三維表面應(yīng)變測(cè)量方法在3DN C/SiC扭轉(zhuǎn)性能測(cè)試的應(yīng)用

李旭勤，周 純，張鳳春，熊 倩，龔粵梅，陳 想，李 斌，吳一帆

(1.成都工業(yè)學(xué)院 材料與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611730；2.火箭軍裝備部駐西安地區(qū)第六軍事代表室，西安 710072)

三維針刺碳-碳化硅復(fù)合材料(3DN C/SiC)因其優(yōu)異的耐熱性和機(jī)械性能，被認(rèn)為是高溫結(jié)構(gòu)材料中最有潛力的材料之一[1]。3DN C/SiC以其耐高溫、耐磨、抗沖擊性能好，廣泛使用在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射口[2]、機(jī)翼前緣[3]和制動(dòng)系統(tǒng)[4-5]等領(lǐng)域。在這些組件的設(shè)計(jì)過程中，試樣組裝不可避免要開孔、開槽，導(dǎo)致試樣應(yīng)力場變化[6]，因而有必要了解其機(jī)械性能。張立同等[7]通過粘貼應(yīng)變片的方法對(duì)材料的拉伸行為進(jìn)行分析，得到碳-碳化硅(C/SiC)復(fù)合材料的增韌機(jī)理主要有纖維拔出、界面脫粘、裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維橋聯(lián)以及裂紋分叉等。黃喜鵬等[8]利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)試樣的拉伸變形進(jìn)行了全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)3DN C/SiC復(fù)合材料主要損傷模式為基體開裂、界面脫粘、界面滑移、纖維斷裂和纖維束斷裂。陳俊等[9]利用高溫散斑制作技術(shù)和三維變形光學(xué)測(cè)試系統(tǒng),基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)試原理,在高溫下實(shí)時(shí)表征分析3DN C/SiC復(fù)合材料力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨溫度升高,材料的斷裂韌性與斷裂強(qiáng)度均減小,斷裂形式由脆性斷裂演變成塑性,呈現(xiàn)出不同形式的斷裂形貌。

目前，力學(xué)性能測(cè)試最大困難之一是不能實(shí)時(shí)監(jiān)控全場演變情況,傳統(tǒng)的應(yīng)變片測(cè)量方法只能測(cè)量小尺度區(qū)域和特定方向的位移,局限性大，難以獲得表面全場演變情況[10-11]。而且由于材料并非獨(dú)立成件，而是由很多零件配合，必須對(duì)零件進(jìn)行開孔加工，才能連接。然而對(duì)材料進(jìn)行開孔加工會(huì)影響其性能，造成應(yīng)力集中等現(xiàn)象，影響構(gòu)件疲勞壽命。在有孔和槽口的加工零件周圍發(fā)現(xiàn)了很大的剪切應(yīng)力[12]。由于3DN C/SiC的剪切強(qiáng)度小于其扭轉(zhuǎn)和壓縮強(qiáng)度，在具有孔和槽口的這些組件中剪切破壞可能占主導(dǎo)地位[13]。為了安全有效地使用3DN C/SiC復(fù)合材料，全面了解材料在扭轉(zhuǎn)時(shí)的剪切性能至關(guān)重要。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(Digital Image Correlation，DIC)是一種基于光學(xué)的非接觸式高精度全場表面位移和應(yīng)變測(cè)量方法。通過攝像機(jī)記錄不同時(shí)間被測(cè)物體上覆蓋的隨機(jī)斑點(diǎn)圖案，存儲(chǔ)并借助DIC算法處理，以獲得目標(biāo)表面的位移場和應(yīng)變場信息[14-16]。本文使用DIC作為全場測(cè)量工具對(duì)試樣的表面應(yīng)變進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，分析3DN C/SiC的扭轉(zhuǎn)性能和陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composite，CMC)的變形規(guī)律。研究了開孔周圍的應(yīng)變分布和演化情況，觀察分析試樣表面裂紋的萌生和擴(kuò)展過程。本文的主要貢獻(xiàn)是通過開孔周圍的應(yīng)變分布、試樣表面的X和Y方向的正應(yīng)變響應(yīng)以及剪切應(yīng)變響應(yīng)，分析其扭轉(zhuǎn)損傷演化機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣制備

本實(shí)驗(yàn)所用3DN C/SiC復(fù)合材料均由西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制備[17]，其制備流程如圖1所示。

圖1 3DN C/SiC復(fù)合材料制備流程

圖2 3DN C/SiC復(fù)合材料預(yù)制體結(jié)構(gòu)

圖3 開孔試樣的幾何形狀和尺寸

1.2 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)與DIC監(jiān)測(cè)

在本實(shí)驗(yàn)中利用MTS試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣施加不同比例的扭轉(zhuǎn)載荷，進(jìn)行室溫扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，并通過位移控制0.5 mm/min恒定加載速度進(jìn)行加載，當(dāng)試樣加載到失效為止，進(jìn)而研究材料在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為與失效機(jī)制。為得到實(shí)驗(yàn)過程中試樣的失效過程，實(shí)驗(yàn)同時(shí)使用攝像機(jī)并結(jié)合DIC進(jìn)行算法處理，可用于監(jiān)測(cè)有效區(qū)域表面全場的位移及應(yīng)變分布。

在DIC測(cè)量過程中，首先對(duì)攝像機(jī)的數(shù)字成像系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過程之后，目標(biāo)表面的變形會(huì)被攝像機(jī)連續(xù)記錄下來?？梢允褂锰幚碥浖挠涗浀膱D像中獲得位移和應(yīng)變。

試樣的應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)趴煞謩e計(jì)算：

(1)

(2)

式中：F表示扭轉(zhuǎn)載荷，N；A0表示有效區(qū)域的橫截面積，mm2；Δl表示扭轉(zhuǎn)位移，mm；l表示初始位移，mm。

而剪切應(yīng)力狀態(tài)下：

(3)

式中：P表示施加的剪切載荷，N；A表示樣品的最小橫截面面積，mm2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為進(jìn)一步了解3DN C/SiC復(fù)合材料在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的力學(xué)行為和應(yīng)變場演化過程，對(duì)應(yīng)變響應(yīng)與應(yīng)變場分布之間的相關(guān)性進(jìn)行了研究。通過開孔周圍的應(yīng)變分布、試樣表面的X和Y方向的正應(yīng)變響應(yīng)以及剪切應(yīng)變響應(yīng)，分析其扭轉(zhuǎn)損傷演化機(jī)理。

2.1 表面X方向的正應(yīng)變響應(yīng)

根據(jù)應(yīng)變場模式，表面X方向應(yīng)變場演變可分為4個(gè)階段。第1階段：1 ms，如圖4所示；第2階段：50～150 ms，如圖5所示；第3階段：200～450 ms，如圖6所示；第4階段：479～500 ms，如圖7所示。第1階段，應(yīng)變場表現(xiàn)為拉應(yīng)變且集中在負(fù)X方向,此時(shí)裂紋開始萌生，工程應(yīng)變(Engineering Strain)值達(dá)到1.78×10-4。

圖4 1 ms時(shí)X方向的正應(yīng)變場分布

第2階段是X正方向應(yīng)變場的擴(kuò)大過程，隨著載荷的增加X正方向應(yīng)變場逐漸擴(kuò)大,50～100 ms最大應(yīng)變值由2.45×10-4增大到3.3×10-4,150 ms時(shí)應(yīng)變值1.5×10-5～5.25×10-5(黃色區(qū)域)幾乎擴(kuò)展到整個(gè)DIC觀測(cè)區(qū)域。

(a)50 ms (b)100 ms

第3階段隨著試樣扭轉(zhuǎn)，DIC觀測(cè)區(qū)域內(nèi)X軸距離減小，覆蓋的隨機(jī)斑點(diǎn)圖案之間X方向距離減小，應(yīng)變逐漸減小?？梢园l(fā)現(xiàn)，在該階段應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)變?yōu)榉蔷€性。

(a)200 ms (b)250 ms

第4階段從應(yīng)變演變可以看出，表面裂紋的擴(kuò)展至失效是該階段的主要特征。區(qū)域1的裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)減緩，X方向斑點(diǎn)圖案之間距離減小，使得應(yīng)變小于區(qū)域2的應(yīng)變。表面裂紋的應(yīng)變?cè)谪?fù)Y方向(區(qū)域3)達(dá)到8.1×10-3、正X方向迅速增加至-3×10-4，區(qū)域2均為負(fù)的應(yīng)變?？焖贁U(kuò)展的表面裂紋導(dǎo)致應(yīng)變突變，然后趨于平穩(wěn)。

(a)479 ms (b)480 ms

2.2 表面Y方向的正應(yīng)變響應(yīng)

表面Y方向應(yīng)變場演變可分為4個(gè)階段。第1階段：1 ms，如圖8所示；第2階段：50～200 ms，如圖9所示；第3階段：250～400 ms，如圖10所示；第4階段：450～500 ms，如圖11所示。第1階段，應(yīng)變場整體表現(xiàn)為正應(yīng)變且集中在區(qū)域1，應(yīng)變值達(dá)到3.05×10-4。

圖8 1 ms時(shí)Y方向的正應(yīng)變場分布

第2階段是應(yīng)變場的擴(kuò)大過程。在第2階段，隨著載荷的增加應(yīng)變場逐漸擴(kuò)大至整個(gè)觀測(cè)區(qū)域，但最大應(yīng)變值逐漸減小，由4.35×10-4減小到9×10-5。這一階段盡管應(yīng)變演變不均勻，但由于全局載荷共享特性的影響應(yīng)變逐漸分布至整個(gè)區(qū)域。

(a)50 ms (b)100 ms

(a)250 ms (b)300 ms

第4階段，表面裂紋的擴(kuò)展至失效是該階段的主要特征。表面裂紋的最大負(fù)應(yīng)變?cè)趨^(qū)域3由-6.25×10-4迅速增加到-8.2×10-3，區(qū)域1、2最大正應(yīng)變由4.1×10-4增加至1.9×10-3?？焖贁U(kuò)展的表面裂紋導(dǎo)致應(yīng)變突變，然后趨于平穩(wěn)。

(a)450 ms (b)479 ms

2.3 表面的剪應(yīng)變響應(yīng)

根據(jù)應(yīng)變場模式，表面剪切應(yīng)變場演變可分為4個(gè)階段。第1階段：1 ms，如圖12所示；第2階段：50～200 ms，如圖13所示；第3階段：250～450 ms，如圖14所示；第4階段：479～500 ms，如圖15所示。第1階段，觀測(cè)區(qū)域內(nèi)剪切應(yīng)變場表現(xiàn)為較小應(yīng)變，正應(yīng)變集中在負(fù)X方向(區(qū)域1下方)，此時(shí)裂紋開始萌生，應(yīng)變值為2.55×10-4。

圖12 1 ms時(shí)X、Y方向的正應(yīng)變場分布

第2階段應(yīng)變最大值(最小值)呈規(guī)則的高低波形，是由于針刺纖維束的存在引起的，且在不同載荷水平下最大值(最小值)的位置發(fā)生了變化，體現(xiàn)了3DN C/SiC復(fù)合材料的不均勻特性。

(a)50 ms (b)100 ms

第3階段剪切應(yīng)變隨著載荷的不斷增大，整個(gè)區(qū)域應(yīng)變逐漸減小。這一階段應(yīng)變演變不均勻，但由于整個(gè)觀測(cè)區(qū)域共同承擔(dān)載荷，應(yīng)變逐漸分布至整個(gè)區(qū)域?qū)е抡w應(yīng)變不增反減。

(a)250 ms (b)300 ms

第4階段扭轉(zhuǎn)載荷不斷增大，裂紋擴(kuò)展至最大限度，應(yīng)變迅速增加，區(qū)域1、2應(yīng)變最小區(qū)，值為7×10-3,區(qū)域3為應(yīng)變最大區(qū)，應(yīng)變值為3.34×10-2。圖16為試樣失效裂紋，裂紋起始位置不在開孔周圍，而是在試樣邊緣，裂紋擴(kuò)展方向朝向開孔的周圍，且試樣未完全斷裂，反映3DN C/SiC復(fù)合材料的剪切破壞是韌性斷裂。裂紋有2種類型的剪切斷裂，一個(gè)是缺口之間的不均勻斷裂，裂紋的起始位置在試樣的邊緣；另一個(gè)是裂紋擴(kuò)展并脫層，夾持過程中試樣受到扭轉(zhuǎn)力作用，斜裂縫始于試樣的邊緣，由外向中間擴(kuò)展。

(a)479 ms (b)480 ms

圖16 扭轉(zhuǎn)試樣表面裂紋萌生及擴(kuò)展

3 結(jié)論

本文通過DIC技術(shù)研究了3DN C/SiC復(fù)合材料的面內(nèi)X、Y方向應(yīng)變場以及剪切行為。得到了開孔試樣剪切應(yīng)變分布，分析了多階段X、Y方向和剪切應(yīng)變場的演化，探討了3DN C/SiC復(fù)合材料的特殊剪切破壞機(jī)理。主要結(jié)論如下：

1)開孔周圍X、Y方向應(yīng)變最大(最小)值呈規(guī)則的高低波形，反映了針刺纖維束對(duì)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的影響。

2)應(yīng)變場演化可分為4個(gè)階段：彈性應(yīng)變、應(yīng)變?cè)龃蟆?yīng)變減小、應(yīng)變突增直至破壞。

3)3DN C/SiC復(fù)合材料的剪切破壞是韌性斷裂，且有2種類型的剪切斷裂：缺口之間的不均勻斷裂和裂紋擴(kuò)展并脫層。