馬 丹 方允偉 王佳慶 王玉梅 徐 琪

(中材科技股份有限公司，南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院，南京 210012)

文 摘 對(duì)LTX1240玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料開展拉-壓疲勞試驗(yàn)，繪制S-N曲線進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，利用掃描電鏡觀察疲勞試樣斷口形貌，分析其在拉-壓循環(huán)載荷作用下的失效模式。結(jié)果表明：LTX1240玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的條件疲勞極限為278 MPa；失效過(guò)程為樹脂基體最先破壞，接著界面分層乃至纖維拉伸、剪切破壞，它們相互作用形成了彌散損傷區(qū)并據(jù)此擴(kuò)展發(fā)生材料斷裂。

0 引言

纖維樹脂基復(fù)合材料(FRP)具有比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和耐疲勞性能好的特點(diǎn)，近幾十年來(lái)廣泛用于航空、航天、交通等諸多領(lǐng)域[1]。在工程應(yīng)用中，諸如旋翼機(jī)部件、風(fēng)電葉片等高周疲勞結(jié)構(gòu)，疲勞損傷導(dǎo)致的斷裂是結(jié)構(gòu)破壞的重要原因之一。由于復(fù)合材料獨(dú)特的疲勞行為(門檻值高、數(shù)據(jù)分散性大和多種疲勞損傷機(jī)理)，金屬結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性分析與設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。已有諸多文獻(xiàn)從試驗(yàn)和理論的角度對(duì)此進(jìn)行了研究，包括玻璃纖維和碳纖維在內(nèi)的纖維增強(qiáng)樹脂基層合板拉-拉、含孔拉-壓、彎曲試驗(yàn)研究[2-6]，利用S-N曲線理論[7]和疲勞剩余強(qiáng)度、剩余剛度等理論[8-15]對(duì)纖維樹脂基復(fù)合材料疲勞損壞進(jìn)行失效分析，探索其疲勞損傷模型，對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，積累了一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取得了一定進(jìn)展。目前國(guó)外ASTM D3479規(guī)定了纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料拉-拉疲勞性能的測(cè)試方法，國(guó)內(nèi)僅有GJB 2637—1996中闡述了碳纖維樹脂基復(fù)合材料拉-壓疲勞試驗(yàn)方法的具體內(nèi)容，但該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)表距今20余年，不可避免的出現(xiàn)滯后性、不適用性。一般而言，對(duì)復(fù)合材料更危險(xiǎn)的是壓-壓疲勞和拉-壓疲勞，研究規(guī)范的、適用的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料拉-壓疲勞試驗(yàn)方法迫在眉睫。

本文以LTX1240單向玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板為對(duì)象，模擬風(fēng)電葉片受力狀況，重點(diǎn)研究了其拉-壓疲勞性能并預(yù)測(cè)疲勞壽命，對(duì)破壞斷口進(jìn)行失效分析，為工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和儀器

復(fù)合材料體系是以歐文斯科寧公司生產(chǎn)的LTX1240 H-Glass單向玻璃纖維布為增強(qiáng)纖維，道生天合材料科技(上海)有限公司生產(chǎn)的Techstorm 180/185真空灌注用環(huán)氧樹脂為樹脂基體。

拉-壓疲勞試驗(yàn)在電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，設(shè)備為MTS公司生產(chǎn)的MTS 570.10疲勞試驗(yàn)機(jī)，其動(dòng)態(tài)載荷量程為100 kN，載荷示值準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)(圖1)。

疲勞試樣破壞斷口形貌通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀成像，設(shè)備為德國(guó)ZEISS公司生產(chǎn)的SIGMA 300。

圖1 電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Electro-hydraulic servo fatigue testing machine

1.2 試樣制備

圖2 復(fù)合材料拉-壓疲勞試樣尺寸和形狀Fig.2 Shape and size of tension-compression fatigue specimen of composites

采用真空灌注成型工藝制備玻璃纖維單向?qū)雍习澹鶕?jù)設(shè)計(jì)要求以[0°/0°/0°/0°]s方式對(duì)稱鋪設(shè)8層，名義厚度為7 mm，單向板拉伸強(qiáng)度為1 250 MPa，纖維質(zhì)量含量為74.0%。層合板預(yù)成型后進(jìn)行75℃，7 h后固化處理，使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精確切割至測(cè)試樣條，復(fù)合材料拉-壓疲勞試樣的尺寸和形狀見圖2。選用這種雙曲面啞鈴型試樣，可確保疲勞破壞位置在試樣中部最薄弱區(qū)域，有效提高試驗(yàn)成功率，另外相對(duì)于試樣中段其他區(qū)域可視為加強(qiáng)區(qū)，可有效降低試樣在拉-壓交變循環(huán)載荷下發(fā)生屈曲失穩(wěn)的現(xiàn)象。

1.3 測(cè)試

本文中拉-壓疲勞試驗(yàn)應(yīng)力比R=-1，測(cè)試頻率3 Hz，波形為正弦波。為了防止試樣在拉-壓交變載荷下屈曲失穩(wěn)，設(shè)計(jì)加工了防失穩(wěn)裝置，可有效保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同應(yīng)力水平下復(fù)合材料的疲勞壽命

本文依據(jù)德國(guó)勞氏船級(jí)社(DNV-GL)規(guī)范要求選擇N1=104、N2=105、N3=5×105、N4=2×1064組參數(shù)為目標(biāo)疲勞壽命，獲得S-N曲線。

按照試驗(yàn)方案，依次進(jìn)行了層合板靜拉強(qiáng)度平均值的24%～37%應(yīng)力水平范圍內(nèi)的復(fù)合材料拉-壓疲勞試驗(yàn)，在該應(yīng)力水平范圍內(nèi)，可達(dá)到N1～N44組預(yù)期疲勞壽命。一般而言，對(duì)于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，疲勞試驗(yàn)頻率不應(yīng)使試樣溫升大于2.8℃，通常選用足夠低的頻率來(lái)避免試樣發(fā)熱，因?yàn)檫@種發(fā)熱可能導(dǎo)致熱引起的破壞。本文選用的試驗(yàn)參數(shù)及拉-壓疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同應(yīng)力水平下復(fù)合材料單向板拉-壓疲勞試驗(yàn)結(jié)果1)Tab.1 Tension-compression fatigue test results of compositeunidirectional plates under different stress levels

注：1)應(yīng)力比R=-1，測(cè)試頻率3 Hz。

從表1看出，隨著應(yīng)力水平不斷增大，該玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞壽命不斷降低，應(yīng)力水平低于26%，即應(yīng)力幅低于325 MPa時(shí)，材料極限疲勞循環(huán)周次超過(guò)100萬(wàn)次，疲勞壽命較長(zhǎng)。而當(dāng)應(yīng)力水平高于37%，即應(yīng)力幅高于462.5 MPa時(shí)，材料極限疲勞循環(huán)周次僅為5 000多次，疲勞壽命急劇下降，復(fù)合材料在半小時(shí)甚至幾分鐘內(nèi)被破壞。應(yīng)力水平為24%，即應(yīng)力幅為300 MPa時(shí)，該復(fù)合材料拉-壓疲勞循環(huán)周次已達(dá)到300萬(wàn)次，試驗(yàn)用時(shí)超過(guò)285 h，疲勞壽命較長(zhǎng)，考慮試驗(yàn)周期和成本，停止了試驗(yàn)。

通過(guò)對(duì)表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，獲得S-N曲線(圖3)，其中m=13.2，及相關(guān)線性擬合方程式[式(3)式(4)]。

圖3 S-N曲線Fig.3 S-N curve

本文采用線性擬合的對(duì)數(shù)形式進(jìn)行S-N曲線的擬合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式(1)為：

lgσ0=a-blgN

(1)

式中，σ0為最大應(yīng)力；a為復(fù)合材料靜強(qiáng)度；b為線性擬合曲線斜率；N為疲勞循環(huán)周次。

線性擬合曲線斜率指數(shù)表達(dá)式為：

(2)

線性擬合曲線方程式(3)和指數(shù)曲線方程式(4)如下：

Y=2.974-0.07571X

(3)

y=941.9x-0.07571

(4)

據(jù)此我們可對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板進(jìn)行拉-壓疲勞壽命預(yù)測(cè)，獲得疲勞壽命為107次時(shí)的應(yīng)力幅為278 MPa，最大應(yīng)力值為278 MPa。

在復(fù)合材料領(lǐng)域，一般認(rèn)為在規(guī)定的某一應(yīng)力水平下，循環(huán)周次達(dá)到107次材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值稱為條件疲勞極限。因此，本文得出，最大應(yīng)力值為278 MPa為該玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料在拉-壓交變載荷下的條件疲勞極限。

2.2 拉-壓疲勞失效分析

玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料由多種組分材料組成，其結(jié)構(gòu)上的各向異性導(dǎo)致復(fù)合材料的疲勞損傷機(jī)理遠(yuǎn)比金屬材料復(fù)雜。相關(guān)試驗(yàn)研究表明：在一般環(huán)境下，疲勞損傷能在復(fù)合材料任何一種材料中、和/或沿任何一個(gè)材料的界面起始和擴(kuò)展，在此過(guò)程中產(chǎn)生了纖維斷裂、界面脫膠、基體裂紋、界面剪切斷裂(圖4)以及由它們相互作用而形成的諸多破壞模式[16]。隨著循環(huán)載荷的不斷作用，疲勞損傷是一個(gè)不斷累積的過(guò)程，當(dāng)累積到一定程度，復(fù)合材料將發(fā)生破壞失效。對(duì)于單向復(fù)合材料，必須考慮在平行于纖維方向受軸壓時(shí)的強(qiáng)度破壞和穩(wěn)定性破壞，其中纖維的小波長(zhǎng)的微失穩(wěn)引起的微屈曲是人們提出的一種分析軸壓破壞的機(jī)理[17]。已經(jīng)證實(shí)，復(fù)合材料在常幅疲勞情況下最嚴(yán)重的加載情況是拉-壓交變循環(huán)載荷，其中對(duì)壓縮為主的疲勞載荷最敏感。

圖4 復(fù)合材料單向板疲勞損壞機(jī)理Fig.4 Fatigue failure mechanism of compositeunidirectional plate

從圖5中看出斷口形貌，呈現(xiàn)出多種失效形式。

圖5 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉-壓疲勞試樣斷口形貌Fig.5 Fracture appearance of tension-compression fatigue specimen of GFRP

(1)首先從斷口整體看[圖5(a)]，纖維與基體以區(qū)域形式整體形成，我們稱之為損傷區(qū)，在每一個(gè)損傷區(qū)內(nèi)斷口近乎平整，區(qū)域之間發(fā)生裂紋、分層。這是因?yàn)殡S著拉-壓循環(huán)載荷不斷加載，一旦疲勞損傷起始，通過(guò)應(yīng)變能釋放來(lái)驅(qū)動(dòng)它的擴(kuò)展形成新的表面，然而由于有很多損傷模式，且沒有起控制作用的能量釋放機(jī)理，所以沒有明確的損傷擴(kuò)展路徑，復(fù)合材料中的疲勞損傷擴(kuò)展常常以漸進(jìn)損傷區(qū)的形式推進(jìn)。

(2)其次從圖5(b)(c)觀察損傷區(qū)內(nèi)，存在樹脂基體斷裂、被壓碎，界面分層以及纖維拉伸斷裂、剪切斷裂等綜合現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，相對(duì)于玻璃纖維強(qiáng)度較弱的樹脂基體在拉-壓疲勞循環(huán)載荷作用下，首先產(chǎn)生裂紋并逐漸被壓碎，形成了平整的斷口樹脂形貌。樹脂基體裂紋不斷擴(kuò)展，玻璃纖維與樹脂基體之間的界面強(qiáng)度被不斷削弱，同時(shí)在拉-壓循環(huán)載荷下，纖維軸向壓縮周期性屈曲，纖維-基體界面剪應(yīng)力不斷擴(kuò)大，直到纖維從樹脂基體中完全分離，形成界面分層。

(3)玻璃纖維強(qiáng)度具有非均勻性的特點(diǎn)，在損傷區(qū)內(nèi)各個(gè)纖維不會(huì)同時(shí)斷裂，在加載過(guò)程中最先斷裂的纖維將干擾斷裂附近的應(yīng)力場(chǎng)，引起高的纖維-基體界面剪應(yīng)力，剪應(yīng)力通過(guò)界面?zhèn)鬟f載荷，又引起相鄰未斷裂纖維產(chǎn)生應(yīng)力集中，這種斷裂可能拉伸破壞也可能是壓縮破壞[圖5(c)]。隨著循環(huán)周次的增加，載荷被不斷的重新分布到未破壞的纖維，即疲勞損壞以漸進(jìn)損傷區(qū)的形式推進(jìn)，加重了應(yīng)力集中程度。當(dāng)纖維損傷密度加大到一定程度，復(fù)合材料剩余強(qiáng)度與外界應(yīng)力幅相近時(shí)，材料發(fā)生斷裂，也就是所謂的“突然死亡”行為[18]。

可以推測(cè)，所有這些影響都將在材料破壞之前發(fā)生，即局部損傷將沿著纖維方向和垂直于纖維方向擴(kuò)展，在復(fù)合材料內(nèi)部不同點(diǎn)產(chǎn)生斷裂并增長(zhǎng)。隨即產(chǎn)生一個(gè)累積的彌散損傷區(qū)，直至這個(gè)區(qū)的損傷累積數(shù)足夠多，相互影響產(chǎn)生了弱表面時(shí)，就引起復(fù)合材料拉-壓疲勞破壞。

3 結(jié)論

(1)本文在不同應(yīng)力水平下對(duì)LTX1240玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料進(jìn)行拉-壓疲勞試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析，獲得了S-N曲線，得到了該復(fù)合材料的條件疲勞極限為278 MPa；在施加最大應(yīng)力值為325 MPa時(shí)，該玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料拉-壓疲勞壽命較長(zhǎng)。

(2)通過(guò)掃描電鏡觀察了拉-壓疲勞試樣的斷口形貌，分析了其失效過(guò)程為樹脂基體最先發(fā)生斷裂、被壓碎，接著界面分層乃至纖維拉伸斷裂、剪切斷裂，它們相互作用形成了彌散損傷區(qū)并據(jù)此擴(kuò)展發(fā)生材料斷裂。