Experimental investigation of the fatigue behavior of Short Fiber Reinforced Polymers using specimens of highly coherent fiber orientation

The mechanical behavior of injection molded Short Fiber Reinforced Polymers is usually investigated by testing specimens extracted from injected plates at different orientations with respect to injection main flow direction. A characteristic layered microstructure through the plate’s thickness results from the manufacturing process: fibers preferentially align parallel and perpendicular to the main flow direction in the outer layers (shells) and in the inner layer (core), respectively. This peculiar microstructure hinders the evaluation of local properties of each individual layer, which are highly fibers orientation dependent. Material properties of each layer may largely differ to each other, so the local response to the applied load. This would lead to a stress distribution across the specimen thickness which varies as the fiber orientation does. Moreover, the mechanical properties of each layer could vary independently over cycling load, therefore altering the stress distribution further throughout a fatigue test. Local properties of individual layers together with their stiffness degradation trend are required to model the fatigue behavior of these materials. An experimental study was carried out to understand fatigue behavior of short fiber reinforced polymers using specimens of highly coherent fiber orientation by milling the extracted specimens to preserve only shell layer. Thus, fatigue characterization of each layer and comparison with multilayered specimens became possible. Tensile tests were also performed to support the analysis and discussion of the finding of the fatigue test. Digital image correlation technique was used to monitor the surfaces’ displacements and strains of specimens throughout testing duration, and further support and verify experimental observations.

Il comportamento meccanico dei polimeri rinforzati con fibre corte stampati ad iniezione viene solitamente studiato testando campioni estratti da piastre iniettate con orientamenti diversi rispetto alla direzione del flusso principale di iniezione. Dal processo di produzione risulta una caratteristica microstruttura stratificata attraverso lo spessore della piastra: le fibre si allineano preferibilmente parallelamente e perpendicolarmente alla direzione principale del flusso rispettivamente negli strati esterni (gusci) e nello strato interno (nucleo). Questa peculiare microstruttura ostacola la valutazione delle proprietà locali di ogni singolo strato, che dipendono fortemente dall'orientamento delle fibre. Le proprietà del materiale di ciascuno strato possono differire notevolmente tra loro, quindi la risposta locale al carico applicato. Ciò porterebbe a una distribuzione delle sollecitazioni sullo spessore del provino che varia con l'orientamento delle fibre. Inoltre, le proprietà meccaniche di ciascuno strato potrebbero variare in modo indipendente in base al carico ciclico, alterando quindi ulteriormente la distribuzione delle sollecitazioni durante una prova di fatica. Le proprietà locali dei singoli strati insieme alla tendenza al degrado della rigidità sono necessarie per modellare il comportamento a fatica di questi materiali. È stato condotto uno studio sperimentale per comprendere il comportamento a fatica dei polimeri rinforzati con fibre corte utilizzando campioni con orientamento delle fibre altamente coerente mediante fresatura dei campioni estratti per preservare solo lo strato del guscio. Pertanto, è diventato possibile la caratterizzazione della fatica di ogni strato e il confronto con campioni multistrato. Sono state eseguite anche prove di trazione per supportare l'analisi e la discussione dei risultati della prova di fatica. La tecnica di correlazione delle immagini digitali è stata utilizzata per monitorare gli spostamenti delle superfici e le deformazioni dei campioni durante tutta la durata del test e per supportare e verificare ulteriormente le osservazioni sperimentali.