CN108760476B - 一种复合材料蠕变行为测试夹具及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料蠕变行为测试夹具及测试方法,每套拉伸装置均包括一端用于连接在蠕变试验机夹头内的传力杆,传力杆另一端通过支架与拉力盘连接,拉力盘的外周设置有用于紧贴环形试样内壁的弧形结构;两套拉伸装置分别卡设在环形试样的上部内壁和下部内壁,本发明结构设计合理,能够对待测试的环形试样进行牢固的夹紧,保证了拉伸蠕变行为测试的顺利开展,保证试样在测试中没有夹持滑移的问题,进一步保证了其测试精度,同时,为连续纤维增强复合材料提供了一种拉伸蠕变行为的测试方法,保证了蠕变模量计算的准确性,并且提出了计算蠕变破坏长期破坏强度的方法。
Description
技术领域
本发明属于复合材料拉伸蠕变测试技术领域,具体涉及一种复合材料蠕变行为测试夹具及测试方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料具有重量轻、比强度高、疲劳性好、耐腐蚀性好、可设计性强等优点,在航空航天、建筑工程、石油化工、交通运输等行业都有广泛的应用,并且随着对材料性能及轻量化要求的逐步提高,复合材料在以上领域的用量也逐渐增加。复合材料在航空航天、石油化工等领域常作为主要的结构件材料,承担了一定的载荷,尤其是在类似于管道结构环向承载时,单向复合材料承担了很大一部分载荷。为了保证设计的可靠性,需要对材料的基础性能进行测试,其中,复合材料的蠕变性能为一项重要的性能参数,对复合材料的使用寿命具有决定性的作用。
在复合材料中,引起蠕变的主要有以下几种因素:1)纤维蠕变:尽管室温下玻璃纤维和碳纤维的蠕变可以忽略,但是在高温和高应力作用下,尤其是在腐蚀介质中,增强材料还是有一定程度的蠕变现象。2)纤维逐渐拉直:在材料制造过程中,纤维不可能达到理想状态的伸直,在应力作用下随着基体蠕变纤维会被逐渐拉直。3)基体的蠕变:基体蠕变是复合材料蠕变的主要来源,特别是当基体控制材料变形时,例如单向或叠层复合材料承受拉伸应力时,蠕变现象尤其明显。
复合材料蠕变破坏的机理有两种,一种是由于载荷的传递使纤维达到极限应力而破坏,此时基体因承载突然增加也被破坏;一种是基体进入加速蠕变状态,造成基体内缺陷扩大和界面的初始破坏。但是每种材料都有一个最小应力值,应力低于该值时不论经历多长时间也不破裂,或者说蠕变时间无限长,这个应力值称为该材料的长期强度。
目前金属材料的拉伸蠕变行为有相应的测试方法及标准,塑料材料的拉伸蠕变测试方法及标准针对硬质和半硬质的非增强、填充和纤维增强的材料,明确指出不适用于复合材料。而且,在拉伸蠕变的测试过程中,对试样夹具有很高的要求,因为任何试样和夹具间的位移都对测试结果造成很大的影响,金属试样可以通过螺纹进行连接,保证试样和夹具间的稳定,塑料试样要求在升高载荷时,试样和夹具不允许有任何位移,不能使用自锁夹具。而且,金属材料和塑料材料拉伸蠕变的测试方法不能直接应用在复合材料的检测上。
发明内容
为了解决现有技术中的问题,本发明的目的是提供一种复合材料蠕变行为测试夹具及测试方法,保证试样在蠕变行为测试过程中,除了由于长期拉伸应力产生应变外,不存在其他形式的位移,特别适用于连续纤维增强树脂基复合材料。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:一种复合材料蠕变行为测试夹具,包括两套对称设置的拉伸装置,每套拉伸装置均包括一端用于连接在蠕变试验机夹头内的传力杆,传力杆另一端通过支架与拉力盘连接,拉力盘的外周设置有用于紧贴环形试样内壁的弧形结构;两套拉伸装置分别卡设在环形试样的上部内壁和下部内壁。
所述支架采用C型结构,拉力盘伸入支架的开口内,并通过螺栓贯穿支架和拉力盘实现固定。
传力杆与夹头连接的一端采用螺纹杆。
拉力盘采用半圆结构设计,拉力盘外壁的直径与环形试样内壁直径相等。
拉力盘外壁的直径为150mm,轴向宽度为5~7mm。
本发明还提供了一种复合材料蠕变行为的测试方法,包括以下步骤:
步骤1:制备复合材料环形试样,测量试样的轴向宽度和厚度;
步骤2:复合材料环形试样拉伸强度的测定:将步骤1制备的复合材料环形试样装在两个拉力盘上,保证试样边缘与拉力盘边缘平行,并在环形试样与拉力盘的接触表面涂覆润滑液,将传力杆一端连接至拉伸测试装置的夹头上,加载进行拉伸强度的测试,并按照以下公式计算复合材料环形试样的拉伸强度:
式中,σ为复合材料的拉伸强度,单位为MPa;p为破坏载荷,单位为N;b为试样宽度,单位为mm;h为试样厚度,单位为mm;
步骤3:复合材料环形试样的蠕变行为测试:将复合材料环形试样装在两个拉力盘上,保证试样边缘与拉力盘边缘平行,并在试样与盘的接触表面涂覆润滑液,将传力杆一端连接至蠕变测试装置的夹头上;选择加载应力向试样平稳加载,加载应力低于试样的拉伸强度;对指定应力载荷下环形试样发生破坏的时间进行记录,即失效时间;
步骤4:计算蠕变破坏的长期强度值
根据步骤3得到的失效时间绘制失效时间与拉伸蠕变应力的曲线,使用线性拟合的方法拟合出预期寿命复合材料不发生失效的应力值;
步骤5:计算拉伸蠕变模量,拉伸蠕变模量按照以下公式进行计算:
式中,E为复合材料的拉伸蠕变模量,单位为MPa;F为应力载荷,单位为N;A为试样的初始横截面积,单位为mm2;△L夹头的位置,即试样的伸长量,单位为mm;L为试样的周长,单位为mm。
步骤1具体包括以下步骤:通过控制复合材料缠绕过程中的张力和缠绕速度,控制复合材料中的树脂含量;环形试样缠绕完毕后进行固化;固化后的试样,卸去两侧外模后,使用磨削或精车的方法对试样表面进行加工;加工完后,脱去中模。
所述步骤2中,不同的复合材料采用不同的拉伸速率,其中,玻璃纤维增强复合材料的拉伸速率为3~5mm/min,碳纤维和芳纶纤维复合材料的拉伸速率为2~3mm/min。
所述步骤3中的应力加载过程在1~5s内完成,所述步骤3中的应力加载过程在1~5s内完成,同一材质的环形试样在不同的拉伸强度下使用相同的加载速度。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果,本发明的装置结构设计合理,能够对待测试的环形试样进行牢固的夹紧,保证了拉伸蠕变行为测试的顺利开展,保证试样在测试中没有夹持滑移的问题,进一步保证了其测试精度,同时,为连续纤维增强复合材料提供了一种拉伸蠕变行为的测试方法,保证了蠕变模量计算的准确性,并且提出了计算蠕变破坏长期破坏强度的方法。
进一步的,本发明的传力杆的一端采用螺纹杆的结构设计保证了传力杆与夹头之间的牢固连接;同时通过支架采用C型结构,拉力盘伸入支架的开口内,并通过螺栓贯穿支架和拉力盘实现固定,方便环形试样的加载,操作简单方便;另外,拉力盘采用半圆结构设计,拉力盘外壁的直径与环形试样内壁直径相等,保证了拉力盘与环形试样内壁的充分接触,保证了试验效果。
附图说明
图1为拉力盘的结构图;
图2为图1的侧视图;
图3为失效时间与拉伸蠕变应力(%拉伸强度)的曲线。
其中:1-盘体;2-支架;3-螺栓;4-传力杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示,一种复合材料蠕变行为测试夹具,包括两套对称设置的拉伸装置,每套拉伸装置均包括一端连接在蠕变试验机夹头内的传力杆4,传力杆4另一端通过支架2与拉力盘1连接,拉力盘1的外周设置有用于紧贴环形试样内壁的弧形结构;两套拉伸装置分别卡设在环形试样的上部内壁和下部内壁,所述支架2采用C型结构,拉力盘1伸入支架2的开口内,并通过螺栓3贯穿支架2和拉力盘1实现固定,传力杆4与夹头连接的一端采用螺纹杆,拉力盘1采用半圆结构设计,拉力盘1外壁的直径与环形试样内壁直径相等,拉力盘1外壁的直径为150mm。复合材料试样环形试样由连续纤维浸渍树脂后固化而成,复合材料环形试样的内径为150mm,宽度为5~7mm,厚度为2~5mm。
一种复合材料蠕变行为的试验方法,包括以下步骤:
步骤1:复合材料环形试样的制备
通过控制复合材料缠绕过程中的张力和缠绕速度,控制复合材料中的树脂含量(即控制数值含量像需要模拟的管材复合材料树脂含量靠近);环形试样缠绕完毕后,按规定的固化制度(及产商提供的固化方案)进行固化;固化后的试样,卸去两侧外模后,使用磨削或精车的方法对试样表面进行加工;加工完后,脱去中模。
步骤2:复合材料环形试样拉伸强度的测定
测量试样的宽度及厚度,并将试样装在两个拉力盘1上,保证试样边缘与拉力盘边缘平行,并在试样与拉力盘1的接触表面加以润滑,将传力杆4连接至拉伸测试装置的夹头上;加载进行拉伸强度的测试,玻璃纤维增强复合材料的拉伸速率为3~5mm/min,碳纤维和芳纶纤维复合材料的拉伸速率为2~3mm/min;按照以下公式计算复合材料的拉伸强度:
式中,σ为复合材料的拉伸强度,单位为MPa;p为破坏载荷,单位为N;b为试样宽度,单位为mm;h为试样厚度,单位为mm。
步骤3:复合材料环形试样的蠕变行为测试
测量试样的宽度及厚度,并将试样装在两个拉力盘1上,保证试样边缘与拉力盘1边缘平行,并在试样与盘的接触表面加以润滑,将螺纹杆连接至蠕变测试装置的夹头上;选择加载应力,加载应力低于试样的拉伸强度;向试样平稳加载,加载过程在1~5s内完成,同一材料的一系列试验(即不同的拉伸强度下进行的试验)应使用相同的加载速度;对指定应力载荷下试样发生破坏的时间进行记录,即失效时间;
步骤4:计算蠕变破坏的长期强度值
绘制失效时间与拉伸蠕变应力(%拉伸强度)的曲线,使用线性拟合的方法拟合出预期寿命复合材料不发生失效的应力值;
步骤5:计算拉伸蠕变模量,拉伸蠕变模量按照以下公式进行计算:
式中,E为复合材料的拉伸蠕变模量,单位为MPa;F为应力载荷,单位为N;A为试样的初始横截面积,单位为mm2;△L夹头的位置,即试样的伸长量,单位为mm;L为试样的周长,单位为mm。
在本发明的某一具体实施例中,试验使用复合材料环形制样机制备内径为150mm,宽度为6mm,厚度为3mm的试样,试样的树脂含量为31%,经测试,试样的拉伸强度为1000MPa。分别选取拉伸强度的70%、65%、60%及55%进行蠕变试验,记录这几个应力下试样破坏的时间,即失效时间。
绘制失效时间与拉伸蠕变应力(%拉伸强度)的曲线,如图3所示,通过对数据点的线性拟合,得出50年后复合材料能保持其拉伸强度的44.3%,因此在进行设计时,复合材料的长期应力水平应低于44.3%。
Claims (2)
1.一种复合材料蠕变行为的测试方法,其特征在于,采用复合材料蠕变行为测试夹具,包括两套对称设置的拉伸装置,每套拉伸装置均包括一端用于连接在蠕变试验机夹头内的传力杆(4),传力杆(4)另一端通过支架(2)与拉力盘(1)连接,拉力盘(1)的外周设置有用于紧贴环形试样内壁的弧形结构;两套拉伸装置分别卡设在环形试样的上部内壁和下部内壁;
拉力盘(1)采用半圆结构设计,拉力盘(1)外壁的直径与环形试样内壁直径相等;
拉力盘(1)外壁的直径为150mm,轴向宽度为5~7mm;
所述支架(2)采用C型结构,拉力盘(1)伸入支架(2)的开口内,并通过螺栓(3)贯穿支架(2)和拉力盘(1)实现固定;
传力杆(4)与夹头连接的一端采用螺纹杆;
包括以下步骤:
步骤1:制备复合材料环形试样,测量试样的轴向宽度和厚度;
步骤2:复合材料环形试样拉伸强度的测定:将步骤1制备的复合材料环形试样装在两个拉力盘(1)上,保证试样边缘与拉力盘边缘平行,并在环形试样与拉力盘(1)的接触表面涂覆润滑液,将传力杆(4)一端连接至拉伸测试装置的夹头上,加载进行拉伸强度的测试,并按照以下公式计算复合材料环形试样的拉伸强度:
式中,σ为复合材料的拉伸强度,单位为MPa;p为破坏载荷,单位为N;b为试样宽度,单位为mm;h为试样厚度,单位为mm;
步骤3:复合材料环形试样的蠕变行为测试:将复合材料环形试样装在两个拉力盘(1)上,保证试样边缘与拉力盘(1)边缘平行,并在试样与盘的接触表面涂覆润滑液,将传力杆(4)一端连接至蠕变测试装置的夹头上;选择加载应力向试样平稳加载,加载应力低于试样的拉伸强度;对指定应力载荷下环形试样发生破坏的时间进行记录,即失效时间;
步骤4:计算蠕变破坏的长期强度值
根据步骤3得到的失效时间绘制失效时间与拉伸蠕变应力的曲线,使用线性拟合的方法拟合出预期寿命复合材料不发生失效的应力值;
步骤5:计算拉伸蠕变模量,拉伸蠕变模量按照以下公式进行计算:
式中,E为复合材料的拉伸蠕变模量,单位为MPa;F为应力载荷,单位为N;A为试样的初始横截面积,单位为mm2;△L夹头的位置,即试样的伸长量,单位为mm;L为试样的周长,单位为mm;
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所述步骤2中,不同的复合材料采用不同的拉伸速率,其中,玻璃纤维增强复合材料的拉伸速率为3~5mm/min,碳纤维和芳纶纤维复合材料的拉伸速率为2~3mm/min。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料蠕变行为的测试方法,其特征在于,所述步骤3中的应力加载过程在1~5s内完成,同一材质的环形试样在不同的拉伸强度下使用相同的加载速度。
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