YB-DM-10航空定向有機玻璃疲勞裂紋擴展性能

趙景云，Bamber BLACKMAN,顏 悅，張 旋，張曉雯

(1 中國航發北京航空材料研究院，北京100095；2 英國帝國理工學院，倫敦 SW7 2AZ)

座艙透明件是飛機上重要的功能結構件，也是飛機相對薄弱的結構。它的承載能力直接關系飛機及飛行員的安全。座艙玻璃的承載能力與透明件的性能息息相關。而在實際應用中，風擋玻璃表面容易產生各種劃痕和缺陷，但裂紋存在并不一定意味著座艙蓋就存在危險，含裂紋的有機玻璃一般在裂紋形成后仍然具有較長的使用壽命。所以開展有機玻璃的損傷容限性能研究非常必要。而損傷容限性能的重要研究基礎是航空透明件玻璃的疲勞裂紋擴展研究[1]。

近年來國內外很多學者針對航空透明件材料的疲勞裂紋擴展進行研究，國外的研究大多集中在非定向有機玻璃的疲勞裂紋擴展研究，包括裂紋擴展模型[2]、疲勞裂紋擴展的影響因素等方面[3-6]。國內學者大多針對YB-DM-3定向有機玻璃進行研究。高宗戰等[7-8]對MDYB-3有機玻璃在-50～90℃范圍內進行了裂紋擴展實驗研究。基于Paris裂紋擴展公式，結合有機玻璃疲勞裂紋擴展特性，得到了描述有機玻璃裂紋擴展行為的公式。賈敬華等[9]實驗測定和分析了YB-MD-3有機玻璃的等幅疲勞裂紋擴展規律和疲勞裂紋擴展門檻值。王泓等[10]對有機玻璃疲勞裂紋擴展的控制參量進行了研究。肖健[11]全面研究了YB-MD-3有機玻璃的疲勞裂紋特性。

YB-MD-10是國內錦西院最近研發的一種高性能定向有機玻璃，已漸漸應用在很多高性能要求的飛機風擋上。但該種材料的疲勞裂紋擴展性能在國內還鮮見研究。國內鮮有對定向玻璃板材平面內不同角度的試樣的疲勞裂紋擴展特性進行研究。本工作對YB-MD-10有機玻璃進行了疲勞裂紋擴展研究。測定了其疲勞裂紋擴展中應力強度因子范圍ΔK的閾值ΔKTH；并研究了平面內不同角度、不同頻率和應力比對疲勞裂紋擴展速率的影響。本工作的實驗結果和結論為該種定向有機玻璃的應用以及航空座艙透明件損傷容限性能研究奠定了基礎。

1 實驗材料與方法

1.1 測試試樣及裂紋預制

實驗件材料為YB-DM-10定向有機玻璃，試樣為緊湊拉伸(Compact Tension，CT)[12]，根據標準BS ISO15850-2002確定試樣的尺寸，如圖1所示。文獻[13]中指出雙向拉伸的定向有機玻璃的某些性能可能存在各向異性。為了研究切割角度對疲勞擴展的影響，在板材上取樣時與板材拉伸方向分為3種取樣角度：0°，45°，90°。

圖1 用于疲勞裂紋擴展測試的CT試樣Fig.1 CT specimen for fatigue crack propagation testing

1.2 實驗設備和裂紋測量方法

所有的疲勞測試在帶有數字控制系統的INSTRON8872疲勞測試機上進行。實驗環境溫度為20℃。該疲勞機的軸向載荷量程為-25～25kN，加載精度為：設定值的±5%或載荷量程的0.005%中較大值。后續門檻值測試時最小的載荷約為30N，此時的加載精度為設定值的±5%(±1.5N)，能夠實現穩定加載。

應力強度因子范圍ΔK是控制裂紋擴展速率da/dN的基本參數[11]，疲勞裂紋擴展曲線主要分為3個區：近門檻區、穩態擴展區和快速擴展區。其中穩態擴展區可以用Paris公式表示[12]。裂紋擴展速率直接利用式(1)由裂紋長度和循環周期來確定：

(1)

CT試樣的應力集中系數范圍ΔK用式(2)計算：

13.31α2+14.72α3-5.60α4)

(2)

本工作中主要采用柔度法(裂縫計)[14]來測量疲勞裂紋擴展中的裂紋長度，并結合光學法對其進行校正。裂縫計用在柔度法中，引入系統的控制系統。

通過柔度法直接得到的測量數據為一系列循環周期的裂縫計開口距離。通過公式(3)計算a/W：

a/W=C0+C1Ux+C2(Ux)2+C3(Ux)3+

(3)

其中：E是楊氏模量，本工作實驗材料的楊氏模量為3300MPa；V是裂縫計在位置(X/W)的開口距離。依據標準BS ISO 15850-2002中給出的C0～C5系數值，結合光學法測試結果對其進行修正得到C0～C5系數的修正值：C0=1.00049,C1=-4.214,C2=12.843,C3=-134.75,C4=619.23,C5=-939.40。

最后由公式(1)，(2)計算得到da/dN和ΔK，繪制da/dN-ΔK對數曲線。

為了排除初始裂紋的影響[15]，刪掉最初的幾個測試數據。光學法和柔度法測得的數據對照如圖2所示：相比光學法測到離散的裂紋長度數據，柔度法可以得到連續的裂紋長度，且測量到的數據范圍更大。

圖2 光學法和柔度法數據對比Fig.2 Data comparison between optical and compliance method

1.3 疲勞裂紋擴展測試

所有的疲勞裂紋擴展測試載荷曲線為正弦曲線。頻率用f表示，應力比(ΔPmin/ΔPmax)用R表示。主要用da/dN-ΔK的圖表來表示測試結果。疲勞測試前需要首先參照實驗標準BS ISO 13586-2000對試樣進行靜態測試確定材料斷裂的最大載荷，進而確定疲勞測試中適用的載荷。試樣靜態測試的結果如表1所示。

表1 CT試樣靜態測試結果Table 1 Static testing results of CT specimens

1.3.1 ΔKTH測試

首先需要進行ΔKTH測試來得到此種材料的應力集中系數范圍的閾值。在3種加載頻率(f=1，2.5，4)條件下，采用位移控制加載。

1.3.2 裂紋擴展影響參數測試

以下疲勞裂紋擴展實驗均采用載荷控制的方法。為了得到不同的參數對裂紋擴展的影響，所有的實驗將被分為兩組：

第1組實驗包含9組測試：不同切割角度方向的試樣(θ=0°，θ=45°，θ=90°，本工作中用θ表示試樣的切割角度)在相同的應力比(R=0.1)、不同的加載頻率(f=1，2.5，4)條件下進行疲勞裂紋擴展測試。

第2組實驗包含9組測試：不同切割角度方向的試樣(θ=0°，θ=45°，θ=90°)在相同的加載頻率(f=4)、不同的應力比(R=0.1，0.25，0.4)條件下進行疲勞裂紋擴展測試。

結合兩組測試數據能得到切割角度、頻率和加載應力比對疲勞裂紋擴展速率的影響。

2 實驗結果

2.1 K閾值測試及結果分析

ΔKTH測試采用位移控制。對試樣加載的位移在整個測試過程中為常值，當裂紋長度增長時，載荷范圍變小，從而使裂紋擴展速度越來越慢直至沒有裂紋擴展發生。測試從一個相比KIC來說比較小的ΔK開始，初始的ΔK值定為0.98MPa·m1/2。測試過程中的載荷曲線和裂紋長度如圖3所示。

圖3 循環加載過程中載荷和裂紋長度的變化Fig.3 Load and crack length versus loading cycle

圖4所示為3個加載頻率條件下的測試結果：f=4的試樣裂紋擴展較好。當ΔK接近閾值附近時，裂紋增長速率下降很快。隨著da/dN的下降，ΔK收斂于一個穩定值。此時da/dN小于1×10-8m/cycle，此材料的應力集中系數范圍閾值ΔKTH可以被確定為0.635MPa·m1/2。

圖4 ΔKTH測試曲線Fig.4 Test data for ΔKTH

2.2 相關參數對疲勞擴展速率的影響

2.2.1 切割角度的影響

不同切割角度的試樣在相同的加載頻率和應力比下的實驗結果如圖5所示：在穩定擴展區域(線性區域)，試樣的裂紋擴展速率(da/dN)和Pairs Law[16]有很好的一致性；在加載頻率和應力比相同的情況下，定向有機玻璃試樣的切割角度對疲勞裂紋擴展基本無影響。

圖5 不同切割角度的試樣的測試結果 (a)f=1，R=0.1;(b)f=4，R=0.1;(c)f=4，R=0.4Fig.5 Plot showing data results of specimens with different cutting angles (a)f=1，R=0.1;(b)f=4，R=0.1;(c)f=4，R=0.4

2.2.2 加載頻率的影響

應力比相同的條件下，試樣在不同的加載頻率下的實驗結果如圖6所示：在穩定擴展區域，頻率對疲勞裂紋擴展速率沒有明顯的影響；在快速擴展區域，隨著頻率的增加，試樣的疲勞裂紋擴展速率(da/dN)變大。

圖6 不同加載頻率的試樣實驗結果 (a)R=0.1，θ=0°;(b)R=0.1，θ=45°;(c)R=0.1，θ=90°Fig.6 Plot showing data results of different f (a)R=0.1，θ=0°;(b)R=0.1，θ=45°;(c)R=0.1，θ=90°

頻率增高使裂紋尖端的溫度增高，而溫度升高可以導致計算的裂紋長度比實際值大。這可以解釋疲勞裂紋擴展速率數據在快速擴展區域隨頻率增加而升高的現象。

2.2.3 應力比的影響

不同應力比下的實驗結果如圖7所示。Paris Law和Walker公式以及測試數據回歸公式后的結果見表2。

圖7 不同應力比的試樣實驗結果 (a)f=4，θ=0°；(b)f=4，θ=45°；(c)f=4，θ=90°Fig.7 Plot showing data results of different R (a)f=4，θ=0°；(b)f=4，θ=45°；(c)f=4，θ=90°

可以看出，在相同的ΔK情況下，隨著應力比的升高，試樣的疲勞裂紋擴展速率加快；不同應力比條件下的測試點擬合的Paris Law公式中的常數m的標準偏差較高。可以看出當應力比增加時，常數m也增加；不同應力比的實驗結果擬合的Paris Law公式的常數A完全不同，當應力比增加時，A值也增加。

綜上分析，Paris公式不能表示應力比R對疲勞裂紋擴展速率的影響。在此引入Walker公式[9]對數據的近似線性段進行重新擬合。假設Walker公式中C,m,R為未知參數，對相同頻率下的3組數據(應力比R不同)進行數據擬合。擬合后的結果顯示：不同切割角度的試樣測試結果擬合的公式常數標準偏差較小，進一步說明可以忽略定向玻璃試樣切割角度的影響，此種定向有機玻璃的疲勞裂紋擴展速率可以表示為：

(4)

其中da/dN的單位為m/cycle,ΔK的單位為MPa·m1/2。

2.3 疲勞斷裂表面

試樣典型疲勞斷裂表面如圖8所示。疲勞斷裂表面不同于靜載斷裂表面[17]，典型位置包括：最初的疲勞裂紋擴展表面，疲勞裂紋擴展結束階段，快速裂紋擴展階段表面。其中X方向為試樣的寬度方向，Y方向為裂紋擴展方向。可以看出在最初的疲勞裂紋擴展表面出現的是相對較為均勻的豎條紋；疲勞裂紋擴展的結束階段出現較為粗糙的深溝紋；快速裂紋擴展階段表面較為光滑，有一些分布不均的水紋。

圖8 斷裂表面的典型位置Fig.8 Fracture surface of specimen and typical location

圖9所示為3個典型位置的裂紋擴展表面，此種材料疲勞斷裂表面主要表現為沿裂紋擴展方向(Y向)的豎條紋。隨著疲勞裂紋長度增加，疲勞裂紋擴展表面的豎條紋間距增大，斷裂表面變得粗糙。其中疲勞裂紋擴展區域的結尾階段表面最為粗糙，如圖9所示。這是由于對應更大的ΔK，裂紋擴展速率增加，更快的斷裂造成更為粗糙的表面。

圖9 疲勞裂紋擴展試樣的典型斷裂表面(a)疲勞裂紋擴展的初始階段;(b)疲勞裂紋擴展的結束階段;(c)快速裂紋擴展階段Fig.9 Typical fracture surface of specimens(a)initial phase of fatigue crack propagation;(b)ending phase of fatigue crack propagation;(c)phase of rapid crack propagation

通過對比不同實驗條件下的裂紋擴展表面來分析各種因素對疲勞裂紋擴展的影響，限于篇幅，以最初的疲勞裂紋擴展表面為例進行對比分析。當加載頻率不同時，在疲勞裂紋擴展區域，更高頻率試樣的斷裂表面形成的豎條紋比低頻率試樣表面的豎條紋更密集，表面更光滑，如圖10所示。當應力比不同時，在疲勞裂紋擴展區域，應力比越大的試樣斷裂表面比應力比低的表面的豎條紋更稀疏，表面更粗糙，如圖11所示。

圖10 加載頻率不同的試樣的斷裂表面對比 (a)f=1；(b)f=4Fig.10 Fracture surface comparison of specimens with different f (a)f=1；(b)f=4

圖11 應力比不同的試樣的斷裂表面對比 (a)R=0.1；(b)R=0.4Fig.11 Fracture surface comparison of specimens with different R (a)R=0.1；(b)R=0.4

3 結論

(1)通過位移控制的方法對YB-DM-10有機玻璃進行ΔK閾值測試得到該定向有機玻璃的ΔKTH=0.635MPa·m1/2。

(2)不同切割角度的試樣在同樣參數下進行疲勞裂紋擴展實驗，實驗結果基本一致；此結論說明，此種定向玻璃的疲勞裂紋擴展性能不隨方向的變化而改變，板材平面內各個方向的裂紋擴展速率可認為是一致的。

(3)在疲勞裂紋擴展的線性區域，頻率對疲勞擴展速率沒有明顯的影響。在快速擴展階段，不同加載速率下的數據開始產生分離；這可能是由于頻率的改變引起溫度的改變而使柔度法測試的裂紋長度產生偏差造成的。

(4)相同的ΔK情況下，隨著應力比的升高，試樣的疲勞裂紋擴展速率加快；數據曲線的斜率變化不大，但截距變化大。