分享：碳纤维增强树脂基复合材料加工表面粗糙度 对疲劳性能的影响

摘 要:采用磨削和铣削(顺铣、逆铣)加工工艺获得不同表面粗糙度Sa 的碳纤维增强树脂基 (CFRP)复合材料试样并进行拉-拉疲劳试验,基于刚度退化模型分析了加工表面粗糙度对疲劳性 能的影响。结果表明:磨削、顺铣和逆铣试样的Sa 分别为1.2,3.2,5.9μm;磨削试样0°纤维铺层表 面纤维缺失,存在空隙,铣削试样在45°纤维铺层表面存在较多凹坑,其中顺铣试样凹坑更多且更 深;磨削试样的疲劳寿命最高,逆铣试样次之,顺铣试样最低;随着Sa 的增大,CFRP复合材料试样 表面裂纹迅速萌生扩展,刚度退化初始阶段的退化速率升高,刚度退化I阶段更快结束,试样的疲 劳寿命降低。

关键词:碳纤维增强树脂基复合材料;三维表面粗糙度Sa;磨削;铣削;疲劳寿命;刚度退化 

中图分类号:TH145 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)01-0091-06

0 引 言

碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料因具有高 比强度,高比模量以及良好的耐腐蚀性、耐疲劳性和 阻尼减震性,在航空航天领域得到了广泛应用[1]。 目前 CFRP复合材料零件主要采用近净成形技术 进行制备,为了满足零件最终的形状、尺寸和装配要求,还经常需要对 CFRP复合材料零件进行切边加 工。航空制造业对 CFRP 复合材料零件机加工后 的毛刺、撕裂、分层缺陷以及表面粗糙度都有标准要 求[2-3]。在复合材料零件缺陷和表面粗糙度满足标 准的前提下,表面粗糙度不同对疲劳性能的影响还 没有明确定论,而研究加工表面粗糙度对复合材料 疲劳性能的影响有着重要意义。

目前,工业领域用于评定复合材料零件加工表 面的表面粗糙度参数为算术平均高度(Ra)。该参 数最初是用来评定金属材料加工表面质量的,当用 于评定复合材料时存在一定不足[4]。韩胜超[3]发现 纤维切削角为45°的 CFRP复合材料纤维层中会随 机产生大量微坑缺陷,这对 Ra 的测试有较大干扰 性,同一加工表面不同位置 Ra 检测结果会出现较 大差异。相比于Ra,三维表面粗糙度Sa 可反映整 个表面的高度偏差信息,从而避免复合材料表面粗 糙度测试中的干扰[5]。

随着 CFRP 复合材料在飞机主承力结构上的 应用日益增多,以及轻量化要求的日益提高,复合材 料结构的疲劳问题日益凸显[6]。目前,对复合材料 疲劳性能的研究主要集中在环境以及材料本身的影 响方面,并常用到疲劳寿命模型及刚度退化模型[7]。 方毅[8]采用寿命预测及刚度退化模型研究了湿热老 化对碳纤维/环氧树脂板材拉伸疲劳性能的影响,较 好地解释了 CFRP复合材料板材的湿热老化过程。 HADDAD等[4]研究了临界刚度退化率与 CFRP复 合材料疲劳寿命之间的关系,发现临界刚度退化率 越高 的 试 样 疲 劳 寿 命 越 长。DORMOHAMMDI 等[9]研究发现,复合材料在疲劳过程中的损伤演化 大体上可以分为3个阶段:I阶段为疲劳起始阶段, 主要表现为基体弥散性开裂,各单层内裂纹扩展,刚 度剧烈下降,该阶段占总疲劳寿命的比例一般小于 20%,一般以基体裂纹密度达到饱和状态为结束标 志,该状态称为特征损伤状态(CDS)[10-11];Ⅱ阶段占 据疲劳寿命的比例很大,表现为剩余刚度缓慢线性 下降,损伤类型主要为纤维断裂、基体开裂以及基 体-纤维界面的脱胶、分层;Ⅲ阶段为临近失效阶段, 主要表现为纤维大规模断裂,层合板失效,刚度快速 下降,该阶段占总疲劳寿命的比例非常小,表现出 “突然死亡”的特征[12]。刚度退化模型能持续地监 测复合材料疲劳损伤的过程,从而能更直观地分析 表面粗糙度对疲劳寿命的影响机理。 

ANANDAN 等[13]研究了金属基复合材料加工表面缺陷对疲劳性能的影响,发现表面粗糙度大的 试样疲劳寿命有所下降。然而,目前涉及加工表面 粗糙度对树脂基复合材料疲劳性能影响的研究还比 较缺乏。因此,作者采用磨销和铣销加工出具有不 同表面粗糙度的 CFRP复合材料试样并进行了拉- 拉疲劳试验,基于刚度退化模型研究了加工表面粗 糙度对疲劳性能的影响。 

1 试样制备与试验方法 

试验材料为多向 CFRP复合材料层合板,其中 基体材料为环氧树脂,增强材料为东丽公司生产的 T800型碳纤维,纤维体积分数为65%。层合板的 铺层方向为[(-45°/90°/45°/0°)2]s,共16层,厚度 为2.7mm。采用金刚石砂轮片将层合板加工成边 长为200mm 的方形板,采用磨削和铣削两种工艺 制备侧面具有不同表面粗糙度的试样,铣削方式为 在方形板中间进行槽铣,槽铣后的两个面分别代表 了逆铣和顺铣的加工方式,得到的两半试样分别记 为逆铣试样和顺铣试样。磨削制得静拉伸试样和疲 劳试样各一组,逆铣和顺铣分别制得疲劳试样3组, 静拉伸试样每组6个,疲劳试样每组3个,静拉伸试 样和 疲 劳 试 样 的 尺 寸 均 为 长 度 200 mm,宽 度 12mm,厚度2.7mm。 

采用Sensofar型3D 光学轮廓仪对加工后的试 样表面进行非接触式拍摄和测量,选用 Nikon20倍 镜,单个视场范围为877μm×660μm,x、y 轴采样间 距均为0.645μm,纵向分辨率为8nm,横向分辨率为 0.31μm,数值孔径为0.45,拍摄12个视场,拼接后裁 取2mm×2mm 的采样面积,得到试样表面三维形 貌及各点坐标,通过计算得到表面粗糙度Sa。

按照 ASTM D3039标准,采用 CMT7504型万能 试验机进行静拉伸试验,拉伸速度为2mm·min-1。 按照 ASTM D3479,采用 Rzutest型疲劳试验机进行 疲劳试验,使用恒定振幅的正弦波形,加载频率为 6Hz,应力比为0.1,综合考虑试验条件及研究需要, 选择静拉伸试验测得的拉伸强度的55%,60%,65% 为外加最大应力,在每种最大应力水平下测3次求平 均值,试验机记录每次循环的最大载荷Fimax、最小载 荷Fimin、最大变形量Limax、最小变形量Limin。

2 试验结果与讨论

2.1 表面粗糙度及SEM 形貌 由图1 和 图 2 可 见,不 同 加 工 条 件 下 得 到 的 CFRP复合材料试样加工表面形貌差异显著。

磨削试样表面质量整体较好,表面最高峰均位 于层间树脂处,高2~4μm。磨削试样在0°纤维铺 层上为沿纤维方向切削,该铺层切削后的表面较为 平整,由于砂轮磨粒的高度并不完全一致,在相对较 高的磨粒作用下,一些纤维被切削去除,从而产生空 隙,这些纤维空隙会形成宽约8μm 的谷区。纤维 空隙形成的谷区会引起应力集中,从而影响到材料 的力学性能。磨削试样其余铺层的纤维方向已经很 难直接看出,且表面都较为平整。顺铣试样在45° 纤维铺层上存在大量凹坑,最深处可达80μm,这些 凹坑的形成是由于纤维发生了弯曲断裂,纤维断裂 的位置在刀具刃口平面以下,此处大量的纤维被拔 出或者露头,仅存的完整平面上均被树脂涂覆。顺 铣试样在45°纤维铺层上的铣削表面质量最差,过 多以及过深的谷区也易引起应力集中。顺铣试样表面最高峰均位于45°纤维铺层两侧层间树脂处,高 度在10~20μm,这些树脂在切削过程中发生塑性 变形,并随着该铺层纤维的弯曲断裂呈不规则形状 隆起。顺铣试样0°纤维铺层的加工面由裸露的纤 维和少量破碎的树脂组成,少量长纤维被刀刃切碎。 顺铣试样90°纤维铺层铣削表面与-45°纤维铺层类 似,大多被树脂涂覆,存在少量纤维断口。逆铣试样 表面45°纤维铺层的凹坑与顺铣试样相比较浅且面 积较小,最深处约为40μm,其余铺层上的形貌与顺 铣试样相差不大。 表面粗糙度Sa 的计算公式为 Sa =A1∫A z(x,y)dxdy (1) 式中:A 为取样区域的面积;z(x,y)为测试点(x, y)的高度。

通过计算得到磨削、逆铣和顺铣试样的 Sa 分 别为1.2,3.2,5.9μm,表面粗糙度依次增大。

2.2 静态拉伸性能

在拉-拉疲劳试验之前,需要对材料的静态拉伸 性能进行测试。磨削试样表面粗糙度较小,缺陷较 少,因此将磨削试样作为此 CFRP复合材料的拉伸 性能测试标准件。由图3可知,试样在发生破坏之 前,应力-应变曲线基本呈线性关系,不同磨削试样 的应力-应变曲线较为一致,拉伸强度离散性较小。 测得 CFRP复合材料的拉伸强度为719 MPa,弹性模量为45.8GPa,均符合 ASTM D3479标准。 

2.3 疲劳寿命

选 择 静 拉 伸 试 验 测 得 的 拉 伸 强 度 的 55%, 60%,65% ,即395,431,467 MPa作为外加最大应 力进行疲劳试验。由表1可知:在相同应力循环下, 不同加工表面粗糙度试样的疲劳寿命测试值均存在 较大离散度;在相同外加应力下,CFRP复合材料试 样的疲劳寿命随加工表面粗糙度的增大而下降,当 最大应力逐渐增大后,不同加工表面粗糙度试样之 间的疲劳寿命差异减小,由此可推测,随着最大应力 进一步增大,疲劳寿命会更加接近。

2.4 刚度退化演化及断口形貌 

剩余刚度Ei 表达式为 Ei =Fimax -Fimin Limax -Limin (i=1,…,Nf) (2) 将剩余刚度以及疲劳寿命进行正则化处理,以 消除外界因子的影响,曲线的变化仍然服从原有的 规律。正则化处理表达式为 E* =Ei/E0 (3) N* =n/Nf (4) 式中:E* 为正则刚度;E0 为最大刚度;N* 为正则 疲劳寿命;Nf 为疲劳寿命;n 为当前循环次数。 在最大应力为395 MPa时,CFRP复合材料试 样的疲劳寿命相对较长,刚度退化演化过程更加完 整,因此选择在该最大应力下进行刚度退化分析。 试样在刚度退化达到临界状态时发生疲劳断裂。由 图4可知,不同表面粗糙度 CFRP复合材料试样刚 度退化过程的Ⅲ阶段均很短,甚至难以直接观察到。 3个磨削试样刚度退化曲线的变化较为一致,刚度 退化I阶段占总疲劳寿命的40%左右,远超典型刚 度退化曲线的I阶段占比(不超过20%)。其中:前 半段占总疲劳寿命的近20%,刚度下降10%左右, 与典型刚度退化曲线的I阶段较为类似;后半段刚 度几乎呈线性下降,刚度退化近30%。刚度退化II 阶段几乎占据了总疲劳寿命的剩余部分,剩余刚度 表现为缓慢线性下降,仅下降了10%,与典型的刚 度退化规律较为一致。3个逆铣试样疲劳寿命的离 散性较大,刚度退化曲线有所差异:疲劳寿命最短试 样的刚度退化I阶段占总疲劳寿命的近40%,刚度 在此阶段仅退化20%,相较于其余两个试样刚度退 化速率较小;疲劳寿命最长试样在I阶段的刚度退 化最为明显,在达到疲劳寿命的20%时刚度下降近 35%;疲劳寿命在两者之间的试样I阶段的刚度退 化速率也位于两者之间。由此可见,I阶段刚度退 化速率越快,I阶段占疲劳寿命比值越小的试样,疲 劳寿命越长。3个顺铣试样的刚度退化曲线总体变 化趋势较为一致,疲劳寿命离散性较小,在I阶段刚 度退化率越快的试样疲劳寿命越高。 由图5可知,高疲劳寿命(Nf=116663周次) 逆铣试样的断口呈多种失效模式,大量纤维发生断 裂或挤压变形,基体的大规模断裂造成较多的树脂 脱黏散落在纤维表面,复合材料纤维-树脂界面的强 度弱化,造成纤维脱黏、纤维断裂、树脂破碎,这是 由 于该试样刚度退化Ⅰ阶段疲劳寿命占比小,而Ⅱ 阶段经历的疲劳循环次数多,试样断口存在显著的 Ⅱ阶段损伤特征[9]。低疲劳寿命(Nf=35648周次) 顺铣试样断口处的纤维与高疲劳寿命试样相比更加 整齐,有较多树脂拉拔的痕迹,断裂模式较为单一,由 于该试样的刚度退化Ⅱ阶段时间较短,其树脂基体和 纤维还未发生大规模的断裂试样就已经失效。 

较大的表面粗糙度会使材料在疲劳过程中发生 应力集中,从而导致疲劳裂纹萌生扩展[14]。顺铣试 样的表面粗糙度(Sa 为5.9μm)和微缺口深度(约 80μm)均最大,而应力集中系数与表面粗糙度及微 缺口深度呈正相关关系[15],因此该试样的应力集中 系数最大,疲劳微裂纹萌生后扩展速率更快,刚度退 化初始阶段退化速率更高,疲劳寿命更短。3个磨 削试样均经历了27000~29000周次应力循环后 完成刚度退化I阶段,达到特征损伤状态;3个逆铣 试 样 在 I 阶 段 的 循 环 次 数 离 散 性 稍 大,为 21000~27000周次不等;而3个顺铣试样在I阶 段的循环次数为21000~23000周次。由此可知, CFRP复合材料试样表面粗糙度越大,裂纹越快达到饱和状态,从而更快地结束刚度退化的初始阶段, 最终使得疲劳寿命降低。另外,在相同应力水平下, 疲劳早期裂纹分布更加均匀的 CFRP复合材料试样 拥有更长的疲劳寿命,反之裂纹分布集中会使微裂纹 过早聚合从而导致寿命缩短[16]。铣削试样的凹坑集 中出现于45°纤维铺层处,使得微裂纹在此处集中分 布,而磨削试样的表面质量整体较好,微裂纹分布相 对均匀,因此铣削试样疲劳寿命低于磨削试样。

3 结 论

(1)CFRP复 合 材 料 磨 削 试 样 的 表 面 粗 糙 度 Sa 为1.2μm,缺 陷 主 要 集 中 在 0°纤 维 铺 层,有 较 多纤维缺失从而产生空隙;铣削试样在45°纤维铺 层表面产生较多凹坑,其中顺铣的缺陷更为严重, 逆铣和顺铣试样的表面粗糙度Sa 分别为3.2μm 和5.9μm。

(2)CFRP复合材料试样在疲劳试验过程中刚 度发生退化,表面粗糙度越小的试样在初始阶段退 化速率越高,疲劳寿命也越高;随着表面粗糙度的增大,CFRP复合材料的疲劳寿命减小,所受的循环应 力水平越大,表面粗糙度的影响越小,疲劳寿命趋于 一致。(3)表面粗糙度更大的 CFRP复合材料试样裂 纹萌生和扩展更为迅速,且裂纹集中分布于缺陷处, 裂纹更加密集并过早聚合,使得刚度退化I阶段退 化速率升高,疲劳寿命降低。

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< 文章来源>材料与测试网 > 机械工程材料 > 46卷 >