薄層復合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)漸進失效機制試驗研究

曹躍杰，魏凌峰，張銘豪，曹增強

西北工業(yè)大學 機電學院，西安 710072

薄層復合材料由于可有效抑制層壓板面內(nèi)損傷、層間分層的形成和演化且具有更高的可設計性等特點，已成為近十年來國內(nèi)外復合材料研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點[1-3]。傳統(tǒng)復合材料單層厚度一般大于0.125 mm，而隨著預浸料制造技術(shù)的不斷發(fā)展，以T800碳/環(huán)氧復合材料為代表的航空航天級層壓板單層厚度已接近0.2 mm[4-5]。由于復合材料多向?qū)訅喊宕嬖诿黠@的就地效應(In Situ Effect)[6]，即在一定范圍內(nèi)隨層壓板單層厚度的增加基體橫向拉伸和縱向剪切強度呈指數(shù)趨勢下降，直到接近單向?qū)訅喊宓臏y試強度。薄層復合材料最早由川邊和正等在2007年采用氣流擾動法生產(chǎn)的厚度為0.04 mm的薄層單向預浸料制備而成，通過試驗和傳統(tǒng)厚度層壓板相對比發(fā)現(xiàn)，薄層復合材料可有效抑制準靜態(tài)拉伸、沖擊和疲勞載荷下層壓板內(nèi)部分層和基體開裂等損傷的形成與演化[7-8]。此外由于損傷的抑制作用，層壓板在力學測試過程中出現(xiàn)了類似金屬材料屈服的變化階段(Metal-like Pseudo-ductile)[1,9]，這為提高現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)損傷容限特性和抗沖擊吸能效果提供了最佳選擇。

盡管隨著復合材料大尺寸構(gòu)件成型工藝和結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機裝配連接零部件明顯減少，但由于實際飛機設計中要充分考慮裝配工藝和使用維護等方面的問題，必須設計一定數(shù)量的工藝分離面、維修口蓋和多種外掛接口。再者，為提高生產(chǎn)效率，如今復雜結(jié)構(gòu)設備大多采用模塊化的生產(chǎn)方式，因此裝配連接在整個飛機生產(chǎn)過程中占有非常重要的地位，直接決定了飛機的結(jié)構(gòu)安全性能和使用壽命。目前，機械連接仍是飛機主承力結(jié)構(gòu)最主要的連接方式。由于復合材料結(jié)構(gòu)耐沖擊性較差，易于因鉚接而引起表面劈裂和分層，所以目前復合材料結(jié)構(gòu)裝配主要采用以高鎖螺栓為代表的航空緊固件進行連接[10-13]。

復合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的力學特性和損傷失效機制的研究對進行飛機結(jié)構(gòu)設計和性能預測具有重要意義，目前已取得許多具有重要價值的研究成果[14-17]。然而研究多是基于傳統(tǒng)厚度復合材料連接結(jié)構(gòu)的，由于薄層復合材料更加優(yōu)異的力學性能，其損傷失效機制和傳統(tǒng)厚度復合材料相比更加復雜。Amacher等[18]在開孔板力學性能測試的基礎(chǔ)上進一步研究了不同厚度復合材料單搭接螺栓接頭擠壓強度的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄層層壓板在室溫下可有效提高擠壓強度。Arteiro等[19-20]通過對薄層編織復合材料進行擠壓測試后得出結(jié)論，盡管薄層復合材料沒有改變層壓板擠壓損傷的主要失效特征，但是由于分層和基體開裂的抑制作用導致連接結(jié)構(gòu)初始損傷強度得到明顯提高。盡管如此，關(guān)于薄層復合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)詳細的損傷失效機制分析目前還沒有相關(guān)報道。

為深入研究薄層復合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓過程損傷失效機制，本文采用中斷測試的方法，利用Micro-CT(Microscopic Computerized Tomography)和掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)分別對單搭接和雙搭接螺栓連接結(jié)構(gòu)在準靜態(tài)拉伸加載過程中不同加載位置薄層層壓板孔周區(qū)域的材料損傷變化進行觀察和對比分析。

1 試驗材料及測試方法

1.1 材料制備方法

采用由韓國Hankuk Carbon公司的1 000 mm寬T700/2510碳/環(huán)氧薄層單向預浸料制作用于測試的復合材料層壓板，預浸料厚度為0.07 mm。薄層預浸料首先按4種不同鋪層方向的實際尺寸需求進行機械切割，然后采用手工鋪層的方法進行層壓板制作。為方便和已有傳統(tǒng)厚度復合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)力學性能進行對比，層壓板采用常見的準各向同性鋪層順序進行制作。單個層壓板手工鋪層實際有效尺寸面積為200 mm×230 mm，用于單搭接結(jié)構(gòu)和雙搭接結(jié)構(gòu)測試的層壓板鋪層順序分別為[45/0/-45/90]4s和[45/0/-45/90]6s。制作的薄層層壓板全部使用ASC Process Systems公司的型號為Econoclave?0.9 m ×1.5 m的熱壓罐進行固化。在層壓板固化成型過程中，固化循環(huán)是壓力和溫度共同作用的結(jié)果。T700/2510薄層層壓板固化采用雙階段循環(huán)模式進行。首先，以2 ℃/min的增長速率使熱壓罐內(nèi)部溫度從室溫上升到80 ℃并保持60 min，其主要目的是使環(huán)氧樹脂進一步軟化，為接下來固化過程中樹脂流動提供穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境。然后，采用2 ℃/min的速率升溫到130 ℃開始固化，這一過程大約需要2 h，整個固化過程采用的壓力統(tǒng)一為7 bar(709 kPa)，隨后冷卻至室溫(～24 ℃)。當熱壓罐內(nèi)溫度降到60 ℃(140 °F)后對熱壓罐進行通風泄壓，具體過程如圖1(a)所示。固化冷卻后從熱壓罐中取出的層壓板及其相關(guān)設備如圖1(b)所示。層壓板四周陰影部分呈現(xiàn)近似圓形分布，表明整個固化過程中樹脂流動較好，且流出樹脂已被脫脂棉完全吸收。固化成型后的32層和48層層壓板平均厚度分別為2.08 mm和3.12 mm。用于單搭接測試的層壓板表面拋光后的橫截面光學圖像如圖2所示，其單層平均厚度為0.065 mm。

圖1 雙線性固化過程及固化后薄層層壓板

圖2 薄層層壓板橫截面光學圖像

1.2 連接結(jié)構(gòu)尺寸設計

為研究薄層復合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)拉伸加載過程漸進失效機制，層壓板幾何尺寸按ASTM D5961/D5961M—17標準進行設計，其中寬徑比W/D為6，端徑比為3。單搭接和雙搭接結(jié)構(gòu)緊固件都采用HST系列8號釘，因此連接孔直徑名義尺寸為6.35 mm，層壓板寬度端距分別為38.1 mm和20.0 mm，長度選擇135 mm。單搭接和雙搭接結(jié)構(gòu)詳細的幾何尺寸分別如圖3(a)和圖3(b)所示，其中單搭接結(jié)構(gòu)采用復材/復材連接方式，雙搭接結(jié)構(gòu)采用鈦合金/復材/鈦合金連接方式。為有效保證連接孔的直徑精度和孔壁質(zhì)量，利用數(shù)控機床在5 000 r/min轉(zhuǎn)速、0.1 mm/min進給下采用鉆孔-擴孔-二次鉸孔的加工工藝對試樣進行制孔，同時在層壓板制孔出口一側(cè)用2 mm的鋁板作為墊板，鉆頭和鉸刀全部采用硬質(zhì)合金刀具。單搭接連接的緊固件采用型號為HST12TB-8-3的鈦合金高鎖螺栓，與高鎖螺栓配套的螺母采用型號為HST79CY8的鋁合金高鎖螺母。雙搭接連接結(jié)構(gòu)的緊固件采用型號為HST10AG-8-6的鈦合金高鎖螺栓，與鈦合金緊固件相匹配的螺母型號為HST78DK8。此外，雙搭接結(jié)構(gòu)金屬搭接板采用新型高強度和損傷容限的TC21鈦合金。

圖3 薄層復合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)幾何尺寸

1.3 測試方法

薄層復合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)拉伸測試遵循ASTM D5961/D5961M—17標準。采用最大拉伸載荷為100 kN的INSTRON-8801液壓伺服萬能拉伸試驗機進行力學測試。拉伸測試采用位移控制的方式進行，加載速率為1 mm/min。接頭被加載到載荷突然下降超過峰值載荷30%及以下的位置，中斷測試則是在特定位置終止加載。層壓板擠壓應力可定義為拉伸載荷除以連接孔直徑和層壓板厚度的乘積：

σbearing=kP/(dt)

(1)

式中：P為加載過程中的拉伸載荷；k為連接孔的載荷系數(shù)，k=1.0代表單螺栓連接接頭；d和t分別為連接孔的直徑和層壓板的厚度。

對于不同加載位置的復合材料試樣，采用ZEISS-SUPRA 40 VP掃描電子顯微鏡在10.0 kV的二次電子加速電壓下對層壓板內(nèi)部微觀損傷和結(jié)構(gòu)變形失效進行觀察。觀察拍攝的掃描電鏡圖片大小均為2 048像素×1 536像素。使用高分辨率X射線計算機掃描斷層Micro-CT掃描儀(Skyscan 1076, Bruker)輔助觀測層壓板3D結(jié)構(gòu)初始損傷變化情況。

2 連接結(jié)構(gòu)力學行為及失效過程

2.1 擠壓應力-位移響應

單搭接薄層復合材料螺栓接頭擠壓應力-位移響應如圖4所示，力學響應曲線展示了從初始加載到結(jié)構(gòu)失效整個階段的變化情況(Test 1和Test 2)。測試結(jié)果顯示出良好的一致性，也證明了制備的試驗件性能穩(wěn)定可靠。從圖4中曲線可看出整個加載過程分為4個主要階段：首先是從初始加載開始直到應力出現(xiàn)第一次輕微下降的線彈性階段(Test 3)；第2個階段類似金屬材料單向拉伸測試過程中出現(xiàn)的塑性屈服階段(Test 4)，在這一過程中，應力緩慢增加直到出現(xiàn)最大峰值應力，圖4中對應的接頭最大擠壓應力為910 MPa；接下來隨著拉伸加載的繼續(xù)進行，由于結(jié)構(gòu)損傷的不斷累積，接頭拉伸應力開始緩慢下降，這一加載階段表現(xiàn)出明顯的非線性；最后階段就是當損傷變形達到一定程度后結(jié)構(gòu)瀕臨失效，力學強度快速下降，隨著加載應力突然降到400 MPa以下，接頭徹底失效。通過以上分析可發(fā)現(xiàn)薄層復合材料單搭接結(jié)構(gòu)拉伸加載力學響應和傳統(tǒng)厚度單搭接準各向同性層壓板螺栓連接結(jié)構(gòu)有很大不同，主要特征是薄層復合材料接頭具有更長的非線性漸進損傷階段，即更加優(yōu)異的損傷容限特性[14,21]。此外，薄層復合材料連接結(jié)構(gòu)具有更高的擠壓承載能力，傳統(tǒng)厚度復合材料連接結(jié)構(gòu)的峰值擠壓應力為750 MPa。事實上，由于受復合材料層壓板尺寸效應的影響，隨層壓板厚度增加，結(jié)構(gòu)的擠壓應力通常會呈現(xiàn)一定的上升趨勢[19]。由于測試的層壓板板厚只有2.08 mm，而文獻[21]中的層壓板厚度為3.2 mm，所以在同樣厚度情況下，薄層復合材料應具有更加明顯的性能優(yōu)勢。

圖4 薄層復合材料單搭接螺栓接頭應力-位移曲線

圖5展示了復合材料雙搭接螺栓接頭擠壓應力與加載位移之間的響應關(guān)系。從圖5中曲線可知，盡管在非線性擠壓失效階段存在細微差異，但在初始損傷發(fā)生之前結(jié)構(gòu)剛度整體比較一致。整個加載過程也可分為4個主要階段：首先是剛度輕微下降之前的以彈性變形為主的第1階段；接下來是到達峰值應力之前發(fā)生類似金屬材料屈服變化的第2階段，在這一力學性能總體上升的過程中有兩個明顯的瞬時下降時刻；第3階段則出現(xiàn)了近似階梯形的強度退化現(xiàn)象，由于此時損傷累積和孔周變形已達到一定程度，同時由于損傷材料區(qū)域不斷累積引起的向兩側(cè)凸起導致高鎖螺栓出現(xiàn)釘頭開裂現(xiàn)象，這個過程的擠壓應力開始穩(wěn)步下降；最后階段就是隨著載荷突然下降，連接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)徹底失效。從圖5中可知，在第1階段力學響應呈線性變化，直到擠壓應力達85%峰值應力水平，由于擠壓損傷的形成結(jié)構(gòu)剛度開始出現(xiàn)輕微的下降。試驗測試的層壓板初始損傷應力明顯高于已有文獻報道的傳統(tǒng)厚度復合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)通常為50%～60%峰值應力的水平[22]。連接接頭結(jié)構(gòu)剛度隨著損傷的累積不斷下降，表現(xiàn)出明顯的非線性并持續(xù)到最大載荷的位置。根據(jù)測試結(jié)果和傳統(tǒng)復合材料接頭已有報道數(shù)據(jù)對比可知，盡管IM7/8552力學性能相對更好，T700/2510薄層復合材料接頭具有更高的擠壓承載能力及更好的結(jié)構(gòu)準塑性(Pseudo-Ductile)。T700/2510薄層層壓板雙搭接測試最大擠壓應力和IM7/8552傳統(tǒng)厚度層壓板極限擠壓應力分別為1 420 MPa和1 230 MPa[17,23]。

圖5 薄層復合材料雙搭接螺栓接頭應力-位移曲線

通過圖4和圖5的分析發(fā)現(xiàn)，兩種連接方式的薄層復合材料螺栓接頭與傳統(tǒng)厚度復合材料接頭相比都具有更高的峰值擠壓應力，同時具有更大的損傷容限特性。和雙搭接結(jié)構(gòu)相比，單搭接薄層層壓板的擠壓強度相對較低，除受層壓板厚度影響外，最主要的原因是連接結(jié)構(gòu)的影響，單搭接層壓板除承受擠壓載荷外，還受到由次彎曲效應引起的釘頭和螺母局部剪切作用的影響，而雙搭接結(jié)構(gòu)則主要承受擠壓載荷。

2.2 漸進失效過程

在整體力學響應的基礎(chǔ)上，為研究漸進失效過程變化機制，對不同位置(分別對應圖4和圖5中的點A、B和C)的損傷情況進行中斷測試觀察。對單搭接結(jié)構(gòu)，由于層壓板加載過程會出現(xiàn)明顯的次彎曲效應(Secondary Bending)，而上下搭接板最終損傷失效機制完全一樣，因此只對與螺栓頭接觸的上搭接板進行分析。圖6展示了對應圖4中3個測試位置點A、B和C的層壓板上下表面宏觀變化情況。從圖6(a)和圖6(b)中看出，與螺栓頭接觸區(qū)域除了由預緊力的作用導致的輕微壓痕外，并無可見的損傷變形出現(xiàn)。當載荷達到峰值應力后(如圖6(c)和圖6(d)所示)連接孔開始出現(xiàn)明顯損傷，在彎曲的影響下，下表面由于釘桿局部擠壓已出現(xiàn)明顯的拉長和壓損，同時上表面也出現(xiàn)了典型的劈裂損傷，并沿最外層鋪層方向擴展。在最后失效時刻(如圖6(e)和圖6(f)所示)，由于螺栓偏轉(zhuǎn)加劇導致釘頭直接侵入層壓板內(nèi)部，形成明顯的剪切失效，此時的最外層劈裂已擴展到接近層壓板邊界位置；同時位于下表面區(qū)域的孔周變形和損傷程度進一步加劇，而沿孔周兩側(cè)的最外層劈裂也已向外擴展到和上表面相近的程度。

圖6 單搭接接頭層壓板上下表面漸進損傷失效過程

雙搭接結(jié)構(gòu)由于不存在單搭接中的次彎曲現(xiàn)象，因此在加載過程中層壓板損傷近似對稱分布，所以圖7中只展示了對應點A、B和C試樣上表面的變化情況。從圖7(a)可看出此時連接孔并未出現(xiàn)明顯變形，只是在上表面損傷初始位置附近擠壓方向靠近孔壁的位置出現(xiàn)了弧形痕跡，其損傷情況需借助微觀圖像設備進行進一步分析。對于峰值后載荷位置(如圖7(b)所示)，由于此時擠壓損傷已累積到一定程度，且損傷區(qū)域材料不斷向外堆積，螺栓釘頭也開始出現(xiàn)裂紋；此時的損傷區(qū)域沿著孔周呈現(xiàn)近似扇形分布，其最大損傷擴展距離已接近連接孔的直徑大??；此外和點A相比，此時連接孔已出現(xiàn)明顯的擠壓變形情況，呈現(xiàn)出橢圓的形狀。在最后失效位置C(如圖7(c)所示)連接孔變形情況更加明顯，基本達到了2倍直徑的大小。在損傷區(qū)域的邊界位置，層壓板上表面已出現(xiàn)明顯的纖維劈裂和斷裂，而且損傷區(qū)域的材料變形情況更加嚴重，這些損傷失效是峰值位置材料損傷累積進一步加劇的結(jié)果。

圖7 雙搭接接頭層壓板上表面漸進損傷失效過程

3 薄層層壓板損傷的形成與演化

3.1 擠壓損傷的形成

圖8為對應圖6(a)和圖6(b)的CT圖像，可看出盡管孔周擠壓方向釘頭接觸區(qū)域出現(xiàn)了輕微的變形痕跡，無論是層壓板內(nèi)部還是孔壁接觸區(qū)域都沒有出現(xiàn)明顯的損傷。進一步分析單搭接結(jié)構(gòu)初始損傷的具體情況，點A位置的SEM照片如圖9所示。從孔周擠壓區(qū)域SEM照片(圖9(a))中可發(fā)現(xiàn)，輕微的擠壓損傷主要出現(xiàn)在孔邊0.5 mm以內(nèi)的區(qū)域，由于明顯的應力集中及釘桿局部接觸壓縮，此時在孔周已出現(xiàn)少量的纖維斷裂和輕微壓損。通常在初始加載階段復合材料和螺栓的局部接觸會導致層壓板表面出現(xiàn)一定程度的磨損和侵蝕，同時在樹脂富集區(qū)域出現(xiàn)少量碎屑。通過圖9(b)和圖9(c)可發(fā)現(xiàn)損傷中心區(qū)域開始呈現(xiàn)掃帚狀(Brooming)現(xiàn)象，同時在表面區(qū)域出現(xiàn)因局部剪切導致的纖維劈裂。此時在孔邊出現(xiàn)的局部損傷和接頭加載過程中由次彎曲效應導致的橫向約束降低有一定的關(guān)系。通過圖9(d)可看出在剪切裂紋區(qū)域已出現(xiàn)明顯的纖維/基體脫膠和纖維剪切斷裂，纖維斷裂呈現(xiàn)出典型的脆性特征。盡管如此，此時的擠壓損傷主要出現(xiàn)在靠近最外層的區(qū)域且沿擠壓方向擴展，并未對結(jié)構(gòu)整體性能產(chǎn)生決定性影響。

圖8 單搭接接頭層壓板點A位置CT圖像

圖9 點A位置復合材料試樣表面初始損傷SEM照片

雙搭接結(jié)構(gòu)薄層層壓板在點A的CT圖像如圖10所示。從圖10(b)中可看出一條扇裂紋已出現(xiàn)在擠壓區(qū)域靠近孔邊的地方，和圖10(a)中的輕微裂痕完全對應，表明初始剪切裂紋已形成。此外，也可從圖10(c)中孔邊附近位置觀察到輕微的擠壓損傷。通過圖10(b)和圖10(c)對比分析發(fā)現(xiàn)，雙搭接接頭擠壓測試初始損傷并不是在理想條件下沿厚度方向呈現(xiàn)完全對稱分布的；導致這一現(xiàn)象的原因可能是連接結(jié)構(gòu)中高鎖螺栓兩端產(chǎn)生的預緊效果有所差異。此外，根據(jù)圖10(d)中沿90°鋪層方向的CT三維橫截面圖像可知，層壓板內(nèi)部并無其他可觀測的損傷出現(xiàn)。

圖11為層壓板孔周及其相鄰擠壓區(qū)域初始損傷SEM照片。從圖11(a)和圖11(b)可看出與高鎖螺栓接觸的孔邊區(qū)域已出現(xiàn)纖維壓縮斷裂現(xiàn)象，這是由拉伸過程中在擠壓區(qū)域產(chǎn)生的局部壓縮導致的。此時的纖維斷裂呈現(xiàn)出明顯的折斷特征，可充分說明是由螺栓釘桿接觸壓縮造成的損傷失效，而不是前期制孔原因造成的。圖11(c)為與圖10(a)中對應的局部剪切裂紋的SEM照片，和圖10中CT圖像有所不同的是，盡管此時的裂紋擴展并不嚴重，仍可清楚地觀察到損傷裂紋的形貌特征。通過圖11(d)中裂紋特寫觀察可發(fā)現(xiàn)此時的損傷失效主要以基體壓縮開裂和擠壓剪切誘導的纖維微屈曲斷裂為主。根據(jù)裂紋兩側(cè)的表面落差趨勢對比可確定開裂來自層壓板內(nèi)部，由擠壓剪切作用引起。由此可得出基本結(jié)論，即薄層層壓板初始損傷主要來自內(nèi)部單層的壓縮性損傷累積產(chǎn)生的沿面外方向擴展的細觀剪切裂紋。

圖10 雙搭接接頭層壓板點A位置CT圖像

圖11 層壓板點A位置孔邊和臨近區(qū)域微觀損傷

3.2 擠壓損傷的演化

為進一步研究薄層復合材料連接結(jié)構(gòu)在加載過程中的損傷累積變化，分別對兩種連接方式峰值載荷之后(B點)的層壓板失效截面區(qū)域SEM照片進行分析。截面觀察位置如圖12所示，圖中0°和90°方向的陰影部分分別指受載變形區(qū)域的縱向擠壓失效平面和橫向拉伸失效平面。圖13為單搭接層壓板90°方向平面區(qū)域的SEM照片。從圖13(a)可發(fā)現(xiàn)截面上出現(xiàn)了幾乎貫穿整個層壓板的楔形裂紋，且在靠近孔邊的區(qū)域形成了嚴重損傷。從裂紋區(qū)域的局部高清照片(圖13(b))可看出位于90°單層的損傷主要是多段纖維扭折斷裂，同時伴隨相鄰鋪層的基體開裂。此外，由次彎曲效應導致釘桿產(chǎn)生斜向壓縮進而引起層壓板單側(cè)的面外擠壓作用，在90°界面出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，如圖13(c)所示。此時的分層并沒有出現(xiàn)在裂紋擴展區(qū)域是為更好地釋放局部能量，從而延緩進一步的面內(nèi)損傷變形[24]。在層壓板剪切裂紋帶的中心區(qū)域(如圖13(d)所示)可看到明顯的裂紋擴展情況。由于嚴重的擠壓變形導致90°鋪層纖維過分扭折，出現(xiàn)了積聚性扭折斷裂(如圖13(e)所示)，甚至整個右側(cè)的損傷區(qū)域也出現(xiàn)了輕微滑動。由于多向?qū)訅喊逶跀D壓剪切作用下結(jié)構(gòu)受力相對復雜，因此纖維扭折失效形式和單向板純壓縮相比有很大不同。根據(jù)擠壓過程中位于拉伸失效截面上的剪切裂紋帶形成機制假設推斷，正是90°鋪層纖維扭折損傷的不斷累積及其向相鄰±45°層的不斷擴展導致層壓板面內(nèi)貫穿裂紋帶的形成[15]。圖13(f)中從90°層擴展并進一步向孔邊區(qū)域延伸的基體裂紋進一步證明了這個假設。在接下來的加載過程中，這些內(nèi)部損傷相互作用，不斷累積。盡管從宏觀角度看層壓板擠壓失效是以剪切裂紋帶的形式出現(xiàn)的，但實際上是前期微觀損傷不斷演化的結(jié)果。

圖12 層壓板失效平面區(qū)域SEM觀察位置示意圖

圖13 單搭接接頭層壓板峰值載荷后90°方向截面損傷形貌SEM照片

和90°方向輕微的橫向壓縮不同，位于0°方向的擠壓失效平面區(qū)域由于受主應力的作用，其損傷程度十分嚴重，如圖14(a)所示。由于次彎曲效應已加劇，此時釘桿偏轉(zhuǎn)造成的損傷形式已凸顯，在靠近釘頭一側(cè)的孔邊部分，由于剪切裂紋加劇導致?lián)p傷區(qū)域開始和層壓板出現(xiàn)分離。圖14(b)展示了擴展裂紋區(qū)域的局部特征，可看出此時的裂紋區(qū)域已出現(xiàn)嚴重的纖維斷裂和大量的基體開裂。纖維斷裂表現(xiàn)出明顯的剪切失效特征，其斷口方向和裂紋擴展趨勢保持一致(如圖14(c)所示)。在靠近裂紋區(qū)域的中間位置可看到明顯的由擠壓引起的0°層纖維彎曲，此時由于壓縮變形導致的輕微基體開裂也出現(xiàn)在面內(nèi)區(qū)域，如圖14(d)所示。在靠近層壓板底部的區(qū)域，由于次彎曲效應導致底部幾乎失去約束作用，因此在釘桿局部壓縮應力的作用下，整個孔邊區(qū)域出現(xiàn)了嚴重的撓度變形，如圖14(e)所示。在撓度變形區(qū)域，除單層纖維彎曲以外，在非0°層還可看到大量的基體開裂，其中和擠壓方向垂直的90°層基體開裂最為嚴重，如圖14(f)所示。此時的基體開裂和單向板壓縮有所不同，呈現(xiàn)明顯的壓損現(xiàn)象(Crushing)。隨著加載的繼續(xù)，由于螺栓的進一步偏轉(zhuǎn)，釘頭開始逐漸侵入層壓板內(nèi)部。通過以上分析可發(fā)現(xiàn)，單搭接結(jié)構(gòu)層壓板擠壓失效是一個在次彎曲效應影響下由螺栓不同部位引起的多個沿面外方向擴展的剪切裂紋漸進累積的過程，雖然在各個時期的表現(xiàn)形式有所不同，但其損傷擴展機制完全一樣。在漸進損傷過程中，拉伸失效平面區(qū)域由于只受輕微壓縮影響，其損傷形式并不是主要特征。沿加載方向的偏心擠壓變形累積及緊固件釘頭和螺母旋轉(zhuǎn)性侵入層壓板引起的剪切斷裂才是導致結(jié)構(gòu)失效的根本原因。

圖14 單搭接接頭層壓板峰值載荷后0°方向截面損傷形貌SEM照片

對于雙搭接擠壓測試，當載荷越過峰值后，位于拉伸失效平面(90°方向)的損傷區(qū)域出現(xiàn)了明顯的橫向壓縮損傷，如圖15所示。此時的平面區(qū)域呈現(xiàn)出典型的緊固件擠壓損傷特征，主要的剪切裂紋從靠近層壓板中間位置沿面外方向呈楔形擴展趨勢，如圖15(a)所示。由于此時的載荷應力水平相對較高，大量擴展裂紋開始出現(xiàn)在損傷區(qū)域，并以一定的角度向兩端的最外層延伸。此外，損傷變形區(qū)域并沒有擴展到距離孔邊太遠的地方，損傷擴展區(qū)域約等于緊固件釘頭的接觸面積。從圖15(b)可看出纖維扭折斷裂及引起相鄰±45°層出現(xiàn)的基體開裂仍然是損傷擴展的主要形式。由于此時結(jié)構(gòu)載荷和位移同初始擠壓損傷相比已有進一步變化，內(nèi)部損傷也已累積到瀕臨失效的程度。在剪切裂紋帶區(qū)域，明顯的單層彎曲和整體纖維斷裂已出現(xiàn)，如圖15(c)所示。此外，通過圖15(d)和圖15(e)的高倍照片可確定，過峰值載荷位置層壓板橫向擠壓主要損傷形式是楔形基體開裂及90°單層纖維扭折斷裂，二者相互影響，共同作用。最后，從靠近層壓板底部失效區(qū)域的圖15(f)可知，由剪切基體開裂擴展誘導的局部分層出現(xiàn)在-45°/0°界面上，這是沿面外方向損傷變形進一步累積及釘頭開裂引起外部約束下降的結(jié)果。盡管此時層壓板并未達到失效的程度，但是孔周擠壓區(qū)域材料已存在嚴重損傷，整體承載性能開始變差。

圖15 雙搭接接頭層壓板峰值載荷后90°方向截面損傷形貌SEM照片

圖16展示了雙搭接層壓板中斷測試點B對應試樣擠壓失效平面區(qū)域損傷形貌的SEM照片。從圖16(a)可看出此時已形成明顯的楔形剪切裂紋帶，且出現(xiàn)了局部材料失效區(qū)域。在擴展裂紋方向?qū)訅喊鍍?nèi)部0°鋪層已出現(xiàn)多段纖維扭折斷裂，其相鄰鋪層的基體開裂也變得十分明顯，如圖16(b)所示。由擠壓作用引起的脆性剪切驅(qū)動纖維斷裂如圖16(e)所示，斷裂呈現(xiàn)典型的剪切特征且擴展方向和裂紋帶保持一致。盡管如此，在損傷裂紋附近區(qū)域并未出現(xiàn)明顯分層，因此損傷區(qū)域材料可以繼續(xù)承受擠壓載荷。圖16(c)和圖16(d)為出現(xiàn)在裂紋帶交匯區(qū)域的、由臨近0°鋪層纖維扭折引起的、位于90°/45°界面的輕微局部分層，由此也可說明盡管薄層復合材料可抑制分層的形成，但0°層裂紋擴展依然可誘導相鄰鋪層界面出現(xiàn)局部分層，不過分層沒有出現(xiàn)明顯的擴展趨勢，因此并不是主要的損傷形式。圖16(f)為典型的纖維斷裂表面形貌，斷裂面呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特性，同時在整個斷口表面分別出現(xiàn)了明顯的拉伸和壓縮斷裂區(qū)域，不過整個表面形貌比較粗糙。唯一的解釋就是在0°層方向承受擠壓的同時，還受到相鄰±45°鋪層沿裂紋擴展方向的剪切應力作用，二者形成了一定的扭轉(zhuǎn)耦合，這剛好解釋了拉伸斷口形貌極粗糙且在邊緣出現(xiàn)撕裂的現(xiàn)象。圖16(g)為層壓板失效區(qū)域的表面形貌，由于嚴重的擠壓變形累積，表面出現(xiàn)了大量的纖維和基體壓碎，且部分材料已與層壓板分離。層壓板底部區(qū)域嚴重變形的貫穿剪切裂紋如圖16(h)所示，可看出此時在靠近外層的裂紋帶區(qū)域，0°鋪層已存在大量的纖維扭折斷裂，其相鄰鋪層的基體開裂也十分嚴重。此處的多段纖維扭折斷裂呈現(xiàn)類似雙楔形特征(如圖16(i)所示)，這主要是由纖維在單個方向上的V型纖維微屈曲引起的。根據(jù)文獻[25]可知，V型纖維微屈曲引起的局部纖維扭折斷裂最先發(fā)生在纖維壓縮變形接近臨界最小彎曲半徑時出現(xiàn)最大彎曲點的位置。綜上所述，雙搭接連接結(jié)構(gòu)在過峰值載荷位置的擠壓失效平面損傷區(qū)域已出現(xiàn)嚴重的面外擴展裂紋帶，靠近外層區(qū)域的部分材料已失去承載能力。

圖16 雙搭接接頭層壓板峰值載荷后0°方向截面損傷形貌SEM照片

3.3 漸進擠壓失效機制

復合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓失效過程通常分為損傷初始、損傷擴展、局部失效和最終失效4個階段[15,26]。根據(jù)圖9～圖11、圖13～圖16展示的研究結(jié)果和對比分析，薄層層壓板螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓機制基本遵循圖17中的規(guī)律。在連接結(jié)構(gòu)初始損傷位置只有輕微的孔邊壓損和微觀基體裂紋；隨著層壓板連接區(qū)域繼續(xù)承受擠壓載荷，大量的微觀損傷開始出現(xiàn)在孔周區(qū)域。和傳統(tǒng)厚度層壓板相比，薄層復合材料具有更強的應力集中現(xiàn)象，尤其是在孔邊區(qū)域[27]。在拉伸加載過程中，高應力集中狀態(tài)很容易導致初始損傷的出現(xiàn)。從試驗結(jié)果可看出，在擠壓失效平面區(qū)域(0°方向)和拉伸失效平面區(qū)域(90°方向)出現(xiàn)的纖維扭折斷裂會誘導剪切裂紋向面外方向擴展。一旦出現(xiàn)明顯的剪切裂紋，隨著載荷的進一步提高，最終會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強度下降的現(xiàn)象。層壓板最終擠壓失效形式如圖17中示意圖陰影變形區(qū)域所示，主要以纖維擠壓斷裂、纖維扭折變形、基體開裂和纖維/基體脫膠共同組成。擠壓失效最終是多種損傷形式共同累積的結(jié)果，并最終通過連接孔的拉長變形和孔周區(qū)域材料擠出的宏觀形式呈現(xiàn)出來。

圖17 薄層層壓板漸進擠壓損傷初始與演化示意圖

對于單搭接螺栓連接結(jié)構(gòu)，由于拉伸過程中次彎曲效應的影響，在最后加載階段釘頭和螺母接觸區(qū)域材料性能不斷弱化，并率先出現(xiàn)彎曲變形失效，從而更好地平衡結(jié)構(gòu)應變和內(nèi)部損傷擴展。最終的連接結(jié)構(gòu)失效以釘頭和螺母侵入層壓板內(nèi)部引起載荷出現(xiàn)急劇下降而結(jié)束(如圖6(e)和圖6(f)所示)；而在雙搭接混合結(jié)構(gòu)中，由于幾乎不存在偏心加載的情況，薄層層壓板主要承受純擠壓作用。隨著加載的不斷進行，位于層壓板失效截面區(qū)域的對稱楔形裂紋不斷累積擴展并最終導致連接孔出現(xiàn)永久性失效變形，如圖7(c)所示，同時損傷區(qū)域材料不斷地向兩側(cè)堆積，導致緊固件釘頭出現(xiàn)開裂。

4 結(jié) 論

主要采用試驗方法研究了薄層層壓板螺栓連接結(jié)構(gòu)拉伸失效過程機制變化。通過中斷測試的方法對比分析了不同加載階段層壓板內(nèi)部損傷變化情況。得到的主要研究結(jié)論如下：

1)單搭接和雙搭接兩種連接結(jié)構(gòu)在拉伸過程中均表現(xiàn)出擠壓失效特征。兩種連接結(jié)構(gòu)最后失效位置層壓板損傷區(qū)域遠離試樣邊界，這為薄層復合材料結(jié)構(gòu)進行連接優(yōu)化設計提供了充分依據(jù)。

2)兩種連接結(jié)構(gòu)拉伸失效過程幾乎一致，和傳統(tǒng)復合材料一樣可大致分為4個階段。然而和傳統(tǒng)厚度復合材料相比，薄層層壓板接頭表現(xiàn)出更高的擠壓強度和更好的損傷容限特性。

3)單搭接接頭最后以釘頭和螺母侵入層壓板內(nèi)部引起失效而結(jié)束；雙搭接結(jié)構(gòu)則是以螺栓釘頭開裂和層壓板連接孔永久擠壓變形為主要特征，釘頭開裂是在層壓板出現(xiàn)明顯損傷后由失效區(qū)域材料堆積引起的二次損傷。

4)薄層復合材料層壓板漸進擠壓失效模式主要是沿面外方向不斷擴展的剪切裂紋，由纖維扭折、基體開裂和材料局部壓碎構(gòu)成。盡管薄層層壓板更易于在表面出現(xiàn)纖維/基體劈裂，然而在傳統(tǒng)厚度層壓板擠壓過程中常見的大量分層損傷并沒有出現(xiàn)。