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      玻璃纖維束拉伸力學(xué)性能影響參數(shù)試驗(yàn)研究

      2017-03-09 15:51:29朱德舉歐云福徐新華
      關(guān)鍵詞:標(biāo)距

      朱德舉+歐云福+徐新華

      摘 要:利用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同標(biāo)距(25,50,100,150,200和300 mm)的玻璃纖維束進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)(應(yīng)變率為1/600 s-1)拉伸測(cè)試.同時(shí),利用Instron落錘沖擊系統(tǒng)分別研究了標(biāo)距為25 mm的試樣在不同應(yīng)變率(40, 80, 120和160 s-1)和不同溫度(25, 50, 75和100 ℃)條件下的力學(xué)性能.結(jié)果表明,玻璃纖維束的拉伸力學(xué)性能與標(biāo)距、應(yīng)變率和溫度具有相關(guān)性:楊氏模量隨著標(biāo)距和應(yīng)變率的增加而增大,但隨著溫度的增加而減小;拉伸強(qiáng)度隨著標(biāo)距的增加而減小,隨應(yīng)變率的增加而增大,但隨著溫度的增加卻呈先減后增的趨勢(shì);峰值應(yīng)變隨著標(biāo)距增加而減小,但隨溫度的增加而增大.最后,利用Weibull模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,量化了不同標(biāo)距、應(yīng)變率和溫度下纖維拉伸強(qiáng)度的隨機(jī)變化程度,獲得的Weibull參數(shù)可服務(wù)于工程應(yīng)用.

      關(guān)鍵詞:玻璃纖維;拉伸性能;標(biāo)距;應(yīng)變率;溫度效應(yīng);Weibull

      中圖分類號(hào):O316 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

      近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastic/Polymer,簡(jiǎn)稱FRP)以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、絕緣、隔熱、耐久性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),逐漸活躍在土木工程領(lǐng)域[1-3].其中玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(GFRP)的顯著特點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)與混凝土接近、比強(qiáng)度高且價(jià)格相對(duì)便宜[4].國(guó)際上對(duì)FRP在土木工程中的應(yīng)用研究首先從玻璃纖維開始.

      單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是工程結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的最基本單元,纖維又是單向復(fù)合材料承受拉伸載荷時(shí)的主要承載部分,它在沖擊荷載下的力學(xué)性能與復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)行為密切相關(guān).而且,在沖擊和爆炸等極端荷載作用下,材料的變形瞬間發(fā)生,應(yīng)變率和溫度效應(yīng)同時(shí)影響材料的力學(xué)行為.因此理解纖維的尺寸效應(yīng)以及在不同應(yīng)變率和溫度作用下的破壞失效模式是優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.目前,已經(jīng)有許多學(xué)者[5-7]開展了相關(guān)方面的工作,但中等應(yīng)變率下的相關(guān)數(shù)據(jù)較少,而考慮中等應(yīng)變率與溫度耦合作用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更是空白.

      由于在地震和低速?zèng)_擊荷載作用下,建筑結(jié)構(gòu)遭受的應(yīng)變率處于中等水平(1~200 s-1)[8],本文的主要任務(wù)是研究玻璃纖維束的尺寸效應(yīng)以及在中等應(yīng)變率范圍(40~160 s-1)和不同溫度條件(25~100℃)下的力學(xué)響應(yīng),以獲得其破壞強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能指標(biāo),進(jìn)而為建立GFRP的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系及其增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在極端荷載和環(huán)境下的分析與評(píng)估方法奠定基礎(chǔ).

      1 試驗(yàn)測(cè)試

      1.1 試樣制備

      本實(shí)驗(yàn)所選單向玻璃纖維布由南京海拓復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn).圖1給出了纖維布的單向編織結(jié)構(gòu)和光學(xué)顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu).纖維束的橫截面積為0.473 mm2,可以通過其線密度除以體密度得到[9].制備試樣時(shí),用薄刀片沿纖維布縱向小心裁取多根纖維束備用.將0.2 mm厚鋁片用圓齒壓痕、居中對(duì)折,涂上環(huán)氧樹脂膠,按所需標(biāo)距(25,50,100,150,200和300 mm)夾持在纖維束兩側(cè),待膠固化后,將兩端多余纖維去除,試件成型,如圖1(b)所示.

      圖1 (a)玻璃纖維的單向編織結(jié)構(gòu)和光學(xué)顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu);(b)試件

      Fig.1 (a) Unidirectional woven structure and microscopy image of glass fiber; (b) specimen

      1.2 測(cè)試儀器與方法

      單束纖維的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試采用MTS微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)C43.304).該試驗(yàn)機(jī)機(jī)架的負(fù)荷上限為30 kN,數(shù)據(jù)采樣頻率最大可達(dá)1 000 Hz,控制器分辨率為20 bit.試驗(yàn)時(shí)加載速度設(shè)定為2.5 mm/min,采用1 kN力傳感器,采樣頻率設(shè)為20 Hz.動(dòng)態(tài)拉伸測(cè)試采用國(guó)際先進(jìn)的Instron落錘沖擊系統(tǒng)(型號(hào)Ceast 9340).本系統(tǒng)的沖擊高度為0.03~1.10 m, 速度范圍為0.77 ~4.65 m/s,最大落錘重量為37.5 kg, 最大沖擊能量為405 J.沖擊速度V可以自行設(shè)定,然后由落錘控制系統(tǒng)換算成相應(yīng)的錘頭下落高度H.本實(shí)驗(yàn)根據(jù)儀器的量程,設(shè)V為1,2,3,4 m/s,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率分別為40,80,120,160 s-1.本研究選取25,50,75和100 ℃作為溫度變量T進(jìn)行一系列測(cè)試[10].

      對(duì)于纖維束而言,其剛度遠(yuǎn)小于儀器加載系統(tǒng)的剛度.為了檢驗(yàn)MTS試驗(yàn)機(jī)測(cè)量誤差,額外采用引伸計(jì)測(cè)量試件變形,并與試驗(yàn)機(jī)記錄的夾持端位移進(jìn)行對(duì)比,得知測(cè)量誤差在2%以內(nèi),因此將夾持端的相對(duì)位移近似作為試件標(biāo)距內(nèi)的變形,與標(biāo)距的比值即為應(yīng)變值.

      2 結(jié)果與討論

      2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

      圖2分別為玻璃纖維束在不同標(biāo)距、不同應(yīng)變率和不同溫度作用下的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線.從圖中可以看出,在靜態(tài)拉伸作用下,應(yīng)力應(yīng)變曲線相對(duì)平滑;而在動(dòng)態(tài)拉伸作用下,曲線波動(dòng)較大.動(dòng)態(tài)曲線的波動(dòng)主要由沖擊過程激發(fā)的儀器振動(dòng)引起[11],其個(gè)數(shù)隨著應(yīng)變率的增大而遞減.從這些應(yīng)力應(yīng)變曲線中獲得材料的基本力學(xué)性能參數(shù):楊氏模量,拉伸強(qiáng)度,峰值應(yīng)變和韌性.其中,楊氏模量代表曲線的線性段斜率.對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)曲線而言,上升段基本為線性,因此所獲得的楊氏模量較為準(zhǔn)確.而對(duì)于動(dòng)態(tài)曲線而言,波動(dòng)的影響使得楊氏模量的確定十分困難,因此本文以能夠描述曲線整體趨勢(shì)的直線斜率為代表值.相對(duì)而言,韌性的結(jié)果比較容易獲得,因其代表的是應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積,表征的是單位體積的變形能.具體計(jì)算公式如下:

      2.2 不同標(biāo)距、應(yīng)變率和溫度下的力學(xué)性能

      圖3~5給出了玻璃纖維束的楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和韌性與標(biāo)距、應(yīng)變率和溫度的關(guān)系,結(jié)果表明,這些材料力學(xué)性能參數(shù)均與標(biāo)距、應(yīng)變率和溫度相關(guān).從圖3可以得出,楊氏模量隨標(biāo)距的增加而增大;而拉伸強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和韌性隨著標(biāo)距的增大而減小.具體而言,當(dāng)標(biāo)距由25 mm增加到300 mm時(shí),楊氏模量增加了23.6%,而拉伸強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和韌性分別降低了29.0%,40.9%和45.5%.從圖4可以得出,在40~160 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi),楊氏模量和拉伸強(qiáng)度都隨著應(yīng)變率的增加而增大,而峰值應(yīng)變與韌性呈先增后減的趨勢(shì).具體而言,當(dāng)應(yīng)變率從40 s-1增加到160 s-1,楊氏模量和拉伸強(qiáng)度分別增加了22.0%和38.6%;而當(dāng)應(yīng)變率由40 s-1增加到120 s-1時(shí),峰值應(yīng)變和韌性先由原來(lái)的0.038 ± 0.004 mm/mm和40.2± 7.9 MPa增大到0.041 ± 0.004 mm/mm和50.8 ± 6.3 MPa,而當(dāng)應(yīng)變率繼續(xù)增加至160 s-1,其值又分別減小到0.037 ± 0.004 mm/mm和46.1± 5.9 MPa.但總體來(lái)看,峰值應(yīng)變減小了1.8%,而韌性增大了14.6%.從圖5可以得出,楊氏模量隨溫度的增加而減小,峰值應(yīng)變恰好相反,而拉伸強(qiáng)度和韌性卻呈現(xiàn)出先減后增的趨勢(shì).具體而言,當(dāng)溫度由25℃增加到100℃時(shí),楊氏模量減小了36.7%;而峰值應(yīng)變?cè)龃罅?9.9%.至于拉伸強(qiáng)度和韌性,當(dāng)溫度由25℃增加到75℃,其值由1 729 ± 67 MPa和40.2± 7.9 MPa減小到1 292 ± 123 MPa和27.7 ± 4.8 MPa,分別減小了25.3%和31.1%;而當(dāng)溫度增加到100 ℃,其值反而增加至1540 ± 107 MPa和40.0 ± 3.6 MPa,分別增大了19.2%和44.5%.

      另外,圖3~5還對(duì)各力學(xué)性能參數(shù)隨標(biāo)距、應(yīng)變率和溫度的變化趨勢(shì)進(jìn)行了曲線擬合,并給出了擬合方程,以便于工程應(yīng)用.在25~200 mm的標(biāo)距范圍內(nèi),隨著標(biāo)距的增加,玻璃纖維束的楊氏模量隨之增加,但200 mm之后沒有顯著變化,而拉伸強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和韌性隨著標(biāo)距的增加呈對(duì)數(shù)減??;在40~160 s-1的應(yīng)變率范圍內(nèi),隨著應(yīng)變率的增加,楊氏模量呈對(duì)數(shù)增加,而拉伸強(qiáng)度呈線性增加.峰值應(yīng)變和韌性的變化趨勢(shì)可近似用二次多項(xiàng)式擬合;而在25~100 ℃的溫度區(qū)間內(nèi),隨著溫度的遞增,材料的楊氏模量呈線性減小,峰值應(yīng)變呈線性增加,拉伸強(qiáng)度和韌性隨溫度的變化趨勢(shì)也可近似用一個(gè)二次多項(xiàng)式擬合.

      2.3 尺寸、應(yīng)變率及溫度效應(yīng)機(jī)制

      2.3.1 尺寸效應(yīng)機(jī)制

      玻璃纖維束的拉伸強(qiáng)度隨著標(biāo)距的增加而減小,呈明顯的尺寸效應(yīng).Weibull尺寸效應(yīng)統(tǒng)計(jì)理論認(rèn)為[12],這主要是由于材料強(qiáng)度的隨機(jī)分布所引起.沿纖維長(zhǎng)度方向,強(qiáng)度是不均一的,纖維總是在最薄弱處斷裂,試樣愈長(zhǎng),出現(xiàn)最薄弱環(huán)節(jié)的概率越大,越容易發(fā)生斷裂.但是,當(dāng)標(biāo)距大于200 mm,纖維的拉伸強(qiáng)度不再發(fā)生明顯變化.這說明對(duì)于玻璃纖維束而言, 200 mm接近其強(qiáng)度受限臨界長(zhǎng)度,當(dāng)長(zhǎng)度超過這個(gè)臨界值時(shí),其內(nèi)部包含最薄弱環(huán)節(jié)的概率極大.

      2.3.2 應(yīng)變率效應(yīng)機(jī)制

      玻璃纖維束的拉伸強(qiáng)度呈明顯的應(yīng)變率相關(guān)性.當(dāng)應(yīng)變率由1/600 s-1(準(zhǔn)靜態(tài))增加到160 s-1(動(dòng)態(tài))時(shí),拉伸強(qiáng)度由919 ± 102 MPa增長(zhǎng)到1 727± 67 MPa,增幅近一倍.這種應(yīng)變率相關(guān)性可作如下解釋:

      如圖6所示,在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸荷載作用下,試件的斷裂部位比較集中,而在動(dòng)態(tài)拉伸荷載作用下,斷裂部位延伸至整個(gè)標(biāo)距范圍.這說明隨著應(yīng)變率的增加,沖擊荷載在基本承載單元上的分布更為均勻,單絲有更多的部位參與耗能,使得其強(qiáng)度發(fā)揮得更充分.另外,在拉伸荷載作用下,構(gòu)成纖維束的單絲不一定同步斷裂,斷裂位置也不一定平齊,因而纖維絲之間的摩擦在破壞變形過程中一直存在.隨著應(yīng)變率的增加,纖維絲之間的相互擠壓作用也不斷再增大,因此滑動(dòng)摩擦力也不斷增大(摩擦系數(shù)可視為常數(shù)),進(jìn)而提高了纖維束的整體拉伸強(qiáng)度.

      4 結(jié) 論

      本文對(duì)玻璃纖維束進(jìn)行了不同標(biāo)距、應(yīng)變率和溫度下的拉伸測(cè)試,并討論了標(biāo)距、應(yīng)變率和溫度對(duì)其力學(xué)性能參數(shù)的影響,最終得到以下結(jié)論:

      1)玻璃纖維具有明顯的尺寸效應(yīng).楊氏模量隨標(biāo)距的增加而增大,而拉伸強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和韌性隨著標(biāo)距的增加而減小.當(dāng)標(biāo)距大于200 mm,纖維的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度不再發(fā)生明顯變化.這說明對(duì)于玻璃纖維束而言, 200 mm接近其強(qiáng)度受限臨界長(zhǎng)度,當(dāng)長(zhǎng)度超過這個(gè)臨界值,其內(nèi)部包含最薄弱環(huán)節(jié)的概率極大.

      2)玻璃纖維屬于應(yīng)變率敏感材料,在40~160 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi),楊氏模量和拉伸強(qiáng)度都隨著應(yīng)變率的增加而增大,而峰值應(yīng)變與韌性呈先增后減的趨勢(shì).

      3)溫度對(duì)玻璃纖維的力學(xué)性能也有一定的影響.在25~100 ℃的溫度范圍內(nèi),楊氏模量隨溫度的增加而減小,峰值應(yīng)變恰好相反,而拉伸強(qiáng)度和韌性卻呈現(xiàn)出先減后增的趨勢(shì).

      4)隨著應(yīng)變率的增加,m值逐漸減小,表明更高的應(yīng)變率下,玻璃纖維束表現(xiàn)出更隨機(jī)的破壞分布.當(dāng)溫度從25℃逐步升高到100℃,m也在依次減小,體現(xiàn)出愈發(fā)離散的分布.

      參考文獻(xiàn)

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