2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究
发布时间：2021-01-01 23:25
通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。
【文章来源】：材料工程. 2017年07期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图２不同偏轴角度下材料ｘ－ｙ方向拉伸应力－应变曲线Ｆｉｇ．２Ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｉｎｔｈｅｘ－ｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
断下降［１０］，进一步导致了碳纤维载荷承担比例的下降，并最终促使ＳｉＣ基体的裂纹密度显著增加［１３］。同等施加应力水平下，ＳｉＣ基体裂纹密度的增加会加速材料的损伤失效进程，使得材料的拉伸应力－应变行为具有更显著的非线性特征，并最终导致材料拉伸强度的下降。基体裂纹密度的增加也会使材料ｘ－ｙ方向泊松比数值增大。此外，随着偏轴角度的不断增大，材料主方向上的拉剪损伤耦合效应也越发凸显，同样也会造成上述材料力学行为的变化。２．２Ｌ－Ｔ方向应力－应变行为如图３所示，对２Ｄ－Ｃ／ＳｉＣ复合材料施加偏轴拉伸载荷，等效于在材料Ｌ－Ｔ主方向上同时施加等比例变化的双轴拉伸载荷和剪切载荷。依据应力转轴公式，材料Ｌ－Ｔ主方向上应力分量与偏轴角度θ和施加应力σｘ之间具有如下关系：σＬ＝ｃｏｓ２θ·σｘσＴ＝ｓｉｎ２θ·σｘτＬＴ＝－ｃｏｓθ·ｓｉｎθ·σｘ（１）由式（１）可知，整个加载过程中σＬ，σＴ和τＬＴ的数值大小均随σｘ等比例变化。图３偏轴拉伸状态下材料Ｌ－Ｔ主方向上的应力状态Ｆｉｇ．３ＳｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｉｎｔｈｅＬ－Ｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｕｎｄｅｒｏｆｆ－ａｘｉｓｔｅｎｓｉｌｅｌｏａｄｉｎｇ依据应变转轴公式，可以得到材料ｘ－ｙ方向和Ｌ－Ｔ方向上应变分量具有如下关系：γＬＴ＝－２ｃｏｓθ·ｓｉｎθ·εｘ＋２ｃｏｓθ·ｓｉｎθ·εｙ＋（ｃｏｓ２θ－ｓｉｎ２θ）·γｘｙγｘｙ＝２ｃｏｓθ·ｓｉｎθ·εＬ－２ｃｏｓθ
材料工程２０１７年７月图４偏轴拉伸状态下材料Ｌ－Ｔ主方向上的应力－应变曲线（ａ）θ＝１５°；（ｂ）θ＝３０°；（ｃ）θ＝４５°Ｆｉｇ．４Ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｉｎｔｈｅＬ－Ｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｕｎｄｅｒｏｆｆ－ａｘｉｓｔｅｎｓｉｌｅｌｏａｄｉｎｇ（ａ）θ＝１５°；（ｂ）θ＝３０°；（ｃ）θ＝４５°图５不同偏轴角度下偏轴拉伸试件断口电镜扫描照片（ａ）θ＝０°；（ｂ）θ＝１５°；（ｃ）θ＝３０°；（ｄ）θ＝４５°Ｆｉｇ．５ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｓｏｎｏｆｆ－ａｘｉｓｔｅｎｓｉｌｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｆｆ－ａｘｉａｌａｎｇｌｅｓ（ａ）θ＝０°；（ｂ）θ＝１５°；（ｃ）θ＝３０°；（ｄ）θ＝４５°载方向上的纤维束发生沿轴向劈裂，束内大部分纤维保持完好；材料内部的基体裂纹取向均与纤维束轴向呈０°或９０°。图５（ｂ）中标出的区域为基体裂纹的多发区域，图５（ｃ）和（ｄ）中箭头的方向为基体裂纹方向。由图５（ｂ）～（ｄ）可见，随着偏轴角度的增加，材料内部出现了大量新型基体裂纹，新增裂纹的取向与纤维束轴向大致呈４５°夹角，上述基体裂纹主要是由剪切应力分量τＬＴ造成的。此外纤维束断面上的纤维拔出长度也有所增加，说明剪切应力分量也在纤维束内部造成了界面脱粘和滑移等损伤模式。所以在偏轴拉伸加载状态下，由于剪切应力分量τＬＴ的出现，其造成的剪切损伤会加速材料纤维束轴向上的拉伸损伤，反过来拉伸
【参考文献】：
期刊论文
[1]针刺C/SiC复合材料拉-压疲劳特性与失效机理[J]. 方光武,高希光,宋迎东. 材料工程. 2016(11)
[2]真空吸浆法制备C/SiC复合材料及力学性能研究[J]. 徐立新,管厚兵,杨智伟,郝向忠. 材料工程. 2015(12)
[3]平纹编织C/SiC复合材料层合板偏轴拉伸性能研究[J]. 甄文强,王波,李潘,矫桂琼. 机械强度. 2014(06)
[4]平纹编织C/SiC复合材料层合板面内力学性能的可设计性研究[J]. 李俊,矫桂琼,王波. 机械强度. 2012(02)
[5]2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度[J]. 杨成鹏,矫桂琼,王波. 力学学报. 2011(02)
[6]平纹编织C/SiC复合材料的剪切性能[J]. 管国阳,矫桂琼,张增光. 机械科学与技术. 2005(05)
[7]陶瓷基复合材料在喷管上的应用[J]. 张建艺. 宇航材料工艺. 2000(04)
[8]陶瓷基复合材料在火箭发动机上的应用[J]. 邹武,张康助,张立同. 固体火箭技术. 2000(02)
博士论文
[1]二维C/SiC复合材料的非线性本构关系研究[D]. 李俊.西北工业大学 2014
硕士论文
[1]二维编织C/SiC复合材料力学性能的试验研究[D]. 李刚.西北工业大学 2007
本文编号：2952190
【文章来源】：材料工程. 2017年07期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图２不同偏轴角度下材料ｘ－ｙ方向拉伸应力－应变曲线Ｆｉｇ．２Ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｉｎｔｈｅｘ－ｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
断下降［１０］，进一步导致了碳纤维载荷承担比例的下降，并最终促使ＳｉＣ基体的裂纹密度显著增加［１３］。同等施加应力水平下，ＳｉＣ基体裂纹密度的增加会加速材料的损伤失效进程，使得材料的拉伸应力－应变行为具有更显著的非线性特征，并最终导致材料拉伸强度的下降。基体裂纹密度的增加也会使材料ｘ－ｙ方向泊松比数值增大。此外，随着偏轴角度的不断增大，材料主方向上的拉剪损伤耦合效应也越发凸显，同样也会造成上述材料力学行为的变化。２．２Ｌ－Ｔ方向应力－应变行为如图３所示，对２Ｄ－Ｃ／ＳｉＣ复合材料施加偏轴拉伸载荷，等效于在材料Ｌ－Ｔ主方向上同时施加等比例变化的双轴拉伸载荷和剪切载荷。依据应力转轴公式，材料Ｌ－Ｔ主方向上应力分量与偏轴角度θ和施加应力σｘ之间具有如下关系：σＬ＝ｃｏｓ２θ·σｘσＴ＝ｓｉｎ２θ·σｘτＬＴ＝－ｃｏｓθ·ｓｉｎθ·σｘ（１）由式（１）可知，整个加载过程中σＬ，σＴ和τＬＴ的数值大小均随σｘ等比例变化。图３偏轴拉伸状态下材料Ｌ－Ｔ主方向上的应力状态Ｆｉｇ．３ＳｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｉｎｔｈｅＬ－Ｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｕｎｄｅｒｏｆｆ－ａｘｉｓｔｅｎｓｉｌｅｌｏａｄｉｎｇ依据应变转轴公式，可以得到材料ｘ－ｙ方向和Ｌ－Ｔ方向上应变分量具有如下关系：γＬＴ＝－２ｃｏｓθ·ｓｉｎθ·εｘ＋２ｃｏｓθ·ｓｉｎθ·εｙ＋（ｃｏｓ２θ－ｓｉｎ２θ）·γｘｙγｘｙ＝２ｃｏｓθ·ｓｉｎθ·εＬ－２ｃｏｓθ
材料工程２０１７年７月图４偏轴拉伸状态下材料Ｌ－Ｔ主方向上的应力－应变曲线（ａ）θ＝１５°；（ｂ）θ＝３０°；（ｃ）θ＝４５°Ｆｉｇ．４Ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｉｎｔｈｅＬ－Ｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｕｎｄｅｒｏｆｆ－ａｘｉｓｔｅｎｓｉｌｅｌｏａｄｉｎｇ（ａ）θ＝１５°；（ｂ）θ＝３０°；（ｃ）θ＝４５°图５不同偏轴角度下偏轴拉伸试件断口电镜扫描照片（ａ）θ＝０°；（ｂ）θ＝１５°；（ｃ）θ＝３０°；（ｄ）θ＝４５°Ｆｉｇ．５ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｓｏｎｏｆｆ－ａｘｉｓｔｅｎｓｉｌｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｆｆ－ａｘｉａｌａｎｇｌｅｓ（ａ）θ＝０°；（ｂ）θ＝１５°；（ｃ）θ＝３０°；（ｄ）θ＝４５°载方向上的纤维束发生沿轴向劈裂，束内大部分纤维保持完好；材料内部的基体裂纹取向均与纤维束轴向呈０°或９０°。图５（ｂ）中标出的区域为基体裂纹的多发区域，图５（ｃ）和（ｄ）中箭头的方向为基体裂纹方向。由图５（ｂ）～（ｄ）可见，随着偏轴角度的增加，材料内部出现了大量新型基体裂纹，新增裂纹的取向与纤维束轴向大致呈４５°夹角，上述基体裂纹主要是由剪切应力分量τＬＴ造成的。此外纤维束断面上的纤维拔出长度也有所增加，说明剪切应力分量也在纤维束内部造成了界面脱粘和滑移等损伤模式。所以在偏轴拉伸加载状态下，由于剪切应力分量τＬＴ的出现，其造成的剪切损伤会加速材料纤维束轴向上的拉伸损伤，反过来拉伸
【参考文献】：
期刊论文
[1]针刺C/SiC复合材料拉-压疲劳特性与失效机理[J]. 方光武,高希光,宋迎东. 材料工程. 2016(11)
[2]真空吸浆法制备C/SiC复合材料及力学性能研究[J]. 徐立新,管厚兵,杨智伟,郝向忠. 材料工程. 2015(12)
[3]平纹编织C/SiC复合材料层合板偏轴拉伸性能研究[J]. 甄文强,王波,李潘,矫桂琼. 机械强度. 2014(06)
[4]平纹编织C/SiC复合材料层合板面内力学性能的可设计性研究[J]. 李俊,矫桂琼,王波. 机械强度. 2012(02)
[5]2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度[J]. 杨成鹏,矫桂琼,王波. 力学学报. 2011(02)
[6]平纹编织C/SiC复合材料的剪切性能[J]. 管国阳,矫桂琼,张增光. 机械科学与技术. 2005(05)
[7]陶瓷基复合材料在喷管上的应用[J]. 张建艺. 宇航材料工艺. 2000(04)
[8]陶瓷基复合材料在火箭发动机上的应用[J]. 邹武,张康助,张立同. 固体火箭技术. 2000(02)
博士论文
[1]二维C/SiC复合材料的非线性本构关系研究[D]. 李俊.西北工业大学 2014
硕士论文
[1]二维编织C/SiC复合材料力学性能的试验研究[D]. 李刚.西北工业大学 2007
本文编号：2952190
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