1、引言
隨著科學技術的進步和輕量化的發(fā)展趨勢，復合材料逐漸出現(xiàn)在了各行各業(yè)之中，首當其沖的就是汽車行業(yè)。由于復合材料強度高、剛度大、質(zhì)量輕、具有良好的可設計性，與傳統(tǒng)金屬相比，可以在同等性能條件下大幅減重，為安裝、運輸都提供了巨大的方便；且復合材料具有更好的耐腐蝕、疲勞性能，具有良好的發(fā)展前景。復合材料具有各向異性的特性，即使是同一種材料，不同的鋪層設計也會導致其性能上的差異，所以研究復合材料的性能具有十分重要的意義。
碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)可以說是目前應用最受青睞的復合材料，相比于傳統(tǒng)的金屬材料，其出色的疲勞性能一直是國內(nèi)外專家學者的關注對象。疲勞性能是工程應用中產(chǎn)品可靠性研究的重要內(nèi)容之一。目前大多數(shù)CFRP疲勞性能研究著重于單向鋪層或者正交鋪層的拉-拉疲勞，而在很多工程應用的場合之中，如傳動軸，剪切破壞是重要的破壞模式，對其疲勞性能的研究十分重要。V型缺口的剪切疲勞試驗相對于其他研究方法，可以獲得更加均勻的應力分布，以及純剪切的應力狀態(tài)，所以本文采用V型缺口試驗的方法，對CFRP的剪切疲勞性能進行研究和探索。
2、試驗
2.1 試樣制備
本文的試驗基于標準ASTM/D7078，試樣制備的要求也按照標準執(zhí)行，圖1為試樣的尺寸圖。試樣的制備按照裁料-制板-固化-裁切-精加工的流程制造，其中材料的參數(shù)見表1。
圖1 V型缺口試樣尺寸圖
表1 CFRP性能參數(shù)
對于已經(jīng)制備完成的試樣進行靜力性能抽樣測試，檢驗試樣的合格性，同時測量其靜力的剪切強度。
2.2 試驗結果
對V型缺口試樣的剪切疲勞試驗進行完成之后，得到如下疲勞數(shù)據(jù)，見表2。剪切強度計算結果與試驗測試結果相差不大，在每個應力水平下疲勞試樣的累計循環(huán)次數(shù)也都在一個數(shù)量級之內(nèi)，屬于可接受范圍。其中在應力水平為0.7以下時，試驗循環(huán)數(shù)到達106沒有破壞，認為材料到達疲勞極限。
表2 CFRP剪切強度
表3 CFRP剪切疲勞試驗結果
如圖4所示為疲勞數(shù)據(jù)以及其擬合曲線。
圖4 S-N曲線
(1) s=0.75
(2) s=0.7
(3) s=0.8
圖5 試驗結束后試樣圖
(1)和(3)試樣經(jīng)過試驗后發(fā)生破壞，其破壞模式為45°方向的剪切破壞。其中(1)為s=0.75應力條件下的破壞形式，(3)為s=0.8條件下的破壞形式，明顯高應力條件下破壞更為迅速，纖維大多同時斷裂，而低應力條件下發(fā)生了更加明顯的纖維斷裂后的應力重新分布，纖維斷裂位置有所不同；(2)為經(jīng)過106循環(huán)之后仍未破壞的效果。
4、結論
本文研究采用V型缺口試樣測試碳纖維復合材料剪切疲勞試驗，該方法可以獲得純剪切狀態(tài)以及更加均勻的應力分布。對碳纖維復合材料V型缺口試樣進行了應力比為0.05的剪切疲勞試驗，獲得了該CFRP的S-N曲線，與金屬的S-N曲線的對比，可見其疲勞強度大于傳統(tǒng)金屬的疲勞強度，說明碳纖維復合材料具有良好的疲勞性能。
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