一種復(fù)合材料ii型開(kāi)裂門(mén)檻值與s-n曲線(xiàn)測(cè)定方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及復(fù)合材料疲勞性能測(cè)定方法，特別是復(fù)合材料II型開(kāi)裂門(mén)檻值的測(cè)定。本方法采用恒載增K控制下的單端缺口彎曲(ENF)試樣，并在若干應(yīng)力水平下進(jìn)行。試驗(yàn)過(guò)程中每隔一定循環(huán)記錄試樣的裂紋開(kāi)裂長(zhǎng)度a、試樣撓度值δmax及對(duì)應(yīng)的載荷循環(huán)次數(shù)N。采用雙增長(zhǎng)指數(shù)函數(shù)擬合得到試樣的a-N曲線(xiàn)，并進(jìn)一步得到其da/dN-ΔGII散點(diǎn)圖，將不同應(yīng)力水平下的da/dN-ΔGII散點(diǎn)圖疊加并擬合，即可得到全范圍裂紋擴(kuò)展da/dN-ΔGII曲線(xiàn)，進(jìn)而得到開(kāi)裂門(mén)檻值。由于同組應(yīng)力水平下層間最大應(yīng)力恒定，因此本試驗(yàn)還可同時(shí)用于測(cè)定疲勞S-N曲線(xiàn)。同以往載荷控制下的降G法相比，該測(cè)定方法操作簡(jiǎn)便，獲得的材料疲勞性能信息更多。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種復(fù)合材料I I型開(kāi)裂門(mén)檻值與S-N曲線(xiàn)測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料疲勞斷裂試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，特別是涉及一種復(fù)合材料II型開(kāi)裂門(mén)檻值與S-N曲線(xiàn)測(cè)定方法
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有更高的比強(qiáng)度、比剛度，因而被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中。然而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)存在的突出問(wèn)題是在疲勞載荷作用下發(fā)生層間開(kāi)裂。避免復(fù)合材料層間疲勞開(kāi)裂發(fā)生的手段之一是將疲勞載荷控制在材料開(kāi)裂門(mén)檻值以下，這就需要預(yù)先對(duì)開(kāi)裂門(mén)檻值進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。
[0003]目前已知的復(fù)合材料層間疲勞開(kāi)裂門(mén)檻值測(cè)定方法普遍采用位移控制下的降G法。采用該方法進(jìn)行開(kāi)裂門(mén)檻值測(cè)定時(shí)，需要根據(jù)單根試樣裂紋的擴(kuò)展量的增長(zhǎng)而不斷減小疲勞位移幅值，試驗(yàn)操作程序復(fù)雜。此外，該方法的局限性是裂紋層間應(yīng)力隨裂紋的擴(kuò)展而變化，所得試樣疲勞循環(huán)壽命數(shù)據(jù)不能進(jìn)一步用于疲勞S-N曲線(xiàn)的擬合，造成疲勞試驗(yàn)
息的丟失。
[0004]因此，需要提出一種新的復(fù)合材料層間疲勞開(kāi)裂門(mén)檻值測(cè)定方法。
[0005]本文中涉及的部分概念定義如下:
[0006]II型開(kāi)裂定義:帶裂紋構(gòu)件，按其受力變形方式可分為三種基本類(lèi)型，即張開(kāi)型、滑開(kāi)型和撕開(kāi)型，也簡(jiǎn)稱(chēng)為第I型、第II型和第III型，如圖7所示。其中，在垂直于裂紋面的拉應(yīng)力σ作用下，裂紋張開(kāi)，稱(chēng)為“張開(kāi)型”，標(biāo)作I型；在平行于裂紋面而垂直于裂紋尖端的剪應(yīng)力τ作用下，裂紋平面內(nèi)錯(cuò)開(kāi)，稱(chēng)為“錯(cuò)開(kāi)型”，標(biāo)作II型；在平行于裂紋面而且平行于裂紋尖端的剪應(yīng)力τ的作用下，裂紋被撕開(kāi)，稱(chēng)為“撕開(kāi)型”，標(biāo)作III型。
[0007]交變載荷應(yīng)力比R的定義:試驗(yàn)交變載荷最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值。
[0008]應(yīng)力強(qiáng)度因子變程ΔK定義:是最大應(yīng)力強(qiáng)度因子與最小應(yīng)力強(qiáng)度因子之差值。
[0009]疲勞裂紋擴(kuò)展速率
【權(quán)利要求】
1.一種復(fù)合材料II型開(kāi)裂門(mén)檻值測(cè)定方法，其特征是，本方法包括以下步驟: 第一步，試樣制備，包括: . 1.1制作M個(gè)試樣毛坯，由纖維布和樹(shù)脂通過(guò)模塑成型制作單端缺口彎曲試樣，在試樣一端的中面鋪入聚四氟乙烯塑料薄膜得到預(yù)制裂紋，薄膜的厚度不大于0.05mm ;在加工過(guò)程中保證試樣長(zhǎng)度L、寬度W方向的尺寸精度；對(duì)制備后的試樣進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)為1-M ;M>30 ； .1.2測(cè)量試樣幾何尺寸，采用游標(biāo)卡尺測(cè)讀試樣四角處厚度值，并取四角處厚度平均值作為試樣名義厚度； .1.3試樣表面處理,處理方法為: .1.3.1采用金剛石研磨膏以及細(xì)砂紙對(duì)在試樣雙側(cè)表面進(jìn)行研磨處理，提高裂紋觀測(cè)面光潔度； .1.3.2在試樣雙側(cè)研磨面距裂紋預(yù)制端40mm至70mm范圍內(nèi)均勻涂以脆性涂料，并盡量確保涂料層表面平滑無(wú)凸起； .1.4試樣裂紋預(yù)裂，對(duì)試樣進(jìn)行人工II型預(yù)裂，具體方式為: . 1.4.1在試樣雙側(cè)距裂紋預(yù)制端45mm處劃線(xiàn)； .1.4.2采用楔形刀片輕輕撬開(kāi)試樣裂紋預(yù)制段一角，并將裂紋預(yù)制端預(yù)先鋪制的薄膜抽出； .1.4.3將楔形刀片沿試件寬度方向插入裂紋起始端，并將刀片慢慢向裂紋內(nèi)部推入，期間應(yīng)始終保持刀刃與試件寬度方向平行，使裂紋擴(kuò)展5_左右； .1.5裂紋初始長(zhǎng)度測(cè)量，采用能夠清晰觀測(cè)到裂紋尖端的放大倍數(shù)的移測(cè)光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣雙側(cè)裂紋開(kāi)裂面進(jìn)行裂紋初始長(zhǎng)度的測(cè)量； 第二步，試樣加載，包括: .2.1加載設(shè)備為:包括加載頭和兩個(gè)支座的三點(diǎn)彎曲夾頭，加載頭位于兩個(gè)支座中間并與支座平行，試樣的長(zhǎng)度方向與支座和加載頭垂直； 加載方案為:采用不同應(yīng)力水平下的恒載增G控制載荷，載荷波形為正弦波，應(yīng)力比R為0.1，頻率f小于IOHz ;每組應(yīng)力水平下的試樣數(shù)應(yīng)不少于3件； .2.2采用逐級(jí)降載法對(duì)上述各個(gè)應(yīng)力水平組的試樣進(jìn)行疲勞分層試驗(yàn)； .2.3取第一組峰值疲勞載荷為試樣靜破壞載荷的80%，此后每組疲勞載荷峰值為試樣靜破壞載荷的[80%- (n-1) *A]，其中，η為組的序數(shù)，A的取值范圍為5%到10% ； 對(duì)所有試樣啟動(dòng)載荷，每循環(huán)次數(shù)N為5000至10000次時(shí)卸載，取下試樣并測(cè)量裂紋長(zhǎng)度a以及對(duì)應(yīng)撓度值δ，再次加載，如此反復(fù)，直至裂紋開(kāi)裂至25mm ； 第三步，數(shù)據(jù)處理:對(duì)上一步得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可分別得到da/dN-AGn擬合曲線(xiàn)(如圖3、圖5所示)、S-N擬合曲線(xiàn)(如圖4、圖6所示)，da/dN-AGn擬合曲線(xiàn)存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，取該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的AG11值作為開(kāi)裂門(mén)檻值A(chǔ)G11 th； .3.1對(duì)a-N曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，擬合函數(shù)選用雙增長(zhǎng)指數(shù)函數(shù)，其函數(shù)表達(dá)式如下: a=C,ec^T+C,eQN 其中，Cl，C2，C3，C4為待定常數(shù)，可根據(jù)最小二乘法擬合求得； .3.2對(duì)a-N擬合曲線(xiàn)求導(dǎo)，即可得到給定循環(huán)次數(shù)N下裂紋開(kāi)裂速率da/dN ； 開(kāi)裂門(mén)檻值可根據(jù)da/dN-AGn擬合曲線(xiàn)獲得；.3.3計(jì)算單次循環(huán)下裂紋開(kāi)裂的能量釋放率AG11,其計(jì)算公式如下:
2.如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合材料II型開(kāi)裂門(mén)檻值測(cè)定方法，其特征是，1.3.2中所述的脆性涂料為白色。
3.如權(quán)利要求2所述的一種復(fù)合材料II型開(kāi)裂門(mén)檻值測(cè)定方法，其特征是，1.3.2中所述的為色脆性涂料由二氧化鈦粉末與甲基環(huán)已烷溶劑調(diào)制而成。
4.如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合材料II型開(kāi)裂門(mén)檻值測(cè)定方法，其特征是，1.5中所述的移測(cè)光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)至少為10倍。
【文檔編號(hào)】G01N1/28GK103884610SQ201210563048
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月21日
【發(fā)明者】曾本銀, 熊峻江, 樊建峰, 劉建中, 張偉, 云新蕘, 胡本潤(rùn), 潘春蛟 申請(qǐng)人:中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所