玻纖增強(qiáng)材料的二維力學(xué)性能測(cè)試與分析

張 亮 杜硯文

1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司， 上海 201201；2.上海關(guān)點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201319

2017-07-14

張亮，男，1982年生，工程師，主要從事車身外飾及底盤(pán)動(dòng)力總成集成系統(tǒng)中有關(guān)非金屬材料的工作

杜硯文，E-mail： kevin.du@keytcs.com

玻纖增強(qiáng)材料的二維力學(xué)性能測(cè)試與分析

張 亮1杜硯文2

1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司， 上海 201201；2.上海關(guān)點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201319

開(kāi)發(fā)一種用于玻纖增強(qiáng)材料各向異性測(cè)試的取樣方法，測(cè)試玻纖增強(qiáng)材料的二維力學(xué)性能并分析其在不同溫度下的分布規(guī)律，導(dǎo)出玻纖增強(qiáng)材料各個(gè)方向的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為CAE模擬提供更好的數(shù)據(jù)源，從而推導(dǎo)出玻纖增強(qiáng)材料的本構(gòu)方程。

玻纖， 增強(qiáng)材料， 力學(xué)性能， 本構(gòu)方程

CAE模擬作為一種綜合應(yīng)用計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科的工程技術(shù)，對(duì)提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量有著舉足輕重的作用，是工程技術(shù)人員進(jìn)行創(chuàng)新研究和設(shè)計(jì)的重要工具和手段[1-2]。隨著CAE模擬越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于汽車、航空航天、機(jī)械、材料等領(lǐng)域[3-8]，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性的要求越來(lái)越高[9-10]。為了使CAE模擬更好地應(yīng)用于實(shí)際，需要提供較好的數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)大多是在材料各向同性的基礎(chǔ)上得出的，各向異性材料的數(shù)據(jù)也多為單一的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，未針對(duì)各向異性給出力學(xué)性能分布[11-12]，這嚴(yán)重影響到模擬的有效性。因此，CAE模擬得到的模塑制件性能和實(shí)際模塑產(chǎn)品性能存在較大偏差，匹配度低[13-14]。隨著產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)功能材料的需求越來(lái)越大，大量的玻纖和碳纖維增強(qiáng)材料由于其易加工、密度低而被用來(lái)替代金屬，減輕質(zhì)量。獲得這方面有效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對(duì)CAE模擬具有非常重要的意義[15-17]。

1 試驗(yàn)

本試驗(yàn)首先對(duì)玻纖填充材料的玻纖分布情況進(jìn)行觀察，選定一種PA66+玻纖(質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%)增強(qiáng)材料為試驗(yàn)材料。利用注塑成型法制備一定尺寸的樣板，再根據(jù)不同裁樣角度裁切拉伸、壓縮等試驗(yàn)所需要的試樣，然后在不同溫度下進(jìn)行測(cè)試。

1.1試樣制備

通過(guò)注塑成型工藝加工出尺寸為200 mm×150 mm× 4 mm 的樣板，然后利用數(shù)控加工設(shè)備，根據(jù)ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”和ISO 604：2002“Plastics—Determination of Compressive Properties”的規(guī)定，分別裁切出5個(gè)裁樣角度即0°、30°、45°、60°、90°(注塑流動(dòng)方向?yàn)?°，順時(shí)針?lè)较?的拉伸、壓縮試樣各5種，再用1000目的砂紙將試樣上的毛邊磨去即可。

1.2測(cè)試方法

各指標(biāo)的測(cè)試均依據(jù)有關(guān)的ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行：

(1) 拉伸模量：ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”，速度采用5 mm/min；

(2) 拉伸強(qiáng)度：ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”，速度采用50 mm/min；

(3) 泊松比：ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”，速度采用5 mm/min

(3) 壓縮強(qiáng)度：ISO 604：2002“Plastics—Determination of Compressive Properties”，試樣規(guī)格50 mm× 10 mm×4 mm，速度采用1 mm/min；

(4) 壓縮模量：ISO 604：2002“Plastics—Determination of Compressive Properties”，試樣規(guī)格10 mm× 10 mm×4 mm，速度采用1 mm/min。

測(cè)試溫度：-40、 -30、 -20、 23、 85、 110、 130 ℃；其中，-30、 23、 85 ℃溫度下進(jìn)行5種試樣的測(cè)試，-40、 -20、 110、 130 ℃溫度下僅進(jìn)行0°、 45°、 90° 3種試樣的測(cè)試。壓縮試驗(yàn)僅在-30、 23、 85 ℃溫度下進(jìn)行。

預(yù)處理時(shí)間： 6 h。

應(yīng)變采集方式：一種是通過(guò)設(shè)備自帶的延伸計(jì)采集，另一種是通過(guò)外接的壓電應(yīng)變片采集(圖1)。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1拉伸強(qiáng)度

試樣的拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2，可以得出：

(1) 各測(cè)試溫度下，0°試樣的拉伸強(qiáng)度均最大；

(2) 對(duì)于同一種試樣，其拉伸強(qiáng)度隨測(cè)試溫度升高逐步減小，但在-20 ℃以下和85 ℃以上時(shí)變化均不明顯；

(3) 在-20～110 ℃的測(cè)試溫度范圍內(nèi)，試樣的拉伸強(qiáng)度與測(cè)試溫度基本成線性相關(guān)；

(4) 相同測(cè)試溫度下，試樣的拉伸強(qiáng)度和裁樣角度之間存在一定的算數(shù)關(guān)系，通過(guò)擬合得到二次項(xiàng)方程：

低溫-30 ℃：

F(σ)=67.770(sinα)2-131.790(sinα)+σ0°

常溫23 ℃：

F(σ)=10.470(sinα)2-58.200(sinα)+σ0°

高溫85 ℃：

F(σ)=9.852(sinα)2-39.935(sinα)+σ0°

圖2 試樣的拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.2拉伸模量

試樣的拉伸模量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3，可以看出：

圖3 試樣的拉伸模量測(cè)試結(jié)果

(1) 各測(cè)試溫度下，0°試樣的拉伸模量均最大；

(2) 對(duì)于同一種試樣，其拉伸模量隨著測(cè)試溫度的升高逐漸降低；

(3) 5種試樣中，60°試樣的拉伸模量在-30 ℃和85 ℃溫度下都是最低的；

(4) 0°、 45°、 90°試樣的拉伸模量之間的差異隨著測(cè)試溫度升高而縮小。

2.3泊松比

試樣的泊松比測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出：

(1) 對(duì)于同一種試樣，其泊松比隨測(cè)試溫度升高而增大；

(2) 相同測(cè)試溫度下，試樣的泊松比隨裁樣角度增大表現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)，裁樣角度30°或45°時(shí)達(dá)到最大(30°和45°試樣的泊松比差異很小)，90°時(shí)試樣的泊松比最小。

表1 試樣的泊松比測(cè)試結(jié)果

2.4壓縮強(qiáng)度和壓縮模量

試樣的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出：

(1) 測(cè)試溫度為23 ℃時(shí)，5種試樣的壓縮強(qiáng)度隨裁樣角度增大而逐漸減小，至裁樣角度為60°時(shí)試樣的壓縮強(qiáng)度達(dá)到最低，90°試樣的壓縮強(qiáng)度變化趨勢(shì)和拉伸強(qiáng)度相似；

(2) 對(duì)于同一種試樣，其壓縮強(qiáng)度隨測(cè)試溫度升高而下降；

表2 試樣的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量測(cè)試結(jié)果

(3) 試樣的壓縮模量的變化規(guī)律不明顯，-30 ℃ 和85 ℃溫度下，60°試樣的壓縮模量最低，這和拉伸模量的表現(xiàn)相似。

2.5應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4所示為-30、 23、 85 ℃溫度下各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出：

(1) 測(cè)試溫度為-30 ℃時(shí)，試樣的斷裂延伸率最低，說(shuō)明試樣在低溫下表現(xiàn)出比較脆的性能；

(2) 測(cè)試溫度為23 ℃時(shí)，5種試樣中，0°試樣的斷裂延伸率最大，說(shuō)明它的樹(shù)脂和玻纖分布一致，韌性較大；

(3) 測(cè)試溫度為85 ℃時(shí)，試樣的斷裂延伸率最大且曲線平滑，說(shuō)明試樣在高溫下表現(xiàn)出韌性。

圖4 -30、 23、 85 ℃溫度下各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5所示為各測(cè)試溫度下0°、 45°、 90°試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出：

(1) 對(duì)于同一種試樣，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率隨測(cè)試溫度升高而減小，即測(cè)試溫度越高，試樣的斷裂延伸率越大；

(2) 相同測(cè)試溫度下，45°試樣的斷裂延伸率相對(duì)較大。

2.6真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的推導(dǎo)

試樣的拉伸試驗(yàn)受力如圖6所示。

圖5 各測(cè)試溫度下0°、 45°、 90°試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 試樣拉伸試驗(yàn)受力示意

(1) 試驗(yàn)速度(v)：試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)機(jī)上的夾具分離速度，以“mm/min”為單位。

(2) 拉伸應(yīng)力(σ)：在任何給定時(shí)刻，試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)單位橫截面積所受的拉伸負(fù)荷，以“MPa”為單位。

(3) 拉伸應(yīng)變(ε)：試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度的增量，用無(wú)量綱的比值或百分比(%)表示，適用于屈服點(diǎn)以前的應(yīng)變。

(4) 泊松比(μ)：在試樣縱向應(yīng)變對(duì)法向應(yīng)變關(guān)系曲線的起始線性部分，垂直于拉伸方向的應(yīng)變?chǔ)舗與拉伸方向的應(yīng)變?chǔ)胖鹊呢?fù)值，用無(wú)量綱的比值表示。

其中：l平為試樣平行段距離。

(6) 真應(yīng)力(σT)：通過(guò)測(cè)量瞬間負(fù)荷(F)和截面積(A)并計(jì)算得到的應(yīng)力。

① 由于A0l0=Al，所以

(7) 真應(yīng)變(εT)：相對(duì)伸長(zhǎng)與瞬時(shí)標(biāo)距長(zhǎng)度之比值的百分?jǐn)?shù)。

(8) 真塑性應(yīng)變(εTp)：

其中：εe為應(yīng)變中的彈性部分(此公式基于εe?1，因此沒(méi)必要計(jì)算真彈性應(yīng)變)。

圖7所示為-30、 23、 85 ℃溫度下試樣的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線和真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖中ESS表示應(yīng)力-應(yīng)變曲線，TESS表示真應(yīng)力-應(yīng)變曲線)，可以看

圖7 -30、 23、 85 ℃溫度下試樣的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

出在模量段(應(yīng)變?yōu)?.05%～0.25%)，ESS和TESS基本重合，根據(jù)上述計(jì)算過(guò)程分析，說(shuō)明在模量段泊松比對(duì)真應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算的影響很小。

為了得到-30、 23、 85 ℃溫度下試樣的損傷判據(jù)，測(cè)試0°試樣的剪切模量，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 -30、 23、 85 ℃溫度下0°試樣的剪切模量

推導(dǎo)-30、 23、 85 ℃溫度下材料的本構(gòu)方程：

提出試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型：

(1)

式(2)為測(cè)試條件下(拉伸速度5 mm/min)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式，

(2)

其中：a、b、c為待求參數(shù)；σ0為測(cè)試條件下的屈服強(qiáng)度；ε0為測(cè)試條件下的屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

σ0為零塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力，可通過(guò)計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性區(qū)域的斜率得到。

由式(2)推導(dǎo)得出本構(gòu)方程中的兩個(gè)參數(shù)值(表4)。

表4 本構(gòu)方程中的兩個(gè)參數(shù)值

3 結(jié)論

在不同測(cè)試溫度下，對(duì)不同裁樣角度的PA66+玻纖(質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%)增強(qiáng)材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，得出：

(1) 試樣的最大拉伸強(qiáng)度和最大拉伸模量不受測(cè)試溫度的影響，裁樣角度為0°的試樣的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量均最大，即拉伸性能最佳；

(2) 對(duì)于同一種試樣，其拉伸強(qiáng)度和拉伸模量都隨測(cè)試溫度升高而逐步降低，泊松比則隨著測(cè)試溫度升高而增大，拉伸模量在高溫(85 ℃)或大裁樣角度(60°)以上時(shí)基本不再改變；

(3) 在測(cè)試溫度保持不變的情況下，試樣的拉伸強(qiáng)度與裁樣角度之間滿足二次項(xiàng)方程：

低溫(-30 ℃)：

F(σ)=67.770(sinα)2-131.790(sinα)+σ0°

常溫(23 ℃)

F(σ)=10.470(sinα)2-58.200(sinα)+σ0°

高溫(85 ℃)：

F(σ)=9.852(sinα)2-39.935(sinα)+σ0°

根據(jù)試樣在不同測(cè)試溫度下的力學(xué)性能，導(dǎo)出了低溫(-30 ℃)、常溫(23 ℃)、高溫(85 ℃)3種測(cè)試溫度下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，這為CAE模擬提供了較為有效和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源，進(jìn)而推導(dǎo)出試樣本構(gòu)方程的相關(guān)參數(shù)。

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Testing and analyzing on the two-dimensional mechanical properties of glass fiber reinforced materials

ZhangLiang1，DuKevin2

1. Pan-Asia Technical Automotive Center Company，Shanghai 201201， China；2. Key Point Quality Inspection Technology Service Co.， Ltd.， Shanghai 201319，China

A sampling method for testing the anisotropic properties of glass fiber reinforced materials was developed， the two dimensional mechanical properties of the glass fiber reinforced materials were tested， and the distribution of the mechanical properties at different temperatures were analyzed. The real stress-strain curves of each direction of the glass fiber reinforced materials were derived to provide a better data source for CAE modeling， and thus the constitutive equation of the glass fiber reinforced materials was derived.

glass fiber， reinforced material， mechanical property， constitutive equation

TB302.3

A

1004-7093(2017)08-0032-07