疲劳试验可在复合材料结构设计过程中的多个点进行。然而，对小试样水平疲劳试验方法的关注表明，需要继续进行试验方法标准化。
疲劳测试涉及对试样或结构施加循环载荷。与单调测试不同，单调测试中载荷会增加直到失效，而疲劳测试所施加的载荷则在规定的最大和最小水平之间循环，直到发生疲劳失效，或者直到施加了预定数量的载荷循环为止。如果在规定的加载周期内没有发生故障，则测试结果称为跳动。
使用几种不同的循环应力水平进行的多次疲劳测试的结果通常以交变应力的振幅Samp 与失效循环数N的关系作图，通常称为SN图。图中包括的所有疲劳测试均采用相同的加载循环内最小应力与最大应力之比进行，称为循环应力比或R。对于拉伸-拉伸疲劳测试，通常使用R = 0.1的R比，而对于反向拉伸-压缩疲劳测试，典型的R = -1.0的R比。疲劳试验也被用来研究复合材料和结构的刚度和强度降低，这是由先前的循环载荷引起的。对于这些测定，应在规定循环次数的循环荷载下进行试验，然后进行单调荷载直至失效。
疲劳试验可以在复合材料结构设计过程中的多个点进行，其特征是测试物品的尺寸和复杂性不同。小试样和简单的单元级试验用于确定复合材料和层压板的疲劳行为，以及研究环境条件、应力集中和现有损伤对疲劳性能的敏感性。大更大更复杂的结构元件、子部件和全尺寸结构疲劳试验通常作为复合材料设计的构建方法的一部分进行。由于更高级别的疲劳测试在广泛的应用范围内差异很大，因此本文将重点放在复合材料的小样本级别的疲劳测试方法上，这些方法往往在许多应用中都很常见。
在金属疲劳中，单个裂纹或少量裂纹会合并会导致失效，与金属疲劳相比，聚合物基复合材料（PMC）中疲劳损伤的形成和扩展更为复杂，通常涉及多种类型的损伤。在多向复合材料层合板中，疲劳损伤通常以基体开裂开始，然后是分层的形成和扩展，最后是纤维断裂。因此，通常使用用于复合材料结构的多向层压板而不是单向层压板进行疲劳试验。
相对于单调加载下PMC的大量标准化力学试验，目前针对疲劳加载的试验相对较少。ASTM D34792于1996年首次标准化，用于拉伸疲劳试验。所规定的标签试样几何形状与ASTM D30393中的单调拉伸载荷相同，范围仅限于载荷或应变控制下的等幅疲劳试验。主要测试结果是疲劳寿命（失效循环数），其与测试中使用的比应力振幅，R比率和环境条件相对应。
弯曲疲劳试验是复合材料最常见的样品级疲劳测试之一，也是最简单的测试之一。当前，还没有标准化的PMC弯曲疲劳试验方法。但是，ASTM D77744侧重于非增强塑料的完全反向（R=-1）弯曲疲劳试验，可作为将现有ASTM D72645 PMC弯曲疲劳试验方法应用于弯曲疲劳的指南。试验需要专门的测试夹具，包括额外的约束以及用于反向加载的双加载辊。
ASTM D30.05结构测试方法小组委员会已经制定了两个用于疲劳测试的标准规范。第一个是ASTM D7615 7，它提供了在循环拉伸或压缩载荷下对复合材料层压板进行开孔或“切口”试验的指南。循环测试中使用的裸眼测试样品和测试夹具与单调拉伸（ASTM 5766 8）或压缩（ASTM D6484 9）加载的规定相同。
第二个标准实施规程ASTM D6873 10使用ASTM D5961 11中描述的四种轴承测试程序解决了复合材料的轴承疲劳响应单调加载。循环轴承试验的特殊考虑因素包括去除因孔伸长相关损伤而产生的纤维基体碎片。在这些试验方法以及其他复合疲劳试验方法中，与疲劳损伤相关的静强度降低可通过在规定的疲劳循环次数后中断循环加载并随后单调加载至失效来确定。
最后，可进行试样级疲劳试验，以研究疲劳载荷下现有损伤的扩展。ASTM D6111512提供了一种试验方法，用双悬臂梁（DCB）试样确定在恒定振幅模式I（开口）循环载荷下分层扩展开始所需的疲劳循环次数。此外，虽然迄今尚未标准化，但冲击后循环压缩（CAI）试验可按照ASTM D713713中提供的试验方法进行，以评估预先存在的冲击损伤对复合材料层压板抗疲劳性的影响。
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