金屬-機(jī)織復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能及失效機(jī)理

武多多，鄭會(huì)龍，康振亞，張 譚，習(xí)常清

(1 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190;2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 航空宇航學(xué)院，北京 100049)

近年來(lái)，高速發(fā)展的航空航天產(chǎn)業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)材料提出了輕量化、高強(qiáng)度、低成本、耐疲勞等更多樣化的工程要求[1]。由于復(fù)合材料、金屬、陶瓷等材料各有其優(yōu)缺點(diǎn)，難以單獨(dú)滿足復(fù)雜航空航天產(chǎn)品的應(yīng)用需求，因此異質(zhì)材料混合結(jié)構(gòu)逐漸成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)，并顯示了極大的應(yīng)用潛力。其中，金屬與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer, FRP)的混合結(jié)構(gòu)是研究重點(diǎn)之一。此類混合結(jié)構(gòu)結(jié)合了金屬材料在延展性、剛性、損傷容限以及復(fù)合材料在比強(qiáng)度、耐腐蝕、抗疲勞等方面的雙重優(yōu)勢(shì)[2]，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)整流罩、機(jī)身蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道等航空航天關(guān)鍵部件[3]的制造中。而金屬與FRP之間的有效連接是混合結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵問題。目前金屬-FRP連接方案主要包括膠接、機(jī)械連接以及混合連接等。膠接具有應(yīng)力分布均勻、易規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類材料的連接中，但其也面臨著連接表面預(yù)處理復(fù)雜、脆性破壞、膠層老化等問題[4-5]。機(jī)械連接可靠性高、裝配簡(jiǎn)易，被廣泛用于飛機(jī)蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等承力構(gòu)件中，但制造連接孔、切斷復(fù)合材料纖維的工藝流程會(huì)造成孔邊局部應(yīng)力集中、緊固件增重等缺點(diǎn)[6-7]。傳統(tǒng)混合連接，如膠-螺、膠-鉚等，將單一連接的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，其中的緊固件可降低膠層剝離應(yīng)力、延緩裂紋擴(kuò)展，而膠層可有效緩解開孔應(yīng)力集中等問題[8-9]。但是此類混合連接中，緊固件的存在仍會(huì)削弱復(fù)合材料的減重優(yōu)勢(shì)，且在實(shí)際應(yīng)用中往往受非均勻化承載、變形不協(xié)調(diào)等因素的嚴(yán)重制約。由于膠接、機(jī)械連接、傳統(tǒng)混合連接等在工程應(yīng)用中均存在一定的缺點(diǎn)，因此依托新理念及新工藝的新型金屬-FRP混合結(jié)構(gòu)成形技術(shù)的研究愈發(fā)得到重視[10-18]。其中研究較多的是穿透增強(qiáng)技術(shù)[10](through-thickness reinforcement, TTR)，即通過(guò)電子束“毛化”[11](electron beam surfi-sculpt, EBS)、冷金屬過(guò)渡[12](cold metal transfer, CMT)、增材制造[13](additive manufacturing, AM)、化學(xué)蝕刻[14]等多種工藝，在金屬表面形成一系列突起結(jié)構(gòu)后與FRP預(yù)制體接觸纏繞并固化，相較單一成形，TTR能夠改善結(jié)構(gòu)分層問題并提高斷裂韌性等。此外，也有研究人員采用細(xì)針增強(qiáng)[15]、網(wǎng)狀金屬混合[16]、Z型金屬增強(qiáng)[17]、纖維縫合[18]等其他研究方案，為金屬-FRP混合結(jié)構(gòu)成形提供多樣的研究方向。

目前金屬-FRP混合結(jié)構(gòu)成形的研究方案較多，主要區(qū)別是金屬部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及新的成形工藝等方面，例如凸起或空腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造、復(fù)合材料的成形工藝等。本工作研究的混合結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料部分選擇2.5D機(jī)織復(fù)合材料[19-20]。相較于傳統(tǒng)鋪層復(fù)合材料，通過(guò)引入與織物厚度呈一定角度的增強(qiáng)纖維可以提高復(fù)合材料的層間強(qiáng)度，并對(duì)復(fù)雜構(gòu)件具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)制造性。Stegschuster等[21]和Ladani等[22]研究了三維機(jī)織復(fù)合材料在Ⅰ，Ⅱ斷裂模式下的分層增韌、疲勞強(qiáng)化等特點(diǎn)。Li等[23-24]研究了三維機(jī)織間隔復(fù)合材料的制備工藝、彎曲性能及失效機(jī)制等。這些研究成果為機(jī)織復(fù)合材料在混合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用奠定了一定的研究基礎(chǔ)。本工作針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片抗鳥撞/氣流沖擊、抗離心拉伸、輕量化等工程化需求[25-26]，提出一種結(jié)合金屬增材制造、復(fù)合材料機(jī)織與縫合等工藝的新型混合結(jié)構(gòu)；采用法向縫合[27-28]及共固化[29]工藝將機(jī)織復(fù)合材料與開孔金屬骨架相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料間的穩(wěn)定連接，并為工程實(shí)際應(yīng)用提供更靈活的設(shè)計(jì)拓展空間；采用數(shù)字圖像相關(guān)法(digital image correlation, DIC)測(cè)試對(duì)比研究三點(diǎn)彎曲[30-31]實(shí)驗(yàn)中不同厚度參數(shù)對(duì)混合結(jié)構(gòu)樣件力學(xué)性能的影響[32]，并分析在彎曲加載過(guò)程中的損傷形貌、失效機(jī)理等。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 樣件材料及工藝

本工作設(shè)計(jì)的新型金屬-FRP混合結(jié)構(gòu)整體類似“三明治”構(gòu)型，其加工工藝流程圖如圖1所示。首先是對(duì)中間金屬夾層的增材制造及后處理，然后是上、下兩層纖維增強(qiáng)機(jī)織復(fù)合材料的制備，隨后借助金屬開孔進(jìn)行法向纖維的縫合，使得三層異質(zhì)材料形成牢固的層間結(jié)合，最后利用樹脂材料完成共固化成形。

圖1 金屬-機(jī)織復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)樣件加工工藝流程示意圖Fig.1 Production process diagram of metal-woven composite hybrid samples

該混合結(jié)構(gòu)的金屬層選用17-4PH不銹鋼。金屬層的加工工藝采用激光選區(qū)熔化技術(shù)[33]，以保證結(jié)構(gòu)的加工精度且便于快速驗(yàn)證。增材制造設(shè)備選擇可用于鈦合金、鋁合金、不銹鋼等多種金屬材料精密打印的鉑力特S310設(shè)備，其主要技術(shù)參數(shù)：最大成形尺寸為250 mm×250 mm×400 mm，分層厚度為30～100 μm，成形零件的初始表面粗糙度約為8 μm。

混合結(jié)構(gòu)的纖維層選用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。其中纖維選用T300級(jí)碳纖維，其單絲拉伸強(qiáng)度約為3500 MPa，基體材料選用熱固型環(huán)氧樹脂。在機(jī)織鋪縫工藝方面，上、下層復(fù)合材料選用2.5D淺交彎聯(lián)機(jī)織復(fù)合材料，其經(jīng)紗規(guī)格為3 K×3股，緯紗規(guī)格為3 K×2股。機(jī)織鋪縫工藝完成后，采用鎖式雙向縫合工藝，沿孔分布連續(xù)走線縫合[34]，并通過(guò)加捻減少纖維縫合損傷。

圖2為混合結(jié)構(gòu)樣件實(shí)物。其中圖2(a)，(b)分別為增材制造的金屬骨架、混合結(jié)構(gòu)樣件實(shí)物受彎失效變形的形貌，圖2(c)，(d)分別為局部放大后的混合結(jié)構(gòu)樣件纖維層側(cè)向、正向形貌，顯示了在淺交彎聯(lián)結(jié)構(gòu)中經(jīng)紗在連續(xù)勾連多個(gè)緯紗后的交錯(cuò)正弦排布以及正向展示中連續(xù)縫合纖維的走線分布。碳纖維機(jī)織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料一體化成形則采用真空輔助樹脂滲透工藝[35](vacuum assisted resin infusion, VARI)，即通過(guò)向模具內(nèi)填充液體樹脂，樹脂對(duì)混合結(jié)構(gòu)樣件復(fù)合材料部分進(jìn)行充分浸漬，待樹脂固化并脫模后完成一體化成形?；旌辖Y(jié)構(gòu)樣件成品要求表面無(wú)肉眼可見的明顯氣泡，表面平整，固化均勻，樹脂氣泡直徑≤φ0.5 mm。

圖2 混合結(jié)構(gòu)樣件及局部放大后的纖維層正向/側(cè)向形貌(a)金屬夾層；(b)彎曲加載后的實(shí)驗(yàn)樣件；(c)側(cè)向形貌；(d)正向形貌Fig.2 Test sample and composite layer positive/lateral enlarged structures(a)metal sandwich;(b)test sample after loading;(c)lateral enlarged structure;(d)positive enlarged structure

1.2 樣件參數(shù)

力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的主要目的是對(duì)比研究不同厚度參數(shù)的混合結(jié)構(gòu)樣件的力學(xué)行為及性能變化。樣件的特征參數(shù)選擇依據(jù)：根據(jù)實(shí)際工程需求，選取某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片在葉根、葉身及葉尖處的典型厚度值作為混合結(jié)構(gòu)樣件的特征參數(shù)，從而模擬葉片不同位置在受到彎曲載荷后的力學(xué)性能(圖3)。圖4為混合結(jié)構(gòu)樣件特征參數(shù)及彎曲加載示意圖，其中t，h，b，l和L分別為金屬層厚度，樣件厚度，樣件寬度，跨距和樣件長(zhǎng)度。金屬-機(jī)織復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)樣件的具體參數(shù)如表1所示。其中，不同參數(shù)樣件的FRP層厚度與金屬層厚度呈等比例變化，樣件命名為Fx-y，代表金屬夾層厚度為x(mm)的第y個(gè)樣件。

圖3 設(shè)計(jì)混合結(jié)構(gòu)樣件特征參數(shù)時(shí)所參考的風(fēng)扇葉片F(xiàn)ig.3 Fan blades used in the design of characteristic parameters of hybrid structure samples

1.3 三點(diǎn)彎曲力學(xué)實(shí)驗(yàn)及DIC分析

三點(diǎn)彎曲力學(xué)實(shí)驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1449-2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》執(zhí)行，即采用無(wú)約束支撐，通過(guò)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)裝置，以恒定的加載速率使樣件破壞。三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)裝置是Instron5982電子萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其最大量程為100 kN。與三點(diǎn)彎曲相關(guān)的其他參數(shù)：樣件跨厚比l/h=16，沖頭半徑r0=5 mm，支撐半徑r1=5 mm，加載速度V=1 mm/min。同時(shí)，采用非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)樣件局部應(yīng)變場(chǎng)信息進(jìn)行捕捉、分析，其中電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)相機(jī)的像素為2×108pt，采樣頻率為1～2 pic/s，在標(biāo)定后開展DIC測(cè)試分析。

圖4 混合結(jié)構(gòu)樣件特征參數(shù)及彎曲加載示意圖Fig.4 Schematic diagram of characteristic parameters and bending loading of hybrid structure samples

表1 金屬-機(jī)織復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)樣件的參數(shù)Table 1 Parameters of metal-woven composite hybrid samples

1.4 彎曲實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式

盡管混合結(jié)構(gòu)樣件是不均勻的，但根據(jù)應(yīng)變場(chǎng)分布及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化分析可知，在混合結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大范圍損傷及失效前，沿橫向界面的應(yīng)變分布是線性的。然而，由于混合結(jié)構(gòu)各層材料的物理性質(zhì)差距較大，與各層對(duì)應(yīng)的應(yīng)力不可能仍是線性分布，因此在對(duì)混合結(jié)構(gòu)樣件施加彎曲載荷時(shí)，金屬和FRP的模量差異會(huì)使金屬層和纖維層的界面上存在橫向應(yīng)力突變[36]。與之相反的是，混合結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力分布與各層材料特性沒有關(guān)聯(lián)，而是與均勻?qū)雍习宓募羟袘?yīng)力分布一致，即上下表面最小、中性軸最大且呈拋物線分布。所以，混合結(jié)構(gòu)的彎曲性能計(jì)算可以參考經(jīng)典層合板理論，從而得到引起混合結(jié)構(gòu)彎曲變形的力矩(彎矩)的一般計(jì)算公式。

(1)

式中：M為引起混合結(jié)構(gòu)彎曲變形的力矩，N·m；σ(k)為各層應(yīng)力，MPa；k為層數(shù);z為厚度方向變量，z∈(-h/2,h/2)。式(1)也經(jīng)常在纖維金屬層合板等相關(guān)異質(zhì)材料層合板的計(jì)算中被使用。通過(guò)歸一化處理，可以得到該彎矩的簡(jiǎn)化計(jì)算公式：

(2)

式(2)表明，當(dāng)層合板各層應(yīng)力分布為線性假設(shè)時(shí)，彎矩在數(shù)值上等同于底部應(yīng)力。

混合結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度為：

(3)

式中：σf為彎曲強(qiáng)度，MPa；P為峰值載荷，N。當(dāng)采用分級(jí)加載時(shí)，混合結(jié)構(gòu)在線彈性階段的彎曲彈性模量為：

(4)

式中：Ef為彎曲彈性模量，GPa；ΔP為載荷-撓度曲線上初始直線段的載荷增量，N；ΔS為ΔP對(duì)應(yīng)的跨距中點(diǎn)處的撓度增量，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 典型樣件彎曲結(jié)果分析

彎曲實(shí)驗(yàn)中混合結(jié)構(gòu)樣件的力學(xué)行為主要分為4個(gè)階段：彈性變形階段(Ⅰ)、塑性屈服階段(Ⅱ)、分層卸載階段(Ⅲ)以及完全失效階段(Ⅳ)。圖5以樣件F2-1為例，給出了典型混合結(jié)構(gòu)樣件的三點(diǎn)彎曲應(yīng)力-位移曲線，并選擇在加載過(guò)程中具有代表性的4個(gè)時(shí)刻(1，2，3，4)作為典型特征時(shí)刻，以展開后續(xù)分析。其中，1，2時(shí)刻在Ⅰ階段，3時(shí)刻是Ⅱ，Ⅲ階段的分界點(diǎn)，4時(shí)刻是Ⅲ，Ⅳ階段的分界點(diǎn)。

圖5 典型混合結(jié)構(gòu)樣件的三點(diǎn)彎曲應(yīng)力-位移曲線Fig.5 Stress-displacement curve for typical hybrid structure samples

在Ⅰ階段，纖維層與金屬層同為彈性變形，兩者在彎曲載荷作用下呈現(xiàn)協(xié)調(diào)變形狀態(tài)，并未出現(xiàn)損傷與分層問題。在1時(shí)刻，樣件承受較小的初始載荷，應(yīng)力約為19.53 MPa，加載位移為0.20 mm；在2時(shí)刻，載荷已較大，應(yīng)力增至289.18 MPa，加載位移為2.11 mm。圖6為4個(gè)時(shí)刻x，y向的應(yīng)變分布。圖6(a-1)為1時(shí)刻的x向應(yīng)變分布，顯示了樣件下側(cè)受到的拉應(yīng)力及上側(cè)受到的壓應(yīng)力，且上、下側(cè)應(yīng)力數(shù)值基本相同；圖6(a-2)為1時(shí)刻y向應(yīng)變，前期應(yīng)力分布較為均勻。值得注意的是，從圖6中可以看到樣件表面應(yīng)變分布呈現(xiàn)與預(yù)制體機(jī)織形式相關(guān)的規(guī)律性，即在富脂區(qū)域、纖維未承力方向上顯示高應(yīng)變值。

圖6 樣件在1，2，3，4時(shí)刻的局部應(yīng)力分布(a)1時(shí)刻;(b)2時(shí)刻;(c)3時(shí)刻;(d)4時(shí)刻;(1)εxx;(2)εyyFig.6 Local stress distribution of samples at the loading moments of 1,2,3,4(a)1 moment;(b)2 moment;(c)3 moment;(d)4 moment;(1)εxx;(2)εyy

2時(shí)刻仍位于Ⅰ階段范圍內(nèi)，即樣件的應(yīng)力-位移曲線仍處于線性變化階段。然而，從圖6(b-1),(b-2)可以觀察到應(yīng)變場(chǎng)出現(xiàn)顯著變化，局部應(yīng)變集中；而與之對(duì)應(yīng)的是，在2時(shí)刻后隨即出現(xiàn)宏觀的纖維斷裂，因此2時(shí)刻就是出現(xiàn)宏觀破壞前的臨界時(shí)刻。由此分析可得如下判斷：

(1)在彎曲加載過(guò)程中，不同于均勻?qū)雍习宓膞向最大應(yīng)變往往位于彎曲樣件上、下側(cè)表面，混合結(jié)構(gòu)樣件因其材料組分復(fù)雜而導(dǎo)致除上、下側(cè)表面之外的異質(zhì)材料結(jié)合位置也極易存在較大的應(yīng)變集中。

(2)加載過(guò)程中的y向應(yīng)力集中情況明顯，主要分布在結(jié)合位置處；由于在制造加工過(guò)程中的纖維分布存在較大的不確定性，應(yīng)變集中區(qū)域也預(yù)示了樣件的起始分層位置。

以圖6(b-2)為例，由于右上角結(jié)合位置處的應(yīng)變集中明顯，在2時(shí)刻之后，樣件在此位置發(fā)生層間局部分層以及纖維層自身的裂紋擴(kuò)展，并導(dǎo)致樣件的最終失效斷裂。

當(dāng)纖維層仍處于彈性狀態(tài)時(shí)，金屬層可能已發(fā)生塑性變形，這種現(xiàn)象是由纖維層向金屬層傳遞剪切應(yīng)力而引起的。隨著實(shí)驗(yàn)載荷增加，分層逐漸向纖維的支撐點(diǎn)移動(dòng)，同時(shí)快速的應(yīng)力變化進(jìn)一步加劇纖維斷裂。與之對(duì)應(yīng)的是在Ⅱ階段，即較短時(shí)間跨度的塑性屈服階段，應(yīng)力-位移曲線的切線斜率明顯減小，曲線出現(xiàn)一定的非線性，表明在彎曲載荷作用下金屬夾層出現(xiàn)明顯的局部塑性與屈服現(xiàn)象。在3時(shí)刻，樣件受到的實(shí)驗(yàn)載荷達(dá)到峰值，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力增至436.19 MPa。在圖6(c-1),(c-2)中，樣件出現(xiàn)明顯的纖維層宏觀斷裂及分層，在異質(zhì)材料結(jié)合界面處也有局部脫離現(xiàn)象；x向應(yīng)變進(jìn)一步集中，高應(yīng)變區(qū)域分布在金屬層下表面，表明纖維層損傷嚴(yán)重，承載能力大幅削弱；y向應(yīng)變集中則表明結(jié)合界面處的增強(qiáng)縫合纖維仍在承載較大彎曲載荷下的非協(xié)調(diào)變形所導(dǎo)致的剪切應(yīng)力，分層界面逐步延展。

在3時(shí)刻后，由于纖維層出現(xiàn)較大范圍的損傷失效，異質(zhì)材料結(jié)合位置及纖維層本身均發(fā)生脫層斷裂，從而導(dǎo)致應(yīng)力急劇下降。而此后混合結(jié)構(gòu)中金屬夾層的存在則導(dǎo)致應(yīng)力-位移曲線出現(xiàn)第二階段的小幅度波動(dòng)性下降。參考4時(shí)刻的應(yīng)變分布(圖6(d-1))可知，金屬夾層承力比例在后期逐步增加，x向高應(yīng)變區(qū)域已集中于金屬層下側(cè)。在4時(shí)刻后，金屬塑性損傷不斷累積，樣件整體性能進(jìn)一步衰減，直至完全失效。

2.2 不同厚度參數(shù)對(duì)樣件力學(xué)行為的影響

表2為在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中不同厚度的樣件數(shù)據(jù)，包括加載撓度S、峰值載荷P、彎曲彈性模量Ef以及彎曲強(qiáng)度σf。由于復(fù)合材料制備工藝存在一定的隨機(jī)性，各個(gè)厚度范圍內(nèi)的樣件力學(xué)參數(shù)存在一定波動(dòng)。樣件的彎曲彈性模量為14～47 GPa，彎曲強(qiáng)度為350～587 MPa；而17-4PH不銹鋼與T300碳纖維復(fù)合材料的彎曲彈性模量分別為202 GPa和10 GPa。由于復(fù)合材料位于樣件的上、下兩側(cè)，在彎曲加載過(guò)程中受到上部壓應(yīng)力與下部拉應(yīng)力的共同作用，是實(shí)驗(yàn)加載前期的承載主體，因此樣件的模量表現(xiàn)更偏向于復(fù)合材料模量數(shù)值。

表2 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中不同厚度的樣件數(shù)據(jù)Table 2 Three-point bending experimental data of samples of different thicknesses

圖7為不同厚度樣件的應(yīng)力-位移曲線。為突出金屬層厚度變量的影響，降低單個(gè)樣件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，采用對(duì)同一厚度樣件的應(yīng)力-位移曲線求平均值的方法來(lái)構(gòu)造新的應(yīng)力-位移曲線，如圖8(a)所示。與之相對(duì)應(yīng)，圖8(b)采用柱形圖對(duì)比了多組樣件的平均彎曲彈性模量與平均彎曲強(qiáng)度的差異。通過(guò)對(duì)比分析可知，隨著金屬層厚度的增加，樣件的彎曲強(qiáng)度逐漸增大，同時(shí)彎曲彈性模量也有一定增加。其中，F(xiàn)2組的彎曲強(qiáng)度較F1組提高約15.1%，彈性模量提高約30.0%；而F3組的彎曲強(qiáng)度相較F2組提高約16.0%，彈性模量提高約30.3%。通過(guò)以上結(jié)果可認(rèn)為，在開孔密度、縫合工藝以及材料參數(shù)等變量相同的情況下，改變金屬層厚度對(duì)混合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能能夠產(chǎn)生明顯影響。

圖7 不同金屬層厚度樣件的三點(diǎn)彎曲應(yīng)力-位移曲線 (a)F1；(b)F2；(c)F3Fig.7 Three-point bending stress-displacement curves of samples of different thicknesses (a)F1；(b)F2；(c)F3

圖8 不同金屬層厚度樣件的彎曲實(shí)驗(yàn)對(duì)照 (a)平均應(yīng)力-位移曲線；(b)平均彎曲彈性模量及平均彎曲強(qiáng)度柱形圖Fig.8 Comparison for samples of different thickness groups(a)average stress-displacement curves;(b)histogram of average bending modulus of elasticity and average bending strength

通常情況下，纖維層數(shù)越多，樣件的宏觀尺寸越大，整體結(jié)構(gòu)的均一性表現(xiàn)會(huì)更好。其原因是，多層復(fù)合材料降低了纖維隨機(jī)斷裂、工藝缺陷等諸多因素的影響，使得樣件的力學(xué)行為更加穩(wěn)定。在樣件的金屬層與纖維層的理論厚度比例不發(fā)生變化的前提下，當(dāng)金屬層加厚時(shí)，樣件抵抗變形的能力更強(qiáng)，具有更好的延展性與更高的損傷容限。從工藝角度考慮，由于樣件法向縫合的纖維數(shù)隨纖維層數(shù)等比例變化，因此厚度越大，法向纖維的結(jié)合能力越強(qiáng)。

圖9為不同金屬層厚度樣件的彎曲破壞形貌。雖然分層裂紋的萌生、延伸多數(shù)位于異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)結(jié)合位置，然而在達(dá)到最大撓度后，混合結(jié)構(gòu)樣件并未出現(xiàn)大范圍的分層現(xiàn)象。這表明加入法向纖維后的混合結(jié)構(gòu)樣件在抗分層性能方面表現(xiàn)較好，復(fù)合材料層與金屬層可以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)變形，不會(huì)出現(xiàn)明顯脫層。

圖9 不同金屬層厚度樣件的彎曲斷裂形貌Fig.9 Bending fracture morphologies of samplesof different thicknesses

此外，值得注意的是實(shí)驗(yàn)中同組樣件的應(yīng)力-位移曲線差異性較大。主要原因是較拉伸實(shí)驗(yàn)而言，樣件缺陷位置、隨機(jī)斷裂現(xiàn)象等對(duì)彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響更大。在彎曲加載條件下，只有一半的樣品承受拉伸應(yīng)力，而另一半則承受壓縮應(yīng)力。所以，一旦混合結(jié)構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生隨機(jī)變化，不同的應(yīng)力分布、微觀缺陷存在將放大同組樣件在力學(xué)行為變化中的差異。

2.3 彎曲損傷機(jī)制

通過(guò)對(duì)非接觸測(cè)量系統(tǒng)采集的圖像進(jìn)行觀察分析，可得到4種主要失效模式：上側(cè)纖維層壓縮失效(模式①)、下側(cè)纖維層拉伸失效(模式②)、金屬層與纖維層分層失效(模式③)、金屬塑性損傷失效(模式④)。不同于準(zhǔn)靜態(tài)拉伸/壓縮實(shí)驗(yàn)，上述4種失效模式與三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)方法密切相關(guān)，即樣件同時(shí)承受拉伸、壓縮應(yīng)力作用。圖10為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3組樣件對(duì)應(yīng)的彎曲失效形貌及斷裂局部應(yīng)變場(chǎng)分布的采集圖像，其中黑色斑點(diǎn)狀屬于非接觸測(cè)量中的散斑標(biāo)記，紅圈標(biāo)出的是上、下側(cè)纖維層失效形貌，黃圈標(biāo)出的是金屬層與纖維層分層失效的裂縫形貌。需要特別說(shuō)明的是，各種失效模式的發(fā)生雖然整體上遵循一般規(guī)律，但由于受到隨機(jī)缺陷等因素影響，各種失效模式的發(fā)生順序、程度均會(huì)有所不同。

圖10 樣件的彎曲失效形貌及斷裂局部應(yīng)變場(chǎng)分布 (a)F1;(b)F2;(c)F3Fig.10 Bending failure morphologies and local strain field distribution at the fracture site of samples (a)F1;(b)F2;(c)F3

首先對(duì)模式①與模式②進(jìn)行分析。纖維層失效主要包括基體開裂、纖維斷裂及自身分層等。其中，增強(qiáng)纖維斷裂為纖維層失效的主要模式，斷裂后的纖維層承力能力將大幅削弱。F1組樣件的纖維層斷裂基本上均為整體斷裂。隨著厚度增加，F(xiàn)3組樣件的纖維層出現(xiàn)層內(nèi)分層現(xiàn)象，并逐步導(dǎo)致層間剪切裂紋擴(kuò)展，直至纖維層整體失效。圖10(a),(c)的右圖分別展示了纖維層受拉、壓狀態(tài)的應(yīng)變場(chǎng)分布，圖10(c)的左圖則顯示了纖維層自身的分層失效形貌。由內(nèi)部缺陷等導(dǎo)致的早期應(yīng)力集中會(huì)引發(fā)基體的初始微裂紋以及隨后的局部非線性特征，這些均與樹脂纖維層的強(qiáng)度、環(huán)氧樹脂的脆性以及固化時(shí)間有關(guān)。

模式③是混合結(jié)構(gòu)中通常會(huì)出現(xiàn)的問題，源于金屬材料與復(fù)合材料在本構(gòu)性質(zhì)方面的差異，即金屬材料與復(fù)合材料在受力變形過(guò)程中往往無(wú)法同步協(xié)調(diào)變形而產(chǎn)生的應(yīng)力差異。在混合結(jié)構(gòu)的彎曲實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著彎曲載荷增大，金屬材料與復(fù)合材料的模量參數(shù)差異會(huì)引起結(jié)合界面的法向應(yīng)力突變。實(shí)際上金屬層與纖維層分層可能是由界面旁側(cè)存在基體裂紋和層間剪應(yīng)力、相鄰層之間的剛度不相容、層間分組和層壓變形等多因素造成的。從圖10(b)右圖的y向應(yīng)變圖可以觀察到，實(shí)驗(yàn)后期y向應(yīng)變最大值出現(xiàn)在層間縫合纖維位置。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是，在由層間應(yīng)力差異等導(dǎo)致的分層裂紋出現(xiàn)后，縫合纖維在增強(qiáng)層間剪切強(qiáng)度以及阻礙裂紋擴(kuò)展等方面發(fā)揮了更大作用。從圖10還可以看到，在彎曲實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所有樣件在彎曲失效前均未出現(xiàn)大規(guī)模的層間裂紋，基本局限在較小范圍內(nèi)延伸，且模式③未明顯影響樣件的最終斷裂。

模式④是在樣件出現(xiàn)非線性力學(xué)行為后產(chǎn)生的金屬層塑性不可逆損傷。在混合結(jié)構(gòu)變形后段，最大拉伸應(yīng)力與最大壓縮應(yīng)力分別出現(xiàn)在纖維最下層與最上層，即纖維層承受主要應(yīng)力。隨著纖維層斷裂失效及分層裂紋擴(kuò)大，金屬層的承載比重逐步增大(圖5中的Ⅲ階段即為纖維層斷裂導(dǎo)致應(yīng)力崩塌后的金屬層承力階段)，金屬層塑性損傷逐漸加深，在金屬層塑性損傷達(dá)到某一極點(diǎn)時(shí)，混合結(jié)構(gòu)隨之整體失效。

由上述觀察到的4種主要失效模式可以簡(jiǎn)化得出由彎曲載荷產(chǎn)生的2種不同的破壞行為：界面分層與纖維斷裂。兩者分別取決于剪切應(yīng)力與拉伸應(yīng)力。彎曲與剪切分別受到兩個(gè)相反因素的影響：一方面，縫合纖維的存在增強(qiáng)界面結(jié)合性，從而改善混合結(jié)構(gòu)整體的剪切行為；另一方面，縫合纖維及纖維穿孔降低纖維的體積分?jǐn)?shù)以及金屬層的整體性能，從而造成材料強(qiáng)度下降。本實(shí)驗(yàn)即驗(yàn)證了縫合纖維在提高抗分層問題中的有效性。

3 結(jié)論

(1)混合結(jié)構(gòu)失效是多種失效模式的組合，主要包括上側(cè)纖維層壓縮斷裂、下側(cè)纖維層拉伸斷裂、金屬層與纖維層分層失效以及金屬塑性損傷；層間分層可能是由界面旁側(cè)存在基體裂紋和層間剪應(yīng)力、相鄰層之間的剛度不相容、層壓變形等多因素造成的。

(2)隨著樣件結(jié)構(gòu)厚度增加，其結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度與彎曲彈性模量均增大。其原因是，樣件的宏觀尺寸越大，整體結(jié)構(gòu)的均一性表現(xiàn)會(huì)越好，力學(xué)行為會(huì)更加穩(wěn)定；當(dāng)金屬層加厚時(shí)，其抵抗變形的能力更強(qiáng)，存在更大的損傷容限。

(3)通過(guò)DIC技術(shù)可以采集區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)分布，更有效地觀察、分析混合結(jié)構(gòu)損傷演化情況以及失效模式。在金屬夾層開孔處引入法向縫合纖維，可以在一定程度上抑制分層裂紋的擴(kuò)展，提高結(jié)構(gòu)抗分層斷裂性能，從而形成更穩(wěn)定的金屬/復(fù)合材料混合體。