玻璃鋼復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，復合材料與金屬材料相比，則表現(xiàn)出高度復雜的失效機制。
除了環(huán)境介質(zhì)對材料所產(chǎn)生的化學作用（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、機器振動，這些都可能導致船體結(jié)構(gòu)的破壞。因此，保證材料必要的疲勞強度，意義重大。而玻璃鋼復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展而造成的低應力破壞。
材料的疲勞強度低于其靜強度。包括金屬、塑料和復合材料在內(nèi)幾乎所有材料皆如此。
玻璃鋼復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，應力傳遞過程中處于非平衡狀態(tài)，某些區(qū)域還會成為應力集中點。當外力反復變化，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)部傳遞應力的部分會逐漸減少。當最終不能再繼續(xù)傳遞應力時，缺陷處將很容易發(fā)生原子間的化學鍵斷裂，進而導致結(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長期作用的結(jié)果，雖然經(jīng)過疲勞裂紋的萌生、亞臨界擴展、失穩(wěn)擴展三個過程，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。
對于玻璃鋼復合材料，微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性和各項異性使斷裂過程非常復雜。微觀斷裂雖然最終也會導致破壞，但微觀斷裂結(jié)合在一起卻同時能使斷裂能提高，這一點與金屬完全不同。當某一給定纖維上弱點處的局部應力水平達到其失效應力，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，在遠離該纖維斷點處的其他纖維仍將承擔分配的全部載荷。臨近斷點的纖維上應力會發(fā)生擾動，但不會引起臨近纖維到斷裂的程度。復合材料中有大量增強纖維，每平方厘米上的纖維少則幾根，多至上萬根。從力學觀點上看，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，由于破壞時，纖維的拔出將損耗大量的能量，進一步提高了材料的斷裂韌性。
玻璃鋼復合材料更多的是以多向?qū)影逍问绞褂?，以適應結(jié)構(gòu)中多向應力需要。由于層板里的各層的強度不同，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。復合材料中疲勞損傷的另一特點是擴展較慢，這是因為增強物與基體的結(jié)合面的存在，可以有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴展。當裂紋擴展遇到增強相時，增強體將抑制裂紋的進一步擴展，或使裂紋擴展發(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。
通過了解復合材料與金屬材料疲勞破壞的特點，可以看出復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，復合材料的抗疲勞強度相比較好，一般金屬材料的疲勞極限僅為其抗拉強度的40%~50%，而纖維不飽和聚酯樹脂復合材料的疲勞強度可達其拉伸強度的70~80%。因此，這也是復合材料制品具有相對較長的使用壽命的原因之一。
玻璃鋼復合材料的減振性能好也是其特點之一，這也與材料的安全使用息息相關。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，并與材料的比模量的平方根成正比。復合材料的比模量較高，因此具有較高的固有振動頻率。同時玻璃鋼復合材料是由兩項不同材質(zhì)的材料復合而成，基體材料與增強材料固有振動頻率不同，導致在基體和增強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。大量造船實踐資料表明，當材料帶有缺口時，如果在溫度低于"脆性破壞臨界溫度"條件下，即使應力低于屈服點，也會發(fā)生脆性破壞。而大多數(shù)復合材料層合板的疲勞實驗數(shù)據(jù)表明，缺口所引起的疲勞強度降低是不明顯的。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力集中。玻璃鋼材料在這一點上優(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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