海水老化前复合材料的弯曲疲劳性能分析

复合材料疲劳性能作为材料性能研究的一个重要问题，根据实验类型可分为拉—拉疲劳实验、拉—压疲劳实验、压—压疲劳实验和弯曲疲劳实验。工程实际中材料弯曲疲劳经常会发生，处于弯曲状态下材料内部应力分布不均，从零应力平面到材料表面应力逐渐增加，且凹入侧受压应力，凸出侧受拉应力，通过弯曲疲劳加载可以综合反应材料的疲劳性能，在材料疲劳性能测试中比较成熟。因此研究三向正交混杂纤维增强树脂基复合材料在海水老化前后的弯曲疲劳性能具有重要意义。

探讨三向正交混杂复合材料未经过海水老化的弯曲疲劳性能。首先，通过三点弯曲测试确定三向正交混杂复合材料、三向正交碳纤维复合材料与层合混杂复合材料的静态弯曲强度。同时，为分析纤维混杂与非混杂对复合材料的影响，对比三向正交混杂复合材料与三向正交碳纤维复合材料的静态弯曲性能，并通过超景深三维显示系统原位拍照对两种复合材料的损伤机制进行了研究。其次，通过弯曲疲劳试验研究了三向正交混杂复合材料的疲劳性能，采用应变—循环曲线和疲劳损伤演变过程对三向正交混杂复合材料的疲劳行为进行了分析。最后，对比三向正交混杂复合材料与层合混杂复合材料弯曲疲劳破坏形貌。

复合材料准静态三点弯曲分析如下：

（1）准静态三点弯曲性能测试。准静态三点弯曲测试包括复合材料和树脂基体的测试。参考GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》使用水切割将材料制为三点弯曲试样，试样尺寸为80mm×15mm×4mm（长×宽×厚）如图3-16（a）所示，且材料径向与试样长度方向平行。测试采用传感器范围为0～5kN的万能试验机（三思纵横，UTM5205型）。材料弯曲性能测试过程取跨距为64mm，加载速度为1mm/min，每种材料重复测试三次，图3-16（b）为正在测试的试样。

材料的准静态三点弯曲强度、模量和挠度按下式计算：

式中：σf为弯曲强度（MPa）；P为破坏载荷（N）；l为跨距（mm）；b为试样厚度（mm）；h为试样宽度（mm）。

式中：Ef为弯曲模量（MPa）；∆P为载荷—挠度曲线上初始直线段的载荷增量（N）；∆S为与载荷增量∆P对应的跨距中点处挠度增量（mm）。

式中：ε为应变。(www.xing528.com)

图3-16　复合材料三点弯曲测试

（2）弯曲应力—应变曲线分析。三向正交混杂复合材料、三向正交碳纤维复合材料以及层合混杂复合材料三点弯曲测试后应力—应变曲线如图3-17所示。从图中可以看出，起始时三种复合材料的弯曲应力随应变增加成正比增加。之后如图3-17中的放大图，三种材料的应力—应变曲线经历一段应力波动达到最大值后迅速减小。当材料受到弯曲载荷时，内部应力表现为从中性层零应力平面到上、下表面的逐渐增加，且试样上层受压应力，下层受拉应力，也就是说材料内部应力分布不均匀。这种应力不均致使复合材料内部局部纤维率先损伤，对应地表现为曲线斜率出现下降（图3-17）。然而，这并不会导致复合材料最终破坏，由于应力集中相邻纤维会在局部接管由断裂纤维引起的附加载荷，随着加载继续曲线应力增加。局部损伤累积形成图3-17中放大图所示达到应力最大前应力—应变曲线的波动段。

图3-17中复合材料的斜率和最大应力表明三向正交混杂复合材料的弯曲强度和模量均高于层合混杂复合材料。这是因为Z向捆绑纱线提高了复合材料抵抗弯曲变形的能力。图3-17还显示三向正交混杂复合材料的弯曲模量低于三向正交碳纤维复合材料。然而，最终弯曲破坏应变和强度却高于三向正交碳纤维复合材料。这表明将三向正交复合材料混杂设计，其弯曲性能表现出正混杂效应。原因在于玻璃纤维的模量低于碳纤维，这导致三向正交混杂复合材料在三点弯曲载荷作用下产生了较大变形。

图3-17　静态三点弯曲试验下不同复合材料的应力—应变曲线

（3）破坏形貌分析。超景深三维显示系统（Keyence, VHX-5000型）用于复合材料准静态弯曲与弯曲疲劳损伤机制、损伤过程及疲劳破坏形貌的分析。研究表明间歇加载对材料疲劳失效模式和最终疲劳寿命无影响。因此，本书采用暂停时间不超过半小时的间歇加载方式对复合材料弯曲疲劳过程进行拍照表征。根据图3-17，复合材料在应力波动时会出现纤维损伤。为分析损伤机理，采用三维超景深显微系统在复合材料弯曲测试期间进行原位拍照分析。依据应力变化，对应于图3-17中a点与b点三向正交混杂复合材料和三向正交碳纤维复合材料的显微照片如图3-18和图3-19所示。图3-18（a）和图3-19（a）表明，在三点弯曲载荷作用下三向正交混杂复合材料和三向正交碳纤维复合材料的破坏都起始于承受压缩应力的顶层。如图3-18（b）和图3-19（b）所示，两种材料都是受压侧碳纤维层发生了扭结破坏和剪切破坏。图3-19（b）还显示三向正交碳纤维复合材料的明显破坏出现在试样表面压应力最大的第一层；然而，对应的三向正交混杂复合材料几乎无断裂现象。因为碳纤维在压应力作用下比玻璃纤维更容易损伤，这是图3-17中三向正交碳纤维复合材料率先发生损伤，应力曲线不能上升的原因。因此，将碳纤维与玻璃纤维混杂设计可以提高三向正交复合材料的弯曲强度。图3-18（c）和图3-19（c）表明两种复合材料的受拉层几乎无显著破坏，是因为纤维的抗拉强度较好。图3-18（d）和图3-19（d）显示，局部扭结带导致中间碳纤维层断裂。扭结破坏的原因在于纤维弯曲使得纤维在树脂中分布的长度方向与加载方向存在夹角即纤维偏转角以及纤维强度较高的离散性致使纤维受压时局部纤维失稳、屈曲发生扭结。图3-18和图3-19还表明用玻璃纤维代替三向正交碳纤维复合材料中部分碳纤维会改变三向正交复合材料的破坏模式。

图3-18　三向正交混杂复合材料在准静态三点弯曲加载过程中的损伤形貌