CN107621408A - 一种纤维金属层板i型层间断裂韧性gic的评价测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC的评价测试方法和装置，包括基座(6)、支撑装置和夹持装置、万能试验机、纤维金属层板试样，所采用的纤维金属层板试样为条状长方体单悬臂梁试样，在纤维金属层板的一端的材料界面放入薄板或者薄膜作为预制裂纹，纤维金属层板的下底面粘贴固定有加强块，纤维金属层板另一端上下面粘贴固定有上垫板(7)和下垫板(8)。本发明测试与评价方法为我国制定纤维金属层板I型层间断裂韧性试验标准提供参考，为其他层间性能评价提供有效方法。
Description
技术领域
本发明属于纤维金属层板性能评价技术领域，具体涉及一种纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC的评价测试方法及装置。
背景技术
纤维金属层板(Fiber Metal Laminates，FMLs)是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺层后，在一定的温度和压力下固化而成的层间混杂复合材料，也称为超混杂层板(Super Hybrid Laminates)。FMLs综合了传统纤维复合材料和金属材料的特点，具有高的比强度和比刚度，优良的疲劳性能以及高的损伤容限，这些优势使得FMLs在航空航天、汽车、桥梁及核电等工业中获得了广泛的应用。
纤维金属层板结构上的最大特点就是多层界面，多层界面的存在使纤维金属层板在使用中易产生分层及开裂，因此纤维金属层板的薄弱环节在于层间性能较差。飞机的复合材料主承力结构件在使用中常受到外来低速冲击载荷的作用，低速冲击会在层合板复合材料内部形成严重的不可见分层损伤；在进行层合板复合材料的轻量化设计时，必须考虑层合板复合材料的外层座曲破坏后，破坏的外层和内层增强材料之间将产生剥离载荷，剥离将影响和决定层合板复合材料的强度。分层的存在将造成层合板复合材料结构强度和刚度的降低，使得层合板复合材料的性能得不到充分的发挥。因此，研究层合板复合材料的界面性能、提高其层间强度是发挥和使用层合板复合材料其它强度功能所必须解决的问题。
在纤维金属层板界面性能研究中，从断裂力学的角度，采用作为层间裂纹扩展阻力的能量释放率GIC来评价层合板复合材料的层间断裂韧性。
目前，I型层间断裂韧性测试常采用双悬臂梁(DCB)试验测试的方法；传统的双悬臂梁层间断裂韧性DCB试验是在层合板结构的基础上在金属与复合材料层的界面加入聚酯薄膜作为预制裂纹，试验中采用层板两侧位移加载，预制裂纹会扩展至粘结完好的区域而形成分层，模拟层板的层间断裂。由于纤维金属层板的多层结构，与传统的材料相比，复合材料的延伸性小，各向异性显著，内部结构复杂。预制裂纹后层合板两边结构不均衡，在对含有预制裂纹的层合板施加剥离载荷时，外层金属和内层增强材料之间性能的差异导致加载过程中层合板未加载端一直向上偏移，造成严重的平面外位移现象；且双悬臂梁测试仅适用于偶数层结构层板中间层界面的层间断裂韧性测试，对不同结构及铺层下的层板结构未加以考虑，同时未考虑一些测试需要不同结构层板的第一层金属、第二层金属或中间层金属等与复合材料界面的层间断裂韧性，不同的界面层间断裂韧性存在一定差异，若仅采用双悬臂梁测试中间层界面会引起较大的试验误差，无法有效反映层板结构体系的I型层间断裂韧性，进而无法反映其真实的层间界面性能，不利于指导纤维金属层板的设计与应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC的评价测试方法及装置。
一种纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC的评价测试装置，包括基座6、支撑装置和夹持装置、万能试验机、纤维金属层板试样，基座6上固定立柱作为支撑装置，支撑装置上固定有用于夹持纤维金属层板试样的夹持装置，万能试验机连接上拉杆1，用于向纤维金属层板试样加载，所采用的纤维金属层板试样为条状长方体单悬臂梁试样，在纤维金属层板的一端的材料界面放入薄板或者薄膜作为预制裂纹，纤维金属层板的下底面粘贴固定有加强块，纤维金属层板另一端上下面粘贴固定有上垫板7和下垫板8，夹持装置通过夹持上垫板7和下垫板8将试样夹持牢固，纤维金属层板预制裂纹的一端上表面固定有琴式铰链3，上拉杆1与琴式铰链3通过销钉2连接在一起对试样进行加载。
所述的评价测试装置，所述加强块的结构为纤维增强塑料层合板和复合材料蜂窝结构，厚度根据所选用的结构和材料确定；所述加强块材料为金属与纤维增强树脂预浸料组成的层合板或纤维与树脂形成蜂窝结构。
根据所述的评价测试装置进行纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC的评价测试方法，包括以下步骤：
1)单悬臂梁试样准备，将试样装夹夹持装置上；
2)初始加载，以1mm/min-5mm/min的恒定速率进行加载，连续记录载荷和位移值，记录裂纹的位置，其精度在±0.5mm之内；当预制裂纹外的裂纹长度到3mm-5mm停止加载；以低于25mm/min的恒定速率卸载，卸载后，在试样两个侧边对预制裂纹的尖端做标记；
3)与初始加载一样，在1mm/min-5mm/min之间选取一个恒定速率对试样重新进行加载；达到此循环过程裂纹长度后停止加载，卸载，记录载荷位移值；
4)重复进行2)或3)的过程，直到裂纹长度扩展到试样端点，试样发生层间断裂破坏，停止试验；
5)通过公式以及所述步骤中获得的数据，获取纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC。
所述的评价测试方法，所述单悬臂梁试样在层板上粘接加强块，所述加强块的结构为纤维增强塑料层合板和复合材料蜂窝结构，厚度根据所选用的结构和材料确定；所述加强块材料为金属与纤维增强树脂预浸料组成的层合板或纤维与树脂形成蜂窝结构。
所述的评价测试方法，单悬臂梁试样中，预制裂纹可以置于第一层金属、第二层金属或中间层金属与复合材料界面或复合材料与复合材料界面，用于分别测试金属与复合材料界面的层间断裂韧性或复合材料与复合材料的层间断裂韧性。
所述的评价测试方法，不限于纤维金属层板的评价测试，还可用于层合板复合材料I型层间断裂韧性的评价测试。
所述的评价测试方法，适合纤维金属层板所有结构；适合纤维金属层板和复合材料任意铺层方向，不限于正交或单向铺层。
所述的评价测试方法，所述的纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC通过如下公式获得：
其中：
a—裂纹扩展长度，单位为毫米(mm)；
P—载荷，单位为牛顿(N)；
e—线性回归系数；
b—试样宽度，单位为毫米(mm)。
所述的评价测试方法，所述线性回归系数通过最小二乘法确定，采用将裂纹长度的三次方a3作为柔度c的函数来建立二者之间的线性关系，将所述步骤中获得的试验数据绘制坐标图进行计算；通过如下公式获得：
其中：
a—裂纹扩展长度，单位为毫米(mm)；
c—载荷线柔度，表示加载点的位移。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明针对纤维金属层板I型层间断裂韧性双悬臂梁测试存在的问题，提出单悬臂梁测试的方法和相应的I型层间断裂韧性GIC的计算公式，并针对单悬臂梁试样设计专用的夹具，从而解决航空航天、汽车工业轻量化等行业设计对复合材料层间性能测试的需求。
(2)本发明方法试验操作简单，所采用的试验装置结构简单且加工制作简便，投入成本较低，适用于不同结构及铺层下的I型层间断裂韧性判定，并且可以测试需要不同结构层板不同界面的临界能量释放率，避免了双悬臂梁测试中纤维金属层板的结构不均衡性造成严重的平面外位移，有效反映层板结构体系的I型层间断裂韧性，进而准确反映层板的层间界面性能，对于合理设计层合板复合材料、提高其层间界面性能、扩大其应用领域显得非常重要；
(3)本发明测试与评价方法为我国制定纤维金属层板I型层间断裂韧性试验标准提供参考，为其他层间性能评价提供有效方法。
附图说明
图1为本发明纤维金属层板I型层间断裂韧性试验方法的流程框图；
图2为本发明单悬臂梁试样图；
图3为本发明装夹单悬臂梁试样的试验装置主视图和左视图；
附图标号说明：
1.上拉杆，2.销钉，3.琴式铰链，4.纤维金属层板，5.加强块，6.基座，7.上垫板，8.下垫板，9.预制裂纹，a.裂纹的长度，b.是纤维金属层板的宽度，L.是不包含加载块在内的试样长度，h.是纤维金属层板的厚度。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图3，纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC的测试装置包括基座6、支撑装置和夹持装置、万能试验机、纤维金属层板试样，基座6上固定立柱作为支撑装置，支撑装置上固定有用于夹持纤维金属层板试样的夹持装置，万能试验机连接上拉杆1，用于向纤维金属层板试样加载，所采用的纤维金属层板试样为条状长方体单悬臂梁试样，在纤维金属层板的一端的材料界面放入薄板或者薄膜作为预制裂纹，纤维金属层板的下底面粘贴固定有加强块，纤维金属层板另一端上下面粘贴固定有上垫板7和下垫板8，夹持装置通过夹持上垫板7和下垫板8将试样夹持牢固，纤维金属层板预制裂纹的一端上表面固定有琴式铰链3，上拉杆1与琴式铰链3通过销钉2连接在一起，可以对试样进行加载。以下通过具体实施例详细说明本发明的评价测试方法。
实施例1
第一步单悬臂梁试样准备，选择Al合金薄板和聚丙烯纤维增强聚丙烯复合材料0°/90°交替铺层4/3结构的层板，层板长200mm，宽20mm；第一层Al合金与聚丙烯纤维增强聚丙烯复合材料界面放入长度为55mm铝箔作为预制裂纹，将3mm厚玻璃纤维增强塑料层合板粘合到Al板下表面以增强试样的刚度，将琴式铰链粘接于层板预制裂纹一端用于施加载荷位移；
第二步将准备好的单悬臂梁试样装夹到夹持装置上，启动万能试验机，以3mm/min的恒定速率对试样进行加载(向上提拉)，连续记录载荷和位移值，记录裂纹的位置。当预制裂纹之外的新扩展裂纹长度到3mm-5mm停止加载；以低于25mm/min的恒定速率卸载，卸载后，在试样两个侧边对新扩展的裂纹的尖端做标记；
第三步与初始加载一样，以3mm/min恒定速率对试样重新进行加载；新扩展裂纹长度达到3mm-5mm后停止加载，卸载，记录载荷、位移值，在试样两个侧边对预制裂纹的尖端做标记；
第四步重复进行第二步或第三步中的加载、卸载过程，直到裂纹扩展到试样端点，试样发生层间断裂破坏，停止试验；
第五步将上述步骤中获得的数据带入公式中，其中线性回归系数e通过公式计算，得到纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC。
其中：a为裂纹扩展长度；P为载荷；e为线性回归系数；b为试样宽度；c为载荷线柔度，表示加载点的位移。
实施例2
第一步单悬臂梁试样准备，选择Ti合金薄板和聚酰亚胺树脂组成的复合材料，层板长180mm，宽25mm；在Ti板和树脂界面放入长度为50mm铝箔作为预制裂纹，使用Araldite环氧树脂将玻璃纤维/环氧树脂蜂窝粘合到下层Ti板上，将琴式铰链粘接于层板预制裂纹一端用于施加载荷位移；
第二步将准备好的单悬臂梁试样装夹到夹持装置上，万能试验机以1mm/min的恒定速率进行加载，连续记录载荷和位移值，记录裂纹的位置。当预制裂纹外的裂纹长度到3mm-5mm停止加载；以低于25mm/min的恒定速率卸载，卸载后，在试样两个侧边对预制裂纹的尖端做标记；
第三步与初始加载一样，以1mm/min恒定速率对试样重新进行加载；达到3mm-5mm裂纹长度后停止加载，卸载，记录载荷位移值，在试样两个侧边对预制裂纹的尖端做标记；
第四步重复进行第二步或第三步的加载、卸载过程，直到裂纹扩展到试样端点，试样发生层间断裂破坏，停止试验；
第五步将上述步骤中获得的数据带入公式中，其中线性回归系数e通过公式计算，得到纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC。
其中：a为裂纹扩展长度；P为载荷；e为线性回归系数；b为试样宽度；c为载荷线柔度，表示加载点的位移。
实施例3
第一步单悬臂梁试样准备，选择Al合金薄板和玻璃纤维增强环氧树脂复合材料0°单向铺层的3/2结构层板，层板长180mm，宽25mm；界面放入长度为50mm聚四氟乙烯薄膜作为预制裂纹，使用Araldite环氧树脂将玻璃纤维/环氧树脂蜂窝粘合到下层Al板上，将琴式铰链粘接于层板预制裂纹一端用于施加载荷位移；
第二步将准备好的单悬臂梁试样装夹到夹持装置上，以5mm/min的恒定速率进行加载，连续记录载荷和位移值，记录裂纹的位置。当预制裂纹外的裂纹长度到3mm-5mm停止加载；以低于25mm/min的恒定速率卸载，卸载后，在试样两个侧边对预制裂纹的尖端做标记；
第三步与初始加载一样，以5mm/min恒定速率对试样重新进行加载；达到3mm-5mm裂纹长度后停止加载，卸载，记录载荷位移值，在试样两个侧边对预制裂纹的尖端做标记；
第四步重复进行第二步或第三步的过程，直到裂纹扩展到试样端点，试样发生层间断裂破坏，停止试验；
第五步将上述步骤中获得的数据带入公式中，其中线性回归系数e通过公式计算，得到纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC。
其中：a为裂纹扩展长度；P为载荷；e为线性回归系数；b为试样宽度；c为载荷线柔度，表示加载点的位移。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC的评价测试装置，其特征在于，包括基座(6)、支撑装置和夹持装置、万能试验机、纤维金属层板试样，基座(6)上固定立柱作为支撑装置，支撑装置上固定有用于夹持纤维金属层板试样的夹持装置，万能试验机连接上拉杆(1)，用于向纤维金属层板试样加载，所采用的纤维金属层板试样为条状长方体单悬臂梁试样，在纤维金属层板的一端的材料界面放入薄板或者薄膜作为预制裂纹，纤维金属层板的下底面粘贴固定有加强块，纤维金属层板另一端上下面粘贴固定有上垫板(7)和下垫板(8)，夹持装置通过夹持上垫板(7)和下垫板(8)将试样夹持牢固，纤维金属层板预制裂纹的一端上表面固定有琴式铰链(3)，上拉杆(1)与琴式铰链(3)通过销钉(2)连接在一起对试样进行加载。
2.根据权利要求1所述的评价测试装置，其特征在于，所述加强块的结构为纤维增强塑料层合板和复合材料蜂窝结构，厚度根据所选用的结构和材料确定；所述加强块材料为金属与纤维增强树脂预浸料组成的层合板或纤维与树脂形成蜂窝结构。
3.权利要求1或2所述的评价测试装置进行纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC的评价测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)单悬臂梁试样准备，将试样装夹夹持装置上；
2)初始加载，以1mm/min-5mm/min的恒定速率进行加载，连续记录载荷和位移值，记录裂纹的位置，其精度在±0.5mm之内；当预制裂纹外的裂纹长度到3mm-5mm停止加载；以低于25mm/min的恒定速率卸载，卸载后，在试样两个侧边对预制裂纹的尖端做标记；
3)与初始加载一样，在1mm/min-5mm/min之间选取一个恒定速率对试样重新进行加载；达到此循环过程裂纹长度后停止加载，卸载，记录载荷位移值；
4)重复进行2)或3)的过程，直到裂纹长度扩展到试样端点，试样发生层间断裂破坏，停止试验；
5)通过公式以及所述步骤中获得的数据，获取纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC。
4.如权利要求3所述的评价测试方法，其特征在于：所述单悬臂梁试样在层板上粘接加强块，所述加强块的结构为纤维增强塑料层合板和复合材料蜂窝结构，厚度根据所选用的结构和材料确定；所述加强块材料为金属与纤维增强树脂预浸料组成的层合板或纤维与树脂形成蜂窝结构。
5.如权利要求3所述的评价测试方法，其特征在于：单悬臂梁试样中，预制裂纹可以置于第一层金属、第二层金属或中间层金属与复合材料界面或复合材料与复合材料界面，用于分别测试金属与复合材料界面的层间断裂韧性或复合材料与复合材料的层间断裂韧性。
6.如权利要求3所述的评价测试方法，其特征在于：不限于纤维金属层板的评价测试，还可用于层合板复合材料I型层间断裂韧性的评价测试。
7.如权利要求3所述的评价测试方法，其特征在于：适合纤维金属层板所有结构；适合纤维金属层板和复合材料任意铺层方向，不限于正交或单向铺层。
8.如权利要求3所述的评价测试方法，其特征在于：所述的纤维金属层板I型层间断裂韧性GIC通过如下公式获得：
其中：
a—裂纹扩展长度，单位为毫米(mm)；
P—载荷，单位为牛顿(N)；
e—线性回归系数；
b—试样宽度，单位为毫米(mm)。
9.如权利要求8所述的评价测试方法，其特征在于：所述线性回归系数通过最小二乘法确定，采用将裂纹长度的三次方a3作为柔度c的函数来建立二者之间的线性关系，将所述步骤中获得的试验数据绘制坐标图进行计算；通过如下公式获得：
其中：
a—裂纹扩展长度，单位为毫米(mm)；
c—载荷线柔度，c＝□/p，□表示加载点的位移。
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