三维表面应变测量方法在3DN C/SiC扭转性能测试的应用

李旭勤，周 纯，张凤春，熊 倩，龚粤梅，陈 想，李 斌，吴一帆

(1.成都工业学院 材料与环境工程学院，成都 611730；2.火箭军装备部驻西安地区第六军事代表室，西安 710072)

三维针刺碳-碳化硅复合材料(3DN C/SiC)因其优异的耐热性和机械性能，被认为是高温结构材料中最有潜力的材料之一[1]。3DN C/SiC以其耐高温、耐磨、抗冲击性能好，广泛使用在固体火箭发动机的喷射口[2]、机翼前缘[3]和制动系统[4-5]等领域。在这些组件的设计过程中，试样组装不可避免要开孔、开槽，导致试样应力场变化[6]，因而有必要了解其机械性能。张立同等[7]通过粘贴应变片的方法对材料的拉伸行为进行分析，得到碳-碳化硅(C/SiC)复合材料的增韧机理主要有纤维拔出、界面脱粘、裂纹偏转、纤维桥联以及裂纹分叉等。黄喜鹏等[8]利用声发射技术对试样的拉伸变形进行了全程实时监测，发现3DN C/SiC复合材料主要损伤模式为基体开裂、界面脱粘、界面滑移、纤维断裂和纤维束断裂。陈俊等[9]利用高温散斑制作技术和三维变形光学测试系统,基于数字图像相关技术测试原理,在高温下实时表征分析3DN C/SiC复合材料力学性能，发现随温度升高,材料的断裂韧性与断裂强度均减小,断裂形式由脆性断裂演变成塑性,呈现出不同形式的断裂形貌。

目前，力学性能测试最大困难之一是不能实时监控全场演变情况,传统的应变片测量方法只能测量小尺度区域和特定方向的位移,局限性大，难以获得表面全场演变情况[10-11]。而且由于材料并非独立成件，而是由很多零件配合，必须对零件进行开孔加工，才能连接。然而对材料进行开孔加工会影响其性能，造成应力集中等现象，影响构件疲劳寿命。在有孔和槽口的加工零件周围发现了很大的剪切应力[12]。由于3DN C/SiC的剪切强度小于其扭转和压缩强度，在具有孔和槽口的这些组件中剪切破坏可能占主导地位[13]。为了安全有效地使用3DN C/SiC复合材料，全面了解材料在扭转时的剪切性能至关重要。

数字图像相关技术(Digital Image Correlation，DIC)是一种基于光学的非接触式高精度全场表面位移和应变测量方法。通过摄像机记录不同时间被测物体上覆盖的随机斑点图案，存储并借助DIC算法处理，以获得目标表面的位移场和应变场信息[14-16]。本文使用DIC作为全场测量工具对试样的表面应变进行了实时监控，分析3DN C/SiC的扭转性能和陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite，CMC)的变形规律。研究了开孔周围的应变分布和演化情况，观察分析试样表面裂纹的萌生和扩展过程。本文的主要贡献是通过开孔周围的应变分布、试样表面的X和Y方向的正应变响应以及剪切应变响应，分析其扭转损伤演化机理。

1 实验材料及方法

1.1 试样制备

本实验所用3DN C/SiC复合材料均由西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室制备[17]，其制备流程如图1所示。

图1 3DN C/SiC复合材料制备流程

图2 3DN C/SiC复合材料预制体结构

图3 开孔试样的几何形状和尺寸

1.2 扭转实验与DIC监测

在本实验中利用MTS试验机对试样施加不同比例的扭转载荷，进行室温扭转实验，并通过位移控制0.5 mm/min恒定加载速度进行加载，当试样加载到失效为止，进而研究材料在扭转应力状态下的力学行为与失效机制。为得到实验过程中试样的失效过程，实验同时使用摄像机并结合DIC进行算法处理，可用于监测有效区域表面全场的位移及应变分布。

在DIC测量过程中，首先对摄像机的数字成像系统进行校准。在校准过程之后，目标表面的变形会被摄像机连续记录下来。可以使用处理软件从记录的图像中获得位移和应变。

试样的应力σ、应变ε可分别计算：

(1)

(2)

式中：F表示扭转载荷，N；A0表示有效区域的横截面积，mm2；Δl表示扭转位移，mm；l表示初始位移，mm。

而剪切应力状态下：

(3)

式中：P表示施加的剪切载荷，N；A表示样品的最小横截面面积，mm2。

2 实验结果与讨论

为进一步了解3DN C/SiC复合材料在扭转载荷作用下的力学行为和应变场演化过程，对应变响应与应变场分布之间的相关性进行了研究。通过开孔周围的应变分布、试样表面的X和Y方向的正应变响应以及剪切应变响应，分析其扭转损伤演化机理。

2.1 表面X方向的正应变响应

根据应变场模式，表面X方向应变场演变可分为4个阶段。第1阶段：1 ms，如图4所示；第2阶段：50～150 ms，如图5所示；第3阶段：200～450 ms，如图6所示；第4阶段：479～500 ms，如图7所示。第1阶段，应变场表现为拉应变且集中在负X方向,此时裂纹开始萌生，工程应变(Engineering Strain)值达到1.78×10-4。

图4 1 ms时X方向的正应变场分布

第2阶段是X正方向应变场的扩大过程，随着载荷的增加X正方向应变场逐渐扩大,50～100 ms最大应变值由2.45×10-4增大到3.3×10-4,150 ms时应变值1.5×10-5～5.25×10-5(黄色区域)几乎扩展到整个DIC观测区域。

(a)50 ms (b)100 ms

第3阶段随着试样扭转，DIC观测区域内X轴距离减小，覆盖的随机斑点图案之间X方向距离减小，应变逐渐减小。可以发现，在该阶段应力-应变响应变为非线性。

(a)200 ms (b)250 ms

第4阶段从应变演变可以看出，表面裂纹的扩展至失效是该阶段的主要特征。区域1的裂纹扩展趋势减缓，X方向斑点图案之间距离减小，使得应变小于区域2的应变。表面裂纹的应变在负Y方向(区域3)达到8.1×10-3、正X方向迅速增加至-3×10-4，区域2均为负的应变。快速扩展的表面裂纹导致应变突变，然后趋于平稳。

(a)479 ms (b)480 ms

2.2 表面Y方向的正应变响应

表面Y方向应变场演变可分为4个阶段。第1阶段：1 ms，如图8所示；第2阶段：50～200 ms，如图9所示；第3阶段：250～400 ms，如图10所示；第4阶段：450～500 ms，如图11所示。第1阶段，应变场整体表现为正应变且集中在区域1，应变值达到3.05×10-4。

图8 1 ms时Y方向的正应变场分布

第2阶段是应变场的扩大过程。在第2阶段，随着载荷的增加应变场逐渐扩大至整个观测区域，但最大应变值逐渐减小，由4.35×10-4减小到9×10-5。这一阶段尽管应变演变不均匀，但由于全局载荷共享特性的影响应变逐渐分布至整个区域。

(a)50 ms (b)100 ms

(a)250 ms (b)300 ms

第4阶段，表面裂纹的扩展至失效是该阶段的主要特征。表面裂纹的最大负应变在区域3由-6.25×10-4迅速增加到-8.2×10-3，区域1、2最大正应变由4.1×10-4增加至1.9×10-3。快速扩展的表面裂纹导致应变突变，然后趋于平稳。

(a)450 ms (b)479 ms

2.3 表面的剪应变响应

根据应变场模式，表面剪切应变场演变可分为4个阶段。第1阶段：1 ms，如图12所示；第2阶段：50～200 ms，如图13所示；第3阶段：250～450 ms，如图14所示；第4阶段：479～500 ms，如图15所示。第1阶段，观测区域内剪切应变场表现为较小应变，正应变集中在负X方向(区域1下方)，此时裂纹开始萌生，应变值为2.55×10-4。

图12 1 ms时X、Y方向的正应变场分布

第2阶段应变最大值(最小值)呈规则的高低波形，是由于针刺纤维束的存在引起的，且在不同载荷水平下最大值(最小值)的位置发生了变化，体现了3DN C/SiC复合材料的不均匀特性。

(a)50 ms (b)100 ms

第3阶段剪切应变随着载荷的不断增大，整个区域应变逐渐减小。这一阶段应变演变不均匀，但由于整个观测区域共同承担载荷，应变逐渐分布至整个区域导致整体应变不增反减。

(a)250 ms (b)300 ms

第4阶段扭转载荷不断增大，裂纹扩展至最大限度，应变迅速增加，区域1、2应变最小区，值为7×10-3,区域3为应变最大区，应变值为3.34×10-2。图16为试样失效裂纹，裂纹起始位置不在开孔周围，而是在试样边缘，裂纹扩展方向朝向开孔的周围，且试样未完全断裂，反映3DN C/SiC复合材料的剪切破坏是韧性断裂。裂纹有2种类型的剪切断裂，一个是缺口之间的不均匀断裂，裂纹的起始位置在试样的边缘；另一个是裂纹扩展并脱层，夹持过程中试样受到扭转力作用，斜裂缝始于试样的边缘，由外向中间扩展。

(a)479 ms (b)480 ms

图16 扭转试样表面裂纹萌生及扩展

3 结论

本文通过DIC技术研究了3DN C/SiC复合材料的面内X、Y方向应变场以及剪切行为。得到了开孔试样剪切应变分布，分析了多阶段X、Y方向和剪切应变场的演化，探讨了3DN C/SiC复合材料的特殊剪切破坏机理。主要结论如下：

1)开孔周围X、Y方向应变最大(最小)值呈规则的高低波形，反映了针刺纤维束对扭转应变的影响。

2)应变场演化可分为4个阶段：弹性应变、应变增大、应变减小、应变突增直至破坏。

3)3DN C/SiC复合材料的剪切破坏是韧性断裂，且有2种类型的剪切断裂：缺口之间的不均匀断裂和裂纹扩展并脱层。