从静态轴承到循环疲劳——ASTM D6873/D6873M-23聚合物基复合材料层压板轴承疲劳测试全流程技术解析
一、测试原理
轴承疲劳测试的核心原理是：对含紧固件孔的复合材料层压板试样施加恒幅循环轴承力，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，据此建立轴承应力-寿命关系。
ASTM D6873/D6873M-23本质上是对ASTM D5961/D5961M静态轴承试验方法的循环加载改造。静态试验中，试样被一次加载至破坏；而轴承疲劳测试中，试样在恒幅单轴循环载荷下反复加载，直至孔壁过度变形、分层或完全失效。
二、试样制备要求
1. 试样几何
试样几何设计参照ASTM D5961/D5961M执行。标准涵盖两种典型的轴承试验配置：
| 配置类型 | 说明 |
|---|---|
| 双剪配置 | 试样两侧均有支撑夹具，紧固件承受双面剪切 |
| 单剪配置 | 试样单侧支撑，紧固件承受单面剪切 |
2. 紧固件安装——关键控制点
紧固件的选择、安装方法和安装扭矩未由本标准强制规定，但直接决定测试结果的可靠性。标准要求：
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紧固件类型、材料和规格须明确记录
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安装方法（如扭矩值、预紧力）须标准化并报告
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紧固件与孔的间隙须精确控制并记录
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如适用，埋头孔深度须记录
3. 孔加工——质量关键
孔加工质量直接影响轴承疲劳寿命：
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孔的制备方法（钻孔、铰孔等）须记录
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孔壁须无分层、无毛刺
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紧固件-孔间隙须精确测量并记录
4. 层压板要求
试样须来自连续纤维增强聚合物基复合材料层压板，且层压板相对于测试方向既对称又平衡。铺层顺序和总体厚度须完整记录。
三、测试设备与装夹
| 设备要求 | 技术指标 |
|---|---|
| 疲劳试验机 | 伺服液压或电动，具备恒幅循环加载能力 |
| 加载控制 | 恒幅力（应力）控制 |
| 载荷类型 | 拉伸、压缩或反向加载 |
| 夹具 | 参照ASTM D5961的轴承夹具配置 |
| 对中要求 | 加载轴线须与试样孔中心对齐 |
四、加载参数设定
1. 疲劳力/应力比（R）
标准未强制规定应力比的具体数值，但要求明确指定并报告。常用选择包括：
| R值 | 说明 | 典型应用 |
|---|---|---|
| R = 0.1 | 拉-拉疲劳 | 模拟飞机机翼连接件 |
| R = -1 | 反向加载 | 模拟交变载荷工况 |
| R > 0（压缩） | 压-压疲劳 | 模拟压缩主导的连接 |
2. 加载波形
标准默认采用恒幅循环加载，波形通常为正弦波。工程应力或施加的力均可作为恒幅疲劳变量。
3. 加载频率
频率选择须考虑自热效应——聚合物基复合材料在循环加载下因粘弹性滞后会产生内部温升。推荐从较低频率（如3-5 Hz） 开始，如无显著自热可适当提高。
4. 轴承应力水平确定
前置条件：先按ASTM D5961/D5961M测定试样的静态轴承强度。
基于静态轴承强度，选择4～5个应力水平，覆盖从约90%静态强度（预期寿命较短）到约30%静态强度（预期寿命较长）的范围。
五、测试执行与数据采集
步骤1：试样测量与安装
精确测量试样关键尺寸（宽度、厚度、孔径等）。将试样安装于轴承夹具中，安装紧固件至规定扭矩。
步骤2：加载参数设定
依据测试需求设定应力比R、轴承应力水平、频率和波形。
步骤3：疲劳测试
启动试验机进行恒幅循环加载，直至试样失效或达到预定循环次数。
步骤4：数据采集
| 数据项目 | 说明 |
|---|---|
| 疲劳寿命Nf | 失效循环次数 |
| 孔伸长量 | 循环过程中孔直径的增大 |
| 接头刚度 | 载荷-位移曲线斜率，反映刚度退化 |
| 滞后环 | 定期记录完整的载荷-位移环 |
六、失效判定
轴承疲劳的失效判定通常基于以下标准之一：
| 失效判据 | 说明 |
|---|---|
| 孔伸长量达到预定值 | 如孔径增大5%或10% |
| 接头刚度下降至预定百分比 | 如初始刚度的80% |
| 试样完全破坏 | 挤压破坏、剪切破坏或劈裂破坏 |
七、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 D6873/D6873M-23标准的伺服液压疲劳试验机及轴承夹具系统，具备：
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恒幅循环加载精确控制能力
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拉伸、压缩、反向加载三种载荷模式
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孔伸长量和接头刚度实时监测能力
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全流程规范操作，从试样制备、紧固件安装到疲劳测试、数据评定
可承接碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等各类连续纤维增强聚合物基复合材料层压板的轴承疲劳响应测试。
