碳纤维复合材料剪切疲劳试验研究

张 宇 谢 旻 陈武超 邓俊杰 景伟

(中船重工七一一研究所， 上海 201108)

0 引言

随着科学技术的进步和轻量化的发展趋势，复合材料逐渐出现在了各行各业之中，首当其冲的就是汽车行业。由于复合材料强度高、刚度大、质量轻、具有良好的可设计性，与传统金属相比，可以在同等性能条件下大幅减重，为安装、运输都提供了巨大的方便；且复合材料具有更好的耐腐蚀、疲劳性能，具有良好的发展前景。复合材料具有各向异性的特性，即使是同一种材料，不同的铺层设计也会导致其性能上的差异，所以研究复合材料的性能具有十分重要的意义。

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)可以说是目前应用最受青睐的复合材料，相比于传统的金属材料，其出色的疲劳性能一直是国内外专家学者的关注对象。疲劳性能是工程应用中产品可靠性研究的重要内容之一。目前大多数CFRP疲劳性能研究着重于单向铺层或者正交铺层的拉-拉疲劳，而在很多工程应用的场合之中，如传动轴，剪切破坏是重要的破坏模式，对其疲劳性能的研究十分重要。V型缺口的剪切疲劳试验相对于其他研究方法，可以获得更加均匀的应力分布，以及纯剪切的应力状态，所以本文采用V型缺口试验的方法，对CFRP的剪切疲劳性能进行研究和探索。

1 国内外研究背景

对于CFRP的剪切疲劳，还没有形成统一的标准，大多是基于产品的需要，结合一些通用的方法，在理论或者试验上进行研究。徐琪[1]介绍了一些面内剪切性能的方法，并没有深入研究；张健[2]提供了一套单向板复杂工况的预测方法，应用仅限于单向板；王伟[3]采用相框试验对蜂窝结构进行了面内剪切试验，而相框试验适用于大型平板试样；孙炳君[4]采用了筒体扭转的方法；张铁军[5]对复合材料加筋壁板的多点冲击进行了高周剪切疲劳试验，是对特殊形状的壁板进行的冲击性疲劳试验；杨坚[6]将Iosipescu剪切强度测试方法推广到了疲劳试验；Daniel[7]对不同铺层的剪切疲劳试样进行了仿真。

本文采用V型缺口试样的剪切试验来研究CFRP的面内剪切性能，这种试验方法是Iosipescu方法和双轨剪切法的综合产物，用于测定高模量复合材料的剪切性能[1]，优点是其加载方式是在面内加载，会在中间V型缺口下方区域内产生纯剪切的应力状态，应力分布更为均匀，且试样不需要进行打孔，避免了在不必要的位置产生应力集中。但是缺点是V型缺口加工较为困难，并且试验需要特定的夹具。

2 试验

2.1 试样制备

本文的试验基于标准ASTM/D7078，试样制备的要求也按照标准执行，图1为试样的尺寸图。试样的制备按照裁料-制板-固化-裁切-精加工的流程制造，其中材料的参数见表1。

图1 V型缺口试样尺寸图

表1 CFRP性能参数

对于已经制备完成的试样进行静力性能抽样测试，检验试样的合格性，同时测量其静力的剪切强度。

2.2 试验设备

为了研究CFRP的剪切疲劳性能，采取V型缺口试样的剪切疲劳试验，根据试验的载荷要求，选用MTS Landmark 100kN电子万能疲劳试验机完成试验。此类试验机能胜任各种高精确度和高重复性耐久、疲劳裂纹扩展、高低循环疲劳以及断裂韧性模式测试。图2为MTS Landmark 100kN电子万能疲劳试验机。图3为夹具及试样经过夹具夹持后安装在设备上的状态。

图2 MTS Landmark 100kN电子万能疲劳试验机

图3 夹具及试样装夹图

3.3 试验步骤

(1) 装夹试样并开启实验设备；

(2) 按要求设定应力比和应力水平。应力比R=σmin/σmax，在相同情况下，应力比越小，材料的疲劳性能越差，为了提高材料的安全水平，设定为比较恶劣的工况，即应力比设定为0.05；

(3) 设定加载频率。为了加快疲劳试验的速率，频率设定为15 Hz，在高频状态下，通过手持式温度测量仪59Mini IR Thermometer，测量试验加载过程试验件的温度变化，确保温升不超过10℃，以避免试验件中严重的温度变化导致材料属性退化；

(4) 对试样按照设定条件进行试验，试验过程中记录数据；

(5) 设定试样的疲劳极限为106，即在循环次数达到106之后停止试验。

3.4 试验结果

对V型缺口试样的剪切疲劳试验进行完成之后，得到如下疲劳数据，见表2和图3。剪切强度计算结果与试验测试结果相差不大，在每个应力水平下疲劳试样的累计循环次数也都在一个数量级之内，属于可接受范围。其中在应力水平为0.7以下时，试验循环数到达106没有破坏，认为材料到达疲劳极限。

表2 CFRP剪切强度

表3 CFRP剪切疲劳试验结果

如图4所示为疲劳数据以及其拟合曲线，图5是锻钢的通用S-N曲线[11]，其中Su即对应σut。对比发现CFRP的斜率小，循环次数达到106时，达到了疲劳极限，应力水平下降到70%，而锻钢则下降到50%，表明CFRP的疲劳性能优于传统金属。而从图中点的分布来看，其分散性较小，拟合度为0.89。

图4 S-N曲线

图5 锻钢的通用S-N曲线

(1) s=0.75

(2) s=0.7

(3) s=0.8

图6中为经过完整疲劳试验后的试样图，其中(1)和(3)试样经过试验后发生破坏，其破坏模式如图所示，为45°方向的剪切破坏。其中(1)为s=0.75应力条件下的破坏形式，(3)为s=0.8条件下的破坏形式，明显高应力条件下破坏更为迅速，纤维大多同时断裂，而低应力条件下发生了更加明显的纤维断裂后的应力重新分布，纤维断裂位置有所不同；(2)为经过106循环之后仍未破坏的试样图。

4 结论

本文研究采用V型缺口试样测试碳纤维复合材料剪切疲劳试验，该方法可以获得纯剪切状态以及更加均匀的应力分布。对碳纤维复合材料V型缺口试样进行了应力比为0.05的剪切疲劳试验，获得了该CFRP的S-N曲线，与金属的S-N曲线的对比，可见其疲劳强度大于传统金属的疲劳强度，说明碳纤维复合材料具有良好的疲劳性能。试验表明碳纤维复合材料在应力水平小于70%静强度即达到了疲劳极限。本文的研究可为碳纤维复合材料的工程应用提供了良好的理论基础。