè)置加載波形（如正弦波）、頻率、應(yīng)力水平（σ_max, σ_min 或 R 值）、終止條件。

開始測試：啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄循環(huán)次數(shù)、載荷、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控：全程監(jiān)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線、試樣溫度（可用紅外熱像儀）等。對于高頻測試，溫度監(jiān)控尤為關(guān)鍵。

試驗(yàn)終止：當(dāng)試樣發(fā)生破壞（如開裂、屈曲、高度損失達(dá)到閾值）或達(dá)到預(yù)設(shè)循環(huán)次數(shù)（如 10^7 次，視為“無限壽命"）時(shí)停止試驗(yàn)。

4.數(shù)據(jù)記錄：記錄每個(gè)應(yīng)力水平下導(dǎo)致試樣失效的循環(huán)次數(shù) (N_f)。

四、數(shù)據(jù)分析與結(jié)果呈現(xiàn)

1.繪制 S-N 曲線：

對一組相同試樣在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)，得到一系列 (σ_a, N_f) 數(shù)據(jù)點(diǎn)。

在雙對數(shù)或半對數(shù)坐標(biāo)紙上繪制應(yīng)力幅 (σ_a) 與失效循環(huán)次數(shù) (N_f) 的關(guān)系曲線，即 S-N 曲線。

曲線通常呈現(xiàn)下降趨勢，應(yīng)力水平越高，疲勞壽命越短。對于某些高分子材料，S-N 曲線可能存在一個(gè)漸近線，即 疲勞極限 ，低于該應(yīng)力水平，材料可承受無限次循環(huán)而不破壞。

2.失效模式分析：

熱失效：在高頻或高應(yīng)力下，材料因滯后生熱導(dǎo)致溫度急劇上升，超過其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (T_g) 或熔點(diǎn) (T_m)，從而發(fā)生軟化和熔化。斷面通常呈現(xiàn)熔融狀。

機(jī)械失效：在低頻或低應(yīng)力下，生熱不明顯，損傷以微裂紋萌生和擴(kuò)展為主。斷面較為粗糙，可見裂紋擴(kuò)展紋路。

蠕變/屈曲：對于某些結(jié)構(gòu)，可能在疲勞之前先發(fā)生靜態(tài)蠕變或失穩(wěn)屈曲。

3.性能演化分析 ：分析循環(huán)過程中 剛度 （每次循環(huán)的應(yīng)力幅/應(yīng)變幅）、 滯后能 （應(yīng)力-應(yīng)變曲線圍成的面積，與生熱相關(guān)）隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，可以深入理解材料的損傷累積過程。

五、影響因素

1.材料本身：聚合物類型（熱塑性、熱固性、彈性體）、分子量、結(jié)晶度、增強(qiáng)材料（如玻璃纖維、碳纖維）、添加劑等。

2.試驗(yàn)條件：頻率、應(yīng)力比 (R)、環(huán)境溫度、濕度。

3.試樣狀態(tài)：殘余應(yīng)力、加工歷史、存在的缺陷。

六、工程應(yīng)用

1.材料篩選與開發(fā) ：比較不同配方或工藝制備的高分子材料的抗壓縮疲勞性能，為產(chǎn)品選擇最佳材料。

2.壽命預(yù)測與可靠性設(shè)計(jì) ：通過 S-N 曲線，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)部件的工作應(yīng)力水平預(yù)測其使用壽命，或根據(jù)設(shè)計(jì)壽命確定其最大許用應(yīng)力。

3.質(zhì)量控制和標(biāo)準(zhǔn)制定 ：作為產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的依據(jù)。

4.失效分析 ：通過分析實(shí)際工況中失效部件的疲勞破壞特征，反向追溯失效原因，改進(jìn)設(shè)計(jì)或材料。

七、結(jié)論與展望

壓縮疲勞試驗(yàn)是評估高分子材料動(dòng)態(tài)耐久性的工具。由于其粘彈性導(dǎo)致的復(fù)雜行為，測試中必須嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，特別是頻率和溫度，并對失效模式進(jìn)行深入分析。隨著高分子材料在承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益增多，對其疲勞行為的理解需求也更加迫切。未來的研究將更側(cè)重于：

多場耦合疲勞 ：研究溫度、濕度、化學(xué)介質(zhì)等多因素耦合作用下的疲勞行為。

本構(gòu)模型與仿真 ：開發(fā)更精確的疲勞損傷本構(gòu)模型，用于有限元分析，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜部件疲勞壽命的虛擬預(yù)測。

在線監(jiān)測技術(shù) ：利用聲發(fā)射、數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）等技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測損傷萌生和擴(kuò)展過程。

總之，系統(tǒng)的壓縮疲勞試驗(yàn)研究對于推動(dòng)高分子材料的科學(xué)應(yīng)用、保障產(chǎn)品安全、延長使用壽命具有重大的理論和實(shí)踐意義。