5.1.2.1　多轴向经编复合材料拉—拉疲劳性能

多轴向经编玻璃纤维复合材料试样的拉—拉疲劳试验在MTS Landmark拉压疲劳试验系统上进行，并且外接MTS产品激光位移传感器用来精确测量疲劳实验过程中试样的位移变化情况。

最大应力和最小应力均为拉伸应力时的疲劳称为拉—拉疲劳。根据国家标准GB/T 16779—2008中的拉伸疲劳条件设置试验参数。试验采用力控制模式，采用正弦波交变循环力加载控制，加载正弦曲线如图5-2所示，具体的试验参数如下：

试验设备：MTS Landmark疲劳试验机；

应力比（最小应力与最大应力之比）：R=0.1；

加载频率：5Hz；

试验环境状态：20℃，干态；

施加的应力水平Smax/σult（循环最大应力与静态拉伸下的最大应力之比）：80%，75%，70%。

图5-2　加载正弦曲线

拉—拉疲劳试验选择三个轴向分别是单轴向、双轴向、三轴向，每个轴向取3个应力水平进行试验。正弦波下所选取的应力水平对应的拉伸强度见表5-2。

5.1.2.2　疲劳后残余强度测试

复合材料的剩余强度测试，即在确定某个应力水平下的疲劳循环次数后，对试样进行指定循环次数的疲劳试验，前提是该指定的循环次数少于疲劳总循环次数，以确保试样不被拉断，然后进行静载拉伸试验，测试疲劳试验后的残余强度。三种轴向的玻璃纤维复合材料试样在应力水平为75%下做拉伸疲劳剩余强度测试，分别在疲劳试验N/3和2N/3下停止后进行准静态拉伸，具体的测试条件见表5-3。

表5-2　不同应力水平下的拉伸强力

表5-3　拉伸疲劳剩余强度测试条件

5.1.2.3　S—N曲线

S—N曲线，即为应力水平与循环周期（Stress level vs.Number of cycles）的曲线。它是表征某材料抗疲劳性的重要指标。因此，某材料的疲劳寿命受到应力水平和材料本身抗疲劳寿命的较大影响。1860年维勒提出了疲劳曲线的概念，因此，该曲线也被称为维勒曲线。多轴向玻璃纤维复合材料分别选择三个应力水平（80%、75%、70%），它们的应力水平S与循环数N的对数关系曲线如图5-3所示。

图5-3　多轴向试样S—N曲线

由图5-3可以看出，多轴向玻璃纤维复合材料试样拉伸疲劳的一般规律，即疲劳循环次数随着应力水平的下降而延长。此外，图中的斜率均不同，曲线的斜率表示复合材料疲劳变化的快慢程度。三种复合材料的斜率K的大小为：KT＞KU＞KB。根据正则化理论，复合材料S—N曲线越陡峭，其斜率就越小，则复合材料的抗疲劳能力越差。因此，S—N曲线在一定程度上说明了复合材料试样的疲劳裂纹萌生、扩展以及累积损伤的速度快慢。

另外，对不同轴向的三种复合材料试验的拉伸疲劳S—N曲线比较后可以发现，同一应力水平下的循环数N三轴＞N单轴＞N两轴，这与试样的铺层、成型工艺、试验的裁剪方向等诸多因素有关，这里决定三种轴向复合材料同一应力下循环次数的主要原因为试验铺层和裁剪方向。本次试验中单轴向的玻璃纤维布经纱方向为0°，且纱线经密是纱线纬密的1.35倍，复合材料试样的裁剪方向为0°，这就加强了复合材料试样的循环强度。双轴向的玻璃纤维布纱线排布的方向为+45°/-45°，复合材料试样的裁剪方向为0°，也就是在复合材料试样拉伸的方向没有直接承受循环载荷的经纱，强度较小。三轴向的玻璃纤维布纱线排布的方向为0°/+45°/-45°，复合材料试样的裁剪方向为0°，三轴向的复合材料试样不仅有0°方向玻璃纤维起加强作用，还有其他方向的纤维吸收部分载荷，故而承受循环载荷的能力更强一些。(www.daowen.com)

5.1.2.4　应力—位移曲线

三种轴向的复合材料试样的拉伸应力—位移曲线如图5-4～图5-6所示。

图5-4～图5-6中，三种轴向复合材料试样的拉伸应力—位移曲线在拉伸后期均出现明显的非弹性滞后环，该现象说明三种复合材料均存在位移滞后现象。即复合材料承受的交变循环拉伸应力大于材料本身的弹性极限，试样加载过程中，拉伸的能量大于材料本身卸载能量，此时，材料就会吸收部分能量，造成本身的不可逆变形，反映的结果就为位移的增大，环的斜率变小，刚度也在急剧减小。此外，三种轴向的拉伸应力—位移曲线在加载中期环的斜率基本没有变化，即加载中期复合材料试样的刚度基本不变。

图5-4　单轴向拉伸应力—位移曲线（应力水平：75%；N：4095）

图5-5　两轴向拉伸应力—位移曲线（应力水平：75%；N：2364）

图5-6　三轴向拉伸应力—位移曲线（应力水平：75%；N：15467）

5.1.2.5　疲劳破坏形式

三种轴向的玻璃纤维复合材料试样在应力水平为75%下的疲劳破坏形态如图5-7所示。图中为多轴向经编复合材料疲劳试样，应力水平：75%。A：单轴向试样上下表面（N为4098）；B：两轴向试样上下表面（N为2289）；C：三轴向试样上下表面（N为15467）。

观察三种轴向复合材料试样的断裂形态可以发现，三种轴向的复合材料试样均发生了树脂开裂、纱线断裂和树脂—纱线间的开裂，因此，可以判断这三种形式为试样拉伸疲劳的主要破坏形式。在单轴向和三轴向复合材料试样中，上、下表面及断口位置都可以明显地看到纵向纱线的断裂，以及纱线与树脂的开裂。而二轴向中，由于纤维排布方向为+45°/-45°，因此，并未发现纵向纤维断裂，而这部分载荷是由与纵向存在倾角的+45°/-45°纱所吸收，且纵向伸长明显。

图5-7　不同轴向的破坏形态（应力水平：75%）

此外，同种复合材料试样在不同应力水平下的破坏形态也存在区别，三种轴向的复合材料试样的拉伸疲劳形态分别如图5-8～图5-10所示，图中试样自上而下应力水平分别为80%、75%和70%。为了更好地观察疲劳破坏形态，以及分析疲劳破坏机理，图5-8为准静态拉伸试验断裂形态，图中静拉伸试样自上而下分别为单轴向试样（A）、双轴向试样（B）和三轴向试样（C）。

图5-8　准静态拉伸断裂形态

观察图5-9～图5-11，可以发现三种轴向的复合材料试样在不同应力水平下的共同特性。与图5-8对比后发现，复合材料试样静拉伸下的断口较集中，而三种轴向经编的复合材料试样在不同应力水平下的裂纹及断口均遍布整个试样，三种应力水平下（应力水平：80%、75%、70%），随着应力水平减小，这种现象越来越明显。由此可见，疲劳加载下的复合材料试样破坏区域更广、更大，破坏程度也比静拉伸更强烈，树脂、纱线断裂也更为明显。根据静拉伸断口的集中，而疲劳加载下断口的分散，推断多轴向经编玻璃纤维复合材料拉—拉疲劳破坏的主要机制为裂纹的萌生与扩展。

图5-9　不同应力水平下单轴向经编复合材料试样的破坏形态

图5-10　不同应力水平下双轴向经编复合材料试样的破坏形态

此外，对比三种轴向的复合材料试样不同应力下的断裂形态。单轴向和三轴向的复合材料试样在不同应力水平下都有根部断裂的现象，尤其是应力水平在80%和75%时。这就说明在拉—拉疲劳试验的过程中，由于施加的载荷较大，复合材料试样在夹持端根部发生了应力集中现象，这可能与复合材料试样成型过程、粘贴加强片的工业胶、试验拉—拉疲劳加载过程中夹持端的夹持力等有关。

图5-11　不同应力水平下三轴向经编复合材料试样的破坏形态