張曉雯，吳 南，張 旋，馬麗婷，厲 蕾

(中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

透明聚碳酸酯材料疲勞斷裂行為

張曉雯，吳 南，張 旋，馬麗婷，厲 蕾

(中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

研究不同應(yīng)力比(R)以及退火處理對透明聚碳酸酯(PC)板材疲勞性能的影響規(guī)律與機(jī)理，并對聚碳酸酯疲勞裂紋擴(kuò)展過程與機(jī)理進(jìn)行分析。結(jié)果表明：退火后聚碳酸酯試樣的殘余應(yīng)力明顯變小，疲勞性能明顯提高，這是由于機(jī)加工造成PC試樣殘余拉應(yīng)力，而消除殘余拉應(yīng)力能夠明顯改善PC的疲勞性能；正應(yīng)力比(拉拉疲勞)情況下，隨著應(yīng)力幅值變大，PC的疲勞性能明顯下降，而負(fù)應(yīng)力比(拉壓疲勞)對PC的疲勞性能影響較為復(fù)雜。斷口形貌分析表明，PC疲勞裂紋斷口存在明顯的裂紋源區(qū)、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)與失穩(wěn)區(qū)，而PC的疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理是首先在應(yīng)力作用下產(chǎn)生銀紋，當(dāng)應(yīng)力超過銀紋中微纖維強(qiáng)度或在多次循環(huán)應(yīng)力作用下疲勞而造成微纖維破壞時(shí)，銀紋便發(fā)展為裂紋。

聚碳酸酯；疲勞斷裂；應(yīng)力比；退火；斷口形貌

聚碳酸酯(PC)具有很好的光學(xué)性能(2mm厚板材的透光率可達(dá)90%以上)，較高的彈性模量，突出的耐沖擊性能，沖擊強(qiáng)度比聚酰胺、聚甲醛等高出3～10倍，另外，其熱變形溫度最高可達(dá)138℃以上。到目前為止，還沒有任何一種工程塑料能夠像聚碳酸酯一樣，同時(shí)擁有這么多優(yōu)點(diǎn)[1]。美國現(xiàn)役飛機(jī)中使用聚碳酸酯材料的有F-111，F(xiàn)-16，F(xiàn)/A-18及B-1B，聚碳酸酯作為一種先進(jìn)的航空透明材料其各項(xiàng)性能得到了人們的廣泛關(guān)注[2-4]。

飛機(jī)在飛行過程中的氣動(dòng)載荷以及艙內(nèi)增壓載荷的變化，會(huì)使座艙透明材料殘余應(yīng)力較大區(qū)域或存在表面缺陷的區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐漸擴(kuò)展直至完全破壞。因此，飛機(jī)座艙透明材料的疲勞斷裂力學(xué)性能對飛機(jī)的安全飛行起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)前人們對于航空有機(jī)玻璃的疲勞斷裂行為與機(jī)理研究已經(jīng)比較成熟，也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，獲得了大量的數(shù)據(jù)，但是對于透明聚碳酸酯的疲勞行為研究還不夠系統(tǒng)深入。

本工作參考較成熟的航空有機(jī)玻璃疲勞性能實(shí)驗(yàn)方法，針對透明聚碳酸酯板材的疲勞性能進(jìn)行研究。分別對不同應(yīng)力比(R)以及退火處理對于聚碳酸酯疲勞壽命的影響進(jìn)行研究。通過研究不同應(yīng)力比對于PC疲勞壽命的影響，獲得S-N曲線，并分析不同應(yīng)力施加狀態(tài)對于PC疲勞性能的影響機(jī)理；另外，本工作研究了退火處理對于聚碳酸酯加工殘余應(yīng)力的影響，通過分析殘余應(yīng)力變化，揭示退火處理對于PC疲勞性能的影響規(guī)律與機(jī)理。最后通過斷口形貌分析PC材料的疲勞裂紋擴(kuò)展過程。目前國內(nèi)外針對不同因素對于透明聚碳酸酯疲勞性能的影響及其機(jī)理分析較少，本研究的研究結(jié)果和分析結(jié)論，可為未來PC用于航空座艙透明件提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

試樣采用Lexan 9030牌號(hào)9.0mm厚的擠出板材通過機(jī)械加工而成。試樣加工與疲勞實(shí)驗(yàn)參考GJB 2033-1994《航空有機(jī)玻璃的拉伸疲勞試驗(yàn)方法》，試樣應(yīng)力集中系數(shù)Kt選擇1.0的光滑試樣。試樣的工作段要將加工表面拋光到粗糙度為0.16μm。加工后試樣表面應(yīng)無劃傷、銀紋和裂紋。

退火處理方法是將加工后試樣置于溫度115℃的烘箱保溫4h后進(jìn)行隨爐冷卻，然后進(jìn)行疲勞性能測試，并與未經(jīng)退火試樣的疲勞性能進(jìn)行對比。該組實(shí)驗(yàn)均在應(yīng)力比為0.1，頻率為1Hz條件下進(jìn)行。

疲勞實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備是Instron 8802型號(hào)的伺服液壓控制疲勞試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用在試樣和夾具間墊砂紙的方法增加摩擦力(砂紙光滑面接觸試樣)。實(shí)驗(yàn)施加的動(dòng)態(tài)載荷波形為正弦波，頻率均選用1Hz。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度(23±2)℃，濕度(55±5)%。不同應(yīng)力比R的疲勞性能實(shí)驗(yàn)對比分別選用R=0.1，R=0.4與R=-0.4三種不同的應(yīng)力比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，

(1)

式中：σmin為疲勞加載應(yīng)力的最小值，σmax為疲勞加載應(yīng)力的最大值，R=-0.4表示施加的應(yīng)力為拉壓應(yīng)力狀態(tài)。

采用WPA-100-L型應(yīng)力儀用光彈實(shí)驗(yàn)法測試對比退火前后PC的內(nèi)應(yīng)力大小與分布變化情況。由于任一點(diǎn)的光程差，與相應(yīng)點(diǎn)的主應(yīng)力差和厚度成正比，滿足：

δ=Ch(σ1-σ2)

(2)

因此，本工作測試結(jié)果用光程差差異大小分布來表示試樣不同位置的應(yīng)力大小分布。其中δ為材料中任一點(diǎn)的光程差；C為材料的應(yīng)力光學(xué)系數(shù)；h為材料中任一點(diǎn)的厚度；σ1為材料中任一點(diǎn)的第一主應(yīng)力；σ2為材料中任一點(diǎn)的第二主應(yīng)力[9,10]。

斷口形貌用JEOL-7001F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。試樣表面先進(jìn)行噴金處理，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為(23±2)℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 退火處理對于PC疲勞性能的影響

S-N曲線已經(jīng)被證實(shí)對于表征材料疲勞性能是十分有效的(S為最大加載應(yīng)力，N為試樣疲勞時(shí)的循環(huán)次數(shù))。圖1與圖2分別為退火處理前后PC的S-N曲線圖。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對圖中曲線進(jìn)行擬合，可以得到退火前PC的疲勞S-N曲線方程為y=41.75-1.88ln(x-11713)，用升降法獲得條件疲勞極限(N=1×105時(shí))為20.5MPa。而經(jīng)退火后的PC疲勞S-N曲線方程為：y=73.76-3.44ln(x-24955)，用升降法獲得的條件疲勞極限為33.8MPa。圖3是將兩條S-N曲線繪制在同一圖中進(jìn)行對比，從圖3中可以看到，同一實(shí)驗(yàn)條件下經(jīng)退火處理后聚碳酸酯的疲勞性能明顯改善，而且經(jīng)退火處理后的PC的條件疲勞極限明顯增大，表明退火處理有利于改善PC的疲勞性能。

圖1 退火前PC材料的S-N曲線Fig.1 S-N curve of the PC samples before annealing

圖2 退火后PC材料的S-N曲線Fig.2 S-N curve of the PC samples after annealing

圖3 退火前后PC材料的S-N曲線對比Fig.3 S-N curves of the PC samples before and after annealing

參考金屬機(jī)械加工殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，金屬表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因主要有冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力、熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力以及金相組織變化引起的殘余應(yīng)力。冷態(tài)塑性變形導(dǎo)致殘余應(yīng)力被認(rèn)為是由于切削刀具導(dǎo)致表面變形引起的，而熱態(tài)塑性變形導(dǎo)致殘余應(yīng)力則認(rèn)為是由于熱量堆積導(dǎo)致表面層與基體變形程度不同引起的[11]。如前面所述，PC試樣經(jīng)機(jī)加工后均進(jìn)行了拋光，切削刀具導(dǎo)致的表面變形效應(yīng)基本被消除，因此，PC表面殘余應(yīng)力不是由于冷態(tài)塑性變形引起的；另外，PC屬于熱塑性高分子材料，不存在組織變化，因此，PC表面殘余應(yīng)力也不是由于組織變化引起的；但是PC導(dǎo)熱性較差，其加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，熱量的積聚會(huì)導(dǎo)致表面層產(chǎn)生的變形量遠(yuǎn)大于基體變形量，因此表面層將受到基體的限制，產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，可見PC表面應(yīng)力變化是由熱態(tài)塑性變形引起的，此時(shí)引起的應(yīng)力為拉應(yīng)力。而根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，殘余拉應(yīng)力會(huì)加快無定形聚合樣品表面銀紋與裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致其壽命下降[12]。因此，消除試樣由于機(jī)加工導(dǎo)致的殘余拉應(yīng)力能夠明顯改善PC的疲勞性能。

殘余應(yīng)力變化用光彈實(shí)驗(yàn)法獲得的光程差差異來間接表示，圖4為退火前后PC試樣的光程差測試結(jié)果分布云紋圖。從圖中可以看出，經(jīng)退火處理后，總體光程差分布明顯變小，表明退火處理能夠明顯降低PC的總體應(yīng)力分布。分別選取試樣工作段中部垂直于應(yīng)力方向(圖4中垂直于試樣軸向直線)與平行于應(yīng)力方向(圖4中平行于試樣軸向直線)的兩條直線，分別進(jìn)行光程差的定量對比，對比結(jié)果如圖5與圖6所示。可以明顯看出，光程差定量測量結(jié)果也發(fā)生了較大的變化，經(jīng)退火處理后，中間工作段由于雙折射導(dǎo)致的光程差從約4500nm降低到3200nm，產(chǎn)生了較大幅度的降低，機(jī)加工試樣經(jīng)過退火后，表面拉應(yīng)力明顯降低，因此，疲勞壽命顯著改善。

2.2 不同應(yīng)力比對于PC疲勞性能的影響

研究中選取了三個(gè)不同的應(yīng)力比對PC材料進(jìn)行疲勞性能測試，分析不同應(yīng)力比對于PC疲勞性能的影響規(guī)律。不同應(yīng)力比下，經(jīng)擬合的疲勞性能S-N曲線方程如表1所示。從表中可以看出，隨著應(yīng)力比的減小，條件疲勞極限降低。但是應(yīng)力比R為0.1與-0.4時(shí)，條件疲勞極限相差不大，分別為20.5MPa與19.2MPa，但明顯小于應(yīng)力比為0.4的疲勞極限值。

圖4 退火前(a)后(b)PC試樣的光程差測試結(jié)果分布云紋圖Fig.4 Moiré fringes of the optical path difference of the PC samples before (a)and after (b) annealing

圖5 圖4中垂直于試樣軸向直線上各點(diǎn)光程差變化Fig.5 Optical path difference on the line perpendicular to the axis of the sample in fig.4

圖6 圖4中平行于試樣軸向直線上各點(diǎn)光程差變化Fig.6 Optical path difference on the line parallel to the axis of the sample in fig.4

表1 不同應(yīng)力比下的PC疲勞S-N曲線擬合方程Table 1 S-N equations of the PC samples with different stress ratios

圖7為三種不同的應(yīng)力比情況下PC的S-N曲線，從圖中可以看出，當(dāng)施加正應(yīng)力比循環(huán)應(yīng)力時(shí)，隨著應(yīng)力比的降低，PC的疲勞性能明顯下降。這是由于應(yīng)力比降低，疲勞加載應(yīng)力幅值(用(1-R)σmax表示)增大，因此導(dǎo)致PC的疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加，疲勞壽命下降。但是R為-0.4與R為0.1時(shí)的S-N曲線沒有明顯差距，也就是說疲勞性能相差不大，這與之前的應(yīng)力幅值理論不符。分析其原因，研究者認(rèn)為當(dāng)R為0.1時(shí)，最大加載應(yīng)力與最小加載應(yīng)力相差較大，且疲勞過程為拉-拉疲勞過程，PC試樣一直在拉伸作用力下，對于材料造成的拉伸損傷更加顯著。而當(dāng)R為-0.4時(shí)，PC試樣處于拉壓循環(huán)疲勞狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，對于PMMA材料，負(fù)載有加速裂紋擴(kuò)展的作用，且壓縮載荷越大，這種負(fù)載加速效應(yīng)越明顯[13]。但是在其他金屬材料的疲勞性能研究中，負(fù)載也會(huì)產(chǎn)生裂紋閉合效應(yīng)，導(dǎo)致材料疲勞遲滯現(xiàn)象。由于PC分子鏈中同時(shí)含有柔性的碳酸酯基與剛性的苯環(huán)，材料韌性較好，因此，不同于脆性的PMMA，當(dāng)R為-0.4時(shí)，拉壓載荷對于PC疲勞性能的影響較為復(fù)雜，可能同時(shí)存在這兩種效應(yīng)的疊加，因此，造成R=0.1與R=-0.4時(shí)PC疲勞性能類似的現(xiàn)象。

圖7 不同的應(yīng)力比情況下PC的S-N曲線Fig.7 S-N curves of the PC samples with different stress ratios

2.3 PC疲勞斷口形貌觀察與疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理分析

本工作中以應(yīng)力比0.4，最大應(yīng)力為40MPa為例，對PC的疲勞斷口形貌進(jìn)行觀察。圖8為斷口不同位置的形貌圖。從圖8(a)中可以看出，在該實(shí)驗(yàn)條件下，PC疲勞過程中只產(chǎn)生一個(gè)裂紋源區(qū)，裂紋源區(qū)是由于從分子結(jié)構(gòu)中較為脆弱的部分引起的，首先形成銀紋，進(jìn)而擴(kuò)展引發(fā)裂紋；裂紋引發(fā)后，在外加疲勞載荷作用下，將進(jìn)入裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)，對應(yīng)圖8(a)中的光滑表面伴隨著一些環(huán)狀波紋。這是由于PC具有較好的韌性，裂紋引發(fā)后還有較長的剩余壽命，裂紋擴(kuò)展會(huì)逐步進(jìn)行，而不會(huì)產(chǎn)生脆斷，因此，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)為較為平滑的表面；環(huán)狀波紋是由于應(yīng)力每循環(huán)一定次數(shù)，裂紋擴(kuò)展將會(huì)增加一定的量；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展后，將進(jìn)入裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，如圖8(b)所示，表面形貌表現(xiàn)為羽毛狀的粗糙表面，且靠近裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的位置其表面組織相對細(xì)密，遠(yuǎn)離穩(wěn)定擴(kuò)展的位置其表面組織結(jié)構(gòu)變得粗糙。這是由于在裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)，裂紋迅速失穩(wěn)擴(kuò)展，分子鏈被迅速拉斷，表面被快速撕裂，因此粗糙度變大。

圖8 PC疲勞斷口不同位置的SEM圖 (a)裂紋源；(b)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)Fig.8 SEM images of the PC fatigue fracture (a)crack source;(b)unstable crack propagation zone

其他實(shí)驗(yàn)條件下的斷口形貌與上述條件下的斷口形貌類似，也只存在一個(gè)裂紋源區(qū)，區(qū)別在于裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)與失穩(wěn)區(qū)面積大小有所差異，在此不進(jìn)行一一展示。

對于PC材料的裂紋擴(kuò)展機(jī)理的研究目前還較少[14]。本研究中聚碳酸酯材料在疲勞應(yīng)力加載過程中，在垂直于載荷方向上會(huì)出現(xiàn)銀紋并隨著加載次數(shù)增多銀紋開始密集化并導(dǎo)致應(yīng)力致白現(xiàn)象，如圖9所示。裂紋只在較為脆弱的銀紋位置進(jìn)行擴(kuò)展，并在裂紋尖端繼續(xù)產(chǎn)生先出現(xiàn)銀紋然后引發(fā)裂紋擴(kuò)展的現(xiàn)象，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的有機(jī)玻璃板材類似[15]。因此PC疲勞裂紋擴(kuò)展過程中只存在一個(gè)裂紋源。根據(jù)考斯(Kausch)理論[16]，把銀紋初始形成機(jī)理，看成為三個(gè)階段：第一階段，具有低纏結(jié)程度的分子線團(tuán)的脫開，即形成不穩(wěn)定的微空穴；第二階段是相鄰線團(tuán)的非彈性形變；第三階段應(yīng)變轉(zhuǎn)移到鄰近線團(tuán)，形成于最初的微空穴。由于第二階段的非彈性變形(不可恢復(fù)的)，微空穴被穩(wěn)定了。持續(xù)加載，微空穴合并，材料形成微纖維。當(dāng)應(yīng)力超過銀紋中微纖維強(qiáng)度或在多次循環(huán)應(yīng)力作用下疲勞而造成微纖維破壞時(shí)，銀紋便發(fā)展為裂紋。裂尖銀紋的形成是裂紋形成、擴(kuò)展的基礎(chǔ)[17]。

圖9 PC材料裂紋擴(kuò)展過程中銀紋現(xiàn)象Fig.11 Craze figure in the PC sample during the fatigue experiment

3 結(jié)論

(1)退火處理能夠有效降低PC試樣的加工殘余應(yīng)力，疲勞性能明顯提高，因此，消除試樣由于機(jī)加工導(dǎo)致的殘余拉應(yīng)力能夠明顯改善PC的疲勞性能。

(2)在正應(yīng)力比情況下，隨著應(yīng)力比降低，應(yīng)力幅值變大，PC的疲勞壽命明顯降低，而負(fù)應(yīng)力比對PC的疲勞性能影響較為復(fù)雜，壓縮應(yīng)力可能對PC起到一定的裂紋閉合作用。

(3)PC疲勞裂紋擴(kuò)展過程存在明顯的裂紋源區(qū)、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)與失穩(wěn)區(qū)，PC的疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理為首先在應(yīng)力作用下產(chǎn)生銀紋，當(dāng)應(yīng)力超過銀紋中微纖維強(qiáng)度或在多次循環(huán)應(yīng)力作用下疲勞而造成微纖維破壞時(shí)，銀紋便發(fā)展為裂紋。

[1] 楊偉，劉正英，楊明波. 聚碳酸酯合金技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

YANG W, LIU Z Y, YANG M B. The technology and application of the PC alloys[M]. Beijing: China Machine Press, 2008.

[2] 閆辰光, 韓健, 張軍利, 等. 有機(jī)硅涂層對聚碳酸酯透明件耐溶劑-應(yīng)力開裂性能的影響[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2016, 36(5): 52-57.

YAN C G, HAN J, ZHANG J L, et al. Effect of surface silicone coating on environmental stress cracking resistance of transparent polycarbonate parts[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2016, 36(5): 52-57.

[3] 張旋, 鐘艷莉, 顏悅, 等. 聚碳酸酯透明材料表面耐磨涂層的納米力學(xué)性能和耐磨性研究[J]. 材料工程, 2014(1): 79-84.

ZHANG X, ZHONG Y L, YAN Y, et al. Nanomechanical and nanotribological properties of scratch-resistant coatings on polycarbonate[J]. Journal of Materials Engineering, 2014 (1): 79-84.

[4] 葛勇, 王韜, 厲蕾. 注射成型工藝參數(shù)對聚碳酸酯殘余應(yīng)力的影響[J]. 材料工程, 2014(1): 24-29.

GE Y, WANG T, LI L. Effect of injection molding parameters on residual stress of polycarbonate[J]. Journal of Materials Engineering, 2014(1): 24-29.

[5] KIM G H, LU H B. Accelerated fatigue life testing of polycarbonate at low frequency under isothermal condition [J]. Polymer Testing, 2008, 27:114-121.

[6] BAUWENS-CROWET C, BAUWENS J C. Annealing of polycarbonate below the glass transition: quantitative interpretation of the effect on yield stress and differential scanning calorimetry measurements [J]. Polymer, 1982, 23(11): 1599-1604.

[7] FANG Q Z, WANG T J, LI H M. Overload-induced retardation of fatigue crack growth in polycarbonate [J]. International Journal of Fatigue, 2008, 30: 1419-1429.

[8] FANG Q Z, WANG T J, LI H M. Overload effect on the fatigue crack propagation of PC/ABS alloy[J]. Polymer, 2007, 48:6691-6706.

[9] 徐文莉.透明注塑件殘余應(yīng)力與光學(xué)性能的研究 [D]. 鄭州:鄭州大學(xué)，2006.

XU W L. Research on residual stress and optical performance of transparent injection molded parts [D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2006.

[10] WENG C, LEE W B, TO S. Birefringence techniques for the characterization of residual stresses in injection-moulded micro-lens arrays [J]. Polymer Testing, 2009, 28: 709-714.

[11] 賈春燕.機(jī)加工中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和處理 [J].機(jī)械，2010,37(增刊1)：79-81.

[12] STRUIK L C E. Orientation effects and cooling stresses in amorphous polymers[J]. Polymer Engineering and Science, 1978, 18：799-811.

[13] 肖健，MDYB-3航空有機(jī)玻璃疲勞-裂紋特性的實(shí)驗(yàn)研究 [D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

XIAO J. Experimental research on the fatigue crack propagation behavior of MDYB-3 aeronautical PMMA[D].Xi’an: Northwest Polytechnical University, 2004.

[14] 吳南，透明聚碳酸酯結(jié)構(gòu)材料疲勞特性與影響因素研究 [D].北京：中國航空研究院，2015.

WU N. The fatigue properties and influence factor of the transparent polycarbonate structural material [D].Beijing:China Aviation Academy, 2015.

[15] ISHIYAMA C, ASAI T, KOBAYASHI M, et al. Fatigue crack propagation mechanisms in poly(methyl methacrylate) byinsituobservation with a scanning laser microscope [J]. Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics, 2001, 39:3103-3113.

[16] KAUSCH H H. Polymer fracture[M]. Heidelberg :Springer-Verlag, 1978.

[17] 高鎮(zhèn)同.有機(jī)玻璃疲勞和斷口圖譜[M].北京：科學(xué)出版社, 1987.

GAO Z T. The fatigue properties and the fatigue fracture morphology of PMMA [M]. Beijing: Science Press, 1987.

益材基金(YF53130808)

2016-10-08；

2017-07-10

厲蕾(1961-)，女，研究員，碩士，主要從事透明材料應(yīng)用與性能研究，聯(lián)系地址：北京81信箱83分箱(100095)，E-mail:lei.li@biam.ac.cn

(本文責(zé)編：解 宏)

Fatigue Fracture Behaviors of TransparentPolycarbonate Materials

ZHANG Xiao-wen,WU Nan,ZHANG Xuan,MA Li-ting,LI Lei

(AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095， China)

The effect of the different stress ratios (R) and annealing treatment on the fatigue properties of the transparent polycarbonate (PC) sheet and the mechanism behind were studied, the fatigue crack propagation (FCP) process and mechanism were analyzed. The results show that after annealing, the residual stress of the PC samples decreases obviously and the fatigue properties are greatly improved. This is because the machining process results in tensile stress in the PC samples, eliminating the tensile stress can improve the fatigue property of PC effectively; under the positive stress ratio (tensile-tensile fatigue), as the stress amplitude increases, the fatigue properties of PC decreases obviously, however, the negative stress ratio (tensile-compression fatigue) causes complex influence on the fatigue properties of PC. The fatigue fracture morphology suggests that distinct crack source, stable crack extension zone and instability zone exist obviously in fatigue fracture of PC. The mechanism of the fatigue crack propagation of PC indicates that crazes are initiated at first under the cycling stress, when the stress is higher than the strength of the fibrils in crazes or the fibrils are broken under the cycling stress, crazes develop into cracks.

polycarbonate；fatigue fracture；stress ratio；annealing；fracture morphology

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001188

TQ325

A

1001-4381(2017)11-0030-06