ISO 13003:2003 纤维增强塑料 循环载荷条件下疲劳性能的测定 —— 试验程序与关键参数设定

1. 试验原理与加载条件

ISO 13003的试验原理是：对纤维增强塑料复合材料试样施加恒幅恒频循环载荷（或恒幅恒应变），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，据此建立应力-寿命（S-N）或应变-寿命（ε-N）曲线-12-1。

标准涵盖拉伸和弯曲两种主要疲劳加载模式，分别提供了专门的资料性附录（附件A弯曲疲劳、附件B拉伸疲劳）-2。纤维增强塑料复合材料疲劳测试的先前经验主要基于等效静态（单调）测试方法的拉伸和弯曲疲劳测试，且在纤维方向上对单向增强碳纤维系统进行疲劳测试特别困难-8。

2. 应力水平（应变水平）的选择

参照在同等静态测试条件下获得的平均静态强度，确定疲劳测试施加的应力（或应变）水平：

• 建议选择至少3至5个应力水平，覆盖从约90%静态强度（目标寿命较低）到约30%静态强度（目标寿命较高）的范围。

• 各水平预期寿命应合理分布，典型目标循环次数可参考：10⁴次、10⁵次、5×10⁵次和1∼2×10⁶次。

• 若目标为10⁷次或更高，需增设相应的低应力水平。

常见应力水平选择指引（已有多项研究支持）：玻璃纤维增强材料推荐静态拉伸强度或失效应变的75%、55%、40%、30%；碳纤维增强材料推荐静态拉伸强度或失效应变的80%、65%、55%、45%。上述数据可作为实际操作中的参考设定，具体应力水平应依据材料在给定静态测试方法下的实际性能确定。

3. 测试参数设定

（1）应力比（R）与波形

在拉-拉疲劳测试中，通常使用应力比 R = σ_min/σ_max = 0.1。也可根据应用场景选择不同的应力比（如R = 0.01、R = 0.2或R = 0.5），但须在报告中明确注明。波形默认使用正弦波，特殊情况下可采用三角波或方波。

（2）测试频率与自热控制

测试频率的选择须综合考虑两方面因素：试验效率和试样温升控制。ISO 13003作为通用程序标准，其适用频率范围为1∼100 Hz（设备频率上限可达100 Hz），同时要求根据材料的自热特征确定。

• 推荐起始频率为5 Hz，适用于多数聚合物基复合材料。

• 对于自热敏感的材料（尤其是厚截面或低导热材料），须降低频率至2 Hz甚至1 Hz，或采用间歇冷却措施。

• 测试过程中须监测试样表面温度，若温升明显（如超出初始温度5∼10°C）且非测试环境变化引起，应降低频率或采取强制冷却。

4. 试验过程控制

进行疲劳试验时须注意以下技术要点：

• 对中校准：保证加载轴线与试样轴线同轴。对于纤维增强复合材料，各向异性对加载链的对中度提出更高要求，建议参照ASTM E1012校准至5级对中度，可有效减少弯曲应力对疲劳寿命的影响。

• 频率控制与温度监控：采用热电偶或红外热像仪连续监测试样表面温度。

• 失效判定：标准允许在测试前预先约定刚度下降百分比（如初始模量的80%）作为失效判据，也可将试样完全断裂作为失效终点。测试记录中须包含判定依据。

• 环境控制：环境箱须持续运行，温度波动控制在±2°C以内，湿度的控制范围取决于标准环境条件设定。