范文濤，陳燕，陳逸佳，謝松峰

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)以其高比強度、高比模量、耐腐蝕、輕質(zhì)和抗疲勞等優(yōu)良特性在航空航天工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。復(fù)合材料的大量使用給飛機設(shè)計和航空制造工業(yè)都帶來了極具影響力的變革，各航空制造大國都在競相提升復(fù)合材料在新一代大型飛機上的應(yīng)用。復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)上的用量已經(jīng)成為衡量其先進性的重要指標(biāo)[2-3]。為滿足生產(chǎn)實際要求，經(jīng)常需要通過銑削加工使復(fù)合材料達(dá)到尺寸及精度要求，不同的加工表面質(zhì)量及表面損傷也可能會導(dǎo)致應(yīng)力集中，使之提前發(fā)生斷裂失效[4]。

GHIDOSSI P等[5]研究了碳/環(huán)氧和玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料的加工工藝對其力學(xué)性能的影響。通過表面粗糙度測量和顯微觀察對加工過程進行詳細(xì)的分析和評估。研究的主要結(jié)論是加工工藝在某些參數(shù)下對復(fù)合試樣強度有顯著影響。HADDAD M等[6]研究了由不同加工工藝(即傳統(tǒng)刀具切削、磨料水射流加工(AWJM)、金剛石磨削(ADS)產(chǎn)生的缺陷及其對CFRP準(zhǔn)靜態(tài)(壓縮和層間剪切)力學(xué)性能的影響，選擇了不同的加工條件，以便獲得具有不同表面質(zhì)量的試樣。結(jié)果表明：AWJM樣品具有更好的抗壓性能，而ADS樣品具有更高的層間剪切強度，用傳統(tǒng)刀具切削的試樣具有更高的疲勞極限。機械加工工藝導(dǎo)致的表面粗糙度不同以及加工缺陷對力學(xué)性能的影響沒有一致的規(guī)律，反而是加載方式的不同對材料力學(xué)性能的影響更為顯著。此外，Ra不適用于評價復(fù)合材料的表面質(zhì)量。李皓[7]通過對不同表面質(zhì)量試件靜載強度的試驗分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料銑削加工會在一定程度上導(dǎo)致其材料拉伸和壓縮強度性能降低，且壓縮強度對加工損傷更為敏感；影響層厚度Δh的增加會導(dǎo)致較為明顯的材料強度弱化。

上述研究表明，不同的機械加工條件下復(fù)合材料的力學(xué)性能會有差異。為研究加工表面粗糙度對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，避免線粗糙度Ra在表征復(fù)合材料時的不確定性，本文選用三維表面算術(shù)平均高度Sa來表征CFRP加工表面粗糙度，采用不同工藝制備的表面粗糙度大小不同的標(biāo)準(zhǔn)試樣，進行拉伸性能及壓縮性能測試，研究表面粗糙度的改變是否會對材料性能造成影響。

1 試驗與設(shè)備

1.1 試樣制備

試驗采用T800型CFRP層合板作為試驗材料，纖維體積含量65%。層合板的鋪層方向為[(-45°/90°/45°/0°)2]s，共16層，厚度為3mm。

采用磨削和銑削兩種工藝制備得到不同表面粗糙度大小的力學(xué)測試試樣，其中磨削試樣作為標(biāo)準(zhǔn)件。磨削試樣由砂輪片切割獲得，砂輪片外徑300mm，內(nèi)徑125mm，線速度vs=1.6m/s，進給速度vw=100mm/min，徑向切深ae=3mm，軸向切深ap=2mm。

銑削刀具采用金剛石涂層菱齒銑刀，為比較不同表面粗糙度對力學(xué)性能的影響，采用銑削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min，進給速度分別為vf=200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800mm/min，切寬和切厚分別為刀寬與板厚，銑削的方式為逆銑，銑削加工工裝如圖1所示。一共可以得到9組具有不同表面粗糙度大小的試樣。

圖1 工裝示意圖

1.2 表面粗糙度檢測

選用Sa來表征表面粗糙度的大小，采用Sensofar 3D光學(xué)輪廓儀對加工后的表面進行非接觸式拍攝和測量，測量參數(shù)為：選用Nikon20倍鏡，單個視場范圍877μm×660μm，x、y軸采樣間距Dx=0.645μm、Dy=0.645μm，縱向分辨率Dz=8nm，橫向分辨率R1=0.31μm，數(shù)值孔徑NA=0.45，拍攝3×4共12個視場拼接后裁取2mm×2mm的采樣面積，就可以得到樣件表面三維形貌及各點坐標(biāo)，通過計算得到表面方均根高度Sa的大小。

1.3 力學(xué)強度測試

力學(xué)強度測試內(nèi)容包含常用的拉伸強度測試和壓縮強度測試。ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)獲取的材料性能數(shù)據(jù)在各國復(fù)合材料界都被普遍接受，因此在本文中拉伸與壓縮測試標(biāo)準(zhǔn)按ASTM標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。分析不同表面粗糙度對CFRP力學(xué)性能退化的影響規(guī)律。力學(xué)性能測試采用ZwickRoell z100全自動電子拉力試驗機，如圖2所示。

圖2 ZwickRoell z100全自動電子拉力試驗機

拉伸性能測試標(biāo)準(zhǔn)參考ASTM D 3039-17聚合物基復(fù)合材料拉伸標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，測試試樣的名義尺寸：長度l=200mm，寬度w=12mm，厚度b=3mm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CFRP多向?qū)雍习宀捎蒙凹堊鳛榧訌娖?，測試的試樣個數(shù)不少于5件。停止試驗后，需對樣件的斷裂形式進行觀察，斷裂模式符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)才有可信度。通過試驗測得最大拉伸載荷Ft，拉伸強度σt計算公式如下：

(1)

壓縮性能測試標(biāo)準(zhǔn)參考ADTM D6641-16，采用聯(lián)合加載方法評價樹脂基復(fù)合材料壓縮強度特性，測試試樣的名義尺寸為：長度l=140mm，寬度w=12mm，厚度b=3mm。由于采用聯(lián)合加載的試驗方法，試樣無需加強片。測試的試樣個數(shù)不少于5件。停止試驗后，對樣件的斷裂形式進行觀察，查看斷裂模式是否符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)。通過試驗測得最大壓縮載荷Fc，壓縮強度σc計算公式如下：

(2)

為了對復(fù)合材料的力學(xué)性能進行正確的評估，需要統(tǒng)計每一組試驗的數(shù)據(jù)，計算出測試性能的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)，如式(3)-式(5)所示。

(3)

(4)

(5)

為了研究CFRP加工表面粗糙度對力學(xué)性能的影響規(guī)律，以磨削試樣為基準(zhǔn)，根據(jù)材料力學(xué)性能測試結(jié)果，計算各種表面損傷下試樣的力學(xué)性能退化指標(biāo)αs，αs的計算方法如下：

(6)

式中：S0為CFRP砂輪片切割樣件的拉伸強度、壓縮強度；SD為不同表面粗糙度銑削試樣的拉伸強度、壓縮強度，強度單位均為MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 銑削表面粗糙度結(jié)果

磨削試樣的Sa僅有1.2μm，如圖3所示，磨削試樣的表面質(zhì)量好，無明顯缺陷。

圖3 銑削試樣表面三維形貌圖

如圖4所示，隨著進給速度的增大，Sa先發(fā)生了一個小幅的下降，隨后一直增大，當(dāng)進給速度為1 800mm/min時，Sa達(dá)到了26.3μm。

圖4 進給速度對表面粗糙度Sa的影響規(guī)律

圖5顯示的是銑削表面的三維形貌圖?？梢钥闯?，當(dāng)Sa較小時，表面整體高度起伏較小，也沒有極端的表面“峰”或“谷”出現(xiàn)；但是當(dāng)Sa較大時，不僅不同鋪層之間的高度存在差異，且表面有連續(xù)且較深的“凹坑”和較高的“峰”。這些“凹坑”最深處可達(dá)67.5μm，“峰”最高96.9μm。這些缺陷在材料受載荷時會產(chǎn)生應(yīng)力集中，但是復(fù)合材料基體的應(yīng)變同時受到纖維以及結(jié)合界面的強度影響，需要研究因表面粗糙度改變而引起的表面缺陷是否足以影響到材料的力學(xué)強度。

圖5 銑削試樣表面三維形貌圖

2.2 表面粗糙度對拉伸強度的影響

經(jīng)過測試，磨削CFRP試樣的拉伸強度為718.8MPa，拉伸模量為45.8GPa，拉伸試樣的斷口如圖6所示，均為符合標(biāo)準(zhǔn)的斷裂形式。

圖6 拉伸失效試樣斷口圖

根據(jù)測試結(jié)果，Sa為10.24μm時拉伸強度達(dá)到最大值，為708.74MPa；當(dāng)Sa為12.73μm時拉伸強度最小，為656.26 MPa，比最大值下降了7.4%。本次試驗材料性能離散系數(shù)在0.49%～7.58%之間，試驗結(jié)果在一定范圍內(nèi)波動，但在ASTM D3039-17標(biāo)準(zhǔn)提供的參考范圍內(nèi)。因此可以認(rèn)為試驗結(jié)果符合要求，并無異常。

圖7顯示的是表面粗糙度Sa對拉伸強度退化的影響結(jié)果。可以看到CFRP層合板試樣拉伸強度的離散性非常大，銑削試樣的拉伸強度相較于磨削試樣均發(fā)生了不同程度的退化。Sa未能對拉伸強度顯現(xiàn)出具體的影響趨勢，但是當(dāng)Sa>15μm時，拉伸強度退化量總體增大。一方面，在本文中的加工條件下無論何種表面粗糙度的試樣，拉伸強度退化最多的有8.67%，說明在本文的工況下并不會對拉伸強度造成急劇的退化，另一方面，復(fù)材拉伸強度自身的離散系數(shù)就偏大，對表面質(zhì)量帶來的小幅強度變化造成了干擾。

圖7 表面粗糙度對拉伸強度的影響

2.3 表面粗糙度對壓縮強度的影響

經(jīng)過測試，磨削CFRP試樣的壓縮強度為576.7MPa，性能離散系數(shù)12.87%，斷裂形式均符合標(biāo)準(zhǔn)。

壓縮破壞的斷口主要有橫向剪切斷裂和開花型劈裂兩種模式，如圖8所示。復(fù)合材料的橫向斷裂一般由于材料成分的泊松比不同以及試樣上橫向應(yīng)變存在的不均勻分布造成，不論是哪種破壞模式，可能都伴隨著一系列其他現(xiàn)象：纖維和基體的非彈性和非線性特性、層間應(yīng)力、表面層分離、整體失穩(wěn)。這些現(xiàn)象的不同組合可能會造成即使使用相同的材料和試驗程序，也很難得到統(tǒng)一的失效模式或者得到較為一致的測試結(jié)果。

圖8 壓縮失效試樣斷口圖

當(dāng)Sa為4.23μm時壓縮強度達(dá)到最大值，為596.31MPa；當(dāng)Sa為10.24μm時壓縮強度最小，為512.69 MPa，比最大值下降了14.02%。本次試驗材料性能離散系數(shù)在0.38%～12.88%之間，與ASTM D6641-16標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)果無明顯差異。因此可以認(rèn)為試驗結(jié)果符合要求，并無異常。

圖9 表面粗糙度對壓縮強度的影響

3 結(jié)語

1)表面粗糙度Sa隨著進給速度在200～1 800mm/min范圍內(nèi)逐漸增大時，先小幅下降后持續(xù)增大。Sa較大時CFRP銑削表面有較多“凹坑”與“峰”。

2)CFRP加工表面粗糙度Sa對拉伸強度和壓縮強度的影響不顯著，但是當(dāng)Sa>15μm時，拉伸強度退化量增加。

3)CFRP基體的性能對壓縮強度影響更大，加工溫度過高會損傷樹脂基體，影響材料的壓縮強度。