碳纖維增強樹脂基復合材料加工表面粗糙度對疲勞性能的影響

范文濤，陳 燕，陳逸佳，謝松峰

(南京航空航天大學，江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室，南京 210016)

0 引 言

碳纖維增強樹脂基(CFRP)復合材料因具有高比強度，高比模量以及良好的耐腐蝕性、耐疲勞性和阻尼減震性，在航空航天領域得到了廣泛應用[1]。目前CFRP復合材料零件主要采用近凈成形技術進行制備，為了滿足零件最終的形狀、尺寸和裝配要求，還經常需要對CFRP復合材料零件進行切邊加工。航空制造業對CFRP復合材料零件機加工后的毛刺、撕裂、分層缺陷以及表面粗糙度都有標準要求[2-3]。在復合材料零件缺陷和表面粗糙度滿足標準的前提下，表面粗糙度不同對疲勞性能的影響還沒有明確定論，而研究加工表面粗糙度對復合材料疲勞性能的影響有著重要意義。

目前，工業領域用于評定復合材料零件加工表面的表面粗糙度參數為算術平均高度(Ra)。該參數最初是用來評定金屬材料加工表面質量的，當用于評定復合材料時存在一定不足[4]。韓勝超[3]發現纖維切削角為45°的CFRP復合材料纖維層中會隨機產生大量微坑缺陷，這對Ra的測試有較大干擾性，同一加工表面不同位置Ra檢測結果會出現較大差異。相比于Ra，三維表面粗糙度Sa可反映整個表面的高度偏差信息，從而避免復合材料表面粗糙度測試中的干擾[5]。

隨著CFRP復合材料在飛機主承力結構上的應用日益增多，以及輕量化要求的日益提高，復合材料結構的疲勞問題日益凸顯[6]。目前，對復合材料疲勞性能的研究主要集中在環境以及材料本身的影響方面，并常用到疲勞壽命模型及剛度退化模型[7]。方毅[8]采用壽命預測及剛度退化模型研究了濕熱老化對碳纖維/環氧樹脂板材拉伸疲勞性能的影響，較好地解釋了CFRP復合材料板材的濕熱老化過程。HADDAD等[4]研究了臨界剛度退化率與CFRP復合材料疲勞壽命之間的關系，發現臨界剛度退化率越高的試樣疲勞壽命越長。DORMOHAMMDI等[9]研究發現，復合材料在疲勞過程中的損傷演化大體上可以分為3個階段：I階段為疲勞起始階段，主要表現為基體彌散性開裂，各單層內裂紋擴展，剛度劇烈下降，該階段占總疲勞壽命的比例一般小于20%，一般以基體裂紋密度達到飽和狀態為結束標志，該狀態稱為特征損傷狀態(CDS)[10-11]；Ⅱ階段占據疲勞壽命的比例很大，表現為剩余剛度緩慢線性下降，損傷類型主要為纖維斷裂、基體開裂以及基體-纖維界面的脫膠、分層；Ⅲ階段為臨近失效階段，主要表現為纖維大規模斷裂，層合板失效，剛度快速下降，該階段占總疲勞壽命的比例非常小，表現出“突然死亡”的特征[12]。剛度退化模型能持續地監測復合材料疲勞損傷的過程，從而能更直觀地分析表面粗糙度對疲勞壽命的影響機理。

ANANDAN等[13]研究了金屬基復合材料加工表面缺陷對疲勞性能的影響，發現表面粗糙度大的試樣疲勞壽命有所下降。然而，目前涉及加工表面粗糙度對樹脂基復合材料疲勞性能影響的研究還比較缺乏。因此，作者采用磨銷和銑銷加工出具有不同表面粗糙度的CFRP復合材料試樣并進行了拉-拉疲勞試驗，基于剛度退化模型研究了加工表面粗糙度對疲勞性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為多向CFRP復合材料層合板，其中基體材料為環氧樹脂，增強材料為東麗公司生產的T800型碳纖維，纖維體積分數為65%。層合板的鋪層方向為[(-45°/90°/45°/0°)2]s，共16層，厚度為2.7 mm。采用金剛石砂輪片將層合板加工成邊長為200 mm的方形板，采用磨削和銑削兩種工藝制備側面具有不同表面粗糙度的試樣，銑削方式為在方形板中間進行槽銑，槽銑后的兩個面分別代表了逆銑和順銑的加工方式，得到的兩半試樣分別記為逆銑試樣和順銑試樣。磨削制得靜拉伸試樣和疲勞試樣各一組，逆銑和順銑分別制得疲勞試樣3組，靜拉伸試樣每組6個，疲勞試樣每組3個，靜拉伸試樣和疲勞試樣的尺寸均為長度200 mm，寬度12 mm，厚度2.7 mm。

采用Sensofar型3D光學輪廓儀對加工后的試樣表面進行非接觸式拍攝和測量，選用Nikon20倍鏡，單個視場范圍為877 μm×660 μm，x、y軸采樣間距均為0.645 μm，縱向分辨率為8 nm，橫向分辨率為0.31 μm，數值孔徑為0.45，拍攝12個視場，拼接后裁取2 mm×2 mm的采樣面積，得到試樣表面三維形貌及各點坐標，通過計算得到表面粗糙度Sa。

按照ASTM D3039標準，采用CMT7504型萬能試驗機進行靜拉伸試驗，拉伸速度為2 mm·min-1。按照ASTM D3479，采用Rzutest型疲勞試驗機進行疲勞試驗，使用恒定振幅的正弦波形，加載頻率為6 Hz，應力比為0.1，綜合考慮試驗條件及研究需要，選擇靜拉伸試驗測得的拉伸強度的55%，60%，65%為外加最大應力，在每種最大應力水平下測3次求平均值，試驗機記錄每次循環的最大載荷Fimax、最小載荷Fimin、最大變形量Limax、最小變形量Limin。

2 試驗結果與討論

2.1 表面粗糙度及SEM形貌

由圖1和圖2可見，不同加工條件下得到的CFRP復合材料試樣加工表面形貌差異顯著。

圖1 不同工藝加工CFRP復合材料試樣表面的三維形貌

圖2 不同工藝加工CFRP復合材料試樣的表面SEM形貌

磨削試樣表面質量整體較好，表面最高峰均位于層間樹脂處，高24 μm。磨削試樣在0°纖維鋪層上為沿纖維方向切削，該鋪層切削后的表面較為平整，由于砂輪磨粒的高度并不完全一致，在相對較高的磨粒作用下，一些纖維被切削去除，從而產生空隙，這些纖維空隙會形成寬約8 μm的谷區。纖維空隙形成的谷區會引起應力集中，從而影響到材料的力學性能。磨削試樣其余鋪層的纖維方向已經很難直接看出，且表面都較為平整。順銑試樣在45°纖維鋪層上存在大量凹坑，最深處可達80 μm，這些凹坑的形成是由于纖維發生了彎曲斷裂，纖維斷裂的位置在刀具刃口平面以下，此處大量的纖維被拔出或者露頭，僅存的完整平面上均被樹脂涂覆。順銑試樣在45°纖維鋪層上的銑削表面質量最差，過多以及過深的谷區也易引起應力集中。順銑試樣表面最高峰均位于45°纖維鋪層兩側層間樹脂處，高度在10～20 μm，這些樹脂在切削過程中發生塑性變形，并隨著該鋪層纖維的彎曲斷裂呈不規則形狀隆起。順銑試樣0°纖維鋪層的加工面由裸露的纖維和少量破碎的樹脂組成，少量長纖維被刀刃切碎。順銑試樣90°纖維鋪層銑削表面與-45°纖維鋪層類似，大多被樹脂涂覆，存在少量纖維斷口。逆銑試樣表面45°纖維鋪層的凹坑與順銑試樣相比較淺且面積較小，最深處約為40 μm，其余鋪層上的形貌與順銑試樣相差不大。

表面粗糙度Sa的計算公式為

(1)

式中：A為取樣區域的面積；z(x，y)為測試點(x，y)的高度。

通過計算得到磨削、逆銑和順銑試樣的Sa分別為1.2，3.2，5.9 μm，表面粗糙度依次增大。

2.2 靜態拉伸性能

在拉-拉疲勞試驗之前，需要對材料的靜態拉伸性能進行測試。磨削試樣表面粗糙度較小，缺陷較少，因此將磨削試樣作為此CFRP復合材料的拉伸性能測試標準件。由圖3可知，試樣在發生破壞之前，應力-應變曲線基本呈線性關系，不同磨削試樣的應力-應變曲線較為一致，拉伸強度離散性較小。測得CFRP復合材料的拉伸強度為719 MPa，彈性模量為45.8 GPa，均符合ASTM D3479標準。

圖3 磨削試樣的靜態拉伸應力-應變曲線

2.3 疲勞壽命

選擇靜拉伸試驗測得的拉伸強度的55%,60%,65% ，即395，431，467 MPa作為外加最大應力進行疲勞試驗。由表1可知：在相同應力循環下，不同加工表面粗糙度試樣的疲勞壽命測試值均存在較大離散度；在相同外加應力下，CFRP復合材料試樣的疲勞壽命隨加工表面粗糙度的增大而下降，當最大應力逐漸增大后，不同加工表面粗糙度試樣之間的疲勞壽命差異減小，由此可推測，隨著最大應力進一步增大，疲勞壽命會更加接近。

表1 CFRP復合材料試樣的疲勞壽命

2.4 剛度退化演化及斷口形貌

剩余剛度Ei表達式為

(2)

將剩余剛度以及疲勞壽命進行正則化處理，以消除外界因子的影響，曲線的變化仍然服從原有的規律。正則化處理表達式為

E*=Ei/E0

(3)

N*=n/Nf

(4)

式中：E*為正則剛度；E0為最大剛度；N*為正則疲勞壽命；Nf為疲勞壽命；n為當前循環次數。

在最大應力為395 MPa時，CFRP復合材料試樣的疲勞壽命相對較長，剛度退化演化過程更加完整，因此選擇在該最大應力下進行剛度退化分析。試樣在剛度退化達到臨界狀態時發生疲勞斷裂。由圖4可知，不同表面粗糙度CFRP復合材料試樣剛度退化過程的Ⅲ階段均很短，甚至難以直接觀察到。3個磨削試樣剛度退化曲線的變化較為一致，剛度退化I階段占總疲勞壽命的40%左右，遠超典型剛度退化曲線的I階段占比(不超過20%)。其中：前半段占總疲勞壽命的近20%，剛度下降10%左右，與典型剛度退化曲線的I階段較為類似；后半段剛度幾乎呈線性下降，剛度退化近30%。剛度退化II階段幾乎占據了總疲勞壽命的剩余部分，剩余剛度表現為緩慢線性下降，僅下降了10%，與典型的剛度退化規律較為一致。3個逆銑試樣疲勞壽命的離散性較大，剛度退化曲線有所差異：疲勞壽命最短試樣的剛度退化I階段占總疲勞壽命的近40%，剛度在此階段僅退化20%，相較于其余兩個試樣剛度退化速率較小；疲勞壽命最長試樣在I階段的剛度退化最為明顯，在達到疲勞壽命的20%時剛度下降近35%；疲勞壽命在兩者之間的試樣I階段的剛度退化速率也位于兩者之間。由此可見，I階段剛度退化速率越快，I階段占疲勞壽命比值越小的試樣，疲勞壽命越長。3個順銑試樣的剛度退化曲線總體變化趨勢較為一致，疲勞壽命離散性較小，在I階段剛度退化率越快的試樣疲勞壽命越高。

圖4 CFRP復合材料試樣的剛度退化曲線(最大應力為395 MPa)

由圖5可知，高疲勞壽命(Nf=116 663周次)逆銑試樣的斷口呈多種失效模式，大量纖維發生斷裂或擠壓變形，基體的大規模斷裂造成較多的樹脂脫黏散落在纖維表面，復合材料纖維-樹脂界面的強度弱化，造成纖維脫黏、纖維斷裂、樹脂破碎，這是由于該試樣剛度退化Ⅰ階段疲勞壽命占比小，而Ⅱ階段經歷的疲勞循環次數多，試樣斷口存在顯著的Ⅱ階段損傷特征[9]。低疲勞壽命(Nf=35 648周次)順銑試樣斷口處的纖維與高疲勞壽命試樣相比更加整齊，有較多樹脂拉拔的痕跡，斷裂模式較為單一，由于該試樣的剛度退化Ⅱ階段時間較短，其樹脂基體和纖維還未發生大規模的斷裂試樣就已經失效。

較大的表面粗糙度會使材料在疲勞過程中發生應力集中，從而導致疲勞裂紋萌生擴展[14]。順銑試樣的表面粗糙度(Sa為5.9 μm)和微缺口深度(約80 μm)均最大，而應力集中系數與表面粗糙度及微缺口深度呈正相關關系[15]，因此該試樣的應力集中系數最大，疲勞微裂紋萌生后擴展速率更快，剛度退化初始階段退化速率更高，疲勞壽命更短。3個磨削試樣均經歷了27 000～29 000周次應力循環后完成剛度退化I階段，達到特征損傷狀態；3個逆銑試樣在I階段的循環次數離散性稍大，為21 000～27 000周次不等；而3個順銑試樣在I階段的循環次數為21 000～23 000周次。由此可知，CFRP復合材料試樣表面粗糙度越大，裂紋越快達到飽和狀態，從而更快地結束剛度退化的初始階段，最終使得疲勞壽命降低。另外，在相同應力水平下，疲勞早期裂紋分布更加均勻的CFRP復合材料試樣擁有更長的疲勞壽命，反之裂紋分布集中會使微裂紋過早聚合從而導致壽命縮短[16]。銑削試樣的凹坑集中出現于45°纖維鋪層處，使得微裂紋在此處集中分布，而磨削試樣的表面質量整體較好，微裂紋分布相對均勻，因此銑削試樣疲勞壽命低于磨削試樣。

3 結 論

(1) CFRP復合材料磨削試樣的表面粗糙度Sa為1.2 μm，缺陷主要集中在0°纖維鋪層，有較多纖維缺失從而產生空隙；銑削試樣在45°纖維鋪層表面產生較多凹坑，其中順銑的缺陷更為嚴重，逆銑和順銑試樣的表面粗糙度Sa分別為3.2 μm和5.9 μm。

(2) CFRP復合材料試樣在疲勞試驗過程中剛度發生退化，表面粗糙度越小的試樣在初始階段退化速率越高，疲勞壽命也越高；隨著表面粗糙度的增大，CFRP復合材料的疲勞壽命減小，所受的循環應力水平越大，表面粗糙度的影響越小，疲勞壽命趨于一致。

(3) 表面粗糙度更大的CFRP復合材料試樣裂紋萌生和擴展更為迅速，且裂紋集中分布于缺陷處，裂紋更加密集并過早聚合，使得剛度退化I階段退化速率升高，疲勞壽命降低。