聚丙烯（PP）具有质轻、性能优良、耐腐蚀和易成形加工等优点，其优越性在于不仅能代替热固性塑料和金属，还能代替其他热塑性塑料，玻纤增强的聚丙烯材料可使原有材料的韧性、刚性以及耐久性得到大幅度的提升，在汽车、家电、电动工具等领域应用广泛。如美国Solar公司用Ferro公司的玻璃增强PP制造家用除草机外壳等。

较多学者在制备工艺、配方改性及常规力学性能上的研究成果显著，但在长期的机械可靠性方面的关注较少，无法满足实际的工程应用需求。笔者对长玻纤增强聚丙烯材料（PP-LGF40）进行不同取向上的力学性能测试，研究机械可靠性：疲劳性能的各向异性行为，探究纤维增强聚丙烯材料的疲劳和性能与纤维取向、温度、载荷等因素之间的关系，为工程应用和各向异性疲劳本构模型提供指导。

1、长玻纤增强聚丙烯材料疲劳性能各向异性行为

图1 长玻纤增强聚丙烯材料常温疲劳S-N曲线

Fig 1 Fatigue S-N curve of long glass fiber reinforced polypropylene material at room temperature

对不同方向的样条进行尺寸测量，依据标准ISO 13003-2003进行疲劳性能测试，选取拉伸强度的50%-90%范围内作为最大应力水平，每个应力水平测试2个平行样，应力比0.1，频率10Hz，长玻纤增强聚丙烯材料三个方向在常温下的疲劳S-N曲线结果如图1所示。从结果可以看出，注塑长玻纤增强聚丙烯材料的疲劳性能依然存在明显的各向异性，0°、45°、90°方向疲劳性能的整体水平与拉伸强度有着直接性的关系，因此在同一应力水平下，0°、45°、90°方向的疲劳性能逐渐降低；且最大应力的对数与疲劳循环次数的对数呈线性关系，随着应力水平的降低，疲劳寿命升高，可依据拟合曲线公式表征长玻纤增强聚丙烯材料0°、45°、90°方向的疲劳寿命，对于指导工程应用和产品开发有重要意义。

在低温和高温情况下，注塑长玻纤增强聚丙烯材料的疲劳性能也具有常温条件下表现的各向异性，结果如图2所示。且随着温度的升高，疲劳强度整体向下偏移，这与静态拉伸强度有着直接性的关系；低温和常温条件下，45°和90°方向疲劳性能表现较一致，与0°方向疲劳性能差异较大；在高温条件下，各方向间性能的差异性相对减弱，疲劳寿命曲线的差异也出现相对减弱。

差异也出现相对减弱。

图2 长玻纤增强聚丙烯材料高低温环境条件下疲劳S-N曲线

Fig 2 Fatigue S-N curve of long glass fiber reinforced polypropylene material under high and low temperature

图3长玻纤增强聚丙烯材料疲劳断口形貌

Fig 3 Fatigue fracture morphology of long glass fiber reinforced polypropylene

对疲劳断口形貌进行观察（如图3所示），疲劳断口在整体上与静态拉伸断口较一致，0°方向断口呈锯齿状，45°和90°方向断口基本呈平整状，且与施力方向分别近似呈45°和90°夹角。这说明注塑长玻纤增强聚丙烯材料结构上存在明显各向异性，在疲劳过程中，0°方向纤维发生断裂后引起的裂纹扩展和断裂，部分纤维从基体中拔出；45°和90°方向拉伸主要为基体开裂或基体与玻纤之间的界面开裂所引发的断裂，裂纹沿着玻纤取向方向扩展和断裂。且疲劳断面具有明显的特征形貌，疲劳裂纹源区与裂纹扩展区光亮平整，瞬断区高低起伏，与拉伸断口非常相似。在疲劳过程中，材料表面或内部某缺陷处在循环作用力下形成损伤微裂纹，此微裂纹的尖端银纹区应力集中效应使得此裂纹不断增大，裂纹端部逐渐钝化，经过一定的累计损伤后钝化部位破裂形成新的尖端银纹区，致使裂纹向前扩展，且在此过程中，裂纹两侧的基体材料不断挤压摩擦，形成光亮平整面。当微裂纹不断扩展形成宏观裂纹后，裂纹快速向前扩展表现出瞬断。

2. 结论

最大应力的对数与疲劳循环次数的对数呈线性关系，应力水平的降低，疲劳寿命升高；机械可靠性能的变化与静态强度性能息息相关。