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測試在短纖增強塑料注射模制板溫度對疲勞裂紋擴展的影響文摘裂紋擴展行為,研究了在 298 k(RT),343 k,373 k,403 k和 center-notched標本被剪短的射出成型板碳纖維增強 PPS纖維兩個角度相對于加載方向,即 θ=0°(MD)和 90°(TD)。宏觀裂紋擴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。裂紋擴展速率之間的關(guān)系,da / dN,和應(yīng)力強度因子范圍,? K,在 RT和 373 K是類似的醫(yī)學(xué)博士和 TD,da / dN時溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變度,Tg(= 360 K),高出兩到三個訂單,在溫度低于 Tg。在每個溫度相比,da / MD的 dN是兩個訂單低于道明。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,伴隨著磁滯回線擴張。當 da / dN與 J積分范圍,?J,da / dN 在四個溫度下為每個 MD和 TD越來越近。尤其是對 TD的情況下,在四個溫度下合并在一起的關(guān)系。在每個溫度相比,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展的微觀結(jié)構(gòu)。1 介紹短纖增強塑料(SFRP)預(yù)計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。裂紋擴展速率垂直對齊纖維遠遠低于平行于纖維相比在同一應(yīng)力強度范圍。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)被提議作為裂紋擴展的一個控制參數(shù)。應(yīng)用 SFRP引擎組件,高溫環(huán)境對疲勞性能的影響需要探索。在摘要中,高溫對疲勞裂紋擴展行為的影響研究中心裂紋標本的 PPS(聚苯硫醚)鋼筋和碳纖維 30 wt %。標本從射出成型板的厚度 1毫米的三個角加載軸相對于成型流動方向,即 θ= 0°(MD)和 90°(TD)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、Tg SFRP是 360 k。裂紋擴展行為調(diào)查在四個溫度 298 k(RT),343 k,373 k和 403 k。裂紋擴展速率與應(yīng)力強度范圍和 j積分范圍。j 積分范圍被用來考慮高溫非彈性變形。2 實驗的程序2.1 材料和樣品實驗材料是熱塑性塑料,PPS,鋼筋和碳纖維。疲勞的標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度 6毫米。兩端長度 15毫米的區(qū)域用于卡盤通過鋁標簽測試機器。成型之間的角度方向和標本的縱向方向是將兩個值: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 疲勞裂紋擴展試驗疲勞裂紋擴展進行了測試方法的電動伺服液壓試驗機。疲勞測試是在四個溫度下在空氣中,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)力用于疲勞測試,在橫截面的應(yīng)力計算的標本沒有缺口。的環(huán)境中進行了測試室的溫度控制的循環(huán)空氣,環(huán)境溫度的波動保持小于 0.5 k起止點位移在疲勞試驗測定的,和負載之間的關(guān)系和起止點位移由數(shù)字數(shù)據(jù)記錄器記錄。圖 1 中心凹口板疲勞測試表 1 最大應(yīng)力 σ max(MPa)采用疲勞測試裂紋長度測量用視頻顯微鏡的放大 100室的玻璃窗。裂紋長度投影在平面上垂直于加載軸測量。切口的總和的一半長度和裂紋長度用。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 型裂紋擴展的能量釋放率計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)的測量值的 MD和 TD四個溫度,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,他們同樣強調(diào)速度的測量疲勞測試。那些在溫度低于 Tg不隨加載率。共線裂紋擴展的能量釋放率沿對稱軸的各向異性與應(yīng)力強度因子如下(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)力強度因子 I,K,表示為(3)其中 σ 是應(yīng)用總應(yīng)力、裂紋長度,W 是板的寬度,和 F(a / W)是一種對應(yīng)力強度因子校正因子。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(塔達等.,2000)。(4) 表 2 彈性常數(shù)溫度適應(yīng)的 SFRP疲勞測試。應(yīng)力強度因子的范圍,?K, 使用方程式計算。(3)和(4),如下:(5)Kmax和 Kmin最大和最小應(yīng)力強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張。j 積分范圍作為斷裂力學(xué)參數(shù)。J 積分區(qū)間估計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。第一項表示彈性能量釋放率和第二項非彈性變形的貢獻。在溫度低于 Tg,?J =?G,因為不涉及非彈性變形。3 實驗結(jié)果和討論3.1 裂紋擴展路徑裂縫的光學(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標本測試 RT和 403 k。圖 3 SEM顯微圖的疲勞裂紋在 MD和 TD標本測試 RT和 403 k更詳細的掃描電鏡觀察裂縫和纖維之間的相互作用做了不同標本打斷疲勞試驗后不穩(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,因為 343 k是 Tg以下。這樣的溫度在373 k和 403 k以上 Tg,裂縫的特點很像。3.2 裂紋擴展速率與應(yīng)力強度因子之間的關(guān)系裂縫形成的級距最初傳播快,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)定的影響下一個檔次。在下面,我們專注于 0.5毫米后的穩(wěn)定裂紋擴展階段的擴展。圖 4 裂紋擴展速率與應(yīng)力強度關(guān)系范圍的醫(yī)學(xué)博士和 TD標本圖 5 裂紋擴展速率與應(yīng)力強度之間的關(guān)系在 RT和 403 k范圍圖 4顯示了裂紋擴展速率之間的關(guān)系,da / dN,應(yīng)力強度因子的范圍,?K,醫(yī)學(xué)博士(a)和(b)TD 4點溫度。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)向正確和擴大與裂紋擴展。? J,J積分范圍是評估從循環(huán)使用 Eq。(7)。非彈性組件的分數(shù)高總? J在更高的溫度,并對 TD略高于 MD在每個溫度。在 RT和 373 K以下 Tg,?J =?G,因為沒有涉及非彈性變形。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 梁進行 MD,TD標本在 403 k圖 7 裂紋擴展速率和 j積分之間的關(guān)系范圍的醫(yī)學(xué)博士和 TD標本圖 8 裂紋擴展速率之間的關(guān)系和 j積分范圍在 RT和 403 k其中 m’是大約一半的 m。在四個溫度下的數(shù)據(jù)更接近每個 MD和道明。尤其是對于 TD,在每個溫度的關(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被認為是一個合適的參數(shù)來表示一個 crack-driving包含非彈性變形的貢獻力量。材料對裂紋擴展的阻力決定了 da / dN vs?J關(guān)系。纖維垂直于裂縫方向阻止裂紋擴展在 MD和裂紋偏轉(zhuǎn)遵循界面纖維,增強抵抗裂紋擴展的能力。纖維方向平行于裂紋協(xié)助 TD裂紋增長,減少阻力。MD 和 TD的區(qū)別卻降低了溫度升高時因為大矩陣變形降低了裂紋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展的微觀結(jié)構(gòu)。4 結(jié)論在 RT裂紋擴展行為進行了研究,343 k,373 k,373 k與 center-notched標本被削減的射出成型短纖維增強塑料板在兩個纖維角相對于裝運方向,即 θ= 0°(MD)和 90°(TD)。結(jié)果總結(jié)如下:(1)宏觀裂紋擴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)裂紋擴展速率之間的關(guān)系,da / dN,和應(yīng)力強度因子范圍,? 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,兩三個訂單。在每個溫度、da / MD 的 dN是兩個訂單低于道明。(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,伴隨著磁滯回線擴張。當 da / dN與 J積分范圍,?J,在每個溫度的關(guān)系為每個 MD和TD越來越近。尤其是對 TD的情況下,在不同的溫度下合并在一起的關(guān)系。在每個溫度、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展的微觀結(jié)構(gòu)。