新型纖維金屬混合層板結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展與分層行為

黃 嘯， 劉建中

（北京航空材料研究院，北京 100095）

纖維金屬層板是由特定膠黏劑浸漬強(qiáng)韌纖維形成的預(yù)浸料與高強(qiáng)度金屬薄板相互交疊鋪層，然后經(jīng)一定的固化工藝成型得到的一種層壓板。纖維金屬層板與金屬相比具有密度小、疲勞壽命長、損傷容限性能優(yōu)異等特點［1］。其中ARALL和 GLARE纖維金屬層板已經(jīng)成功應(yīng)用于機(jī)身結(jié)構(gòu)［2］。當(dāng)前國際上正在將這種金屬與纖維混合層板概念進(jìn)一步發(fā)展，研制將應(yīng)用于機(jī)翼結(jié)構(gòu)的新型混合層板。目前，荷蘭GTM Advanced Structures和美國Alcoa Technical Center共同研制的新型混合層板CentrAl即將應(yīng)用于大型運(yùn)輸機(jī) C-130的機(jī)翼結(jié)構(gòu)［3，4］。

由于機(jī)身、機(jī)翼均為飛機(jī)關(guān)鍵主承力結(jié)構(gòu)，所以必須對其進(jìn)行損傷容限分析。上世紀(jì)八十年代以來，國際上已對ARALL層板和GLARE層板開展了大量的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗與分析研究，建立了多種基于唯象理論、斷裂力學(xué)機(jī)制分析及有限元等數(shù)值模擬分析的模型［5］。Marissen［6］，郭亞軍和吳學(xué)仁［7］，Alderliesten［8］等人在大量試驗的基礎(chǔ)上探索了纖維金屬層板的疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制，并建立了基于斷裂力學(xué)的疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型。典型纖維金屬層板疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制如圖1所示。

圖1 典型纖維金屬層板疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制［9］Fig.1 Fatigue crack propagation mechanism in representative fiber metal laminate

纖維金屬層板金屬層在裂紋擴(kuò)展時預(yù)浸料層中的纖維不產(chǎn)生斷裂，故預(yù)浸料通過膠接阻礙尖端裂紋張開的同時，主要裂紋區(qū)域鋁板本應(yīng)承載的部分載荷轉(zhuǎn)移到預(yù)浸料層中，這部分轉(zhuǎn)移的載荷稱為橋接應(yīng)力。預(yù)浸料阻礙尖端裂紋張開從而減緩裂紋擴(kuò)展速率，其主要機(jī)制是通過橋接應(yīng)力誘使裂紋張開的載荷變小，使得裂紋擴(kuò)展速率降低。與此同時，橋接應(yīng)力也會使金屬層與預(yù)浸料層間產(chǎn)生剪切變形，從而導(dǎo)致分層，分層將降低橋接應(yīng)力效率。

不同纖維金屬層板制造工藝細(xì)節(jié)、組份結(jié)構(gòu)及厚度尺寸等明顯不同，而這些不同又會導(dǎo)致明顯不同的疲勞裂紋擴(kuò)展和分層行為。本工作針對正在研制的一種新型混合層板的疲勞裂紋擴(kuò)展和分層行為進(jìn)行試驗研究，以考察該材料兩種應(yīng)力比下不同鋸切缺口尺寸和不同鋪疊方式引起的疲勞裂紋擴(kuò)展和分層行為的差異，為深入理解和掌握該類材料和結(jié)構(gòu)的損傷容限行為機(jī)制和規(guī)律提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗

1.1 材料及試樣制備

本研究采用的新型混合層板結(jié)構(gòu)由兩層2mm厚度鋁合金板和一層3/2結(jié)構(gòu)GLARE板組成，其連接處使用中溫膠膜膠接。兩種鋪疊結(jié)構(gòu)分別如圖2a，b所示。A類層板中玻璃纖維預(yù)浸料與鋁合金板直接膠接，而B類層板中鋁合金板與預(yù)浸料間通過中溫膠膜膠接。鋁板由外向內(nèi)定義為外層鋁板、內(nèi)層鋁板和中心鋁板。

層板制備時，首先對2mm厚和0.5mm厚兩種鋁合金按照HB/Z197-1991要求進(jìn)行磷酸陽極化處理。處理完畢后逐一鋪膠疊層。將鋪疊好的A類層板放入熱壓罐中抽真空中溫固化成型，B類層板則使用熱壓機(jī)成型。

固化成型的纖維金屬層板采用水切割和銑削兩種方式加工得到中心裂紋試樣外形，試樣中心鉆孔后采用鋸切方式加工2as=10mm和15mm兩種長度鋸切裂紋。

1.2 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗

疲勞裂紋擴(kuò)展試驗在電液伺服疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行。采用恒幅正弦疲勞載荷加載，應(yīng)力比R為0.1，-1。試樣形狀為標(biāo)準(zhǔn)中心裂紋拉伸（M（T））試樣。試樣長度270mm，寬度75mm。試驗矩陣如表1所示。

圖2 研究采用的新型混合層板兩種鋪疊結(jié)構(gòu)（a）層板A:預(yù)浸料兩側(cè)未添加膠膜（b）層板B:預(yù)浸料兩側(cè)添加膠膜Fig.2 Two kinds of advanced hybrid laminates （a）laminate A:no adhesive film around prepreg;（b）laminate B:adhesive film around prepreg

表1 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗矩陣Table1 Fatigue crack propagation test matrix

使用測量精度為0.01mm的20倍可移動式顯微鏡，通過目測法測量裂紋長度，獲得裂紋長度a隨疲勞加載循環(huán)數(shù)N變化曲線（即a-N曲線）。

1.3 分層形態(tài)觀測

纖維金屬層板疲勞裂紋擴(kuò)展過程中材料層間會產(chǎn)生分層，分層大小會影響纖維的橋接作用，因此纖維金屬層板分層形態(tài)和尺寸觀測對于探究其裂紋擴(kuò)展機(jī)制非常重要。采用超聲C掃描和腐蝕去層法相結(jié)合的方式觀測層板各層間分層形狀和尺寸:使用超聲C掃描方法觀測各層累積損傷，采用腐蝕去層法直接觀察得到分層形態(tài)和尺寸。具體是將裂紋擴(kuò)展試驗后的試樣放入10%濃度NaOH溶液中，將層板中鋁合金部分腐蝕去除，經(jīng)砂紙打磨后對膠膜層和預(yù)浸料層直接觀測，以得到分層形態(tài)和尺寸數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 疲勞裂紋擴(kuò)展行為

圖3（a，b）分別給出了不同鋪層結(jié)構(gòu)材料在其上加工不同鋸切缺口尺寸時，在疲勞加載應(yīng)力比R=0.1，-1下的疲勞裂紋擴(kuò)展a-N曲線。

圖3 兩種鋪層結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展a-N曲線數(shù)據(jù)對比Fig.3 a-N data of fatigue crack for different saw-cut lengths in two kinds of laminate types

為便于比較，圖3（a，b）中還給出了相應(yīng)鋁合金板材在相同加載條件下裂紋擴(kuò)展a-N曲線數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，應(yīng)力比R=0.1時混合層板疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯慢于2mm鋁合金，而應(yīng)力比R=-1時除鋸切缺口尺寸為10mm的B類層板外，均快于2mm鋁合金。鋸切缺口尺寸2as=10mm的試樣疲勞裂紋擴(kuò)展慢于2as=15mm的試樣，同時B類層板裂紋擴(kuò)展慢于A類層板。

由于橋接作用，一般來說層板裂紋擴(kuò)展速率應(yīng)較其相應(yīng)組份金屬層板的低。圖3a中R=0.1下結(jié)果與此相符。然而，R=-1下出現(xiàn)了不同結(jié)果，其原因還需進(jìn)一步研究。

試樣鋸切缺口尺寸影響裂紋擴(kuò)展行為，可以通過橋接機(jī)制分析解釋。試樣鋸切缺口部分金屬層和預(yù)浸料層均為斷開狀態(tài)，故該區(qū)域纖維無法提供促使裂紋閉合的橋接應(yīng)力。相同裂紋長度下，鋸切缺口尺寸為15mm的試樣相比鋸切缺口尺寸為10mm的試樣會有更多的區(qū)域無法提供橋接應(yīng)力，從而導(dǎo)致橋接效率下降，裂紋擴(kuò)展增速。其原理如圖4所示。

圖4 相同裂紋長度下不同鋸切缺口尺寸橋接機(jī)制對比Fig.4 Crack bridging mechanism at different saw-cut lengths for the same crack length

已知橋接應(yīng)力引發(fā)金屬層和預(yù)浸料層之間剪切變形，故金屬層與預(yù)浸料層之間的膠粘強(qiáng)度會影響層板橋接效率。B類層板使用中溫膠膜粘結(jié)金屬層與預(yù)浸料層，該膠膜膠粘強(qiáng)度遠(yuǎn)大于預(yù)浸料中的樹脂，故其橋接效率可以預(yù)計應(yīng)高于A類層板。因此，B類層板裂紋擴(kuò)展速率低于A類層板，試驗結(jié)果較好地證明了這一點。

為了研究新型混合層板結(jié)構(gòu)中各層鋁板疲勞裂紋擴(kuò)展的一致性，對兩類材料各選一個典型試樣在裂紋擴(kuò)展至邊緣前拉斷，從斷口觀測各層鋁板裂紋尖端位置，典型結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩類層板2as=15mm，R=0.1時試樣各層鋁板裂紋尖端位置對比Fig.5 Comparison of crack tip position between each aluminium sheet for two kinds of laminate types with 2as=15mm，R=0.1

從圖5中可以看出，外層鋁板和內(nèi)層鋁板裂紋尖端位置基本相同，而中心鋁板裂紋尖端明顯要滯后于其他鋁板。經(jīng)測量當(dāng)單側(cè)裂紋長度為30mm時，中心鋁板裂紋尖端滯后約10mm。當(dāng)前已推出的纖維金屬層板疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型中，均假設(shè)各層鋁板裂紋擴(kuò)展速率相同［5］。這種假設(shè)對新型纖維金屬混合層板不再適用，可能需修正或重新發(fā)展和驗證新的層板相關(guān)疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型。

2.2 兩類層板的分層行為

對應(yīng)力比R=0.1，鋸切缺口尺寸2as=15mm的A，B類層板試樣進(jìn)行了腐蝕去層試驗，以觀測各層分層形態(tài)，研究其分層行為特征。

圖6 兩類層板2as=15mm試樣裂紋區(qū)域超聲C掃描結(jié)果Fig.6 C-Scan result for crack field in the specimen with 2as=15mm

圖6給出了兩個試樣裂紋區(qū)域的超聲C掃描結(jié)果。從中可以觀察到層板裂紋區(qū)域出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，該C掃描圖像為各層分層的疊加。各層去層后結(jié)果如圖7～9所示。

由圖7可見，兩種類型層板的外層鋁板和膠膜間均沒有發(fā)生分層，且膠膜上的裂紋長度與外層鋁板一致。將膠膜用砂紙打磨后，得到膠膜與內(nèi)層金屬間去層結(jié)果，如圖8所示。

同樣可以看出，兩種層板膠膜與內(nèi)層金屬間沒有分層，且內(nèi)層鋁板裂紋長度與外層鋁板一致。圖9則給出了內(nèi)層鋁板與預(yù)浸料間的典型分層形態(tài)。

兩種層板內(nèi)層鋁板與預(yù)浸料（內(nèi)層膠膜）間分層形態(tài)和大小基本相同，均近似為三角形，鋸切缺口尖端處分層尺寸最大。

3 結(jié)論

（1）應(yīng)力比R=0.1下新型混合層板試樣疲勞裂紋擴(kuò)展性能明顯優(yōu)于相應(yīng)鋁合金板試樣。而應(yīng)力比R=-1下部分層板疲勞裂紋擴(kuò)展性能劣于鋁合金板，這種反常行為原因還不清楚，需深入研究。

（2）預(yù)浸料層兩側(cè)添加中溫膠膜的層間結(jié)合力更好的混合層板，其疲勞裂紋擴(kuò)展性能優(yōu)于預(yù)浸料層兩側(cè)未添加中溫膠膜的混合層板。

（3）對于相同結(jié)構(gòu)的混合層板試樣，鋸切缺口尺寸短的層板試樣其疲勞裂紋擴(kuò)展性能明顯優(yōu)于鋸切缺口尺寸較長的層板試樣，這可以用裂紋擴(kuò)展橋接機(jī)制模型很好地加以解釋。

（4）新型混合層板結(jié)構(gòu)的外層鋁板與內(nèi)層鋁板裂紋擴(kuò)展速率基本相同，而其中心鋁板裂紋擴(kuò)展卻明顯滯后于其他層板。這可能與已有層板研究假定各層鋁板裂紋擴(kuò)展速率的結(jié)果不一致，可能需針對這種新型材料結(jié)果修正或重新發(fā)展與驗證層板裂紋擴(kuò)展定量預(yù)測模型。

（5）新型混合層板外層鋁板與膠膜間、膠膜與內(nèi)層鋁板間均不產(chǎn)生分層，而內(nèi)層鋁板與預(yù)浸料（內(nèi)層膠膜）間沿裂紋方向成近似三角形分層;兩種類型層板分層形態(tài)和尺寸相當(dāng)。

致謝:本研究所用混合層板成型由哈爾濱工業(yè)大學(xué)宋欣教授、白士剛博士后及王時玉碩士完成。試樣加工及疲勞裂紋擴(kuò)展試驗過程中得到了北京航空材料研究院航空材料檢測研究中心李淑芬工程師，東北大學(xué)謝里陽教授、張瑞金教授及佟安時博士等的大力幫助。在此一并衷心感謝。

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