拉伸·压缩·自热控制——ASTM D7791-2022塑料单轴疲劳测试全流程技术解析
一、测试原理
ASTM D7791-2022的测试原理是：在恒定振幅循环载荷条件下，对塑料试样施加单轴循环应力或应变，记录试样在循环加载下的响应，直至失效或达到目标循环次数，据此建立S-N曲线或ε-N曲线。
标准支持应力控制模式和应变控制模式两种方式。测试频率上限为50Hz，适用范围涵盖高周疲劳（>10⁴次） 和低周疲劳（10²~10⁴次） 两大领域。
二、试样制备要求
1. 拉伸疲劳试样（程序A）
拉伸疲劳试样采用哑铃型，尺寸依据 ASTM D638 执行。优先使用：
| 试样类型 | 总长 | 窄段宽度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| Type I | 165 mm | 13 mm | 常规测试 |
| Type IV | 115 mm | 6 mm | 材料有限时 |
注塑成型或机加工均可。
2. 压缩疲劳试样（程序B）
压缩疲劳试样采用直柱体（棱柱或圆柱） ，端面须平行且垂直于轴线，高度与横截面边长之比宜为2:1。
3. 加工与检查要求
机加工试样：切割边缘须光滑，无缺口、毛刺或过热引起的树脂降解。注塑试样：记录熔接痕位置、浇口位置，避免气泡、缩孔等缺陷。厚度和宽度测量精度0.01 mm，至少测3点取平均值。
三、状态调节
塑料材料性能受环境影响较大，测试前须进行充分的状态调节。按照 ASTM D618 程序A 执行：
| 参数 | 指标 |
|---|---|
| 温度 | 23±2℃ |
| 相对湿度 | 50±5% |
| 调节时间 | 不少于40小时 |
吸湿性材料（如尼龙、聚碳酸酯）：建议在调节后测量含水率，应低于材料规范上限（如PA66 < 0.2%）。调节完成后若未立即测试，应存放于密封干燥容器中，并在24小时内完成测试。
四、试样数量要求
绘制完整S-N曲线通常需要4～5个应力水平，总试样数不少于20个：
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每个应力/应变水平至少 5个 有效试样
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若为批次验收，可按ASTM E122确定样本量
五、测试设备与装夹
| 设备要求 | 技术指标 |
|---|---|
| 疲劳试验机 | 电液伺服或电动，载荷精度 ±1% 或优于读数的1% |
| 夹具（拉伸） | 气动或液压楔形夹具，夹持面带软垫（如橡胶或细砂纸），防止打滑和应力集中 |
| 对中校准 | 加载轴线与试样轴线偏差 ≤5% （按ASTM E1012），否则弯曲应力会明显降低疲劳寿命 |
六、关键加载参数设定
1. 应力比（R）
R=σmin/σmaxR=σmin/σmax
拉-拉疲劳：通常取 R = 0.1；也可取R=0（零-拉）或R=0.2等。须在报告中注明。
2. 波形
默认使用正弦波。特殊需要（如模拟实际载荷谱）可使用三角波或方波。
3. 频率选择与自热控制——最关键的技术难点
塑料在循环加载下因粘弹性滞后损耗会产生内部自热，频率选择不当会导致试样温度显著升高，引起基体软化、模量下降，最终导致疲劳寿命数据失真。ASTM D7791-2022明确规定：
| 参数 | 要求 |
|---|---|
| 推荐频率 | 5 Hz 或更低 |
| 允许范围 | 1～25 Hz |
| 若材料无显著自热 | 可提高至25 Hz |
| 若温升过快 | 须降低频率或增加间歇冷却 |
4. 自热监测与控制
测试期间须监测试样表面温度（使用热电偶或红外热像仪）：
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温升限值：不得超过 10℃（相对于环境温度）
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若超过10℃，应：a) 降低频率；b) 采用吹风冷却；c) 分段加载（每若干循环暂停冷却）
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在报告中须说明控制措施及实际温升范围
5. 应力/应变水平的选定
前置条件：先按ASTM D638测定静态拉伸强度（σ_b）或屈服强度。
选择4～5个水平，覆盖从30% σ_b 到 90% σ_b。例如：90%、70%、50%、35%、25%。应变控制模式：应变幅值依据静态断裂应变，同样选取4～5个水平。
七、环境条件
一般环境：23±2℃、50±5%RH，并保持恒定。高温或低温测试：使用环境箱，温度波动±2℃以内，须在报告中明确。
八、化学工业合成材料老化质量监督检验中心的服务能力
化学工业合成材料老化质量监督检验中心配备符合ASTM D7791-2022标准的电液伺服疲劳试验机，具备：
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拉伸（程序A）与压缩（程序B） 双模式测试能力
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严格的载荷精度控制（±1%）
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对中校准（ASTM E1012，偏差≤5%）
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自热全程监控与频率优化方案
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全流程规范操作，从试样制备、状态调节到疲劳测试、数据评定
可承接各类硬质和半硬质塑料的单轴疲劳性能测试。
