2D-C/SiC復合材料開孔試件拉伸特性和失效分析

郭洪寶， 王 波， 矯桂瓊， 楊成鵬， 劉永勝

(1.西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安 710129;2.西北工業大學材料學院，西安 710072）

2D-C/SiC復合材料開孔試件拉伸特性和失效分析

郭洪寶1， 王 波1， 矯桂瓊1， 楊成鵬1， 劉永勝2

(1.西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安 710129;2.西北工業大學材料學院，西安 710072）

通過對2D-C/SiC復合材料φ4mm和φ6mm開孔試件進行拉伸試驗，研究了開孔試件的拉伸特性和失效模式，與標準試件拉伸試驗結果比較獲得了開孔尺寸對試件強度的影響。相比于標準拉伸試件，φ4mm和φ6mm開孔試件的拉伸強度分別減小了1.0%和6.6%。通過在開孔試件不同位置粘貼應變片，獲得了試件在拉伸過程中最小凈截面上的應變變化規律，直觀地體現了試件拉伸過程中的應變集中現象，并通過有限元對開孔試件的應變分布進行模擬，模擬結果與試驗值吻合較好;通過在試件表面粘貼聲發射探頭，獲得了拉伸過程中試件材料的損傷參量變化規律，反映了試件的宏觀損傷演化規律，并結合試件斷口照片分析了開孔試件的失效行為。

2D-C/SiC復合材料;開孔試件;拉伸;損傷演化;失效

C/SiC復合材料是一種新型的超高溫結構材料。它具有高比強度、比模量以及耐高溫、熱穩定性好等優點，同時克服了單一陶瓷材料脆性大的缺點，具有較好的斷裂韌度，因此應用前景十分廣闊［1］。隨著C/SiC復合材料應用范圍擴大，有了對復合材料構件連接的需求，連接則需要在復合材料構件上開孔，而開孔就會影響到構件的力學性能，因此需要對C/SiC復合材料開孔試件的力學性能進行研究。

大量研究者對C/SiC復合材料的基本力學性能做了許多研究工作，管國陽［2］、楊成鵬［3］等人通過單調拉壓試驗、循環加卸載試驗和斷口觀察，分別從宏觀和細觀上研究了2D-C/SiC復合材料在面內拉、壓載荷作用下模量、殘余應變、泊松比的變化，以及損傷演化過程與應力-應變行為。Suray D.Pandita［4］等人利用應變成像技術和有限元模擬研究了正交二維編織樹脂基復合材料開孔拉伸試件的應力應變分布情況;Qi Zhao［5］等人通過試驗和數值計算方法研究了三軸編織樹脂基復合材料開孔試件的漸進損傷過程;M.Mariatti［6］等人研究了開孔位置和尺寸對玻璃纖維增韌樹脂基復合材料破壞行為的影響;同樣，Fabrice Pierron［7］等人也研究了樹脂基復合材料開孔層壓板的拉伸失效過程;而針對2D-C/SiC復合材料開孔試件的研究還不多見。在國內，童巧英［8］對2D-C/SiC復合材料開孔試件進行了拉伸試驗，發現試件最小凈截面面積和抗拉強度具有近似線性對應關系，得出材料拉伸強度對開孔具有較小的敏感性，但是并沒有進一步分析具體原因;李斌［9］、陳劉定［10］等人進行了大量的2D-C/SiC復合材料開孔試件的拉伸和壓縮試驗，利用試驗數據和斷口形貌簡單地分析了開孔試件在拉伸和壓縮載荷下的損傷和破壞機理，但沒有深入地討論開孔試件的應力應變集中問題和損傷失效過程。

本工作研究了2D-C/SiC復合材料開孔試件的拉伸特性及試件的應變集中現象、損傷演化和失效特性。

1 試件和試驗

1.1 試件

試驗所用2D-C/SiC復合材料采用化學氣相沉積(CVI）工藝制造，首先將T300碳布疊層成二維編織預制體，經CVI工藝反應初步沉積熱解碳和少量碳化硅基體后，進行試件剪裁和開孔加工，最后再次經過CVI工藝反應沉積碳化硅基體，最終試件材料密度約為2.0g/cm3。開孔試件長度為180mm，矩形橫截面寬度為24mm，厚度為3mm，居中開通孔，孔徑分別為φ4mm和φ6mm，每組試件各5件。標準拉伸試件采用狗骨型(標距段長度為30mm，均勻段橫截面寬度為10mm，厚度為3mm），圖1a為標準試件，圖1b為開孔試件，所示試件兩端均粘貼鋁制加強片防止試件夾持段被壓潰。

圖1 試件照片 (a）標準拉伸試件;(b）開孔拉伸試件Fig.1 Pictures of specimens (a）standard tensile specimen;(b）open-hole tensile specimen

1.2 試驗

在INSTRON 8801液壓伺服試驗機上進行試驗。采用位移控制方式加載，加載速率為0.3mm/min。為了測得開孔試件在拉伸過程中最小凈截面上的應變變化情況，分別在試件一面沿最小凈截面方向上粘貼四枚應變片，用來采集拉伸過程中實時應變數據，應變片粘貼位置和編號見圖2所示，應變片測得的應變方向與加載方向相同。在拉伸試件的另一表面粘貼了聲發射探頭，利用美國PAC公司生產的PCI-2型聲發射系統來收集拉伸過程中的材料損傷信號。標準試件同樣利用應變片和聲發射系統獲取數據。

圖2 應變片及聲發射探頭位置(a）標準試件;(b）開孔試件Fig.2 Locations of strain gauges and AE sensor(a）standard specimen;(b）open-hole specimen

2 試驗結果及分析

2.1 試驗過程應變變化規律

開孔試件和標準試件的應變-應力曲線見圖3。其中開孔試件的應變數值來自于1號和3號應變片，應力數值即開孔試件的最小凈截面平均應力，每種孔徑的開孔試件對應兩條曲線。圖中隨著應力水平的增加，各點的應變增加越來越快，體現出材料在試驗過程中的非線性損傷特性。在相同應力下，φ4mm開孔試件1號應變片的數值與標準試件的應變水平最為接近;而同一開孔試件最小凈截面上不同區域的應變水平相差很大，3號應變片測得的數值遠大于1號應變片的數值，說明孔邊有明顯的應變集中現象。相同應力下φ4mm開孔試件的應變片數值略高于φ6mm開孔試件，說明在試件寬度一定的前提下，開孔直徑的大小會影響最小凈截面上的應變水平。

圖3 試件拉伸應變-應力曲線Fig.3 Tensile strain-stress curves for specimens

φ4mm和φ6mm開孔試件的應變-時間曲線見圖4。由圖4可以看出，在試驗初始階段開孔試件的孔邊就出現了較大的應變集中現象，并一直保持到試驗結束;對比可知φ4mm和φ6mm開孔試件2號應變片的應變約是1號應變片的2倍，3號應變片的應變約是4號應變片的1.5倍。由于最小凈截面為開孔拉伸試件的最薄弱截面，拉伸過程中具有最大的應力和應變水平，使得試件最小凈截面孔邊應變集中處成為最先發生損傷和失效破壞的部位。

2.2 損傷演化和失效模式分析

圖4 開孔試件拉伸應變-時間曲線 (a）φ4mm開孔;(b）φ6mm開孔Fig.4 Tensile strain-time curves for open-hole specimens (a）φ4mm open-hole;(b）φ6mm open-hole

通過在試件表面粘貼聲發射探頭，獲得了拉伸過程中試件材料的損傷演化規律。依據標準試件的聲發射數據，并對照同時間應力數值，得到標準試件相對能量和聲發射數隨時間的分布圖(圖5）。試驗開始階段為初始損傷階段(0～10s），相對能量值較小，聲發射數很小，主要是基體原生微裂紋、弱連接基體和界面的穩定開裂和擴展，對應的應力曲線斜率下降緩慢。隨后是過渡階段(10～70s），相對能量值(0～60×10－15J）和聲發射數(0～250Hit/s）的峰值都在不斷增大，表明損傷對應的能量增大且發生的次數也增多，類型主要以基體裂紋擴展、界面開裂和新裂紋產生為主，此階段應力曲線斜率下降明顯，說明試件材料損傷量大大增加。最后為嚴重損傷和試件斷裂階段(70～80s），相對能量值和聲發射數都出現急劇突增，新增變化范圍分別為(60～180）×10－15J和250～800Hit/s，峰值遠高于前兩個階段，此階段材料發生的損傷對應的聲發射能量較高，聲發射數數值較大，損傷類型主要為裂紋失穩性擴展、纖維束斷裂和拔出［11］。

圖5 標準試件聲發射數據分布圖 (a）相對能量;(b）聲發射數Fig.5 AE data vs time for standard specimen (a）energy;(b）count

圖6為φ4mm開孔試件的最小凈截面凈應力和聲發射參數的分布圖。與標準試件相比，開孔試件拉伸過程中的初始損傷階段很短，幾乎一開始就進入了過渡損傷階段(0～30s），相對能量值和聲發射數的數值范圍為0～5×10－15J和0～50Hit/s，對應峰值遠小于標準試件。這是因為孔邊應力應變集中現象已經出現，但是最小凈截面上的整體應力水平還比較低，試件會在孔邊應力集中處率先發生過渡型損傷，縮短了試件的初始損傷階段。當試驗進行到30～35s左右時，聲發射相對能量值和聲發射數都出現了突增，峰值分別達到了130×10－15J和800Hit/s，表明試件發生的損傷量突然增加，通過與標準試件發生嚴重損傷階段的損傷參數對比可知，此階段試件局部區域發生了包括纖維斷裂和纖維拔出的失效損傷;此時應力曲線模量有明顯下降，也說明試件發生了局部失效破壞。對應此階段，試件最小凈截面的平均應力水平不斷增加，開孔集中處的應力應變已經率先達到材料發生失效損傷的水平，此區域的材料率先進入嚴重損傷階段。隨后試件的損傷速率和損傷類型又回歸到過渡損傷階段(35～65s）。這表明隨著應力集中處損傷和失效破壞的發生，此處的應變集中現象得到維持，而應力集中現象得到緩解，應力開始向截面其他部位轉移，最小凈截面的應力分布趨于平均［10］。此階段的損傷主要是最小凈截面非應力集中區域的過渡型損傷。

試驗最后階段(65～75s），聲發射相對能量值和聲發射數又出現了突增，峰值分別達到了140×10－15J和800Hit/s，時間跨度遠大于第一次激增階段，損傷量也遠大于第一次，試件到達了嚴重損傷和臨界破壞階段。當失效損傷累加到一定程度，試件最小凈截面失去承載能力而發生斷裂破壞。

圖7為φ6mm開孔試件的聲發射數據圖。對比φ4mm開孔試件和φ6mm開孔試件的聲發射數據分布可知，φ6mm開孔試件第一次激增階段(17～24s）的持續時間較長，說明φ6mm試件率先發生材料失效損傷的時間跨度大于φ4mm試件，并且起始時刻和對應截面平均應力水平要小于φ4mm試件;同時φ6mm試件兩次嚴重損傷階段中間的過渡損傷階段(24～56s）對應的相對能量和聲發射數值較高，說明此階段φ6mm試件對應的損傷活動更加活躍，損傷總量更大，同時試件最后臨界破壞階段的損傷量有所下降。從聲發射數據總體趨勢來看，φ6mm開孔試件在拉伸過程中損傷釋放能量總量和聲發射數總數最小，標準試件最大，φ4mm試件居中。這是因為材料的飽和損傷量是固定的，開孔試件的材料損傷主要集中在最小凈截面上，而標準試件的材料損傷均勻分布在試件均勻段內，材料損傷區域遠大于開孔試件，所以標準試件的損傷總量最大。

圖8為宏觀斷口形貌?？梢钥闯?，標準試件斷口處，經向纖維束斷面都比較平齊，拔出長度較短，拔出的同時并未攜帶緯向纖維，斷裂的位置都在臨近緯向纖維束的邊緣，各層碳布斷裂位置基本一致，斷口呈近似平面。開孔試件的斷口與試件最小凈截面基本吻合，經向纖維束拔出較短，斷面較平齊，拔出時也未攜帶緯向纖維束，各層碳布斷裂位置參差不齊，表明開孔試件最小凈截面上的應力狀態要比標準試件截面應力狀態更復雜。

2.3 開孔試件拉伸強度分析

試件的尺寸、拉伸凈截面強度及其離散系數見表1?？梢钥吹?，開孔導致試件的拉伸凈截面強度有所下降。與標準試件相比，φ4mm開孔試件的拉伸凈截面強度下降了約1%，考慮到兩組數據的離散系數，可認為φ4mm孔的存在并沒有影響到試件材料的拉伸強度;φ6mm開孔試件的拉伸凈強度較標準試件下降了約6.6%，下降比例遠大于φ4mm開孔試件?？梢姴牧系睦靸魪姸葘Ζ?mm的孔更敏感性。

表1 試件尺寸和試驗結果Table 1 Specimens'dimensions and experimental results

開孔幾何形式的引入，使開孔試件的失效過程比標準試件復雜。通過對開孔試件拉伸失效過程的分析可知，最小凈截面上應變集中區域的材料率先發生了一定量的失效破壞，而此時其余截面部位并未進入失效損傷階段，試件的最大承載狀態還沒有達到。局部材料失效損傷率先發生，減小了試件最小凈截面的最終承載能力，也就減小了開孔試件的拉伸凈強度。

綜上分析，開孔試件的拉伸凈強度主要受材料本身拉伸強度和最小凈截面上應變集中區域所占比例的影響。集中現象影響的區域占最小凈截面的比例越大，率先發生失效損傷的區域也就越大，這會使得最小凈截面上的材料不能像標準試件一樣，幾乎在同一時刻達到最大承載狀態?？梢?，最小凈截面上材料失效損傷過程的階段性和區域性導致達到最大承載狀態的非同步性，是開孔試件拉伸凈強度降低的主要影響因素。

由試驗結果可知，φ4mm開孔試件拉伸凈強度的下降比例很小，這主要是因為試件最小凈截面上率先發生材料失效損傷的區域占整個截面的比例很小，大部分截面還是在最后階段達到最大承載狀態;同時材料在拉伸過程中發生的基體開裂、界面開裂等損傷模式引起的非線性應力應變行為大大降低了孔邊的應力集中程度［12］。與φ4mm開孔試件相比，φ6mm開孔試件最小凈截面上率先發生材料失效損傷的區域比例增加，截面上材料達到最大承載狀態的非同步性加劇，開孔試件拉伸凈強度的下降比例也變大。另外，由于CVI制備工藝的特點，使得孔邊材料的基體密度增大，相應的材料性能有所提高，也可以看做是對開孔試件拉伸性能的補強。綜上所述，2D-C/SiC復合材料開孔試件的拉伸凈強度對φ4mm開孔的敏感性低，而對φ6mm開孔的敏感性要高。

3 開孔試件應變的有限元模擬

可以通過模擬開孔試件在拉伸初始損傷階段的應變場分布情況，描述試件拉伸過程中最小凈截面上的應變分布情況。ABAQUS有限元建模材料參數通過材料基本性能試驗得到。試件模型一端固定，另一端采用面力加載方式，單元類型為C3D8R。圖9a，b兩幅應力云圖分別為φ4mm和φ6mm開孔試件沿載荷方向上的應變分量ε11的分布云圖，對應的兩種開孔試件的凈截面平均應力均為50MPa?？梢钥吹?，在相同應力水平下，φ6mm圓孔的應變集中影響區域要明顯高于φ4mm圓孔。

取φ4mm和φ6mm開孔試件最小凈截面平均應力為50MPa的有限元模擬結果，距離試件邊緣的真實距離設為X值，ε11設為Y值，分別得到兩種開孔試件最小凈截面加載方向上的應變分布曲線，見圖10。同時將對應時刻應變片測得數值在圖中標出進行對比，結果顯示應變片所測應變數值與截面對應位置的模擬值吻合較好。在試件寬度固定的條件下，對比φ6mm開孔試件，φ4mm開孔試件的應變分布曲線前半段較為平緩，數值變化不大，而末端抬頭迅速，在X軸方向上激增階段占整條曲線的區域比例較小;說明φ4mm開孔試件最小凈截面上受應變集中影響和率先發生失效損傷的區域比例都小于φ6mm開孔試件。從曲線的整體趨勢來看，φ6mm開孔試件對應的應變分布曲線數值變化程度明顯大于φ4mm開孔試件，說明φ6mm開孔試件最小凈截面上的應變變化梯度要大于φ4mm開孔試件;最小凈截面應變變化梯度的不同會影響最小凈截面上材料達到最大承載狀態的同步性，也會導致試件的拉伸凈強度下降程度不同。

圖9 開孔試件應變分布圖 (a）φ4mm圓孔;(b）φ6mm圓孔Fig.9 Strain distribution of open-hole specimens(a）φ4mm open-hole;(b）φ6mm open-hole

圖10 開孔試件最小凈截面應變分布Fig.10 Strain distribution along the narrowest net section of open-hole specimens

4 結論

(1）對于2D-C/SiC復合材料，居中開孔能夠使試件產生明顯的應變集中現象。在最小凈截面具有相同平均應力水平下，相比于φ4mm開孔試件，φ6mm開孔試件所測位置的應變較低。

(2）較之標準拉伸試件，開孔試件因為開孔及孔邊集中現象的存在，使得其初始損傷階段較短，拉伸過程中試件出現兩個嚴重損傷階段，其中第一個嚴重損傷階段是孔邊應力集中所致;而標準拉伸試件的損傷參量隨時間單調增加，且只在試件臨界破壞時出現一個嚴重損傷階段。

(3）φ4mm開孔的2D-C/SiC復合材料開孔試件的拉伸凈強度較標準拉伸試件強度下降不明顯，開孔直徑增大為6mm時，拉伸凈強度下降比例有所增加;兩種開孔試件的拉伸失效模式均與標準拉伸試件相同，斷口為平齊斷口。

(4）模擬結果可知，φ4mm開孔試件最小凈截面上受應變集中影響的區域比例和應變變化梯度都小于φ6mm開孔試件;表明最小凈截面上受應變集中影響的區域比例和截面上應變的分布梯度是影響開孔試件拉伸強度下降的主要因素。

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Tensile Properties and Failure Analysis of 2D-C/SiC Composite Laminates with Circular Holes

GUO Hong-bao1， WANG Bo1， JIAO Gui-qiong1， YANG Cheng-peng1， LIU Yong-sheng2
(1.School of Mechanics，Civil Engineering and Architecture，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，China;2.School of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

Tensile properties and failure modes of the φ4mm and φ6mm open-hole specimens of a 2D-C/SiC composite under tensile loading were investigated.The influence of notch size on the open-hole specimen's tensile strength was analyzed by comparing with standard specimen's experimental results.Compared with the standard specimen，the tensile strength values of φ4mm and φ6mm openhole specimens decrease by 1.0%and 6.6%separately.By sticking strain gauges at different locations of the open-hole specimen，the strain variation in the narrowest net section was obtained during the tensile test，and the strain concentration effect was also clearly expressed.Meanwhile，by finite element analysis(FEA），the strain distribution in the open-hole specimen was simulated.The FEA results have good consistence with experimental data.By Acoustic Emission(AE）measurement，the damage evolution of the notched specimen was derived.The AE parameters reflect the macroscopic damage process of the open-hole materials.Combined with fracture section observations，the failure behavior of the open-hole specimens was concisely discussed.

2D-C/SiC composite;open-hole specimens;tension;damage evolution;failure

10.3969/j.issn.1005-5053.2012.4.015

O34;TB332

A

1005-5053(2012）04-0080-07

2012-01-01;

2012-03-16

郭洪寶(1986—），男，碩士研究生，主要從事先進復合材料力學行為的研究，(E-mail）guohongbao1101@126.com。