碳纖維布加固鋼軸扭轉性能實驗研究

駱青業

（北京航天試驗技術研究所， 北京100074）

0 引言

碳纖維復合材料（簡稱CFRP）加固修復技術是一種高效率、低成本的先進方法，已經成功應用在土木工程上[1-2]。近年來，碳纖維增強復合材料在加固修復鋼結構靜力拉伸和疲勞破壞的研究與應用上也取得了一定的成果[3-4]。

實際工程中， 許多鋼軸零件在長期的使用過程中，由于工作環境的腐蝕，以及初始缺陷的存在，往往經過一定時期的使用，因出現裂紋而不能繼續使用，或者在未達到極限應力時發生了破壞[5-6]。 本文從扭轉過程中，從軸的受力狀態出發，考慮了碳纖維復合材料各向異性的特點，制定了合理的碳纖維布粘貼方案，保證了鋼軸在扭轉過程中， 碳纖維布能充分發揮纖維方向的高強度。實驗通過研究碳纖維布對鋼軸的加固作用，表明了碳纖維布加固技術應用在受扭軸零件上具有承受載荷，安全使用的可行性。

1 實驗設計

1.1 實驗材料

實驗用鋼軸試件材料為45 號鋼， 抗拉強度為600MPa，屈服強度為355MPa，彈性模量為210GPa，泊松比為0.28。 按GB/T 10128-2007《金屬材料室溫扭轉試驗方法》中的標準尺寸進行加工，試件取直徑10mm，標距為50mm，平行長度70mm。

實驗采用了兩種雙組分的環氧樹脂膠結劑：QS-1618（透明色，脆性）；QS-1619（乳白色，塑性）。 碳纖維布復合材料采用經國家建筑材料測試中心檢驗合格的單向布。主要力學性能參數指標見表1。

表1 碳纖維布力學性能參數Tab.1 Performance parameters of CFRP

1.2 碳纖維布的粘貼步驟

（1）尺寸計算。 對于受扭轉的鋼軸而言，它受純剪切作用，最大主應力方向與軸線成45°。 碳纖維布采取纖維方向與軸線成45°螺旋纏繞方案。理論計算碳纖維布的需求尺寸，并裁剪。

（2）表面處理[8]。砂紙打磨軸試件，采用丙酮擦洗去掉表面的油污與碎屑。

（3）碳纖維布粘貼。將環氧樹脂膠的主劑和固化劑按比例2∶1 均勻混合，涂抹在軸試件上。 將碳纖維布沿與軸向成45°方向螺旋纏繞粘貼。

（4）固化。將粘貼好的軸試件放置至少24h。對于需要粘貼雙層的鋼軸，待第一層完全固化后，再根據步驟（3）粘貼第二層。

1.3 方案設計

扭轉鋼軸試件主要尺寸見圖1，總長為220mm，端部直徑15mm，為了便于扭轉實驗機對試件的加持，端部加工成扁平狀。 受扭轉部分長度120mm，直徑10±0.2mm。

圖1 試件尺寸圖Fig.1 Dimensions of the sample

實驗分為兩組，共6 個鋼軸試件。

第 一 組，4 個 試件： ①基礎試件；②QS-1618 類型的膠，粘貼單層碳纖維布；③QS-1619 類型的膠，粘貼單層碳纖維布；④QS-1619 類型的膠，粘貼雙層碳纖維布，見圖2。

圖2 鋼軸試件Fig.2 Steel axis samples

第二組2 個試件：（1）基礎試件；（2）QS-1619 類型的膠，粘貼單層碳纖維布，并錨固，見圖3。 為了降低錨固對試件扭轉實驗受力的影響，將錨固內圓孔加工成錐形，在錨固碳纖維布受力時，錨固靠近夾持端一側為線接觸受力，錨固尺寸圖見圖4[9-10]。

圖3 錨固的鋼軸試件Fig.3 Steel axis sample with anchorage

圖4 錨固尺寸圖Fig.4 Dimensions of the anchorage

實驗采用靜力扭轉實驗機，實驗裝置見圖5，扭矩施加方向應保證碳纖維布受到拉伸。實驗過程中，開始階段采用6°/min的加載速度；當過了屈服階段，均勻的增加加載速度，采用90°/min 的加載速度，直至試件發生扭轉斷裂。

圖5 扭轉實驗裝置Fig.5 Experimental apparatus for torsion

2 結果與討論

2.1 不同性能環氧樹脂對鋼軸屈服扭矩的影響

分析粘貼單層碳纖維布的鋼軸， 分別使用QS-1618 與QS-1619 兩種不同性能的環氧樹脂膠。從扭矩-扭轉角曲線可見，QS-1618 膠屬于脆性膠， 在軸試件的扭轉過程中，能聽到碳纖維布從軸表面脫離的聲音， 表現為曲線的波動。 QS-1619 膠屬于塑性膠，扭轉超過屈服扭矩時，只出現過一次曲線的突變。

實驗結果表2 表明，兩種環氧樹脂膠分別可以提高屈服扭矩11.20%和10.73%。 由于鋼軸在扭轉斷裂過程中，碳纖維布從軸表面脫離，因此討論碳纖維布對斷裂時扭矩和扭轉角的變化沒有實際意義， 只取了部分扭矩-扭轉角曲線。

圖6 第一組扭矩-扭轉角曲線Fig.6 The first curve of torque-torsion angle

表2 屈服扭矩數據Tab.2 The date of yield torque

2.2 層數對鋼軸屈服扭矩的影響

分析采用QS-1619 型環氧樹脂，膠粘貼單、雙層碳纖維布的鋼軸，屈服扭矩相對于基礎試件可以提高19.43%；相對于粘貼單層碳纖維布的鋼軸而言， 可以進一步提高軸試件的屈服扭矩。可見，隨著粘貼層數的增多，屈服扭矩提高的效果更加明顯，但不是成線性關系增加。同樣的，碳纖維布的失效形式也是從鋼軸表面脫離，而不是斷裂。

2.3 錨固對鋼軸屈服扭矩的影響

針對第一組實驗過程中碳纖維布從鋼軸表面脫離的失效問題，采取對粘貼碳纖維布的鋼軸進行錨固[9]，鋼軸的屈服扭矩由52.39Nm 增加到了59.44Nm， 提高了13.46%，碳纖維布能夠充分發揮其高強度的特性，直至斷裂。 碳纖維布發生斷裂時，扭矩-扭轉角曲線表現為扭矩發生大幅度的驟降，然后緩慢恢復，見圖7。 此時，承載扭矩提高最多，承載扭矩由91.8N·m 提高到了117.08N·m，增加了27.54%；扭轉角由447.1°降到了110.64°，減小了77.49%。 鋼軸的斷裂實物圖見圖8。

圖7 錨固下的扭矩-扭轉角曲線Fig.7 Curve of torque-torsion angle with anchorage

圖8 斷裂實物圖Fig.8 Photo of the fracture

2.4 鋼軸的抗變形分析

從扭矩-扭轉角曲線可以看出，碳纖維布對鋼軸的加固效果主要體現在屈服階段和強化階段。 對于強化階段， 粘貼碳纖維布的鋼軸曲線都在基礎試件之上，說明粘貼碳纖維布能限制鋼軸的變形。分別提取鋼軸受到扭矩為60～110Nm之間的6 個扭轉角，見表3，并分析扭轉角的減小率。 粘貼碳纖維布加固后的鋼軸，能很好的減小鋼軸的扭轉角，最大減小量80.33%。采用錨固措施后，可以將扭轉角的減小量控制在60%～80%之間，效果顯著。

圖9 扭轉變形分析Fig.9 Analysis of torsion deformation

表3 采樣扭矩數據Tab.3 The date of sampling torque

3 結論

碳纖維布由于具有抗拉強度高，密度小特點。高的比強度加固軸后不會對外形尺寸改變太大， 也不會增加太多自重。鋼軸扭轉過程中，橫截面上任意一點的剪應力和剪應變與該點的極坐標呈正比關系， 軸最外圓上剪應力和剪應變最大。碳纖維布粘貼到鋼軸外表面，充分發揮其高強度，可以承受最大剪應力和剪應變，從而提高軸的抗扭性能。關鍵是碳纖維布要始終發揮作用，與鋼軸外表面貼合，同步變形，不能剝離。 通過本文的實驗分析得出下列結論：

粘貼單層碳纖維布的鋼軸， 采用不同性能的兩種環氧樹脂分別可以將屈服扭矩提高了11.20%和10.73%。采用錨固后，鋼軸的屈服扭矩提高了13.46%。

粘貼雙層碳纖維布的鋼軸屈服扭矩提高了19.43%。粘貼碳纖維布層數越多對于屈服扭矩的提高作用越大，但并不是線性增加。

碳纖維布能有效地減小鋼軸的扭轉角， 以錨固后的鋼軸效果最明顯。

碳纖維布加固受扭鋼軸， 環氧樹脂是碳纖維布加固發揮作用的薄弱環節，容易造成碳纖維布的脫離，影響碳纖維布發揮高強度性能。 采取錨固措施對于碳纖維布性能的發揮具有重要改善。