一种复合材料II型开裂门槛值与S-N曲线测定方法

摘要

本发明涉及复合材料疲劳性能测定方法，特别是复合材料II型开裂门槛值的测定。本方法采用恒载增K控制下的单端缺口弯曲(ENF)试样，并在若干应力水平下进行。试验过程中每隔一定循环记录试样的裂纹开裂长度a、试样挠度值δ_max及对应的载荷循环次数N。采用双增长指数函数拟合得到试样的a-N曲线，并进一步得到其da/dN-ΔG_II散点图，将不同应力水平下的da/dN-ΔG_II散点图叠加并拟合，即可得到全范围裂纹扩展da/dN-ΔG_II曲线，进而得到开裂门槛值。由于同组应力水平下层间最大应力恒定，因此本试验还可同时用于测定疲劳S-N曲线。同以往载荷控制下的降G法相比，该测定方法操作简便，获得的材料疲劳性能信息更多。

主权项

1.一种复合材料II型开裂门槛值测定方法，其特征是，本方法包括以下步骤：第一步，试样制备，包括：1.1制作M个试样毛坯，由纤维布和树脂通过模塑成型制作单端缺口弯曲试样，在试样一端的中面铺入聚四氟乙烯塑料薄膜得到预制裂纹，薄膜的厚度不大于0.05mm；在加工过程中保证试样长度L、宽度W方向的尺寸精度；对制备后的试样进行编号，编号为1-M；M>30；1.2测量试样几何尺寸，采用游标卡尺测读试样四角处厚度值，并取四角处厚度平均值作为试样名义厚度；1.3试样表面处理，处理方法为：1.3.1采用金刚石研磨膏以及细砂纸对在试样双侧表面进行研磨处理，提高裂纹观测面光洁度；1.3.2在试样双侧研磨面距裂纹预制端40mm至70mm范围内均匀涂以脆性涂料，并尽量确保涂料层表面平滑无凸起；1.4试样裂纹预裂，对试样进行人工Ⅱ型预裂，具体方式为：1.4.1在试样双侧距裂纹预制端45mm处划线；1.4.2采用楔形刀片轻轻撬开试样裂纹预制段一角，并将裂纹预制端预先铺制的薄膜抽出；1.4.3将楔形刀片沿试件宽度方向插入裂纹起始端，并将刀片慢慢向裂纹内部推入，期间应始终保持刀刃与试件宽度方向平行，使裂纹扩展5mm左右；1.5裂纹初始长度测量，采用能够清晰观测到裂纹尖端的放大倍数的移测光学显微镜对试样双侧裂纹开裂面进行裂纹初始长度的测量；第二步，试样加载，包括：2.1加载设备为：包括加载头和两个支座的三点弯曲夹头，加载头位于两个支座中间并与支座平行，试样的长度方向与支座和加载头垂直；加载方案为：采用不同应力水平下的恒载增G控制载荷，载荷波形为正弦波，应力比R为0.1，频率f小于10Hz；每组应力水平下的试样数应不少于3件；2.2采用逐级降载法对上述各个应力水平组的试样进行疲劳分层试验；2.3取第一组峰值疲劳载荷为试样静破坏载荷的80%，此后每组疲劳载荷峰值为试样静破坏载荷的[80%-（n-1）*A],其中，n为组的序数,A的取值范围为5%到10%；对所有试样启动载荷，每循环次数N为5000至10000次时卸载，取下试样并测量裂纹长度a以及对应挠度值δ，再次加载，如此反复，直至裂纹开裂至25mm；第三步，数据处理：对上一步得到的数据进行处理，可分别得到da/dN-ΔG_II拟合曲线（如图3、图5所示）、S-N拟合曲线（如图4、图6所示），da/dN-ΔG_II拟合曲线存在明显的转折点，取该点对应的ΔG_II值作为开裂门槛值ΔG_II th；3.1对a-N曲线进行拟合，拟合函数选用双增长指数函数，其函数表达式如下：$a={C_{1}e}^{C_{2}N}+{C_{3}e}^{C_{4}N}$其中，C1，C2，C3，C4为待定常数，可根据最小二乘法拟合求得；3.2对a-N拟合曲线求导，即可得到给定循环次数N下裂纹开裂速率da/dN；开裂门槛值可根据da/dN-ΔG_II拟合曲线获得；3.3计算单次循环下裂纹开裂的能量释放率ΔG_II，其计算公式如下：${\mathrm{\Delta G}}_{\mathrm{II}}=\frac{{9a}^2{p}_{\max }{\delta }_{\max }\left({1-R}^2\right)}{2w({2L}^3+{3a}^3)}$其中，P_max，δ_max分别为单次循环下疲劳载荷峰值及试样挠度最大值；3.4对da/dN-ΔG_II散点数据进行曲线拟合，拟合函数采用Paris模型，其函数表达式如下：da/dN=AΔG_II^m其中A，m为待定参数，可根据最小二乘法拟合求得；3.5根据拟合得到的da/dN-ΔG_II曲线，可以对开裂门槛值ΔG_II th进行判定，双对数坐标下，如果拟合曲线由两段折线组成，则以两段折线转折处对应的ΔG_II值作为开裂门槛值ΔG_IIt；如果拟合曲线不存在明显的转折点，则以da/dN=10^-6mm/cycle对应的ΔG_II值作为开裂门槛值ΔG_II th；3.6S-N曲线的拟合采用三参数幂函数法，其函数表达式如下：(S_max-S₀)^mN=C其中m，S₀，C为待定常数，可根据最小二乘法拟合求得；S_max为复合材料开裂面最大剪切应力，可根据工程梁理论获得，且其表达式为：${\tau }_{\max }=S_{\max }=\frac{{3P}_{\max }}{8\mathrm{wh}}.$