, 白鑫, 孟维迎东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2016-06-27
基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(51335003)。
作者简介：佟安时(1985-)，男，辽宁沈阳人，东北大学博士研究生;
谢里阳(1962-)，男，安徽岳西人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：GLARE是一种先进的混杂层板材料, 由高韧度薄铝合金层和高强度玻璃纤维/环氧树脂层交替铺设而成，具有独特的轻质、耐疲劳、耐冲击、高阻燃性和耐腐蚀属性.系统地对GLARE层板进行了静力拉伸测试, 展示了铺层结构和铺层类型对其静力学性能的影响，并对混杂模型的适用性进行了验证.结果显示:采用混杂模型法预测GLARE层的轴向弹性模量具有较高的精度, 但进行强度预测时对于部分类型的层板需要考虑纤维的桥接作用.
关键词：纤维金属层板拉伸性能应力-应变曲线泊松比
Study on Tensile Property of Fiber Metal Laminates
TONG An-shi, XIE Li-yang
, BAI Xin, MENG Wei-yingSchool of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: XIE Li-yang, professor, E-mail: lyxie@mail.neu.edu.cn
Abstract: GLARE laminates are an advanced hybrid material system consisting of alternating layers of thin aluminium sheets and high strength glass fiber/epoxy composite layers. The unique combination of ductile aluminium layers with high strength composite layers results in a unique fiber-metal laminates (FMLs) with light weight, outstanding fatigue resistance, excellent impact resistance, flame resistance and corrosion properties. Mechanical tests were carried out on many kinds of GLARE laminates, and the influence of ply type on its static behavior has been studied. The mechanical properties of GLARE laminates were predicted using the metal volume fraction approach based on a rule of mixtures. The results show that good agreement is obtained between the model predictions and experimental results, while the fiber bridging effect needs to be considered to predict the fracture strength of some cross-ply GLARE laminates.
Key Words: fiber metal laminatetensile propertystress-strain curvePoisson's ratio
纤维金属层板(fiber metal laminates, FMLs)是一种由铝合金层和纤维增强复合材料层交替铺设而成的多层材料，具有优异的疲劳损伤容限性能、耐冲击性能、高阻燃性、耐腐蚀性以及易加工成型等性能[1-3].
作为一种承载的航空材料, 掌握其静力拉伸性能与组分材料之间的关系, 无论对新型层板的设计还是对给定环境下最优层板的选择都是十分必要的.国内外学者对此做了大量研究.Kawai等[4]对GLARE2-3/2层板及其组分材料进行了多角度的静力拉伸测试; Wu等[5]对正交铺设的GLARE4-3/2和GLARE5-2/1层板进行了静力拉伸测试; Carrillo等[6]通过对不同试样尺寸的纤维金属层板进行静力拉伸测试, 研究了试样的尺寸效应; 廖建等[7]以一种国产的玻璃纤维金属层板为原材料, 测试了加载角度对其静力拉伸性能的影响; 王时玉等[8]对单向含胶结层和不含胶层的两种玻璃纤维铝合金板进行了静力拉伸测试.但未见有研究者系统分析GLARE层板的静力拉伸机械性能与组分结构间的关系.
本文对GLARE2-2/1，GLARE2-3/2，GLARE3-2/1，GLARE3-3/2，GLARE6-2/1和GLARE6-3/2层板试样进行了静力拉伸测试, 对比分析了获得的轴向弹性模量、断裂强度、应力-应变曲线以及轴向泊松比等数据, 验证了混杂模型的普遍适用性.为深入研究此类层板的静力学性能提供了数据支持.
1 试验测试1.1 材料及试样测试用的6种GLARE层板的铺层结构及各层的平均厚度如表 1所示.组分材料的力学性能如表 2所示.试样总长L=270mm, 宽W=15mm, 标距段长LG=160mm, 满足ASTM D-3039[9]标准.为防止加载过程中试样在夹持处发生破坏, 两端贴有铝合金加强片, 厚度为0.25mm.
表 1(Table 1)
 表 1 GLARE层板试样类型及平均厚度Table 1 Type of GLARE laminates and average thickness
| 表 1 GLARE层板试样类型及平均厚度 Table 1 Type of GLARE laminates and average thickness |
表 2(Table 2)
表 2 GLARE层板的成分及其力学性能Table 2 Property of all constituents in GLARE laminates
| 表 2 GLARE层板的成分及其力学性能 Table 2 Property of all constituents in GLARE laminates |
1.2 试验测试过程静力拉伸测试在岛津静力拉伸试验机上进行, 加载速度为2mm/min.加载同时记录试样的轴向和横向应变, 每根试样最少取2000个有效数据点.
2 试验结果及讨论2.1 应力-应变曲线图 1a中，GLARE2层板的应力-应变曲线更接近于双线性, 断裂强度约为屈服强度的5倍.GLARE2-2/1层板的轴向弹性模量约为62.42GPa, 略高于GLARE2-3/2层板的61.02GPa, 原因是金属层比例高.GLARE2-2/1层板的曲线偏转主要发生在0.30%~0.39%的轴向应变范围内, 相应的轴向应力为190~234MPa.GLARE2-3/2层板曲线偏转时的应力略低, 原因是0°方向的预浸料层的弹性模量低.再次稳定阶段GLARE2-3/2层板的斜率反而略高于GLARE2-2/1层板, 原因是此时主要承载的0°方向预浸料层的比例更高.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 GLARE层板的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of GLARE laminates under uniaxial tensile loading (a)—GLARE2-2/1，GLARE2-3/2； (b)—GLARE3-2/1，GLARE3-3/2； (c)—GLARE6-2/1，GLARE6-3/2. |
图 1b中，GLARE3层板的应力-应变曲线同样接近于双线性, 断裂强度约为屈服强度的3.5倍, 低于GLARE2层板的比例, 原因是始终承载的高强度的0°方向预浸料层的比例更低.GLARE3-2/1层板的轴向弹性模量为58.631GPa, 明显高于GLARE2-3/2层板的51.693GPa, 原因是低模量的90°方向铺设的预浸料层所含比例低.GLARE3-2/1层板的曲线偏转主要发生在0.33%~0.49%轴向应变范围内, 相应的轴向应力为195~241MPa.GLARE2-3/2层板曲线偏转时应力略低GLARE3-2/1层板.
图 1c中，GLARE6层板应力-应变曲线的过渡范围更大, 再次稳定阶段斜率有逐渐下降的过程, 表明±45°方向铺设的预浸料层在加载过程中有微裂纹等损伤出现.整体上GLARE6层板断裂强度约为屈服强度2倍, 表明±45°方向铺设的预浸料层的承载能力较差.GLARE6-3/2层板的轴向弹性模量为44.301GPa, 低于GLARE6-2/1层板的47.079GPa, 原因是低模量的±45°方向铺设的预浸料层比例增加.GLARE6-2/1层板的曲线偏转主要发生在0.37%~0.59%轴向应变范围内, 相应的轴向应力为172~202MPa.GLARE6-3/2层板偏转时应力略低于GLARE6-2/1层板.
2.2 轴向泊松比-轴向应变曲线GLARE层板的轴向泊松比-轴向应变曲线如图 2所示.图 2a中, 金属层弹性阶段GLARE2-2/1层板的轴向泊松比约为0.32, 在0.3%~0.6 %的轴向应变范围内快速上升至0.355, 此后缓慢下降至0.34附近, 此时层板的变形更多的受0°方向预浸料层影响.GLARE2-3/2层板的轴向泊松比-轴向应变曲线与GLARE2-2/1层板的基本重合.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 泊松比-轴向应变曲线Fig.2 Poisson's response of GLARE laminates (a)—GLARE2-2/1，GLARE2-3/2； (b)—GLARE3-2/1，GLARE3-3/2； (c)—GLARE6-2/1，GLARE6-3/2. |
图 2b中, GLARE3-2/1层板的轴向弹性泊松比约为0.305, 金属层发生屈服的过程中由于90°方向预浸料层对试样横向变形的限制作用，使得其没有明显的上升过程, 此后90°方向预浸料层的限制作用更加明显, 轴向泊松比随着载荷的增加逐渐下降至最低值0.25.GLARE3-3/2层板的轴向泊松比变化过程与GLARE3-2/1层板基本一致, 受90°方向预浸料层比例高的影响, 金属层弹性阶段轴向泊松比更低，在0.27~0.28之间, 下降速度也更快，至最低为0.14.
图 2c中, GLARE6-2/1层板的轴向泊松比在金属层弹性阶段就有缓慢的上升过程, 取值在0.36~0.37之间, 表明预浸料层±45°方向铺设时对层板横向变形的限制作用小, 金属层发生屈服后曲线斜率逐渐稳定上升至最高值0.51.GLARE6-3/2层板的轴向泊松比变化过程与GLARE6-2/1层板基本一致, 金属层弹性阶段泊松比更高在0.37~0.38之间, 而后上升也更快，至最高值0.55.
2.3 弹性模量对比分析GLARE层板的轴向弹性模量计算根据ROM[10]公式:
 | (1) |
计算所需组分材料数据如表 1和2所示, 计算结果在表 3中给出.结果显示:采用混杂模型方法预测GLARE层板的弹性模量具有较好的精度, 最大误差在2%以内.
表 3(Table 3)
表 3 弹性模量预测值与测试值Table 3 Elastic modulus of GLARE laminates
| 表 3 弹性模量预测值与测试值 Table 3 Elastic modulus of GLARE laminates |
2.4 拉伸强度对比分析GLARE层板的拉伸强度计算根据ROM[10]公式:
 | (2) |
计算所需数据如表 1和表 2所示.由于GLARE6层板中预浸料层±45°方向铺设相对于单一层铺设时具有明显的桥接效应, 因此采用单一预浸料层的纵横剪切强度数据预测GLARE6层板的拉伸强度是不精确的.本文假设预浸料层±45°方向铺设时拉伸强度有1倍的提高, 计算结果如表 4所示.结果显示:采用混杂模型法预测GLARE层板的拉伸强度具有较好的精度, 假设±45°方向铺设时拉伸强度相对单层铺设时有1倍的提高，基本符合实际情况, 预测3/2铺层的GLARE层板的拉伸强度误差略大于2/1铺设的情况.
表 4(Table 4)
表 4 断裂强度的理论值与测试值Table 4 Fracture strength of GLARE laminates
| 表 4 断裂强度的理论值与测试值 Table 4 Fracture strength of GLARE laminates |
3 结论1) 受金属层屈服的影响, 无论何种铺层类型的GLARE层板的应力-应变曲线都有一个明显的偏转过程.
2) 金属层弹性阶段GLARE层板的轴向泊松比并不是恒定不变, 金属层屈服后预浸料层起决定性作用, 铺层层数增加会使预浸料层的作用会更加明显.
3) 铺层层数增加使GLARE层板的轴向弹性模量有1%以内的下降.
4) 采用混杂模型方法预测GLARE层板的弹性模量具有较好的精度, 误差在2%以内, 预测GLARE层板的拉伸强度同样具有较好的精度, 但对于一些预浸料正交铺设的层板需要考虑纤维桥接的效用.
参考文献
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