恒定載荷下纖維復(fù)合材料圓管失效分析

江 超，錢(qián) 毅，蘇 荔

(1.核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180；2.粒子輸運(yùn)與富集技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300180)

纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在工程中的應(yīng)用愈加廣泛，同時(shí)，纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的損傷情況也不可避免。近年來(lái)，由于復(fù)合材料制件在航空航天、武器裝備、船舶等領(lǐng)域出現(xiàn)了多次故障，因此復(fù)合材料的損傷研究和失效分析越來(lái)越受到重視。但與金屬材料相比，復(fù)合材料制件的失效原因往往更加復(fù)雜，取決于多種失效模式(如基體開(kāi)裂、界面脫粘、纖維斷裂及分層)和參數(shù)(如纖維和樹(shù)脂的性能、疊層順序、固化過(guò)程、環(huán)境、溫度以及使用條件等)，其分析技術(shù)遠(yuǎn)不如金屬材料領(lǐng)域成熟，研究對(duì)象主要集中在復(fù)雜受力、疲勞、應(yīng)力集中等結(jié)構(gòu)件上[1-3]。

本研究的對(duì)象為復(fù)合材料圓管件，在工作狀態(tài)下承受恒定的靜載荷，對(duì)于該類(lèi)受力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)件，因其抗蠕變性能優(yōu)異，失效過(guò)程極其緩慢，往往關(guān)注較少。在結(jié)構(gòu)上，本文圓管件類(lèi)似于受恒定單一載荷的多向?qū)雍习?，失效原因是由損傷的累積而導(dǎo)致的。對(duì)于此類(lèi)結(jié)構(gòu)，失效過(guò)程是較為復(fù)雜和相互作用的分離損傷模式的集合，一般可分為單層失效和層間分離[4-7]。

對(duì)于單層失效模式，當(dāng)圓管承受的載荷增大時(shí)，橫向裂紋在與之垂直方向上的密度逐漸增加，并最終達(dá)到飽和裂紋密度狀態(tài)(CDS)。

對(duì)于分層失效模式，根據(jù)斷裂力學(xué)理論，層間裂紋的形成可歸結(jié)為3種受載形式的組合，其中，Ⅰ型為張開(kāi)型，Ⅱ型為滑剪型，Ⅲ型為扭剪型，但無(wú)論哪種形式，制件的強(qiáng)度和剛度一般會(huì)發(fā)生下降，當(dāng)分層達(dá)到一定程度時(shí)，將導(dǎo)致實(shí)際使用性能喪失。

根據(jù)以上分析，本研究將針對(duì)上述兩種模式，以受過(guò)不同恒定載荷的試樣為基礎(chǔ)，結(jié)合纖維復(fù)合材料圓管件的具體結(jié)構(gòu)和工藝，采用相應(yīng)的失效分析手段對(duì)損傷特征進(jìn)行觀察，為圓管的設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)反饋必要的失效分析依據(jù)，促進(jìn)產(chǎn)品可靠性水平的持續(xù)提升。

1 試樣及試驗(yàn)情況

1.1 試樣

受試試樣是以樹(shù)脂為基體、纖維為增強(qiáng)體多層纏繞而成的薄壁圓管件，在工作過(guò)程中承受恒定的應(yīng)力。為模擬該恒定應(yīng)力，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用試驗(yàn)裝置(圖1)，該裝置將圓管兩端密封后，注入液壓介質(zhì)為圓管建立內(nèi)壓，并在試驗(yàn)過(guò)程中維持壓力恒定。

圖1 纖維復(fù)合材料圓管試驗(yàn)裝置Fig.1 Testing device for fiber composite pipe

1.2 試驗(yàn)情況

為在較短時(shí)間內(nèi)加速試樣的損傷過(guò)程，在開(kāi)展損傷測(cè)試前，采用加速試驗(yàn)的方法對(duì)試樣加壓并保持恒定，具體試驗(yàn)過(guò)程列于表1。本研究試樣均為同一批次、同一工藝?yán)p繞，在試驗(yàn)完成后立即保存，以備后續(xù)測(cè)試時(shí)統(tǒng)一截取。

表1 纖維復(fù)合材料圓管保壓試驗(yàn)基本信息Table 1 Basic information of pressure-holdingtest for fiber composite pipe

2 失效分析

為系統(tǒng)分析圓管失效過(guò)程及原因，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)前后及不同試驗(yàn)狀態(tài)下的試樣從宏觀-細(xì)觀-微觀的角度分別進(jìn)行對(duì)比觀察，通過(guò)對(duì)常用的復(fù)合材料失效分析方法進(jìn)行調(diào)研[8-13]，選取了4種適用的分析方法，即目視法、敲擊法、金相法和X射線顯微觀察法。

2.1 目視法

通過(guò)目視觀察試樣在試驗(yàn)過(guò)程中外觀變化情況和失效狀態(tài)，初步判斷圓管失效模式。在試驗(yàn)過(guò)程中和試驗(yàn)后定期觀察試樣表面，具體情況如下：在對(duì)圓管進(jìn)行加速試驗(yàn)時(shí)，升壓過(guò)程中，圓管筒體隨壓力的升高會(huì)持續(xù)發(fā)出損傷的聲音，但從外觀上無(wú)法識(shí)別損傷點(diǎn)位置。試樣在保壓過(guò)程中最外側(cè)纖維(環(huán)向?qū)?會(huì)有崩裂現(xiàn)象，并隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)，位置隨機(jī)，試樣表面情況如圖2所示。

圖2 保壓過(guò)程中圓管表面損傷情況Fig.2 Surface damage of pipe in pressure-holding process

試樣失效后，失效點(diǎn)均發(fā)生在試樣有效試驗(yàn)部位(非密封段)，試樣的外觀損傷不一，主要表現(xiàn)為環(huán)向?qū)硬糠质?、角度層因受?nèi)壓膨脹后剪切失效。試樣失效情況如圖3所示。

圖3 失效時(shí)圓管損傷情況Fig.3 Pipe damage in failure

根據(jù)上述觀察的試樣情況知，圓管失效信息主要集中在斷口上。對(duì)于完全失效的圓管斷口，由于失效后樣本破壞性較大，原始斷口的定位很難確定，因此需從失效后的試樣形貌上分析失效原因。

圓管在保壓過(guò)程中局部發(fā)生斷裂(圖2)，繼續(xù)保壓時(shí)，最終失效的斷口處呈散絲劈裂狀態(tài)。根據(jù)上述現(xiàn)象，認(rèn)為散絲劈裂失效一般以界面失效為主，且存在多個(gè)裂紋源[14]。再結(jié)合圖3，試樣在保壓一段時(shí)間后，角度層纖維沿載荷方向約45°剪切失效，該現(xiàn)象一般認(rèn)為載荷進(jìn)一步擴(kuò)大了圓管內(nèi)部的缺陷，在長(zhǎng)期的保壓過(guò)程中缺陷進(jìn)一步生長(zhǎng)，致使纖維層間界面損傷，最終由于該處應(yīng)力集中而失效。

綜合而言，失效原因大致為筒體內(nèi)部的先天缺陷在長(zhǎng)期承載過(guò)程中進(jìn)一步生長(zhǎng)，累積到一定程度時(shí)，引起某一區(qū)域的材料性能下降，造成該處應(yīng)力集中而發(fā)生失效。

2.2 敲擊法

通過(guò)對(duì)受試試樣表面等距離(約30 mm)敲擊，根據(jù)敲擊聲頻判斷是否存在內(nèi)部明顯損傷(較大孔隙或分層)，分普通敲擊和激振測(cè)試兩種方法。通過(guò)對(duì)試樣表面進(jìn)行敲擊，未發(fā)現(xiàn)筒體存在聲頻突變的情況，因此可初步判斷圓管在試驗(yàn)過(guò)程中，內(nèi)部未出現(xiàn)明顯損傷，即未產(chǎn)生大面積的孔洞或分層。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)個(gè)別試樣進(jìn)行激振測(cè)試，以n/m的形式表征試樣的各向模態(tài)振型，其中n代表薄壁圓管件的周向波數(shù)，m代表軸向半波數(shù)，測(cè)試試驗(yàn)前后圓管各向模態(tài)頻率，不同n/m組合振型對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率變化可間接反映其損傷程度，如1/1方向可表征圓管剛度損傷情況，3/3方向可表征圓管環(huán)向強(qiáng)度損傷情況等。測(cè)試結(jié)果列于表2。

通過(guò)比較試驗(yàn)前后的模態(tài)頻率發(fā)現(xiàn)，圓管各振型的模態(tài)頻率變化均在誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明圓管未發(fā)生明顯損傷。

2.3 金相法

通過(guò)金相觀察試樣沿纖維方向和與纖維垂直方向的兩個(gè)截面，分析試驗(yàn)前后應(yīng)力對(duì)試樣缺陷的影響。

在試驗(yàn)過(guò)程中開(kāi)展了4組金相試樣觀察，即未加載試樣和加載后試樣的兩個(gè)方向截面分別觀察，每組3個(gè)樣本，共12個(gè)試樣。測(cè)試結(jié)果如圖4～6所示。

從金相圖片(圖4)可看出，原始試樣的纖維角度層因交叉纏繞而形成清晰的界面，界面 上局部也會(huì)出現(xiàn)小的缺陷，而環(huán)向?qū)拥母鲗又g界面并不明顯，但內(nèi)部存在一些不連續(xù)黑色點(diǎn)，一般為富膠點(diǎn)或孔隙。從整體來(lái)看，本材料的纖維體積含量較高，排列均勻，說(shuō)明環(huán)向?qū)拥睦w維復(fù)合材料具備較理想的力學(xué)性能水平。

表2 不同狀態(tài)下圓管試樣的激振測(cè)試結(jié)果Table 2 Excitation test result of pipe in different states

圖4 試驗(yàn)前試樣環(huán)向及軸向截面形貌Fig.4 Sample’s circular and axial section morphology without testing

圖5 試驗(yàn)后試樣截面形貌Fig.5 Sample’s section morphology after testing

通過(guò)對(duì)施加恒定載荷(72.61 MPa，7 300 h)后的試樣截面進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，試樣內(nèi)部出現(xiàn)了一定程度的損傷(圖5)。其中環(huán)向?qū)咏孛嫔先毕葜饕憩F(xiàn)為：環(huán)向?qū)又械娜毕輸?shù)量及面積明顯增多(圖5中黑點(diǎn))，但黑點(diǎn)并不連續(xù)。而觀察角度層可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)載荷作用后，角度層環(huán)向和軸向兩個(gè)方向的截面上均可明顯觀察到角度層間的界面裂紋(圖6)，但結(jié)合激振測(cè)試結(jié)果(表2)知，角度層的裂紋未對(duì)圓管的剛度造成明顯影響。

圖6 試驗(yàn)后圓管角度層環(huán)向及軸向截面形貌Fig.6 Circumferential angular layer circular and axial cross section morphology after testing

綜合而言，通過(guò)金相圖片觀察，初始試樣上均可發(fā)現(xiàn)一定量的缺陷，角度層界面清晰，總體上纖維體積含量較高，材料具備良好力學(xué)性能的條件，但經(jīng)過(guò)加載及一段時(shí)間恒定加載后，不僅角度層界面存在開(kāi)裂情況，而且環(huán)向?qū)娱g的缺陷數(shù)量也進(jìn)一步增多，但未發(fā)展成較大面積的層間損傷。

2.4 X射線顯微觀察法

通過(guò)X射線三維顯微系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)前后試樣內(nèi)部缺陷進(jìn)行透射觀察，通過(guò)三維顯像得到內(nèi)部缺陷分布并量化，分析試驗(yàn)應(yīng)力對(duì)圓管內(nèi)部缺陷的影響。本試驗(yàn)共進(jìn)行了12個(gè)試樣的觀察，對(duì)試樣進(jìn)行了全方位透射掃描，分辨率達(dá)1.5 μm。對(duì)試樣內(nèi)部進(jìn)行全面掃描時(shí)，通過(guò)像素劃分確定孔隙位置及大小，同時(shí)將環(huán)向?qū)永w維與角度層纖維分開(kāi)計(jì)算孔隙率，如圖7所示，上區(qū)域?yàn)榻嵌葘?，下區(qū)域?yàn)榄h(huán)向?qū)?，同時(shí)避開(kāi)因制備而造成的裂紋區(qū)域。

圖7 孔隙定量分析分區(qū)Fig.7 Pore quantitative analysis zoning

將孔隙閾值與復(fù)合材料分割后，提取孔隙空間分布占比，可觀察到沿纖維方向的帶狀孔隙和分散在基體中的離散孔隙，形貌如圖8、9所示。

進(jìn)一步將不同受載狀態(tài)下的試樣孔隙率列入柱狀圖中進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示，加載與否對(duì)角度層孔隙率影響不顯著且不呈正相關(guān)關(guān)系，而環(huán)向?qū)涌紫堵拭黠@增加。將環(huán)向?qū)蛹虞d前后的孔隙空間分布進(jìn)一步對(duì)比，情況如圖11所示。

圖8 未加載試樣環(huán)向?qū)优c角度層孔隙空間分布Fig.8 Distribution of pore space in circular and angular layers of unloaded sample

圖9 加載試樣環(huán)向?qū)优c角度層孔隙空間分布Fig.9 Distribution of pore space in circular layer and angular layer of loaded sample

通過(guò)比較圖10可知，加載與否對(duì)環(huán)向?qū)拥挠绊戄^明顯，特別是在加載過(guò)程中會(huì)引起較大的損傷，但在長(zhǎng)期的恒定載荷作用下增長(zhǎng)極其緩慢，失效時(shí)試樣環(huán)向?qū)拥目紫堵蔬_(dá)到約3.9%。對(duì)于角度層，內(nèi)壓載荷對(duì)其影響不明顯，與時(shí)間不呈正相關(guān)的關(guān)系。從圖11a可知，對(duì)于初始未加載的試樣，沿纖維方向即存在部分孔隙，經(jīng)應(yīng)力加載后，沿纖維方向的孔隙進(jìn)一步增多，并有沿纖維橫向合并的趨勢(shì)，當(dāng)這些孔隙互相連通且達(dá)到一定程度時(shí)，將引起筒體局部強(qiáng)度性能下降并發(fā)生失效。從圖11b可看出，已有多處孔隙出現(xiàn)橫向貫通的現(xiàn)象，接近失效狀態(tài)，將導(dǎo)致局部應(yīng)力集中乃至失效，這與目視法、金相法等的測(cè)試情況基本一致。

圖10 不同狀態(tài)下的環(huán)向?qū)雍徒嵌葘涌紫堵蔉ig.10 Porosity of circular layer and angular layer damage content under different conditions

圖11 加載前后環(huán)向?qū)涌紫斗植糉ig.11 Distribution of pores in circular layer before and after loading

2.5 綜合失效分析

基于上述4種失效分析方法對(duì)復(fù)合材料圓管進(jìn)行了宏觀(觀察法和敲擊法)、細(xì)觀(金相法)和微觀(X射線顯微法)觀察，初步描述了圓管的失效過(guò)程。

1) 初始狀態(tài)

從敲擊法的測(cè)試結(jié)果、試樣初期金相法得到的環(huán)向及軸向截面形貌和X射線顯微觀察法的孔隙率測(cè)量結(jié)果可看出，圓管初始狀態(tài)下有一定量的先天缺陷，主要是層間的孔隙和單層中少許的纖維與基體脫粘，構(gòu)成了圓管結(jié)構(gòu)件主要的初始損傷。

2) 加載狀態(tài)

通過(guò)不同狀態(tài)下環(huán)向?qū)雍徒嵌葘涌紫堵?圖10)對(duì)比可看出，加載過(guò)程中，應(yīng)力的變化對(duì)試樣孔隙率的影響明顯，但力學(xué)性能未發(fā)生明顯變化。

3) 恒載狀態(tài)

恒定載荷一段時(shí)間后，孔隙率進(jìn)一步增大但十分緩慢，通過(guò)X射線顯微觀察的圖片(圖11)可看出，一方面單層中更多的纖維與基體脫粘，另一方面層間的孔隙相互連通并造成層間失效，由于纖維與基體的脫粘會(huì)使得纖維之間的應(yīng)力無(wú)法傳遞，將導(dǎo)致纖維出現(xiàn)應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂；而層間空隙的相互連通將導(dǎo)致分層，最終出現(xiàn)觀察法(圖2)中所觀察到的圓管表面損傷情況。

4) 失效狀態(tài)

由于外層的環(huán)向?qū)邮菑较驂毫Φ闹饕休d部分，最終失效時(shí)，因圓管表面損傷引起的應(yīng)力集中而導(dǎo)致外層進(jìn)一步失效，隨后(或同時(shí))角度層也發(fā)生失效(圖3)，而斷口的散絲劈裂狀態(tài)進(jìn)一步反映在試驗(yàn)后期大部分纖維與基體已發(fā)生了脫粘。

2.6 信息反饋

基于上述的失效分析結(jié)果，為提高圓管的可靠性水平，對(duì)其工藝改進(jìn)有以下建議：1) 在制造過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)一步改善基體與纖維之間的界面結(jié)合工藝，減少沿纖維方向的孔隙；2) 圓管在作為氣體儲(chǔ)存容器時(shí)，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠致密，不可直接與氣體接觸，需將內(nèi)壁進(jìn)行處理后使用。

3 結(jié)論

1) 本研究基于圓管密封裝置，模擬并加速?gòu)?fù)合材料圓管工作應(yīng)力下的失效過(guò)程，采用適當(dāng)?shù)暮暧^、細(xì)觀和微觀分析方法，描述了圓管的大致失效過(guò)程。

2) 通過(guò)失效分析發(fā)現(xiàn)纖維復(fù)合材料圓管的初始損傷主要沿纖維方向存在，加載狀態(tài)下初始損傷進(jìn)一步擴(kuò)大，長(zhǎng)期恒定載荷下造成纖維與基體緩慢脫粘，并最終導(dǎo)致局部分層而引起強(qiáng)度失效，失效時(shí)環(huán)向?qū)涌紫堵始s為3.9%。

3) 纖維復(fù)合材料圓管在恒定載荷下的失效形式為散絲劈裂狀態(tài)，根據(jù)其失效狀態(tài)對(duì)工藝提出了改善基體與纖維之間界面結(jié)合工藝以及作為壓力容器時(shí)需對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行處理的建議。