曹躍杰，魏凌峰，張銘豪，曹增強(qiáng)

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072

薄層復(fù)合材料由于可有效抑制層壓板面內(nèi)損傷、層間分層的形成和演化且具有更高的可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，已成為近十年來國內(nèi)外復(fù)合材料研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。傳統(tǒng)復(fù)合材料單層厚度一般大于0.125 mm，而隨著預(yù)浸料制造技術(shù)的不斷發(fā)展，以T800碳/環(huán)氧復(fù)合材料為代表的航空航天級(jí)層壓板單層厚度已接近0.2 mm[4-5]。由于復(fù)合材料多向?qū)訅喊宕嬖诿黠@的就地效應(yīng)(In Situ Effect)[6]，即在一定范圍內(nèi)隨層壓板單層厚度的增加基體橫向拉伸和縱向剪切強(qiáng)度呈指數(shù)趨勢(shì)下降，直到接近單向?qū)訅喊宓臏y(cè)試強(qiáng)度。薄層復(fù)合材料最早由川邊和正等在2007年采用氣流擾動(dòng)法生產(chǎn)的厚度為0.04 mm的薄層單向預(yù)浸料制備而成，通過試驗(yàn)和傳統(tǒng)厚度層壓板相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，薄層復(fù)合材料可有效抑制準(zhǔn)靜態(tài)拉伸、沖擊和疲勞載荷下層壓板內(nèi)部分層和基體開裂等損傷的形成與演化[7-8]。此外由于損傷的抑制作用，層壓板在力學(xué)測(cè)試過程中出現(xiàn)了類似金屬材料屈服的變化階段(Metal-like Pseudo-ductile)[1,9]，這為提高現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限特性和抗沖擊吸能效果提供了最佳選擇。

盡管隨著復(fù)合材料大尺寸構(gòu)件成型工藝和結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機(jī)裝配連接零部件明顯減少，但由于實(shí)際飛機(jī)設(shè)計(jì)中要充分考慮裝配工藝和使用維護(hù)等方面的問題，必須設(shè)計(jì)一定數(shù)量的工藝分離面、維修口蓋和多種外掛接口。再者，為提高生產(chǎn)效率，如今復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備大多采用模塊化的生產(chǎn)方式，因此裝配連接在整個(gè)飛機(jī)生產(chǎn)過程中占有非常重要的地位，直接決定了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)安全性能和使用壽命。目前，機(jī)械連接仍是飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)最主要的連接方式。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耐沖擊性較差，易于因鉚接而引起表面劈裂和分層，所以目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配主要采用以高鎖螺栓為代表的航空緊固件進(jìn)行連接[10-13]。

復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和損傷失效機(jī)制的研究對(duì)進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)具有重要意義，目前已取得許多具有重要價(jià)值的研究成果[14-17]。然而研究多是基于傳統(tǒng)厚度復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的，由于薄層復(fù)合材料更加優(yōu)異的力學(xué)性能，其損傷失效機(jī)制和傳統(tǒng)厚度復(fù)合材料相比更加復(fù)雜。Amacher等[18]在開孔板力學(xué)性能測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了不同厚度復(fù)合材料單搭接螺栓接頭擠壓強(qiáng)度的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄層層壓板在室溫下可有效提高擠壓強(qiáng)度。Arteiro等[19-20]通過對(duì)薄層編織復(fù)合材料進(jìn)行擠壓測(cè)試后得出結(jié)論，盡管薄層復(fù)合材料沒有改變層壓板擠壓損傷的主要失效特征，但是由于分層和基體開裂的抑制作用導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)初始損傷強(qiáng)度得到明顯提高。盡管如此，關(guān)于薄層復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)詳細(xì)的損傷失效機(jī)制分析目前還沒有相關(guān)報(bào)道。

為深入研究薄層復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓過程損傷失效機(jī)制，本文采用中斷測(cè)試的方法，利用Micro-CT(Microscopic Computerized Tomography)和掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)分別對(duì)單搭接和雙搭接螺栓連接結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸加載過程中不同加載位置薄層層壓板孔周區(qū)域的材料損傷變化進(jìn)行觀察和對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)材料及測(cè)試方法

1.1 材料制備方法

采用由韓國Hankuk Carbon公司的1 000 mm寬T700/2510碳/環(huán)氧薄層單向預(yù)浸料制作用于測(cè)試的復(fù)合材料層壓板，預(yù)浸料厚度為0.07 mm。薄層預(yù)浸料首先按4種不同鋪層方向的實(shí)際尺寸需求進(jìn)行機(jī)械切割，然后采用手工鋪層的方法進(jìn)行層壓板制作。為方便和已有傳統(tǒng)厚度復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，層壓板采用常見的準(zhǔn)各向同性鋪層順序進(jìn)行制作。單個(gè)層壓板手工鋪層實(shí)際有效尺寸面積為200 mm×230 mm，用于單搭接結(jié)構(gòu)和雙搭接結(jié)構(gòu)測(cè)試的層壓板鋪層順序分別為[45/0/-45/90]4s和[45/0/-45/90]6s。制作的薄層層壓板全部使用ASC Process Systems公司的型號(hào)為Econoclave?0.9 m ×1.5 m的熱壓罐進(jìn)行固化。在層壓板固化成型過程中，固化循環(huán)是壓力和溫度共同作用的結(jié)果。T700/2510薄層層壓板固化采用雙階段循環(huán)模式進(jìn)行。首先，以2 ℃/min的增長(zhǎng)速率使熱壓罐內(nèi)部溫度從室溫上升到80 ℃并保持60 min，其主要目的是使環(huán)氧樹脂進(jìn)一步軟化，為接下來固化過程中樹脂流動(dòng)提供穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境。然后，采用2 ℃/min的速率升溫到130 ℃開始固化，這一過程大約需要2 h，整個(gè)固化過程采用的壓力統(tǒng)一為7 bar(709 kPa)，隨后冷卻至室溫(～24 ℃)。當(dāng)熱壓罐內(nèi)溫度降到60 ℃(140 °F)后對(duì)熱壓罐進(jìn)行通風(fēng)泄壓，具體過程如圖1(a)所示。固化冷卻后從熱壓罐中取出的層壓板及其相關(guān)設(shè)備如圖1(b)所示。層壓板四周陰影部分呈現(xiàn)近似圓形分布，表明整個(gè)固化過程中樹脂流動(dòng)較好，且流出樹脂已被脫脂棉完全吸收。固化成型后的32層和48層層壓板平均厚度分別為2.08 mm和3.12 mm。用于單搭接測(cè)試的層壓板表面拋光后的橫截面光學(xué)圖像如圖2所示，其單層平均厚度為0.065 mm。

圖1 雙線性固化過程及固化后薄層層壓板

圖2 薄層層壓板橫截面光學(xué)圖像

1.2 連接結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

為研究薄層復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)拉伸加載過程漸進(jìn)失效機(jī)制，層壓板幾何尺寸按ASTM D5961/D5961M—17標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中寬徑比W/D為6，端徑比為3。單搭接和雙搭接結(jié)構(gòu)緊固件都采用HST系列8號(hào)釘，因此連接孔直徑名義尺寸為6.35 mm，層壓板寬度端距分別為38.1 mm和20.0 mm，長(zhǎng)度選擇135 mm。單搭接和雙搭接結(jié)構(gòu)詳細(xì)的幾何尺寸分別如圖3(a)和圖3(b)所示，其中單搭接結(jié)構(gòu)采用復(fù)材/復(fù)材連接方式，雙搭接結(jié)構(gòu)采用鈦合金/復(fù)材/鈦合金連接方式。為有效保證連接孔的直徑精度和孔壁質(zhì)量，利用數(shù)控機(jī)床在5 000 r/min轉(zhuǎn)速、0.1 mm/min進(jìn)給下采用鉆孔-擴(kuò)孔-二次鉸孔的加工工藝對(duì)試樣進(jìn)行制孔，同時(shí)在層壓板制孔出口一側(cè)用2 mm的鋁板作為墊板，鉆頭和鉸刀全部采用硬質(zhì)合金刀具。單搭接連接的緊固件采用型號(hào)為HST12TB-8-3的鈦合金高鎖螺栓，與高鎖螺栓配套的螺母采用型號(hào)為HST79CY8的鋁合金高鎖螺母。雙搭接連接結(jié)構(gòu)的緊固件采用型號(hào)為HST10AG-8-6的鈦合金高鎖螺栓，與鈦合金緊固件相匹配的螺母型號(hào)為HST78DK8。此外，雙搭接結(jié)構(gòu)金屬搭接板采用新型高強(qiáng)度和損傷容限的TC21鈦合金。

圖3 薄層復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)幾何尺寸

1.3 測(cè)試方法

薄層復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)拉伸測(cè)試遵循ASTM D5961/D5961M—17標(biāo)準(zhǔn)。采用最大拉伸載荷為100 kN的INSTRON-8801液壓伺服萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)測(cè)試。拉伸測(cè)試采用位移控制的方式進(jìn)行，加載速率為1 mm/min。接頭被加載到載荷突然下降超過峰值載荷30%及以下的位置，中斷測(cè)試則是在特定位置終止加載。層壓板擠壓應(yīng)力可定義為拉伸載荷除以連接孔直徑和層壓板厚度的乘積：

σbearing=kP/(dt)

(1)

式中：P為加載過程中的拉伸載荷；k為連接孔的載荷系數(shù)，k=1.0代表單螺栓連接接頭；d和t分別為連接孔的直徑和層壓板的厚度。

對(duì)于不同加載位置的復(fù)合材料試樣，采用ZEISS-SUPRA 40 VP掃描電子顯微鏡在10.0 kV的二次電子加速電壓下對(duì)層壓板內(nèi)部微觀損傷和結(jié)構(gòu)變形失效進(jìn)行觀察。觀察拍攝的掃描電鏡圖片大小均為2 048像素×1 536像素。使用高分辨率X射線計(jì)算機(jī)掃描斷層Micro-CT掃描儀(Skyscan 1076, Bruker)輔助觀測(cè)層壓板3D結(jié)構(gòu)初始損傷變化情況。

2 連接結(jié)構(gòu)力學(xué)行為及失效過程

2.1 擠壓應(yīng)力-位移響應(yīng)

單搭接薄層復(fù)合材料螺栓接頭擠壓應(yīng)力-位移響應(yīng)如圖4所示，力學(xué)響應(yīng)曲線展示了從初始加載到結(jié)構(gòu)失效整個(gè)階段的變化情況(Test 1和Test 2)。測(cè)試結(jié)果顯示出良好的一致性，也證明了制備的試驗(yàn)件性能穩(wěn)定可靠。從圖4中曲線可看出整個(gè)加載過程分為4個(gè)主要階段：首先是從初始加載開始直到應(yīng)力出現(xiàn)第一次輕微下降的線彈性階段(Test 3)；第2個(gè)階段類似金屬材料單向拉伸測(cè)試過程中出現(xiàn)的塑性屈服階段(Test 4)，在這一過程中，應(yīng)力緩慢增加直到出現(xiàn)最大峰值應(yīng)力，圖4中對(duì)應(yīng)的接頭最大擠壓應(yīng)力為910 MPa；接下來隨著拉伸加載的繼續(xù)進(jìn)行，由于結(jié)構(gòu)損傷的不斷累積，接頭拉伸應(yīng)力開始緩慢下降，這一加載階段表現(xiàn)出明顯的非線性；最后階段就是當(dāng)損傷變形達(dá)到一定程度后結(jié)構(gòu)瀕臨失效，力學(xué)強(qiáng)度快速下降，隨著加載應(yīng)力突然降到400 MPa以下，接頭徹底失效。通過以上分析可發(fā)現(xiàn)薄層復(fù)合材料單搭接結(jié)構(gòu)拉伸加載力學(xué)響應(yīng)和傳統(tǒng)厚度單搭接準(zhǔn)各向同性層壓板螺栓連接結(jié)構(gòu)有很大不同，主要特征是薄層復(fù)合材料接頭具有更長(zhǎng)的非線性漸進(jìn)損傷階段，即更加優(yōu)異的損傷容限特性[14,21]。此外，薄層復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)具有更高的擠壓承載能力，傳統(tǒng)厚度復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的峰值擠壓應(yīng)力為750 MPa。事實(shí)上，由于受復(fù)合材料層壓板尺寸效應(yīng)的影響，隨層壓板厚度增加，結(jié)構(gòu)的擠壓應(yīng)力通常會(huì)呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì)[19]。由于測(cè)試的層壓板板厚只有2.08 mm，而文獻(xiàn)[21]中的層壓板厚度為3.2 mm，所以在同樣厚度情況下，薄層復(fù)合材料應(yīng)具有更加明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

圖4 薄層復(fù)合材料單搭接螺栓接頭應(yīng)力-位移曲線

圖5展示了復(fù)合材料雙搭接螺栓接頭擠壓應(yīng)力與加載位移之間的響應(yīng)關(guān)系。從圖5中曲線可知，盡管在非線性擠壓失效階段存在細(xì)微差異，但在初始損傷發(fā)生之前結(jié)構(gòu)剛度整體比較一致。整個(gè)加載過程也可分為4個(gè)主要階段：首先是剛度輕微下降之前的以彈性變形為主的第1階段；接下來是到達(dá)峰值應(yīng)力之前發(fā)生類似金屬材料屈服變化的第2階段，在這一力學(xué)性能總體上升的過程中有兩個(gè)明顯的瞬時(shí)下降時(shí)刻；第3階段則出現(xiàn)了近似階梯形的強(qiáng)度退化現(xiàn)象，由于此時(shí)損傷累積和孔周變形已達(dá)到一定程度，同時(shí)由于損傷材料區(qū)域不斷累積引起的向兩側(cè)凸起導(dǎo)致高鎖螺栓出現(xiàn)釘頭開裂現(xiàn)象，這個(gè)過程的擠壓應(yīng)力開始穩(wěn)步下降；最后階段就是隨著載荷突然下降，連接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)徹底失效。從圖5中可知，在第1階段力學(xué)響應(yīng)呈線性變化，直到擠壓應(yīng)力達(dá)85%峰值應(yīng)力水平，由于擠壓損傷的形成結(jié)構(gòu)剛度開始出現(xiàn)輕微的下降。試驗(yàn)測(cè)試的層壓板初始損傷應(yīng)力明顯高于已有文獻(xiàn)報(bào)道的傳統(tǒng)厚度復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)通常為50%～60%峰值應(yīng)力的水平[22]。連接接頭結(jié)構(gòu)剛度隨著損傷的累積不斷下降，表現(xiàn)出明顯的非線性并持續(xù)到最大載荷的位置。根據(jù)測(cè)試結(jié)果和傳統(tǒng)復(fù)合材料接頭已有報(bào)道數(shù)據(jù)對(duì)比可知，盡管IM7/8552力學(xué)性能相對(duì)更好，T700/2510薄層復(fù)合材料接頭具有更高的擠壓承載能力及更好的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)塑性(Pseudo-Ductile)。T700/2510薄層層壓板雙搭接測(cè)試最大擠壓應(yīng)力和IM7/8552傳統(tǒng)厚度層壓板極限擠壓應(yīng)力分別為1 420 MPa和1 230 MPa[17,23]。

圖5 薄層復(fù)合材料雙搭接螺栓接頭應(yīng)力-位移曲線

通過圖4和圖5的分析發(fā)現(xiàn)，兩種連接方式的薄層復(fù)合材料螺栓接頭與傳統(tǒng)厚度復(fù)合材料接頭相比都具有更高的峰值擠壓應(yīng)力，同時(shí)具有更大的損傷容限特性。和雙搭接結(jié)構(gòu)相比，單搭接薄層層壓板的擠壓強(qiáng)度相對(duì)較低，除受層壓板厚度影響外，最主要的原因是連接結(jié)構(gòu)的影響，單搭接層壓板除承受擠壓載荷外，還受到由次彎曲效應(yīng)引起的釘頭和螺母局部剪切作用的影響，而雙搭接結(jié)構(gòu)則主要承受擠壓載荷。

2.2 漸進(jìn)失效過程

在整體力學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ)上，為研究漸進(jìn)失效過程變化機(jī)制，對(duì)不同位置(分別對(duì)應(yīng)圖4和圖5中的點(diǎn)A、B和C)的損傷情況進(jìn)行中斷測(cè)試觀察。對(duì)單搭接結(jié)構(gòu)，由于層壓板加載過程會(huì)出現(xiàn)明顯的次彎曲效應(yīng)(Secondary Bending)，而上下搭接板最終損傷失效機(jī)制完全一樣，因此只對(duì)與螺栓頭接觸的上搭接板進(jìn)行分析。圖6展示了對(duì)應(yīng)圖4中3個(gè)測(cè)試位置點(diǎn)A、B和C的層壓板上下表面宏觀變化情況。從圖6(a)和圖6(b)中看出，與螺栓頭接觸區(qū)域除了由預(yù)緊力的作用導(dǎo)致的輕微壓痕外，并無可見的損傷變形出現(xiàn)。當(dāng)載荷達(dá)到峰值應(yīng)力后(如圖6(c)和圖6(d)所示)連接孔開始出現(xiàn)明顯損傷，在彎曲的影響下，下表面由于釘桿局部擠壓已出現(xiàn)明顯的拉長(zhǎng)和壓損，同時(shí)上表面也出現(xiàn)了典型的劈裂損傷，并沿最外層鋪層方向擴(kuò)展。在最后失效時(shí)刻(如圖6(e)和圖6(f)所示)，由于螺栓偏轉(zhuǎn)加劇導(dǎo)致釘頭直接侵入層壓板內(nèi)部，形成明顯的剪切失效，此時(shí)的最外層劈裂已擴(kuò)展到接近層壓板邊界位置；同時(shí)位于下表面區(qū)域的孔周變形和損傷程度進(jìn)一步加劇，而沿孔周兩側(cè)的最外層劈裂也已向外擴(kuò)展到和上表面相近的程度。

圖6 單搭接接頭層壓板上下表面漸進(jìn)損傷失效過程

雙搭接結(jié)構(gòu)由于不存在單搭接中的次彎曲現(xiàn)象，因此在加載過程中層壓板損傷近似對(duì)稱分布，所以圖7中只展示了對(duì)應(yīng)點(diǎn)A、B和C試樣上表面的變化情況。從圖7(a)可看出此時(shí)連接孔并未出現(xiàn)明顯變形，只是在上表面損傷初始位置附近擠壓方向靠近孔壁的位置出現(xiàn)了弧形痕跡，其損傷情況需借助微觀圖像設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步分析。對(duì)于峰值后載荷位置(如圖7(b)所示)，由于此時(shí)擠壓損傷已累積到一定程度，且損傷區(qū)域材料不斷向外堆積，螺栓釘頭也開始出現(xiàn)裂紋；此時(shí)的損傷區(qū)域沿著孔周呈現(xiàn)近似扇形分布，其最大損傷擴(kuò)展距離已接近連接孔的直徑大?。淮送夂忘c(diǎn)A相比，此時(shí)連接孔已出現(xiàn)明顯的擠壓變形情況，呈現(xiàn)出橢圓的形狀。在最后失效位置C(如圖7(c)所示)連接孔變形情況更加明顯，基本達(dá)到了2倍直徑的大小。在損傷區(qū)域的邊界位置，層壓板上表面已出現(xiàn)明顯的纖維劈裂和斷裂，而且損傷區(qū)域的材料變形情況更加嚴(yán)重，這些損傷失效是峰值位置材料損傷累積進(jìn)一步加劇的結(jié)果。

圖7 雙搭接接頭層壓板上表面漸進(jìn)損傷失效過程

3 薄層層壓板損傷的形成與演化

3.1 擠壓損傷的形成

圖8為對(duì)應(yīng)圖6(a)和圖6(b)的CT圖像，可看出盡管孔周擠壓方向釘頭接觸區(qū)域出現(xiàn)了輕微的變形痕跡，無論是層壓板內(nèi)部還是孔壁接觸區(qū)域都沒有出現(xiàn)明顯的損傷。進(jìn)一步分析單搭接結(jié)構(gòu)初始損傷的具體情況，點(diǎn)A位置的SEM照片如圖9所示。從孔周擠壓區(qū)域SEM照片(圖9(a))中可發(fā)現(xiàn)，輕微的擠壓損傷主要出現(xiàn)在孔邊0.5 mm以內(nèi)的區(qū)域，由于明顯的應(yīng)力集中及釘桿局部接觸壓縮，此時(shí)在孔周已出現(xiàn)少量的纖維斷裂和輕微壓損。通常在初始加載階段復(fù)合材料和螺栓的局部接觸會(huì)導(dǎo)致層壓板表面出現(xiàn)一定程度的磨損和侵蝕，同時(shí)在樹脂富集區(qū)域出現(xiàn)少量碎屑。通過圖9(b)和圖9(c)可發(fā)現(xiàn)損傷中心區(qū)域開始呈現(xiàn)掃帚狀(Brooming)現(xiàn)象，同時(shí)在表面區(qū)域出現(xiàn)因局部剪切導(dǎo)致的纖維劈裂。此時(shí)在孔邊出現(xiàn)的局部損傷和接頭加載過程中由次彎曲效應(yīng)導(dǎo)致的橫向約束降低有一定的關(guān)系。通過圖9(d)可看出在剪切裂紋區(qū)域已出現(xiàn)明顯的纖維/基體脫膠和纖維剪切斷裂，纖維斷裂呈現(xiàn)出典型的脆性特征。盡管如此，此時(shí)的擠壓損傷主要出現(xiàn)在靠近最外層的區(qū)域且沿?cái)D壓方向擴(kuò)展，并未對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能產(chǎn)生決定性影響。

圖8 單搭接接頭層壓板點(diǎn)A位置CT圖像

圖9 點(diǎn)A位置復(fù)合材料試樣表面初始損傷SEM照片

雙搭接結(jié)構(gòu)薄層層壓板在點(diǎn)A的CT圖像如圖10所示。從圖10(b)中可看出一條扇裂紋已出現(xiàn)在擠壓區(qū)域靠近孔邊的地方，和圖10(a)中的輕微裂痕完全對(duì)應(yīng)，表明初始剪切裂紋已形成。此外，也可從圖10(c)中孔邊附近位置觀察到輕微的擠壓損傷。通過圖10(b)和圖10(c)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，雙搭接接頭擠壓測(cè)試初始損傷并不是在理想條件下沿厚度方向呈現(xiàn)完全對(duì)稱分布的；導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是連接結(jié)構(gòu)中高鎖螺栓兩端產(chǎn)生的預(yù)緊效果有所差異。此外，根據(jù)圖10(d)中沿90°鋪層方向的CT三維橫截面圖像可知，層壓板內(nèi)部并無其他可觀測(cè)的損傷出現(xiàn)。

圖11為層壓板孔周及其相鄰擠壓區(qū)域初始損傷SEM照片。從圖11(a)和圖11(b)可看出與高鎖螺栓接觸的孔邊區(qū)域已出現(xiàn)纖維壓縮斷裂現(xiàn)象，這是由拉伸過程中在擠壓區(qū)域產(chǎn)生的局部壓縮導(dǎo)致的。此時(shí)的纖維斷裂呈現(xiàn)出明顯的折斷特征，可充分說明是由螺栓釘桿接觸壓縮造成的損傷失效，而不是前期制孔原因造成的。圖11(c)為與圖10(a)中對(duì)應(yīng)的局部剪切裂紋的SEM照片，和圖10中CT圖像有所不同的是，盡管此時(shí)的裂紋擴(kuò)展并不嚴(yán)重，仍可清楚地觀察到損傷裂紋的形貌特征。通過圖11(d)中裂紋特寫觀察可發(fā)現(xiàn)此時(shí)的損傷失效主要以基體壓縮開裂和擠壓剪切誘導(dǎo)的纖維微屈曲斷裂為主。根據(jù)裂紋兩側(cè)的表面落差趨勢(shì)對(duì)比可確定開裂來自層壓板內(nèi)部，由擠壓剪切作用引起。由此可得出基本結(jié)論，即薄層層壓板初始損傷主要來自內(nèi)部單層的壓縮性損傷累積產(chǎn)生的沿面外方向擴(kuò)展的細(xì)觀剪切裂紋。

圖10 雙搭接接頭層壓板點(diǎn)A位置CT圖像

圖11 層壓板點(diǎn)A位置孔邊和臨近區(qū)域微觀損傷

3.2 擠壓損傷的演化

為進(jìn)一步研究薄層復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)在加載過程中的損傷累積變化，分別對(duì)兩種連接方式峰值載荷之后(B點(diǎn))的層壓板失效截面區(qū)域SEM照片進(jìn)行分析。截面觀察位置如圖12所示，圖中0°和90°方向的陰影部分分別指受載變形區(qū)域的縱向擠壓失效平面和橫向拉伸失效平面。圖13為單搭接層壓板90°方向平面區(qū)域的SEM照片。從圖13(a)可發(fā)現(xiàn)截面上出現(xiàn)了幾乎貫穿整個(gè)層壓板的楔形裂紋，且在靠近孔邊的區(qū)域形成了嚴(yán)重?fù)p傷。從裂紋區(qū)域的局部高清照片(圖13(b))可看出位于90°單層的損傷主要是多段纖維扭折斷裂，同時(shí)伴隨相鄰鋪層的基體開裂。此外，由次彎曲效應(yīng)導(dǎo)致釘桿產(chǎn)生斜向壓縮進(jìn)而引起層壓板單側(cè)的面外擠壓作用，在90°界面出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，如圖13(c)所示。此時(shí)的分層并沒有出現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展區(qū)域是為更好地釋放局部能量，從而延緩進(jìn)一步的面內(nèi)損傷變形[24]。在層壓板剪切裂紋帶的中心區(qū)域(如圖13(d)所示)可看到明顯的裂紋擴(kuò)展情況。由于嚴(yán)重的擠壓變形導(dǎo)致90°鋪層纖維過分扭折，出現(xiàn)了積聚性扭折斷裂(如圖13(e)所示)，甚至整個(gè)右側(cè)的損傷區(qū)域也出現(xiàn)了輕微滑動(dòng)。由于多向?qū)訅喊逶跀D壓剪切作用下結(jié)構(gòu)受力相對(duì)復(fù)雜，因此纖維扭折失效形式和單向板純壓縮相比有很大不同。根據(jù)擠壓過程中位于拉伸失效截面上的剪切裂紋帶形成機(jī)制假設(shè)推斷，正是90°鋪層纖維扭折損傷的不斷累積及其向相鄰±45°層的不斷擴(kuò)展導(dǎo)致層壓板面內(nèi)貫穿裂紋帶的形成[15]。圖13(f)中從90°層擴(kuò)展并進(jìn)一步向孔邊區(qū)域延伸的基體裂紋進(jìn)一步證明了這個(gè)假設(shè)。在接下來的加載過程中，這些內(nèi)部損傷相互作用，不斷累積。盡管從宏觀角度看層壓板擠壓失效是以剪切裂紋帶的形式出現(xiàn)的，但實(shí)際上是前期微觀損傷不斷演化的結(jié)果。

圖12 層壓板失效平面區(qū)域SEM觀察位置示意圖

圖13 單搭接接頭層壓板峰值載荷后90°方向截面損傷形貌SEM照片

和90°方向輕微的橫向壓縮不同，位于0°方向的擠壓失效平面區(qū)域由于受主應(yīng)力的作用，其損傷程度十分嚴(yán)重，如圖14(a)所示。由于次彎曲效應(yīng)已加劇，此時(shí)釘桿偏轉(zhuǎn)造成的損傷形式已凸顯，在靠近釘頭一側(cè)的孔邊部分，由于剪切裂紋加劇導(dǎo)致?lián)p傷區(qū)域開始和層壓板出現(xiàn)分離。圖14(b)展示了擴(kuò)展裂紋區(qū)域的局部特征，可看出此時(shí)的裂紋區(qū)域已出現(xiàn)嚴(yán)重的纖維斷裂和大量的基體開裂。纖維斷裂表現(xiàn)出明顯的剪切失效特征，其斷口方向和裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)保持一致(如圖14(c)所示)。在靠近裂紋區(qū)域的中間位置可看到明顯的由擠壓引起的0°層纖維彎曲，此時(shí)由于壓縮變形導(dǎo)致的輕微基體開裂也出現(xiàn)在面內(nèi)區(qū)域，如圖14(d)所示。在靠近層壓板底部的區(qū)域，由于次彎曲效應(yīng)導(dǎo)致底部幾乎失去約束作用，因此在釘桿局部壓縮應(yīng)力的作用下，整個(gè)孔邊區(qū)域出現(xiàn)了嚴(yán)重的撓度變形，如圖14(e)所示。在撓度變形區(qū)域，除單層纖維彎曲以外，在非0°層還可看到大量的基體開裂，其中和擠壓方向垂直的90°層基體開裂最為嚴(yán)重，如圖14(f)所示。此時(shí)的基體開裂和單向板壓縮有所不同，呈現(xiàn)明顯的壓損現(xiàn)象(Crushing)。隨著加載的繼續(xù)，由于螺栓的進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)，釘頭開始逐漸侵入層壓板內(nèi)部。通過以上分析可發(fā)現(xiàn)，單搭接結(jié)構(gòu)層壓板擠壓失效是一個(gè)在次彎曲效應(yīng)影響下由螺栓不同部位引起的多個(gè)沿面外方向擴(kuò)展的剪切裂紋漸進(jìn)累積的過程，雖然在各個(gè)時(shí)期的表現(xiàn)形式有所不同，但其損傷擴(kuò)展機(jī)制完全一樣。在漸進(jìn)損傷過程中，拉伸失效平面區(qū)域由于只受輕微壓縮影響，其損傷形式并不是主要特征。沿加載方向的偏心擠壓變形累積及緊固件釘頭和螺母旋轉(zhuǎn)性侵入層壓板引起的剪切斷裂才是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的根本原因。

圖14 單搭接接頭層壓板峰值載荷后0°方向截面損傷形貌SEM照片

對(duì)于雙搭接擠壓測(cè)試，當(dāng)載荷越過峰值后，位于拉伸失效平面(90°方向)的損傷區(qū)域出現(xiàn)了明顯的橫向壓縮損傷，如圖15所示。此時(shí)的平面區(qū)域呈現(xiàn)出典型的緊固件擠壓損傷特征，主要的剪切裂紋從靠近層壓板中間位置沿面外方向呈楔形擴(kuò)展趨勢(shì)，如圖15(a)所示。由于此時(shí)的載荷應(yīng)力水平相對(duì)較高，大量擴(kuò)展裂紋開始出現(xiàn)在損傷區(qū)域，并以一定的角度向兩端的最外層延伸。此外，損傷變形區(qū)域并沒有擴(kuò)展到距離孔邊太遠(yuǎn)的地方，損傷擴(kuò)展區(qū)域約等于緊固件釘頭的接觸面積。從圖15(b)可看出纖維扭折斷裂及引起相鄰±45°層出現(xiàn)的基體開裂仍然是損傷擴(kuò)展的主要形式。由于此時(shí)結(jié)構(gòu)載荷和位移同初始擠壓損傷相比已有進(jìn)一步變化，內(nèi)部損傷也已累積到瀕臨失效的程度。在剪切裂紋帶區(qū)域，明顯的單層彎曲和整體纖維斷裂已出現(xiàn)，如圖15(c)所示。此外，通過圖15(d)和圖15(e)的高倍照片可確定，過峰值載荷位置層壓板橫向擠壓主要損傷形式是楔形基體開裂及90°單層纖維扭折斷裂，二者相互影響，共同作用。最后，從靠近層壓板底部失效區(qū)域的圖15(f)可知，由剪切基體開裂擴(kuò)展誘導(dǎo)的局部分層出現(xiàn)在-45°/0°界面上，這是沿面外方向損傷變形進(jìn)一步累積及釘頭開裂引起外部約束下降的結(jié)果。盡管此時(shí)層壓板并未達(dá)到失效的程度，但是孔周擠壓區(qū)域材料已存在嚴(yán)重?fù)p傷，整體承載性能開始變差。

圖15 雙搭接接頭層壓板峰值載荷后90°方向截面損傷形貌SEM照片

圖16展示了雙搭接層壓板中斷測(cè)試點(diǎn)B對(duì)應(yīng)試樣擠壓失效平面區(qū)域損傷形貌的SEM照片。從圖16(a)可看出此時(shí)已形成明顯的楔形剪切裂紋帶，且出現(xiàn)了局部材料失效區(qū)域。在擴(kuò)展裂紋方向?qū)訅喊鍍?nèi)部0°鋪層已出現(xiàn)多段纖維扭折斷裂，其相鄰鋪層的基體開裂也變得十分明顯，如圖16(b)所示。由擠壓作用引起的脆性剪切驅(qū)動(dòng)纖維斷裂如圖16(e)所示，斷裂呈現(xiàn)典型的剪切特征且擴(kuò)展方向和裂紋帶保持一致。盡管如此，在損傷裂紋附近區(qū)域并未出現(xiàn)明顯分層，因此損傷區(qū)域材料可以繼續(xù)承受擠壓載荷。圖16(c)和圖16(d)為出現(xiàn)在裂紋帶交匯區(qū)域的、由臨近0°鋪層纖維扭折引起的、位于90°/45°界面的輕微局部分層，由此也可說明盡管薄層復(fù)合材料可抑制分層的形成，但0°層裂紋擴(kuò)展依然可誘導(dǎo)相鄰鋪層界面出現(xiàn)局部分層，不過分層沒有出現(xiàn)明顯的擴(kuò)展趨勢(shì)，因此并不是主要的損傷形式。圖16(f)為典型的纖維斷裂表面形貌，斷裂面呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特性，同時(shí)在整個(gè)斷口表面分別出現(xiàn)了明顯的拉伸和壓縮斷裂區(qū)域，不過整個(gè)表面形貌比較粗糙。唯一的解釋就是在0°層方向承受擠壓的同時(shí)，還受到相鄰±45°鋪層沿裂紋擴(kuò)展方向的剪切應(yīng)力作用，二者形成了一定的扭轉(zhuǎn)耦合，這剛好解釋了拉伸斷口形貌極粗糙且在邊緣出現(xiàn)撕裂的現(xiàn)象。圖16(g)為層壓板失效區(qū)域的表面形貌，由于嚴(yán)重的擠壓變形累積，表面出現(xiàn)了大量的纖維和基體壓碎，且部分材料已與層壓板分離。層壓板底部區(qū)域嚴(yán)重變形的貫穿剪切裂紋如圖16(h)所示，可看出此時(shí)在靠近外層的裂紋帶區(qū)域，0°鋪層已存在大量的纖維扭折斷裂，其相鄰鋪層的基體開裂也十分嚴(yán)重。此處的多段纖維扭折斷裂呈現(xiàn)類似雙楔形特征(如圖16(i)所示)，這主要是由纖維在單個(gè)方向上的V型纖維微屈曲引起的。根據(jù)文獻(xiàn)[25]可知，V型纖維微屈曲引起的局部纖維扭折斷裂最先發(fā)生在纖維壓縮變形接近臨界最小彎曲半徑時(shí)出現(xiàn)最大彎曲點(diǎn)的位置。綜上所述，雙搭接連接結(jié)構(gòu)在過峰值載荷位置的擠壓失效平面損傷區(qū)域已出現(xiàn)嚴(yán)重的面外擴(kuò)展裂紋帶，靠近外層區(qū)域的部分材料已失去承載能力。

圖16 雙搭接接頭層壓板峰值載荷后0°方向截面損傷形貌SEM照片

3.3 漸進(jìn)擠壓失效機(jī)制

復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓失效過程通常分為損傷初始、損傷擴(kuò)展、局部失效和最終失效4個(gè)階段[15,26]。根據(jù)圖9～圖11、圖13～圖16展示的研究結(jié)果和對(duì)比分析，薄層層壓板螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓機(jī)制基本遵循圖17中的規(guī)律。在連接結(jié)構(gòu)初始損傷位置只有輕微的孔邊壓損和微觀基體裂紋；隨著層壓板連接區(qū)域繼續(xù)承受擠壓載荷，大量的微觀損傷開始出現(xiàn)在孔周區(qū)域。和傳統(tǒng)厚度層壓板相比，薄層復(fù)合材料具有更強(qiáng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其是在孔邊區(qū)域[27]。在拉伸加載過程中，高應(yīng)力集中狀態(tài)很容易導(dǎo)致初始損傷的出現(xiàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，在擠壓失效平面區(qū)域(0°方向)和拉伸失效平面區(qū)域(90°方向)出現(xiàn)的纖維扭折斷裂會(huì)誘導(dǎo)剪切裂紋向面外方向擴(kuò)展。一旦出現(xiàn)明顯的剪切裂紋，隨著載荷的進(jìn)一步提高，最終會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。層壓板最終擠壓失效形式如圖17中示意圖陰影變形區(qū)域所示，主要以纖維擠壓斷裂、纖維扭折變形、基體開裂和纖維/基體脫膠共同組成。擠壓失效最終是多種損傷形式共同累積的結(jié)果，并最終通過連接孔的拉長(zhǎng)變形和孔周區(qū)域材料擠出的宏觀形式呈現(xiàn)出來。

圖17 薄層層壓板漸進(jìn)擠壓損傷初始與演化示意圖

對(duì)于單搭接螺栓連接結(jié)構(gòu)，由于拉伸過程中次彎曲效應(yīng)的影響，在最后加載階段釘頭和螺母接觸區(qū)域材料性能不斷弱化，并率先出現(xiàn)彎曲變形失效，從而更好地平衡結(jié)構(gòu)應(yīng)變和內(nèi)部損傷擴(kuò)展。最終的連接結(jié)構(gòu)失效以釘頭和螺母侵入層壓板內(nèi)部引起載荷出現(xiàn)急劇下降而結(jié)束(如圖6(e)和圖6(f)所示)；而在雙搭接混合結(jié)構(gòu)中，由于幾乎不存在偏心加載的情況，薄層層壓板主要承受純擠壓作用。隨著加載的不斷進(jìn)行，位于層壓板失效截面區(qū)域的對(duì)稱楔形裂紋不斷累積擴(kuò)展并最終導(dǎo)致連接孔出現(xiàn)永久性失效變形，如圖7(c)所示，同時(shí)損傷區(qū)域材料不斷地向兩側(cè)堆積，導(dǎo)致緊固件釘頭出現(xiàn)開裂。

4 結(jié) 論

主要采用試驗(yàn)方法研究了薄層層壓板螺栓連接結(jié)構(gòu)拉伸失效過程機(jī)制變化。通過中斷測(cè)試的方法對(duì)比分析了不同加載階段層壓板內(nèi)部損傷變化情況。得到的主要研究結(jié)論如下：

1)單搭接和雙搭接兩種連接結(jié)構(gòu)在拉伸過程中均表現(xiàn)出擠壓失效特征。兩種連接結(jié)構(gòu)最后失效位置層壓板損傷區(qū)域遠(yuǎn)離試樣邊界，這為薄層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了充分依據(jù)。

2)兩種連接結(jié)構(gòu)拉伸失效過程幾乎一致，和傳統(tǒng)復(fù)合材料一樣可大致分為4個(gè)階段。然而和傳統(tǒng)厚度復(fù)合材料相比，薄層層壓板接頭表現(xiàn)出更高的擠壓強(qiáng)度和更好的損傷容限特性。

3)單搭接接頭最后以釘頭和螺母侵入層壓板內(nèi)部引起失效而結(jié)束；雙搭接結(jié)構(gòu)則是以螺栓釘頭開裂和層壓板連接孔永久擠壓變形為主要特征，釘頭開裂是在層壓板出現(xiàn)明顯損傷后由失效區(qū)域材料堆積引起的二次損傷。

4)薄層復(fù)合材料層壓板漸進(jìn)擠壓失效模式主要是沿面外方向不斷擴(kuò)展的剪切裂紋，由纖維扭折、基體開裂和材料局部壓碎構(gòu)成。盡管薄層層壓板更易于在表面出現(xiàn)纖維/基體劈裂，然而在傳統(tǒng)厚度層壓板擠壓過程中常見的大量分層損傷并沒有出現(xiàn)。