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測(cè)試在短纖增強(qiáng)塑料注射模制板溫度對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響文摘裂紋擴(kuò)展行為,研究了在 298 k(RT),343 k,373 k,403 k和 center-notched標(biāo)本被剪短的射出成型板碳纖維增強(qiáng) PPS纖維兩個(gè)角度相對(duì)于加載方向,即 θ=0°(MD)和 90°(TD)。宏觀裂紋擴(kuò)展路徑幾乎是垂直于加載軸 MD和道明。顯微鏡下,裂縫在馬里蘭州被纖維,規(guī)避纖維,和很少發(fā)生纖維,曲折的道路。TD,裂紋路徑不曲折后纖維界面。裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系,da / dN,和應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍,? K,在 RT和 373 K是類似的醫(yī)學(xué)博士和 TD,da / dN時(shí)溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變度,Tg(= 360 K),高出兩到三個(gè)訂單,在溫度低于 Tg。在每個(gè)溫度相比,da / MD的 dN是兩個(gè)訂單低于道明。在溫度高于 Tg,發(fā)生非彈性變形;載荷和位移之間的關(guān)系成為非線性,伴隨著磁滯回線擴(kuò)張。當(dāng) da / dN與 J積分范圍,?J,da / dN 在四個(gè)溫度下為每個(gè) MD和 TD越來越近。尤其是對(duì) TD的情況下,在四個(gè)溫度下合并在一起的關(guān)系。在每個(gè)溫度相比,da / MD 的 dN是低于 TD,即使MD和 TD的區(qū)別是小。根據(jù)疲勞斷裂表面的掃描電鏡觀察,許多纖維從矩陣在疲勞斷裂表面的皮膚層的醫(yī)學(xué)博士和并行 TD的纖維斷裂表面的觀察。高溫環(huán)境增加矩陣變形在 MD和 TD,但改變不了斷裂路徑或疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀結(jié)構(gòu)。1 介紹短纖增強(qiáng)塑料(SFRP)預(yù)計(jì)將得到更加廣泛的應(yīng)用,以減少車輛如汽車的重量。注塑工藝使 SFRP組件的生產(chǎn)更加經(jīng)濟(jì)和以更高的利率。他們的應(yīng)用程序在fatigue-sensitive組件是在汽車行業(yè)穩(wěn)步增加。疲勞裂紋的傳播行為高度各向異性,這取決于注塑生產(chǎn)的纖維取向。裂紋擴(kuò)展速率垂直對(duì)齊纖維遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平行于纖維相比在同一應(yīng)力強(qiáng)度范圍。能量釋放率(Wyzgoski 和諾瓦克,1990)和有關(guān)參數(shù)(Akiniwa et al .,1992年,田中 et al .,2014年,2015 年)已經(jīng)被提議作為裂紋擴(kuò)展的一個(gè)控制參數(shù)。應(yīng)用 SFRP引擎組件,高溫環(huán)境對(duì)疲勞性能的影響需要探索。在摘要中,高溫對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響研究中心裂紋標(biāo)本的 PPS(聚苯硫醚)鋼筋和碳纖維 30 wt %。標(biāo)本從射出成型板的厚度 1毫米的三個(gè)角加載軸相對(duì)于成型流動(dòng)方向,即 θ= 0°(MD)和 90°(TD)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、Tg SFRP是 360 k。裂紋擴(kuò)展行為調(diào)查在四個(gè)溫度 298 k(RT),343 k,373 k和 403 k。裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度范圍和 j積分范圍。j 積分范圍被用來考慮高溫非彈性變形。2 實(shí)驗(yàn)的程序2.1 材料和樣品實(shí)驗(yàn)材料是熱塑性塑料,PPS,鋼筋和碳纖維。疲勞的標(biāo)本被削減的射出成型板(IMP)的平面尺寸 80Χ80 毫米和 1毫米的厚度。圖 1顯示了試樣的形狀有中心切口長(zhǎng)度 6毫米。兩端長(zhǎng)度 15毫米的區(qū)域用于卡盤通過鋁標(biāo)簽測(cè)試機(jī)器。成型之間的角度方向和標(biāo)本的縱向方向是將兩個(gè)值:θ= 0°(MD)和 90°(TD)。IMP具有三層結(jié)構(gòu),兩層殼三明治核心層。芯層的板的厚度是 0.16毫米,這是 15%的板厚度(田中 et al .,2014)。裂紋擴(kuò)展行為將被控制的殼層。殼層的纖維方向射出成型板近沿著成型流動(dòng)方向,核心層的是垂直的。角 θ 意味著纖維方向之間的角度在殼層和加載軸。2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了測(cè)試方法的電動(dòng)伺服液壓試驗(yàn)機(jī)。疲勞測(cè)試是在四個(gè)溫度下在空氣中,RT,343 k,373 k,403 k,load-controlled條件下的應(yīng)力比 R為 0.1。循環(huán)荷載的波形是三角形和頻率 4赫茲。表 1顯示了最大應(yīng)力用于疲勞測(cè)試,在橫截面的應(yīng)力計(jì)算的標(biāo)本沒有缺口。的環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試室的溫度控制的循環(huán)空氣,環(huán)境溫度的波動(dòng)保持小于 0.5 k起止點(diǎn)位移在疲勞試驗(yàn)測(cè)定的,和負(fù)載之間的關(guān)系和起止點(diǎn)位移由數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)記錄器記錄。圖 1 中心凹口板疲勞測(cè)試表 1 最大應(yīng)力 σ max(MPa)采用疲勞測(cè)試裂紋長(zhǎng)度測(cè)量用視頻顯微鏡的放大 100室的玻璃窗。裂紋長(zhǎng)度投影在平面上垂直于加載軸測(cè)量。切口的總和的一半長(zhǎng)度和裂紋長(zhǎng)度用。2.3 斷裂力學(xué)參數(shù)宏觀裂紋路徑是垂直于加載軸的情況下 θ= 0°(MD)和 90°(TD),所以宏觀裂縫傳播模式我以后所描述。I 型裂紋擴(kuò)展的能量釋放率計(jì)算修改后的裂紋閉合積分法(雷比茨基和坎尼恩,1991)有限元法使用各向異性彈性常數(shù)。表 2顯示了各向異性彈性常數(shù)的測(cè)量值的 MD和 TD四個(gè)溫度,后綴 1表示 2成型方向和垂直方向。由于彈性常數(shù)取決于加載速率的溫度高于 T g,他們同樣強(qiáng)調(diào)速度的測(cè)量疲勞測(cè)試。那些在溫度低于 Tg不隨加載率。共線裂紋擴(kuò)展的能量釋放率沿對(duì)稱軸的各向異性與應(yīng)力強(qiáng)度因子如下(西赫和利博維茨,1968):(1) (2) 上述方程是 TD,和后綴 1和 2交換。MD 1 / H值和 TD歸納如表 2所示。模式的應(yīng)力強(qiáng)度因子 I,K,表示為(3)其中 σ 是應(yīng)用總應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)度,W 是板的寬度,和 F(a / W)是一種對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子校正因子。上述方程的修正系數(shù)確定的能量釋放率計(jì)算了基于各向異性彈性有限元法。我們發(fā)現(xiàn)了非常有趣的結(jié)果,校正因子計(jì)算如上非常同意,派生使用各向同性彈性和差異小于 0.5%。這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,下面的恩,s 方程校正系數(shù)的各向同性板用于各向異性情況下(塔達(dá)等.,2000)。(4) 表 2 彈性常數(shù)溫度適應(yīng)的 SFRP疲勞測(cè)試。應(yīng)力強(qiáng)度因子的范圍,?K, 使用方程式計(jì)算。(3)和(4),如下:(5)Kmax和 Kmin最大和最小應(yīng)力強(qiáng)度因素的范圍被定義為能量釋放率?G = H (?K )2 (6)在溫度高于 Tg,非彈性變形,載荷和位移之間的關(guān)系成為非線性磁滯回線顯示擴(kuò)張。j 積分范圍作為斷裂力學(xué)參數(shù)。J 積分區(qū)間估計(jì)從載荷和位移之間的關(guān)系(道林,1976)(7)S的磁滯回線的面積的一半。第一項(xiàng)表示彈性能量釋放率和第二項(xiàng)非彈性變形的貢獻(xiàn)。在溫度低于 Tg,?J =?G,因?yàn)椴簧婕胺菑椥宰冃巍? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論3.1 裂紋擴(kuò)展路徑裂縫的光學(xué)顯微圖顯示在圖 2中,在(a)(b)是為醫(yī)學(xué)博士在 RT和 403 k,(c),為 TD(d)。裂紋路徑在顯微鏡下曲折的 MD。高溫時(shí)的彎曲度增加,也暗裂紋線的寬度變大。然而,裂縫傳播宏觀上直接垂直于加載方向(向上和向下)。裂縫是相當(dāng)直在 TD和傳播也垂直于加載方向。在 403 k,裂紋線變得更厚,表明更大數(shù)量的裂紋和表面粗化。圖 2 疲勞裂紋在 MD和 TD標(biāo)本測(cè)試 RT和 403 k。圖 3 SEM顯微圖的疲勞裂紋在 MD和 TD標(biāo)本測(cè)試 RT和 403 k更詳細(xì)的掃描電鏡觀察裂縫和纖維之間的相互作用做了不同標(biāo)本打斷疲勞試驗(yàn)后不穩(wěn)定骨折。圖 3顯示了示例的裂縫與纖維交互 MD和 TD RT和 403 k。裂紋擴(kuò)展方向從左到右。裂縫在 MD被纖維和纖維上,纖維,很少休息,曲折的道路。TD,纖維后的裂紋路徑更曲折的主要界面和矩陣。分離的小裂紋沿界面可以看到纖維。在 403 k,矩陣變形和裂紋張開較大的 MD和 TD,對(duì)應(yīng)于厚裂紋線在光學(xué)顯微圖顯示在圖 2中。裂紋路徑在 343 k的特性類似于 RT,因?yàn)?343 k是 Tg以下。這樣的溫度在373 k和 403 k以上 Tg,裂縫的特點(diǎn)很像。3.2 裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系裂縫形成的級(jí)距最初傳播快,然后減速。在缺口根部的最低比率約 0.5毫米,裂縫加速單調(diào),直到最終斷裂。在更高的溫度下初始 rate-dipping行為明顯。類似的初始率浸漬行為觀察玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯 Karger-Kocsis et al。(1991)和 Pegoretti Ricco(2000)。這種行為可能是由于三維裂紋形狀過渡到穩(wěn)定的影響下一個(gè)檔次。在下面,我們專注于 0.5毫米后的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段的擴(kuò)展。圖 4 裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度關(guān)系范圍的醫(yī)學(xué)博士和 TD標(biāo)本圖 5 裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度之間的關(guān)系在 RT和 403 k范圍圖 4顯示了裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系,da / dN,應(yīng)力強(qiáng)度因子的范圍,?K,醫(yī)學(xué)博士(a)和(b)TD 4點(diǎn)溫度。MD 和 TD,在 RT和 373 k的關(guān)系相似,而 da / dN和升高的溫度變得更高的 Tg之上。在 403 K,率是兩到三個(gè)訂單高于 rt,da / dN和? K之間的關(guān)系可以用下面的近似巴黎法:da / dN = C (?K )m (8),m,巴黎的法律從 8到 13,是典型的脆性玻璃鋼的關(guān)系在圖 5中,da / dN和?K MD和 TD顯示(a)RT 和(b)403 K。在溫度、da / MD 的 dN是二階低于 TD。3.3 裂紋擴(kuò)展速率和 J 積分之間的關(guān)系在溫度高于 Tg,發(fā)生非彈性變形和載荷和位移之間的關(guān)系成為非線性磁滯回線顯示擴(kuò)張循環(huán)取自馬里蘭州和 TD的例子如圖 7循環(huán)傾向于轉(zhuǎn)向正確和擴(kuò)大與裂紋擴(kuò)展。? J,J積分范圍是評(píng)估從循環(huán)使用 Eq。(7)。非彈性組件的分?jǐn)?shù)高總? J在更高的溫度,并對(duì) TD略高于 MD在每個(gè)溫度。在 RT和 373 K以下 Tg,?J =?G,因?yàn)闆]有涉及非彈性變形。在圖 7中,da / dN與能量釋放率的范圍,?J,醫(yī)學(xué)博士(a)和(b 道明。的關(guān)系可以表示為da /dN = C ′ (?J )m′ (9)圖 6 梁進(jìn)行 MD,TD標(biāo)本在 403 k圖 7 裂紋擴(kuò)展速率和 j積分之間的關(guān)系范圍的醫(yī)學(xué)博士和 TD標(biāo)本圖 8 裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系和 j積分范圍在 RT和 403 k其中 m’是大約一半的 m。在四個(gè)溫度下的數(shù)據(jù)更接近每個(gè) MD和道明。尤其是對(duì)于 TD,在每個(gè)溫度的關(guān)系合并在一起。圖 8顯示了 da / dN vs?J RT和 403 k。MD 的 da / dN值低于 TD特別是在 RT,即使 MD和 TD的區(qū)別更小。由于溫度效應(yīng)最小化的關(guān)系 da / dN vs?J,?J被認(rèn)為是一個(gè)合適的參數(shù)來表示一個(gè) crack-driving包含非彈性變形的貢獻(xiàn)力量。材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力決定了 da / dN vs?J關(guān)系。纖維垂直于裂縫方向阻止裂紋擴(kuò)展在 MD和裂紋偏轉(zhuǎn)遵循界面纖維,增強(qiáng)抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。纖維方向平行于裂紋協(xié)助 TD裂紋增長(zhǎng),減少阻力。MD 和 TD的區(qū)別卻降低了溫度升高時(shí)因?yàn)榇缶仃囎冃谓档土肆鸭y路徑的彎曲度的差異。3.4 掃描電鏡觀察斷口表面疲勞斷裂表面的標(biāo)本被掃描電鏡觀察。圖 9顯示了疲勞斷裂表面的殼層 MD和TD疲憊 RT和 403 k。許多纖維從矩陣中可以看到。矩陣的斷裂表面相當(dāng)平坦,雖然粗是由于大變形隨骨折。道明的情況下,并行纖維被認(rèn)為適用于,顯示界面斷裂路徑。矩陣的變形斷裂表面上看到大在 304 k。高溫環(huán)境增加矩陣變形在MD和道明,但并不能改變斷裂路徑和疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀結(jié)構(gòu)。4 結(jié)論在 RT裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究,343 k,373 k,373 k與 center-notched標(biāo)本被削減的射出成型短纖維增強(qiáng)塑料板在兩個(gè)纖維角相對(duì)于裝運(yùn)方向,即 θ= 0°(MD)和 90°(TD)。結(jié)果總結(jié)如下:(1)宏觀裂紋擴(kuò)展路徑幾乎是垂直于加載軸 MD和道明。顯微鏡下,裂縫在馬里蘭州被纖維和纖維規(guī)避,和很少發(fā)生纖維,曲折的道路。TD,裂紋路徑不曲折后光纖接口。(2)裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系,da / dN,和應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍,? K,在 RT和 373 K MD和 TD的結(jié)果相似,而 da / dN增加與增加溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,Tg,兩三個(gè)訂單。在每個(gè)溫度、da / MD 的 dN是兩個(gè)訂單低于道明。(3)在溫度高于 Tg,發(fā)生非彈性變形;載荷和位移之間的關(guān)系成為非線性,伴隨著磁滯回線擴(kuò)張。當(dāng) da / dN與 J積分范圍,?J,在每個(gè)溫度的關(guān)系為每個(gè) MD和TD越來越近。尤其是對(duì) TD的情況下,在不同的溫度下合并在一起的關(guān)系。在每個(gè)溫度、da / MD 的 dN是低于 TD,即使 MD和 TD的區(qū)別是小。(4)許多纖維拔出的矩陣被認(rèn)為在疲勞斷裂表面的皮膚層 MD和并行 TD的纖維斷裂表面的觀察。高溫環(huán)境增加矩陣變形在 MD和 TD,但改變不了斷裂路徑或疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀結(jié)構(gòu)。