复合材料裂纹敏感性的评定──（Ⅱ）HTA／6376和T300／M10的Ⅱ型分层扩展行为

应用ＥＮＦ试验研究了ＨＴＡ／６３７６和Ｔ３００／Ｍ１０两种碳／环氧复合材料的静态与疲劳层间断裂行为。在静态载荷下，两种材料均呈现脆性不稳定和稳定的裂纹扩展特性。在Ｒ＝０．１且△Ｇ＿Ｉ大幅度变化的疲劳加载过程中，两种材料呈现稳定的裂纹扩展。采用位移控制方法，确定了裂纹扩展速率与循环应变能释放率的关系和应变能释放率门槛值。与Ｔ３００／９１４Ｃ相比，ＨＴＡ／６３７６和Ｔ３００／Ｍ１０具有较高的抗裂纹扩展能力。     

碳纤维/环氧树脂复合材料动态拉伸试验研究与损伤分析

利用MTS试验机和分离式Hopkinson拉杆对2种碳纤维/环氧树脂(T300/epoxy)层合板试件[(45/-45)₄]_S和[(0/45/90/-45)₂]_S进行了准静态(应变率10-5~10-4 s-1)、中速(应变率10-1~101 s-1)和高速(应变率102~104 s-1)冲击拉伸试验。在热力学框架内建立了基于损伤能释放率的弹塑性动力损伤本构模型,用该损伤模型来分析试件的动态拉伸失效过程。模型中提出了3种基本损伤机制(纤维断裂、基体开裂及面内剪切)的演化规律,通过对损伤阈值黏性归一化的方法考虑了应变率对损伤演化的影响。编写了该模型有限元用户材料子程序,并模拟了拉伸试验过程,计算结果表明该模型能够较好地模拟碳纤维/环氧树脂层合板动态拉伸失效过程。     

基于虚拟裂纹闭合技术的应变能释放率分析

基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT),建立了复合材料层合板层间裂纹尖端的应变能释放率(SERR)三维有限元计算模型。该模型考虑了裂纹尖端大转动和离散单元形状变化对应变能释放率计算的影响,修正了裂纹尖端应变能释放率的计算方法。利用该模型计算了裂纹长度为15 mm和35 mm时纯Ⅰ型和纯Ⅱ型的应变能释放率,纯Ⅰ型应变能释放率分别为 207 J/m2和 253 J/m2;纯Ⅱ型应变能释放率分别为 758 J / m 2和 1040 J / m2;计算值与试验值吻合得很好。同时,该模型计算了混合型不同比值 R=(G_Ⅱ/G_Ⅰ+G_Ⅱ)的长裂纹层合板层间断裂过程的应变能释放率,其中Ⅰ型和Ⅱ型应变能释放率计算值与试验平均值的最大误差为 11.4%,最小误差为 0.4%。该模型能有效计算裂纹尖端的应变能释放率。     

各向异性损伤理论与复合材料层板损伤的实验研究(一)-各向异性损伤理论

本文讨论了各向异性损伤力学的基本概念并介绍了以应变等效性假设为基础的Lemaitre模型和以能量等效性假设为基础的Cordebois模型.在此基础上作者导出了两种损伤模型的损伤能释放率的表达式.文中作者定义了一维损伤时弹性材料板单元的一些损伤定义,并导出了两种模型在一维损伤时损伤能释放率Y₂的简单表达式,从而为复合材料层板损伤测量的实验研究提供了理论基础,     

单向碳/环氧复合材料拉—拉疲劳性能研究

本文采用GB3354-84规定的大标距直条试样对单向碳/环氧复合材料的拉一拉(R=0.1)疲劳性能和剩余静拉伸强度进行了研究。用成组试验法和升降法测定了S-N曲线和疲劳极限。试样疲劳破坏是由于沿纤维方向(纵向)疲劳裂纹的扩展引起的。试样剩余静拉伸强度大于0.7σ_b。     

硅酸铝纤维增强铝基复合材料的疲劳断裂特征

采用压力铸造法, 制得Al₂O₃?SiO₂短纤维增强的铝合金复合材料, 对其弯曲疲劳性能进行了测试, 并详细观察了疲劳裂纹的形成及扩展方式。结果表明: Al₂O₃?SiO₂f/ ZL 108复合材料存在 多种疲劳源; 疲劳裂纹的扩展是通过主裂纹与裂尖前方孔洞的相互联接而进行的, 是不连续的, 沿着纤维及渣球密集的路径扩展; 疲劳过程中主裂纹的形成消耗了大部分的疲劳寿命, 一旦主裂纹形成就快速扩展瞬间断裂。该复合材料的断裂宏观上是脆性的, 但微观上显示出塑性的特征。     

各向异性损伤理论与复合材料层板损伤测量的实验研究(二)-复合材料层板损伤测量的实验研究

鉴于传统的断裂力学无法用于受损复合材料层板,本文探索了损伤力学在复合材料层板中的应用.文内介绍了复合材料层板损伤试验的概况及损伤测试方法,文中三种层板单向拉伸损伤试验结果的分析表明在单向拉伸载荷下基于J.Lemaitre应变等效性假设的损伤能释放率Y₂可用于描述受损复合材料层板的力学状态,它的演变方程通常可用Y₂=α(σ/σ_c)β的简单函数形式来描述.对特定的层板,α、β是与初始缺陷无关的常数,可由层板损伤试验确定.试验数据表明在单向拉伸载荷下,临界损伤能释放率对特定的层板也是与初始缺陷无关的常数,反应了材料抗损伤扩展的能力.所有这些结论都为进一步建立完整损伤破坏判据奠定了基础.     

层状Ti3SiC2陶瓷的组织结构及力学性能

利用热压烧结TiH₂,Si和C粉获得了致密度大于98%的层状Ti₃SiC₂陶瓷。利用压痕法,在不同的载荷下测定了材料的维氏硬度, 发现其硬度值随载荷的增加而降低,在最大载荷30kg时,硬度值为4GPa。压痕对角线没有发现径向裂纹的出现。 这归因于多重能量吸收机制——颗粒的层裂、裂纹的扩展、颗粒的变形等。利用三点弯曲法和单边切口梁法测定了材料的强度和韧性分别为270MPa和6.8MPa·m1/2。Ti₃SiC₂材料的断口表现出明显的层状性质,大颗粒易于发生层裂和穿晶断裂,小颗粒易被拔出。当裂纹沿平行于Ti₃SiC₂基面的方向扩展造成颗粒的层裂,当裂纹沿垂直于基面的方向扩展时,裂纹穿过颗粒的同时,在颗粒内部发生偏转,使裂纹的扩展路径增加。裂纹的扩展路径类似人们根据仿生结构设计的层状复合材料。裂纹在颗粒内的多次偏转、裂纹钉扎以及颗粒的层裂和拔出等是材料韧性提高的主要原因。此外,在室温下得到的荷载-位移曲线,说明Ti₃SiC₂材料不象其它陶瓷材料的脆性断裂,而是具有金属一样的塑性。     

复合材料层板损伤过程的刚度分析

本文对典型铺设的[0₂/±45₂/90₂]_s碳/环氧复合材料层板中的典型损伤状态进行了实验观察,测定出损伤对层板刚度引起的下降率.建立了横向裂纹扩展、分层伴以横向裂纹扩展的三维有限元分析模型,计算出对层板刚度引起的下降率,并与实验值进行了比较.结果表明,横向裂纹和分层是层板的主要损伤型式,分层损伤扩展是一个主导性的稳定的损伤扩展过程,是导致刚度下降的主要因素.     

(Al2O3)f/Al复合材料在强界面结合下的疲劳损伤模式

在拉-拉载荷下测定了(Al₂O₃)_f/Al复合材料的疲劳寿命(S-N)曲线。通过夭折试验以及SEM疲劳断口和纵截面组织结构分析,研究了复合材料的疲劳损伤模式。研究结果表明,(Al₂O₃)_f/Al复合材料的疲劳极限为750MPa,远高于SCS-6碳化硅纤维增强钛基复合材料。该复合材料兼有钛基和树脂基纤维复合材料疲劳损伤的特点,高应力下由单个裂纹的起源和生长导致复合材料的失效;低应力下,疲劳损伤模式包括纤维劈裂、众多基体裂纹和单个基体裂纹的横向扩展。其中纤维劈裂是主控机制。其更高的疲劳极限可归因于低应力下纤维的纵向劈裂。     

碳/环氧树脂复合材料应变率效应的实验研究

选择两种铺设方式( _S和 _S)的T300/Epoxy(炭纤维/环氧树脂)层合板, 利用MTS试验机以及Hopkinson拉伸杆分别对其进行了准静态拉伸试验(应变率为10-5~10-4 s-1)、 中应变率拉伸试验(应变率为100 ~101s-1)和高速冲击拉伸试验(应变率为102~104s-1)。静态、 动态实验的试件形状及尺寸均相同。获得了不同应变率加载条件下T300/Epoxy的应力-应变曲线。基于所获得的应力-应变曲线, 讨论了应变率对炭纤维增强复合材料力学性能的影响。研究结果表明: 复合材料T300/Epoxy是应变率相关的材料; 层合板的铺设方向对其应变率效应有着显著的影响; 随着应变率的增加, 材料的强度及弹性模量有较大程度的提高, 但破坏应变有所降低。通过对试验结果的数据拟合, 提出了材料应变率相关的动态本构模型。      

自生复合Al11La3/Al共晶材料的轴向拉伸性能及其断裂机制

本文研究了自生复合Al₁₁La₃/Al共晶材料从室温到673K时的轴向拉伸性能和轴向拉伸断裂机制.结果表明:在G=700K/cm、R=11.1μm/s的定向凝固条件下,该材料轴向拉伸性能在室温时为260MPa、在673K时为265MPa.对拉伸过程的动态观察和断口形貌的分析表明:自生复合Al₁₁La₃/Al共晶材料在室温到673K温度范围内,其轴向拉伸断裂机制相同:纤维相Al₁₁La₃的断裂是整个共晶体断裂的控制机制:其轴向拉伸的断裂模型为:弹性变形、裂纹萌生、界面脱粘、搭桥过程、宏观断裂.     

橡胶夹层/复合材料粘接界面疲劳裂纹扩展行为的研究

用 型加载下的双悬臂夹层梁试样 ,以应变能释放率为裂纹扩展参量 ,研究橡胶夹层 /复合材料粘接界面疲劳裂纹的扩展行为。结果表明 ,循环载荷下的裂纹扩展速率对试验频率、载荷比、温度及橡胶夹层厚度反映较敏感。     

Z-pin增强CMC层间Ⅰ+Ⅱ混合型断裂韧性

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,采用CVI工艺在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备了Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料。通过三点弯曲试验测定了Ⅰ+Ⅱ混合型应变能释放率,分析了材料的裂纹扩展行为和Z-pin增强机理。结果表明:随着裂纹扩展长度的增大,Ⅰ+Ⅱ型裂纹扩展阻力不断增大,相同裂纹扩展长度,增加Z-pin植入密度可以提高粘结强度,增大止裂作用。Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料裂纹扩展的耗能途径主要是层间界面剥离、Z-pin弹性剪切和拉伸变形。     

双悬臂梁试件裂纹动态扩展的准静态数值分析

本文采用双悬臂梁（DCB）试件研究了复合材料层合板层间插入韧性胶膜（Interleaf）层的Ⅰ型断裂行为。试验结果表明,含和不含Interleaf层试件分别呈现脆性非稳态和脆性稳态分层扩展特性。针对非稳定裂纹扩展问题,依据动态断裂力学中应变能释放率与动能变化率的关系,提出了以断裂韧性值G_IC变化来抵消动能变化对裂纹扩展过程影响的准静态分析方法,根据试验中裂纹扩展的韧性变化,推导出适用于准静态裂纹扩展模拟的等效韧性G_IC*,利用ABAQUS平台和虚裂纹闭合技术（VCCT）建立了三维有限元计算模型;实现了从起裂到止裂的整个裂纹动态扩展过程的数值模拟,揭示了非稳定裂纹扩展过程中一些复杂的力学现象。      

SiCw/LD2疲劳裂纹萌生的研究

本文研究SiCw/LD₂复合材料的疲劳裂纹萌生部位、寿命和机制。用TEM现察疲劳试验后材料中的位错分布和出现在晶须旁的微裂纹。用SEM观察疲劳试样的表面一级塑料复型,发现5μm长的表面裂纹。认为复合材料的疲劳强度比基体合金高的一个原因是基体细小的晶粒所导致的较高的疲劳裂纹萌生寿命。     

AF1410与300M钢的腐蚀冲击疲劳行为

根据舰载飞机起落的服务条件提出了腐蚀冲击概念和试验方法，考察了两种起落架材料在盐水中的腐蚀冲击疲劳行为，包括冲击疲劳寿命，裂纹萌生与扩展速率。尽管两种材料在空气中的冲击疲劳寿命几乎相等。但300M钢在盐水中的冲击疲劳寿命下降幅度较大。在盐水介质中，氢脆加速300M钢冲击疲劳裂纹的萌生和扩展。局部塑性变形区优先腐蚀促使AF1410钢的裂纹萌生，盐水对AF1410钢的裂纹扩展速率没有影响。     

有机玻璃疲劳裂纹扩展试验研究

为研究试样形状对有机玻璃疲劳裂纹扩展性能的影响,对M(T)和C(T)两种不同形状试样进行测试,运用Paris公式曲线拟合方法,对比M(T)和C(T)两种试样形状所获得的疲劳裂纹扩展数据,分析实测数据点分散性的大小并分析其原因。实验结果表明:在有机玻璃的疲劳裂纹扩展性能测试试验中,C(T)试样优于M(T)试样,能够更准确地表征有机玻璃的疲劳裂纹扩展性能。     

Al2O3短纤维/Al-5.5Zn复合材料裂纹形核及扩展的TEM动态拉伸观察

利用透射电镜(TEM)动态拉伸技术研究了外力作用下Al₂O₃短纤维增强Al-5.5Zn基复合材料的细观力学行为。结果表明,该材料中裂纹形核及扩展主要是在基体中或纤维/基体界面处进行。导致这一结果的原因在于纤维、基体之间强度差异太大。实验中还发现,卸载时,微裂纹有闭合现象。     

热挤压态SiCP-LY12复合材料的超塑性变形

未经任何热处理的热挤压态SiC_P-LY12复合材料在基体固相点附近获得超塑性变形,在温度495～510C、应变速率2×10-4s-1时,终断延伸率大于150%。对试验数据的分析表明,在前述变形参数范围内,复合材料的变形机制发生了变化,使终断延伸率显著升高,但复合材料超塑性变形过程的应变速率敏感性指数(m)在同一温度下的m值随应变速率降低而逐渐增大,其最高值并未对应于最大延伸率;同时,应力-应变曲线在通常的动态再结晶阶段后出现一个独特的应变硬化阶段,直至最终断裂。微结构观察发现,变形初期复合材料即发生动态再结晶,据此推测,前述异常硬化阶段可能与再结晶组织的长大有关。另一方面,SiC_P-Al界面在变形过程中严重弱化,成为裂纹优先扩展的路径,不利于获得高的延伸率。