碳纖維復(fù)合材料剪切疲勞試驗(yàn)研究

張 宇 謝 旻 陳武超 鄧俊杰 景偉

(中船重工七一一研究所， 上海 201108)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，復(fù)合材料逐漸出現(xiàn)在了各行各業(yè)之中，首當(dāng)其沖的就是汽車行業(yè)。由于復(fù)合材料強(qiáng)度高、剛度大、質(zhì)量輕、具有良好的可設(shè)計(jì)性，與傳統(tǒng)金屬相比，可以在同等性能條件下大幅減重，為安裝、運(yùn)輸都提供了巨大的方便；且復(fù)合材料具有更好的耐腐蝕、疲勞性能，具有良好的發(fā)展前景。復(fù)合材料具有各向異性的特性，即使是同一種材料，不同的鋪層設(shè)計(jì)也會(huì)導(dǎo)致其性能上的差異，所以研究復(fù)合材料的性能具有十分重要的意義。

碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)可以說是目前應(yīng)用最受青睞的復(fù)合材料，相比于傳統(tǒng)的金屬材料，其出色的疲勞性能一直是國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注對(duì)象。疲勞性能是工程應(yīng)用中產(chǎn)品可靠性研究的重要內(nèi)容之一。目前大多數(shù)CFRP疲勞性能研究著重于單向鋪層或者正交鋪層的拉-拉疲勞，而在很多工程應(yīng)用的場(chǎng)合之中，如傳動(dòng)軸，剪切破壞是重要的破壞模式，對(duì)其疲勞性能的研究十分重要。V型缺口的剪切疲勞試驗(yàn)相對(duì)于其他研究方法，可以獲得更加均勻的應(yīng)力分布，以及純剪切的應(yīng)力狀態(tài)，所以本文采用V型缺口試驗(yàn)的方法，對(duì)CFRP的剪切疲勞性能進(jìn)行研究和探索。

1 國(guó)內(nèi)外研究背景

對(duì)于CFRP的剪切疲勞，還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大多是基于產(chǎn)品的需要，結(jié)合一些通用的方法，在理論或者試驗(yàn)上進(jìn)行研究。徐琪[1]介紹了一些面內(nèi)剪切性能的方法，并沒有深入研究；張健[2]提供了一套單向板復(fù)雜工況的預(yù)測(cè)方法，應(yīng)用僅限于單向板；王偉[3]采用相框試驗(yàn)對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了面內(nèi)剪切試驗(yàn)，而相框試驗(yàn)適用于大型平板試樣；孫炳君[4]采用了筒體扭轉(zhuǎn)的方法；張鐵軍[5]對(duì)復(fù)合材料加筋壁板的多點(diǎn)沖擊進(jìn)行了高周剪切疲勞試驗(yàn)，是對(duì)特殊形狀的壁板進(jìn)行的沖擊性疲勞試驗(yàn)；楊堅(jiān)[6]將Iosipescu剪切強(qiáng)度測(cè)試方法推廣到了疲勞試驗(yàn)；Daniel[7]對(duì)不同鋪層的剪切疲勞試樣進(jìn)行了仿真。

本文采用V型缺口試樣的剪切試驗(yàn)來研究CFRP的面內(nèi)剪切性能，這種試驗(yàn)方法是Iosipescu方法和雙軌剪切法的綜合產(chǎn)物，用于測(cè)定高模量復(fù)合材料的剪切性能[1]，優(yōu)點(diǎn)是其加載方式是在面內(nèi)加載，會(huì)在中間V型缺口下方區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生純剪切的應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力分布更為均勻，且試樣不需要進(jìn)行打孔，避免了在不必要的位置產(chǎn)生應(yīng)力集中。但是缺點(diǎn)是V型缺口加工較為困難，并且試驗(yàn)需要特定的夾具。

2 試驗(yàn)

2.1 試樣制備

本文的試驗(yàn)基于標(biāo)準(zhǔn)ASTM/D7078，試樣制備的要求也按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，圖1為試樣的尺寸圖。試樣的制備按照裁料-制板-固化-裁切-精加工的流程制造，其中材料的參數(shù)見表1。

圖1 V型缺口試樣尺寸圖

表1 CFRP性能參數(shù)

對(duì)于已經(jīng)制備完成的試樣進(jìn)行靜力性能抽樣測(cè)試，檢驗(yàn)試樣的合格性，同時(shí)測(cè)量其靜力的剪切強(qiáng)度。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

為了研究CFRP的剪切疲勞性能，采取V型缺口試樣的剪切疲勞試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)的載荷要求，選用MTS Landmark 100kN電子萬能疲勞試驗(yàn)機(jī)完成試驗(yàn)。此類試驗(yàn)機(jī)能勝任各種高精確度和高重復(fù)性耐久、疲勞裂紋擴(kuò)展、高低循環(huán)疲勞以及斷裂韌性模式測(cè)試。圖2為MTS Landmark 100kN電子萬能疲勞試驗(yàn)機(jī)。圖3為夾具及試樣經(jīng)過夾具夾持后安裝在設(shè)備上的狀態(tài)。

圖2 MTS Landmark 100kN電子萬能疲勞試驗(yàn)機(jī)

圖3 夾具及試樣裝夾圖

3.3 試驗(yàn)步驟

(1) 裝夾試樣并開啟實(shí)驗(yàn)設(shè)備；

(2) 按要求設(shè)定應(yīng)力比和應(yīng)力水平。應(yīng)力比R=σmin/σmax，在相同情況下，應(yīng)力比越小，材料的疲勞性能越差，為了提高材料的安全水平，設(shè)定為比較惡劣的工況，即應(yīng)力比設(shè)定為0.05；

(3) 設(shè)定加載頻率。為了加快疲勞試驗(yàn)的速率，頻率設(shè)定為15 Hz，在高頻狀態(tài)下，通過手持式溫度測(cè)量?jī)x59Mini IR Thermometer，測(cè)量試驗(yàn)加載過程試驗(yàn)件的溫度變化，確保溫升不超過10℃，以避免試驗(yàn)件中嚴(yán)重的溫度變化導(dǎo)致材料屬性退化；

(4) 對(duì)試樣按照設(shè)定條件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中記錄數(shù)據(jù)；

(5) 設(shè)定試樣的疲勞極限為106，即在循環(huán)次數(shù)達(dá)到106之后停止試驗(yàn)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)V型缺口試樣的剪切疲勞試驗(yàn)進(jìn)行完成之后，得到如下疲勞數(shù)據(jù)，見表2和圖3。剪切強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相差不大，在每個(gè)應(yīng)力水平下疲勞試樣的累計(jì)循環(huán)次數(shù)也都在一個(gè)數(shù)量級(jí)之內(nèi)，屬于可接受范圍。其中在應(yīng)力水平為0.7以下時(shí)，試驗(yàn)循環(huán)數(shù)到達(dá)106沒有破壞，認(rèn)為材料到達(dá)疲勞極限。

表2 CFRP剪切強(qiáng)度

表3 CFRP剪切疲勞試驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示為疲勞數(shù)據(jù)以及其擬合曲線，圖5是鍛鋼的通用S-N曲線[11]，其中Su即對(duì)應(yīng)σut。對(duì)比發(fā)現(xiàn)CFRP的斜率小，循環(huán)次數(shù)達(dá)到106時(shí)，達(dá)到了疲勞極限，應(yīng)力水平下降到70%，而鍛鋼則下降到50%，表明CFRP的疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)金屬。而從圖中點(diǎn)的分布來看，其分散性較小，擬合度為0.89。

圖4 S-N曲線

圖5 鍛鋼的通用S-N曲線

(1) s=0.75

(2) s=0.7

(3) s=0.8

圖6中為經(jīng)過完整疲勞試驗(yàn)后的試樣圖，其中(1)和(3)試樣經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)生破壞，其破壞模式如圖所示，為45°方向的剪切破壞。其中(1)為s=0.75應(yīng)力條件下的破壞形式，(3)為s=0.8條件下的破壞形式，明顯高應(yīng)力條件下破壞更為迅速，纖維大多同時(shí)斷裂，而低應(yīng)力條件下發(fā)生了更加明顯的纖維斷裂后的應(yīng)力重新分布，纖維斷裂位置有所不同；(2)為經(jīng)過106循環(huán)之后仍未破壞的試樣圖。

4 結(jié)論

本文研究采用V型缺口試樣測(cè)試碳纖維復(fù)合材料剪切疲勞試驗(yàn)，該方法可以獲得純剪切狀態(tài)以及更加均勻的應(yīng)力分布。對(duì)碳纖維復(fù)合材料V型缺口試樣進(jìn)行了應(yīng)力比為0.05的剪切疲勞試驗(yàn)，獲得了該CFRP的S-N曲線，與金屬的S-N曲線的對(duì)比，可見其疲勞強(qiáng)度大于傳統(tǒng)金屬的疲勞強(qiáng)度，說明碳纖維復(fù)合材料具有良好的疲勞性能。試驗(yàn)表明碳纖維復(fù)合材料在應(yīng)力水平小于70%靜強(qiáng)度即達(dá)到了疲勞極限。本文的研究可為碳纖維復(fù)合材料的工程應(yīng)用提供了良好的理論基礎(chǔ)。