玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板疲勞性能試驗(yàn)研究

滕 奎，李紅萍

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院標(biāo)材部，上海 201210）

航空領(lǐng)域的許多結(jié)構(gòu)及零部件都承受著循環(huán)疲勞載荷作用，而疲勞中載荷特征參量較多,像應(yīng)力幅、平均應(yīng)力等，各載荷特征參量對疲勞失效的影響比較復(fù)雜。目前各參量對疲勞失效的影響仍不明確,特別是在國內(nèi)，尚未對纖維增強(qiáng)鋁合金層合板疲勞特性做全面的了解和分析，沒有建立起使用規(guī)范[1]。

關(guān)于應(yīng)力幅值對疲勞失效的影響，當(dāng)應(yīng)力幅比不變時(shí)，與單軸情況相同，隨著等效應(yīng)力的增大，疲勞壽命降低；當(dāng)?shù)刃?yīng)力不變時(shí)，隨著應(yīng)力幅比的增大，疲勞壽命的變化卻仍不明確。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為，不同的應(yīng)力幅比值對結(jié)構(gòu)多軸高周疲勞的失效是有影響的。隨著玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板在飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用，對其疲勞特性的研究越來越重要[3-5]，特別是隨著國內(nèi)航空業(yè)的發(fā)展，對玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板疲勞特性的了解和掌握是非常必要的。

本文作者利用試驗(yàn)測試方法，對玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板在不同應(yīng)力比下疲勞裂紋萌生和疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律作了較為詳盡的分析研究，給出了玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板在疲勞載荷作用下的疲勞特性和規(guī)律。

1 玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板疲勞裂紋擴(kuò)展性能的測試分析

1.1 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)測試過程

為了獲得玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板疲勞裂紋擴(kuò)展性能，按照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（E647-2008 疲勞裂紋擴(kuò)展率測量的標(biāo)準(zhǔn)測試方法）的要求，利用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)（型號：PLG-100C）對玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板疲勞裂紋擴(kuò)展性能進(jìn)行了測試。首先嚴(yán)格按照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（試件尺寸及試件細(xì)部如圖1和圖2所示）對不同應(yīng)力比下鋁合金單板疲勞裂紋擴(kuò)展和纖維增強(qiáng)鋁合金疊層板疲勞裂紋擴(kuò)展性能做相應(yīng)的試驗(yàn)測試分析；對測試結(jié)果做相應(yīng)的比較分析，獲得各自疲勞特性的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)矩形截面試件加工尺寸圖Fig.1 Specimen dimension of fatigue crack growth rate test

圖2 玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)件細(xì)節(jié)圖Fig.2 Specimen of glass fiber metal laminates

1.2 疲勞裂紋擴(kuò)展測試結(jié)果及分析

在不同應(yīng)力比（r=-1、0.1、0.5）下，根據(jù)裂紋長度和循環(huán)次數(shù)，計(jì)算得到的應(yīng)力場強(qiáng)度因子ΔK和疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN，以ΔK為橫坐標(biāo)，da/dN為縱坐標(biāo)的雙對數(shù)坐標(biāo)下的試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分布圖，如圖3～6所示，給出了鋁合金單板和玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板疲勞裂紋擴(kuò)展速率變化圖。圖中曲線為回歸分析的擬合曲線，根據(jù)Paris公式，da/dN=C（ΔK）m，按冪函數(shù)擬合，則材料函數(shù)C、m可直接由擬合函數(shù)確定；r2為相關(guān)系數(shù)，r2越接近1，表明數(shù)據(jù)相關(guān)度越高。利用不同應(yīng)力比下玻璃纖維增強(qiáng)疊合層板試件和LY12鋁合金單板試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率擬合函數(shù)如圖4和圖6所示。繪制的基于ΔK的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，在雙對數(shù)坐標(biāo)下，函數(shù)形式為lg（da/dN）=C+mlg（ΔK）。為便于比較，圖6的擬合曲線采用的是試件前后面擬合數(shù)值的算數(shù)平均值繪制的，試驗(yàn)記錄的前后面裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)的曲線擬合的相關(guān)度較低，所以只適合定性分析。

根據(jù)鋁合金單板在不同應(yīng)力比下疲勞裂紋擴(kuò)展測試結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)相關(guān)系數(shù)可知，疲勞裂紋擴(kuò)展測試結(jié)果的離散度不大，試件材料的均勻性、試驗(yàn)過程和測量過程的一致性都較好，擬合函數(shù)的相關(guān)度較高，可作為對照性數(shù)據(jù)。

（2）由圖3（a）和圖3（b）可知，當(dāng)da/dN較小時(shí)（小于10-5），試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性較大，在圖3（c）中，由于應(yīng)力幅值較小，試驗(yàn)時(shí)施加的平均應(yīng)力較大，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

圖3 不同應(yīng)力比下的玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金單板疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK變化Fig.3 da/dN-ΔK of glass fiber aluminum sheet in different stress ratio

（3）圖4為利用不同應(yīng)力比下LY12鋁合金單板試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率擬合函數(shù)繪制的基于ΔK的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線。在雙對數(shù)坐標(biāo)下，函數(shù)形式為lg（da/dN）=C+mlg（ΔK）。由圖4可知，在穩(wěn)定擴(kuò)展階段（10-7～10-3）內(nèi)，當(dāng)應(yīng)力場強(qiáng)度因子較大時(shí)，壓載荷對疲勞裂紋擴(kuò)展有促進(jìn)作用。

圖4 玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金單板在不同應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率擬合曲線Fig.4 da/dN-ΔK of glass fiber aluminum sheet in different stress ratio

根據(jù)玻璃纖維增強(qiáng)疊合層合板在不同應(yīng)力比下疲勞裂紋擴(kuò)展速率測試結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

（1）圖5中的前面、后面是指試件試驗(yàn)時(shí)指定的前后面，因疊合層板的前后面裂紋擴(kuò)展有一定差別，所以在試驗(yàn)測試時(shí)單獨(dú)記錄了前后兩面各自的裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)。

圖5 不同應(yīng)力比下玻璃纖維疊合層板疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK變化Fig.5 da/dN-ΔK of glass fiber metal laminates in different stress ratio

（2）由于數(shù)據(jù)的離散度較大，擬合公式的相關(guān)系數(shù)低，因此擬合曲線只能進(jìn)行定性分析比較，不能進(jìn)行定量的壽命預(yù)報(bào)。

（3）圖6為利用不同應(yīng)力比下玻璃纖維增強(qiáng)疊合層板試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率擬合函數(shù)繪制的基于ΔK的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線變化圖，在雙對數(shù)坐標(biāo)下，函數(shù)形式為lg（da/dN）=C+mlg（ΔK）。為便于比較，圖6中的擬合曲線采用的是試件前面擬合數(shù)值的算數(shù)平均值繪制的。由圖6可知，da/dN隨應(yīng)力幅值的增加而加大的趨勢及壓載荷對疲勞裂紋擴(kuò)展有促進(jìn)作用體現(xiàn)不明顯，具體是因?yàn)椴牧献陨韺傩匀绱诉€是制備工藝不完善造成的，需進(jìn)一步研究。

圖6 玻璃纖維增強(qiáng)疊合層板在不同應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率擬合曲線Fig.6 da/dN-ΔK of glass fiber metal laminates in different stress ratio

2 玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板疲勞裂紋萌生性能的測試分析

2.1 試驗(yàn)過程

為了獲得玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板疲勞裂紋萌生特性，按照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求分別對鋁合金單板和玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板疲勞裂紋萌生特性進(jìn)行了試驗(yàn)測試（裂紋萌生試件形式如圖7所示），測試結(jié)果如圖8～9所示。并與鋁合金單板的性能進(jìn)行比較分析。在應(yīng)力水平由高到低的試驗(yàn)中，假定第7根試樣在應(yīng)力σ7作用下，未達(dá)到預(yù)定循環(huán)周次數(shù)就發(fā)生了破壞，而依次取的第8根試樣在σ8作用下通過，而且兩個(gè)應(yīng)力差（σ7-σ8）不超過σ8的5%，則σ7和σ8的算數(shù)平均值就是疲勞極限或條件疲勞極限。σr=（σ7+σ8）/2。各類試件在不同應(yīng)力比下的疲勞極限結(jié)果如表1所示。

2.2 結(jié)果及分析

根據(jù)鋁合金單板在不同應(yīng)力比下疲勞裂紋萌生測試結(jié)果可知：

（1）圖8（a）～（c）給出了鋁合金單板在不同應(yīng)力比（r=-1、0.1、0.5）下S-N擬合曲線，圖中曲線為回歸分析的冪函數(shù)擬合曲線，r2為相關(guān)系數(shù)，由圖中結(jié)果可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散度不大。

（2）由圖8（d）可知，材料的疲勞極限隨疲勞載荷譜幅值的減小而增大，這與實(shí)際情況相符合。

根據(jù)玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板在不同應(yīng)力比下疲勞裂紋萌生測試結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

（1）圖9（a）～（c）給出了玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板在不同應(yīng)力比（r=-1、0.1、0.5）下的S-N擬合曲線，圖中曲線為回歸分析的冪函數(shù)擬合曲線，為相關(guān)系數(shù)，由圖中結(jié)果可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散度不大。

圖7 抗疲勞裂紋萌生（S-N曲線）試樣Fig.7 Specimen dimension of S-N test

圖8 不同應(yīng)力比下鋁合金單板S-N擬合曲線Fig.8 S-N curve of aluminum sheet in different stress ratio

（2）由圖9（d）可知，材料的疲勞極限隨疲勞載荷譜的幅值的減小而增大。

圖9 不同應(yīng)力比下玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板S-N擬合曲線Fig.9 S-N curve of glass fiber metal laminates in different stress ratio

表1 不同應(yīng)力比下不同試件的疲勞極限試驗(yàn)結(jié)果（MPa）

3 結(jié)論

由疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)的定性分析可知，纖維增強(qiáng)材料制成的疊合層板相對鋁合金基板，疊合層板的裂紋萌生壽命及疲勞極限要比鋁合金單板試件的低，這主要因?yàn)樵趯影逯校X合金薄板的剛度比纖維預(yù)浸料要大得多，因此，承擔(dān)的試驗(yàn)載荷要比名義載荷大；但層板的裂紋擴(kuò)展速率低于鋁合金單板，即裂紋擴(kuò)展壽命長，且疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力幅的增加而加大，同時(shí)，壓載荷的存在對疲勞裂紋擴(kuò)展有促進(jìn)作用。此外，由于層板制備過程中可能出現(xiàn)的脫層等缺陷和殘余熱應(yīng)力的影響，裂紋擴(kuò)展速率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性較大，因此，層板的制備工藝對性能影響較大。

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