碳纤维复合材料剪切疲劳试验研究方法

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引言

随着科学技术的进步和轻量化的发展趋势，复合材料逐渐出现在了各行各业之中，首当其冲的就是汽车行业。由于复合材料强度高、刚度大、质量轻、具有良好的可设计性，与传统金属相比，可以在同等性能条件下大幅减重，为安装、运输都提供了巨大的方便；且复合材料具有更好的耐腐蚀、疲劳性能，具有良好的发展前景。复合材料具有各向异性的特性，即使是同一种材料，不同的铺层设计也会导致其性能上的差异，所以研究复合材料的性能具有十分重要的意义。

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)可以说是目前应用最受青睐的复合材料，相比于传统的金属材料，其出色的疲劳性能一直是国内外专家学者的关注对象。疲劳性能是工程应用中产品可靠性研究的重要内容之一。目前大多数CFRP疲劳性能研究着重于单向铺层或者正交铺层的拉-拉疲劳，而在很多工程应用的场合之中，如传动轴，剪切破坏是重要的破坏模式，对其疲劳性能的研究十分重要。V型缺口的剪切疲劳试验相对于其他研究方法，可以获得更加均匀的应力分布，以及纯剪切的应力状态，所以本文采用V型缺口试验的方法，对CFRP的剪切疲劳性能进行研究和探索。

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试验

2.1 试样制备

本文的试验基于标准ASTM/D7078，试样制备的要求也按照标准执行，图1为试样的尺寸图。试样的制备按照裁料-制板-固化-裁切-精加工的流程制造，其中材料的参数见表1。

图1 V型缺口试样尺寸图

表1 CFRP性能参数

对于已经制备完成的试样进行静力性能抽样测试，检验试样的合格性，同时测量其静力的剪切强度。

2.2 试验结果

对V型缺口试样的剪切疲劳试验进行完成之后，得到如下疲劳数据，见表2。剪切强度计算结果与试验测试结果相差不大，在每个应力水平下疲劳试样的累计循环次数也都在一个数量级之内，属于可接受范围。其中在应力水平为0.7以下时，试验循环数到达106没有破坏，认为材料到达疲劳极限。

表2 CFRP剪切强度

表3 CFRP剪切疲劳试验结果

如图4所示为疲劳数据以及其拟合曲线。

图4 S-N曲线

(1) s=0.75

(2) s=0.7

(3) s=0.8

图5 试验结束后试样图

(1)和(3)试样经过试验后发生破坏，其破坏模式为45°方向的剪切破坏。其中(1)为s=0.75应力条件下的破坏形式，(3)为s=0.8条件下的破坏形式，明显高应力条件下破坏更为迅速，纤维大多同时断裂，而低应力条件下发生了更加明显的纤维断裂后的应力重新分布，纤维断裂位置有所不同；(2)为经过106循环之后仍未破坏的效果。

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结论

本文研究采用V型缺口试样测试碳纤维复合材料剪切疲劳试验，该方法可以获得纯剪切状态以及更加均匀的应力分布。对碳纤维复合材料V型缺口试样进行了应力比为0.05的剪切疲劳试验，获得了该CFRP的S-N曲线，与金属的S-N曲线的对比，可见其疲劳强度大于传统金属的疲劳强度，说明碳纤维复合材料具有良好的疲劳性能。

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