先進(jìn)鋁鋰合金層板疲勞裂紋擴(kuò)展分層行為

黃 嘯, 黃 頤, 劉建中

（1.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)，北京 100097；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3.上海航空材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)股份有限公司，上海 201318）

近年來(lái)，纖維金屬層板優(yōu)異的損傷容限性能和可設(shè)計(jì)性得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，隨著相關(guān)研究工作持續(xù)深入，纖維金屬層板在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用范圍正在逐步擴(kuò)展[1-5]。Arall和Glare兩種較薄的纖維金屬層板已經(jīng)成熟應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮等相關(guān)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，研究人員通過(guò)增加金屬層厚度以及層數(shù)等方式設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于機(jī)翼主承力結(jié)構(gòu)的纖維金屬層板。GTM先進(jìn)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室和Alcoa技術(shù)中心基于Arall、Glare研制出一種名為CentrAl[2]的纖維金屬層板，將被應(yīng)用于大型客機(jī)和運(yùn)輸機(jī)的機(jī)翼翼盒結(jié)構(gòu)[3]。在工信部民機(jī)科研專項(xiàng)課題的支持下，針對(duì)大型客機(jī)機(jī)翼主承力結(jié)構(gòu)，中國(guó)商飛北研中心、中國(guó)航發(fā)航材院和哈爾濱工業(yè)大學(xué)將損傷容限性能更為優(yōu)異的鋁鋰合金和玻璃纖維預(yù)浸料結(jié)合在一起，聯(lián)合研制出一種先進(jìn)鋁鋰合金層板。

國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)Arall和Glare的損傷容限性能進(jìn)行了大量相關(guān)研究，并且建立了多種預(yù)測(cè)模型[6-18]。而對(duì)于應(yīng)用于機(jī)翼主承力結(jié)構(gòu)的新型纖維金屬層板，目前為止僅有少量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和初步的研究分析[2, 19-23]。纖維金屬層板與金屬板材疲勞裂紋擴(kuò)展行為的區(qū)別主要在于，纖維金屬層板金屬層發(fā)生裂紋擴(kuò)展的同時(shí)，預(yù)浸料層不產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，裂紋區(qū)域的層間剪切力導(dǎo)致了分層行為，在疲勞拉伸載荷作用下，未斷裂的預(yù)浸料層為與之相粘接的金屬層在分層邊緣提供了壓縮方向的橋接應(yīng)力，進(jìn)而降低金屬層裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K，有效減緩裂紋擴(kuò)展速率。因此，為了有效地計(jì)算橋接應(yīng)力，進(jìn)而分析、預(yù)測(cè)疲勞裂紋擴(kuò)展行為，深入研究分層行為具有重要意義。

由于在疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中，分層發(fā)生在肉眼不可觀測(cè)的層板內(nèi)部，其形狀和尺寸的實(shí)時(shí)測(cè)量成為一項(xiàng)難題。在常規(guī)的分層檢測(cè)方法中，C掃描只能捕捉到所有界面分層區(qū)域的疊加；化學(xué)腐蝕能夠最為準(zhǔn)確地獲得分層數(shù)據(jù)，但缺點(diǎn)是需要去除外層金屬，從而破壞試樣導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)（digital image correlation，DIC）是一種非接觸、無(wú)損傷的圖像分析方法，可通過(guò)分析試樣表面照片獲取應(yīng)變變化。對(duì)于金屬層較?。?.2～0.5 mm）的纖維金屬層板Glare，在遠(yuǎn)端均勻拉伸載荷作用下，其試樣表面應(yīng)變接近0的區(qū)域即為分層區(qū)域，因此DIC可以在疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)觀測(cè)Glare的分層行為[15]，但對(duì)于表層金屬較厚的新型纖維金屬層板，由于在厚度方向存在應(yīng)變梯度，使得DIC的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際分層行為明顯不同[22]。

為了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲得表層金屬較厚的先進(jìn)鋁鋰合金層板（以下簡(jiǎn)稱層板）疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中的分層數(shù)據(jù)，本研究通過(guò)有限元分析探索試樣表面應(yīng)變分布與分層形狀和尺寸的關(guān)系，從而獲得將DIC測(cè)量的應(yīng)變分布結(jié)果轉(zhuǎn)化為分層數(shù)據(jù)的方法。同時(shí)針對(duì)兩種鋪層結(jié)構(gòu)、兩種切口尺寸的層板進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，將多個(gè)裂紋長(zhǎng)度下的DIC測(cè)量修正結(jié)果數(shù)據(jù)與化學(xué)腐蝕獲得的實(shí)際分層結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性。

1 有限元分析

本研究所選取的兩種層板是將兩層或三層2 mm厚的2060-T8E30鋁鋰合金板與預(yù)浸料膠接后制備而成，鋪層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，分別標(biāo)記為2/1和3/2。鋁鋰合金板之間的預(yù)浸料中包含10層玻璃纖維預(yù)浸料，每層均由S4纖維和SY-24膠粘劑組成。

圖1 先進(jìn)鋁鋰合金層板鋪層結(jié)構(gòu)Fig.1 Lay-up structure of an advanced Al-Li alloy laminate

圖2為中心裂紋拉伸（M（T））試樣。中心切口采用中國(guó)航發(fā)航材院設(shè)計(jì)的一種特殊的纖維金屬層板切口加工裝置制備[24]。這種加工方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠在不損壞切口附近預(yù)浸料和不產(chǎn)生分層的條件下，有效地制造切口。

圖2 中心裂紋拉伸（M（T））試樣Fig.2 Center crack tension（M（T））specimen

針對(duì)2/1結(jié)構(gòu)層板中心裂紋試樣，使用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元建模，切口長(zhǎng)度10 mm，施加遠(yuǎn)端均勻拉伸應(yīng)力75 MPa。選取三個(gè)典型裂紋長(zhǎng)度（16 mm，20 mm 和 24 mm），根據(jù)已有數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)不同裂紋長(zhǎng)度下的分層形狀和尺寸，計(jì)算裂紋及分層區(qū)域表面加載方向（Y向）應(yīng)變分布。

由于本研究使用的DIC測(cè)量設(shè)備GOM ARAMIS光學(xué)應(yīng)變儀的精度限制（最小量程0.05%，精度0.01%），為了便于對(duì)比分析，選取一個(gè)接近于0的實(shí)驗(yàn)可測(cè)應(yīng)變數(shù)值（0.06%）為研究對(duì)象，分析該應(yīng)變區(qū)域與實(shí)際分層區(qū)域的差異，獲得修正方法。

圖3為有限元計(jì)算所得Y向應(yīng)變分布和分層形狀對(duì)比。由圖3可以明顯看出，0.06%應(yīng)變區(qū)域和分層區(qū)域的尺寸有明顯不同。讀取圖3形狀數(shù)據(jù)后繪制形狀對(duì)比圖及誤差分布，如圖4所示，其中誤差由0.06%應(yīng)變區(qū)域前沿形狀數(shù)據(jù)減去分層區(qū)域前沿形狀數(shù)據(jù)獲得?？梢?jiàn)在16 mm、20 mm、24 mm三個(gè)裂紋長(zhǎng)度下，可由DIC獲得的0.06%應(yīng)變區(qū)域在Y向尺寸與實(shí)際分層尺寸誤差接近6 mm，顯然不能直接表征分層行為，直接采用該數(shù)據(jù)計(jì)算獲得橋接應(yīng)力進(jìn)而分析疲勞裂紋擴(kuò)展行為將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。從對(duì)比結(jié)果還可以觀察到，0.06%應(yīng)變區(qū)域前沿形狀和分層區(qū)域前沿形狀呈一定比例下的線性關(guān)聯(lián)，這為修正的可操作性提供了支撐。

圖3 三種裂紋長(zhǎng)度和分層形狀下有限元計(jì)算所得Y向應(yīng)變分布和分層形狀對(duì)比示意圖Fig.3 Comparison of Y-direction strain distribution and delamination shape calculated by FEM in three kinds of crack length and delamination shape （a）16 mm crack;（b）20 mm crack;（c）24 mm crack

繪制誤差百分比-裂紋長(zhǎng)度百分比圖像，如圖5所示。

將數(shù)據(jù)擬合得到式（1）。

圖4 三種裂紋長(zhǎng)度和分層形狀下有限元計(jì)算Y向0.06%應(yīng)變分布和分層形狀對(duì)比圖及誤差分布Fig.4 Comparison of 0.06% Y-direction strain distribution and delamination shape calculated by FEM under three kinds of crack length and delamination shape（1）and error distribution（2） （a）16 mm crack;（b）20 mm crack;（c）24 mm crack

圖5 三種裂紋長(zhǎng)度和分層形狀下誤差百分比和裂紋長(zhǎng)度百分比線性關(guān)系示意圖Fig.5 Schematic diagram of linear relationship between error percentage and crack length percentage under three kinds of crack length and delamination shape

式中：SDIC為Y向0.06%應(yīng)變區(qū)域在裂紋x位置上的尺寸，SD為裂紋x位置上的實(shí)際分層尺寸。

由此得到可通過(guò)DIC直接測(cè)量的0.06%Y向應(yīng)變區(qū)域尺寸與實(shí)際分層尺寸的轉(zhuǎn)換關(guān)系式（2）。

在層板疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中，短暫暫停疲勞載荷加載，對(duì)試樣遠(yuǎn)端施加75 MPa均勻拉伸載荷，將DIC方法獲得的Y向0.06%應(yīng)變前沿?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)式（2）計(jì)算得到層板表面金屬層和預(yù)浸料之間的分層形狀和尺寸。

2 實(shí)驗(yàn)

疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)在SHIMADZU 4830電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用恒幅正弦疲勞載荷加載，實(shí)驗(yàn)頻率為 10 Hz，應(yīng)力水平為 75 MPa，應(yīng)力比R為0.06。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用30倍JDX-B移動(dòng)顯微鏡測(cè)量裂紋長(zhǎng)度a。采用DIC方法測(cè)量Y向應(yīng)變，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為GOM ARAMIS光學(xué)應(yīng)變儀，測(cè)量裝置見(jiàn)圖6。實(shí)驗(yàn)矩陣見(jiàn)表1，本實(shí)驗(yàn)選取2/1和3/2兩種鋪層結(jié)構(gòu)，10 mm和15 mm兩種切口尺寸，四種不同的裂紋長(zhǎng)度，用以驗(yàn)證通過(guò)有限元分析修正DIC數(shù)據(jù)得到的分層形狀和尺寸的準(zhǔn)確性和適用性。

圖6 疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中的 DIC 測(cè)量裝置Fig. 6 DIC device in fatigue crack growth test

根據(jù)已有研究結(jié)果[2, 14, 19-20]，對(duì)于 3/2 及更多層數(shù)的應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)的新型纖維金屬層板，厚度方向上靠近試樣表面的層間分層尺寸明顯大于靠近試樣中間的層間分層尺寸，且對(duì)表層金屬裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強(qiáng)度因子K的影響更大，因此本研究針對(duì)3/2結(jié)構(gòu)層板只關(guān)注其表層金屬的分層行為。

表1 疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)矩陣Table1 Test matrix of fatigue crack propagation

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

針對(duì)表1中裂紋擴(kuò)展達(dá)到預(yù)定長(zhǎng)度的試樣，在其遠(yuǎn)端施加75 MPa均勻拉伸載荷，通過(guò)DIC方法拍攝并分析獲得Y向應(yīng)變分布，如圖7所示。隨后對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)腐蝕去層，得到真實(shí)分層形狀和尺寸，如圖8所示。

將DIC方法獲得的Y向0.06%應(yīng)變區(qū)域尺寸數(shù)據(jù)通過(guò)式（2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，與實(shí)際分層形狀和尺寸進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，除靠近鋸切缺口區(qū)域存在一定誤差外，修正后的DIC分層測(cè)量結(jié)果與實(shí)際分層結(jié)果吻合較好。由此可見(jiàn)，不同鋪層結(jié)構(gòu)、切口尺寸、應(yīng)力水平以及裂紋長(zhǎng)度下，本工作提供的DIC分層測(cè)量修正方法可以有效觀測(cè)具有較厚表面金屬層的先進(jìn)鋁鋰合金層板疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的分層行為，誤差可控。

圖7 通過(guò) DIC 方法獲得 Y 向應(yīng)變分布Fig.7 Y-direction strain distribution obtained by DIC method

圖8 化學(xué)腐蝕去層法獲得的真實(shí)分層形狀和尺寸Fig.8 Actual delamination shape and size obtained by chemical etching method

由Alderliesten模型[14]可知，分層尺寸數(shù)據(jù)對(duì)橋接應(yīng)力計(jì)算產(chǎn)生影響，同時(shí)橋接應(yīng)力作用在分層前沿位置，因此分層尺寸數(shù)據(jù)與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K的計(jì)算直接相關(guān)。本方法獲得的裂紋中段和尖端分層數(shù)據(jù)較為精確，而靠近鋸切缺口區(qū)域存在一定誤差，該誤差對(duì)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K的影響將在后序的研究中進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

（1）對(duì)應(yīng)用于大型客機(jī)機(jī)翼主承力結(jié)構(gòu)的先進(jìn)鋁鋰合金層板疲勞裂紋擴(kuò)展中的分層行為，通過(guò)有限元分析，發(fā)現(xiàn)并建立了試樣表面0.06%應(yīng)變區(qū)域與分層形狀和尺寸的線性關(guān)系，得到了相應(yīng)的計(jì)算關(guān)系式。

（2）在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用DIC技術(shù)測(cè)量試樣表面0.06%應(yīng)變區(qū)域形狀和尺寸，并通過(guò)有限元分析獲得的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，首次實(shí)現(xiàn)了表面金屬層較厚的纖維金屬層板疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中分層行為的實(shí)時(shí)測(cè)量。

（3）針對(duì)不同鋪層結(jié)構(gòu)和不同切口尺寸的先進(jìn)鋁鋰合金層板，在多種裂紋長(zhǎng)度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本研究提供的方法可以有效觀測(cè)其分層行為，具有廣泛的適用性；本方法僅用一根試樣進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，即可獲得某一實(shí)驗(yàn)條件下疲勞裂紋擴(kuò)展分層行為變化規(guī)律，避免了傳統(tǒng)化學(xué)腐蝕去層法大量破壞試樣的情況，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性；也避免了同一條件下需要多個(gè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況，不會(huì)因?yàn)椴煌嚇硬牧虾图庸ぞ鹊募?xì)微差別而產(chǎn)生誤差，具有數(shù)據(jù)一致性。

圖9 修正后的DIC分層測(cè)量結(jié)果與化學(xué)腐蝕去層結(jié)果比較Fig.9 Comparison of delamination results measured by modified DIC and chemical etching delamination results （a）2/1 layup, 2as = 10 mm, a = 22.75 mm;（b）2/1 lay-up, 2as = 15 mm, a = 19.02 mm;（c）3/2 lay-up, 2as = 10 mm, a = 11.37 mm;（d）3/2 lay-up, 2as = 10 mm, a = 26.26 mm