Monet tuotteet joutuvat käytössä toistuvaan kuormitukseen niin, että kuormitussyklien määrä tuotteen eliniän aikana voi nousta miljooniin. Rakennemateriaali tai materiaaliyhdistelmä voi toistuvan kuormituksen vaikutuksesta heikentyä ja lopulta pettää. Tätä ilmiötä kutsutaan yleisesti väsymiseksi.

Materiaalien ja materiaaliyhdistelmien väsymistä mitataan useimmiten kohdistamalla koekappaleeseen sinimuotoisesti vaihteleva kuorma (kuva 6.26). Kokeet ovat pääasiassa veto- tai veto/puristus-kokeita, joskus myös taivutuskokeita. Kuormitus ilmaistaan kahdella parametrilla, jotka voivat olla keskijännitys σ_m ja jännitysheilahdus σ_h. Usein parametreina käytetään myös maksimijännitystä σ_max sekä minimi- ja maksimijännityksen suhdetta R = σ_min/σ_max. Kun R = 0, kyseessä on niin sanottu vetoväsytys.

Kuva 6.26 Sinimuotoinen väsyttävä kuorma.

Väsytyskokeessa mitataan, montako kuormitussykliä materiaali kestää määritellyllä kuormituksella. Yhdessä koesarjassa keskijännitys σ_m tai jännityssuhde R pidetään vakiona ja maksimijännitystä muutetaan. Toisinaan koe keskeytetään ja määritetään koesauvan vaurioitumisaste ja/tai staattinen jäännöslujuus. Vaurioitumisastetta voidaan kuvata optisesti määritettynä säröjen lukumääränä koesauvan pituusyksikköä kohti.

Väsytyskoesarjan tulokset kootaan usein ns. SN-käyräksi, joka ilmaisee materiaalin lujuuden kuormitusten lukumäärän funktiona määriteltyä keskijännitystä σ_m tai jännityssuhdetta R vastaten. Kuormitusten lukumäärä voidaan esittää logaritmisella asteikolla, jolloin monien materiaalien väsymislujuuden kuvaaja on ainakin suurelta osin suora. Kuvassa 6.27 on esimerkkinä lasikuitulujitetuille laminaateille vetoväsytyksessä jännityssuhteella R = 0,1 mitattuja SN-käyriä.

Kuva 6.27 Erityyppisten E-lasikuiduilla lujitettujen laminaattien SN-käyriä, vetoväsytys, R = 0,1. [2]

6.5.1   Väsymisilmiö

Toistuvan kuorman vaikutus yleisimpiin lujittaviin kuituihin on varsin vähäinen.

Kuitulujitetun muovin väsyminen onkin lähinnä muoviaineen heikkenemistä ja hidasta mekaanisten vaurioiden kasvua.

Väsymisvaurioitumisen vaiheita havainnollistaa kuva 6.28, jonka mukaisesti vauriot eliniän alkuvaiheessa ovat lähinnä matriisisäröjä. Toisessa vaiheessa säröt alkavat yhdistyä eli syntyy suurempia säröjä. Näiden ohella esiintyy kuidun ja matriisin välisten sidosten pettämistä ja kuitukatkeamia. Kolmannessa vaiheessa säröt yhdistyvät myös laminaatin tason suunnassa kerrosten väliin syntyvien delaminaatioiden kautta. Neljännessä vaiheessa säröalueet yhdistyvät synnyttäen suurempia delaminaatioita.

Lujitteen vaikutus väsymiseen

Kuvassa 6.30 on esitetty yleisimmillä kuiduilla lujitetuille ristikkäislaminaateille vetokuormituksessa kuormitussuhteella R = 0,1 mitatut SN-käyrät. Väsymiskestävyyttä kuvaavana suurena on murtovenymä. Kuvan perusteella voidaan tehdä seuraavat yleisluontoiset johtopäätökset:

• Lasikuitulujitettu laminaatti (GRP) väsyy merkittävästi. Venymätaso, jolla laminaatti kestää 10⁶ kuormituskertaa on alle 1 %, kun laminaatin murtovenymä staattisessa kuormituksessa on lähes 4 %. Syy väsymiseen on ilmeinen: korkea venymätaso aiheuttaa runsaasti matriisisäröjä, minkä seurauksena kuvassa 6.28 esitetty väsymisprosessi etenee nopeasti.
• Kun kuormitusten määrä esitetään logaritmisella asteikolla, lasikuiduilla lujitetun laminaatin väsymislujuuden kuvaaja on likimain lineaarinen välillä 10⁰ – 10⁵ kuormituskertaa. Toisaalta väsymislujuus ei enää alene merkittävästi, kun kuormitusten määrä on yli 10⁶.
• Hiilikuitulujitetun laminaatin (CFRP) väsyminen on selvästi vähäisempää kuin lasikuitulaminaatin, mihin ilmeisenä syynä on laminaatin alhaisempi venymätaso. Väsymislujuuden kuvaaja on kuvan asteikolla likimain lineaarinen aina 10⁷ kuormituskertaan asti.
• Aramidikuiduilla lujitettu laminaatti (KFRP) on jäykkyydeltään ja samalla väsymiskestävyydeltään hiili- ja lasikuitulujitettujen laminaattien välillä, kun kuormitussyklien määrä on pieni. Merkittävää on kuitenkin se, että käyrä on kuvan asteikolla laskeva eli väsyminen alkaa ”kiihtyä” noin 1000 kuormituskerran kohdalla. Lasku voimistuu kuormituskertojen määrän kasvaessa.

Kuva 6.30 Ei lujitekuiduilla lujitettujen ristikkäislaminaattien väsymislujuudet, vetoväsytys, R = 0,1. [2]

Laminaattirakenteen vaikutus väsymiseen

Kuvassa 6.27 esitetty esimerkki havainnollistaa laminaattirakenteen vaikutusta väsymislujuuteen aksiaalikuormituksessa. Kestävyydeltään paras on selvästi lujitteiden suunnassa kuormitettu yhdensuuntaislaminaatti. Toisaalta 0°/±45°-tyyppisen laminaatin SN-käyrä on hitaammin laskeva, mikä johtuu siitä, että laminaatin vaurioituminen on yhdensuuntaislaminaattiin verrattuna tasaisempaa. Kuvan kudoslaminaatin nähdään olevan selvästi prepreg-laminaatteja heikompi sekä staattisessa että väsyttävässä kuormituksessa. Katkokuiduilla lujitettujen laminaattien ominaisuudet ovat ymmärrettävistä syistä heikoimmat.

6.5.2   Väsymislujuus

Kaupallisista materiaaleista valmistettujen muovikomposiittien väsymisominaisuuksia on tutkittu vaihtelevasti. Hiili- ja lasikuitulujitettuja epokseja, fenoleja, bismaleimidejä ja polyimidejä käytetään yleisesti lentokone- ja avaruusteollisuudessa, jossa materiaalin käyttäytyminen on tunnettava tarkoin. Materiaalien väsymisominaisuuksista onkin melko runsaasti koetuloksia mm. monissa kirjallisuusluettelossa mainituissa teoksissa. Näiden käytön tekee ongelmalliseksi väsymiskäyttäytymiseen vaikuttavien parametrien monilukuisuus. Useimmiten oman suunnitelman kannalta edustavia väsytyskoetuloksia ei olekaan saatavilla.

Lasikuitulujitettujen polyesterien väsymistä on tutkittu jonkin verran. Eräässä tutkimuksessa on yhdistetty monien lasikuitulaminaattien vetoväsytystuloksia. Tutkimus kattoi matto-, kudos- ja yhdensuuntaislaminaatit sekä SMC- ja kestomuovilaminaatit. Tulosten mukaan laminaattien väsymislujuus alenee noin 10%:lla, kun kuormanvaihtoluku kasvaa yhden dekadin. Tämän mukaan suhteellista vetoväsymislujuutta voidaan karkeasti arvioida kaavalla

                                                                                                             (6.15)

missä σ_s on väsymislujuus, σ_tu staattinen vetomurtolujuus ja B verrannollisuuskerroin, jolle tutkimuksen mukaan on saatu likiarvo σ_tu /B = 10,4. Tutkimuksen koetulokset ja kaavan (6.15) mukainen suora on esitetty kuvassa 6.31.

Kuva 6.31 Lasikuiduilla lujitettujen laminaattien staattisen vetomurtolujuuden σ_tu ja väsymislujuutta kuvaavan vakion B välinen riippuvuus. [8]

6.5.3   Käyttöympäristön vaikutus väsymislujuuteen

Lämpötila ja kosteus vaikuttavat laminaattien väsymisominaisuuksiin erityisesti, kun kuormitus rasittaa merkittävästi matriisimuovia. Tämän osoittavat selvästi kuvan 6.32 koetulokset hiilikuitu/epoksi-laminaatille, jonka kuitusuunnat olivat ±45° kuormitussuuntaan nähden.

Kun matriisin kuormitus pienenee, vähenee myös lämpötilan ja kosteuden vaikutus. Tästä ovat esimerkkeinä kuvan 6.33 hiilikuitu/epoksi-laminaattien väsytyskoetulokset. Pitkäaikaisessa väsyttävässä kuormituksessa ympäristön vaikutus on usein merkittävämpi kuin kuvan 6.33 esimerkissä. Tämä johtuu siitä, että kosteus ja mahdolliset kemikaalit pääsevät väsymissäröjen kautta tunkeutumaan laminaattiin ja heikentämään merkittävästi erityisesti kuitujen ja matriisin välisiä sidoksia.

Kuva 6.32 Lämpötilan ja kosteuden vaikutus hiilikuitu/epoksi-laminaatin väsymislujuuteen, veto/puristus-väsytys, kuitusuunnat ±45° kuormitussuuntaan nähden. [5]

Kuva 6.33 Lämpötilan ja kosteuden vaikutus hiilikuitu/epoksi-laminaatin väsymislujuuteen, vetoväsytys, kuitusuunnat 0°/90°/±45° kuormitussuuntaan nähden. [5]

---