玻璃鋼復(fù)合材料與金屬的耐疲勞性能對比研究
漁船的安全保證來源于材料的性能，材料的破壞與失效，有各種形式，金屬材料大致表現(xiàn)出斷裂、磨損、腐蝕等。復(fù)合材料則也會出現(xiàn)如斷裂、開裂、分層、腐蝕等破壞形式。但具體到失效模式，復(fù)合材料與金屬材料相比，則表現(xiàn)出高度復(fù)雜的失效機(jī)制。
除了環(huán)境介質(zhì)對材料所產(chǎn)生的化學(xué)作用（腐蝕）外，漁船在使用過程中，不可避免地要承受各種交變載荷的作用，如浪涌沉浮、波浪拍擊、機(jī)器振動，這些都可能導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)的破壞。因此，保證材料必要的疲勞強(qiáng)度，意義重大。而玻璃鋼復(fù)合材料具有良好的抗疲勞性能。
疲勞破壞是材料在交變載荷作用下，由于微觀裂縫的形成和擴(kuò)展而造成的低應(yīng)力破壞。
材料的疲勞強(qiáng)度低于其靜強(qiáng)度。包括金屬、塑料和復(fù)合材料在內(nèi)幾乎所有材料皆如此。
玻璃鋼復(fù)合材料有多種疲勞損傷形式，如界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長等，與金屬材料相比，損傷形式更多。但經(jīng)大量研究表面，兩者的破損安全性，復(fù)合材料反而更好。
首先，我們來了解兩種材料疲勞破壞的特性。金屬材料在加工過程中，總會存在一些缺陷，如內(nèi)部有雜質(zhì)或空洞、表面有劃痕。這些難以通過肉眼觀察的缺陷通常僅有微米級。在使用過程中，受力并不是完全均勻的，應(yīng)力傳遞過程中處于非平衡狀態(tài)，某些區(qū)域還會成為應(yīng)力集中點(diǎn)。當(dāng)外力反復(fù)變化，拉力、壓力轉(zhuǎn)換，在承受外力的連續(xù)作用下，金屬內(nèi)部的外裂紋會逐漸變大，內(nèi)部傳遞應(yīng)力的部分會逐漸減少。當(dāng)最終不能再繼續(xù)傳遞應(yīng)力時(shí)，缺陷處將很容易發(fā)生原子間的化學(xué)鍵斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂而發(fā)生斷裂。
由于金屬疲勞是較小的外力反復(fù)長期作用的結(jié)果，雖然經(jīng)過疲勞裂紋的萌生、亞臨界擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展三個過程，但是由于斷裂前無明顯的塑性變形和其他明顯征兆，所以斷裂具有很強(qiáng)的突發(fā)性，往往事先無征兆，一旦出現(xiàn)裂紋，很快就斷裂了。
對于玻璃鋼復(fù)合材料，微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性和各項(xiàng)異性使斷裂過程非常復(fù)雜。微觀斷裂雖然最終也會導(dǎo)致破壞，但微觀斷裂結(jié)合在一起卻同時(shí)能使斷裂能提高，這一點(diǎn)與金屬完全不同。當(dāng)某一給定纖維上弱點(diǎn)處的局部應(yīng)力水平達(dá)到其失效應(yīng)力，纖維將發(fā)生斷裂，所承載的載荷將會轉(zhuǎn)移到相鄰的基體中，在遠(yuǎn)離該纖維斷點(diǎn)處的其他纖維仍將承擔(dān)分配的全部載荷。臨近斷點(diǎn)的纖維上應(yīng)力會發(fā)生擾動，但不會引起臨近纖維到斷裂的程度。復(fù)合材料中有大量增強(qiáng)纖維，每平方厘米上的纖維少則幾根，多至上萬根。從力學(xué)觀點(diǎn)上看，是典型的靜不定體系。局部單絲的破壞不會影響整個復(fù)合材料的承載能力，在短期內(nèi)不至于使整個構(gòu)件喪失承載能力而使得材料過載發(fā)生突然破壞，同時(shí)，由于破壞時(shí)，纖維的拔出將損耗大量的能量，進(jìn)一步提高了材料的斷裂韌性。
玻璃鋼復(fù)合材料更多的是以多向?qū)影逍问绞褂?，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)中多向應(yīng)力需要。由于層板里的各層的強(qiáng)度不同，在疲勞過程的早期開始出現(xiàn)橫向裂紋損傷。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋的長度和數(shù)量也相應(yīng)增加，即會出現(xiàn)如上所述的分層、界面脫膠、纖維斷裂或屈曲等損傷形式。復(fù)合材料中疲勞損傷的另一特點(diǎn)是擴(kuò)展較慢，這是因?yàn)樵鰪?qiáng)物與基體的結(jié)合面的存在，可以有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到增強(qiáng)相時(shí)，增強(qiáng)體將抑制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，或使裂紋擴(kuò)展發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加材料的斷裂能，亦即提高了材料的斷裂韌性。
通過了解復(fù)合材料與金屬材料疲勞破壞的特點(diǎn)，可以看出復(fù)合材料在疲勞破壞中，具有較高的破損安全性，而金屬材料的疲勞破壞具有突發(fā)性，不易提前發(fā)現(xiàn)和察覺，危害性更大。
更多的研究表明，復(fù)合材料的抗疲勞強(qiáng)度相比較好，一般金屬材料的疲勞極限僅為其抗拉強(qiáng)度的40%~50%，而纖維不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度可達(dá)其拉伸強(qiáng)度的70~80%。因此，這也是復(fù)合材料制品具有相對較長的使用壽命的原因之一。
玻璃鋼復(fù)合材料的減振性能好也是其特點(diǎn)之一，這也與材料的安全使用息息相關(guān)。結(jié)構(gòu)的固有振動頻率與結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量、形狀有關(guān)，并與材料的比模量的平方根成正比。復(fù)合材料的比模量較高，因此具有較高的固有振動頻率。同時(shí)玻璃鋼復(fù)合材料是由兩項(xiàng)不同材質(zhì)的材料復(fù)合而成，基體材料與增強(qiáng)材料固有振動頻率不同，導(dǎo)致在基體和增強(qiáng)體的界面具有良好的吸振能力，阻尼特性好，即使結(jié)構(gòu)中有振動產(chǎn)生，也會很快衰減。材料的固有振動頻率高，就可以避免在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振及由此引起的早期破壞。
耐低溫性好，這是玻璃鋼復(fù)合材料的另一大優(yōu)勢，即使在較低的溫度，如﹣60℃，非但不存在"低溫脆化"，強(qiáng)度反而可提高10％以上。
缺口韌性是造船鋼材的一個極其重要的性能。大量造船實(shí)踐資料表明，當(dāng)材料帶有缺口時(shí)，如果在溫度低于"脆性破壞臨界溫度"條件下，即使應(yīng)力低于屈服點(diǎn)，也會發(fā)生脆性破壞。而大多數(shù)復(fù)合材料層合板的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，缺口所引起的疲勞強(qiáng)度降低是不明顯的。缺口試件的良好抗疲勞性能主要是由于損傷降低了缺口尖端附近的應(yīng)力集中。玻璃鋼材料在這一點(diǎn)上優(yōu)于鋼材。（來源：“新型玻璃鋼漁船”公眾號，轉(zhuǎn)載須經(jīng)同意）
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