鄭穎驍, 張 勱, 胡可軍, 段劉陽, 韓文欽, 石慶賀, 朱福先

（江蘇理工學院 材料工程學院，江蘇 常州 213001）

GLARE 層 板（glass fiber reinforced aluminum laminates，GLARE）是一種新型超混雜航空復合材料，由玻璃纖維預浸料和鋁合金薄板交替堆疊而成。相對于傳統(tǒng)的纖維增強復合材料和輕合金材料，GLARE 層板同時具備高比強度、高比剛度、良好的防腐蝕性、優(yōu)異的抗疲勞性和抗沖擊性以及可設計性等特征，已被成功應用于空客A380 上機身蒙皮[1-3]。在實際工程中，由于需要滿足連接或減輕質量等需求，通常會在層板上進行開孔。然而，開孔會導致應力集中的現(xiàn)象，這在層板承受載荷時會加劇，導致層板在孔周圍出現(xiàn)裂紋和過早失效現(xiàn)象。因此，研究GLARE 層板的開孔強度對于其在航空結構設計中的應用具有重要的理論意義和實用價值。

近年來，研究人員利用數(shù)值模擬、實驗等手段，對GLARE 層板的開孔強度和失效機理已進行一些相關研究。He 等[4]通過數(shù)值模擬和實驗方法研究了鋪層方向、缺口尺寸及形狀對碳纖維金屬層壓板拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)鋪層方向和缺口尺寸對開孔強度影響更大，并且隨著缺口尺寸的增加，受到鋪層方向的影響會越來越小。Wang 等[5]通過實驗和模擬相結合的方式研究了GLARE 的固化熱殘余應力特性及其對拉伸和層間剪切行為的影響，發(fā)現(xiàn)殘余應力在拉伸實驗時會造成拉伸強度和初始損傷載荷的降低，但是不會影響拉伸的破壞模式，在層間剪切實驗中會降低峰值載荷和初始損傷載荷，并且會影響層間剪切強度。Dahshan 等[6]研究了編織玻璃纖維增強GLARE 層板拉伸、彎曲和層間斷裂韌性，發(fā)現(xiàn)編織玻璃纖維層的存在增加了拉伸強度和Ⅰ型層間斷裂韌度，但是降低了應變和彎曲強度。Xie 等[7]通過修正的點應力準則預測了帶圓孔的GLARE 層板的剩余強度，并通過缺口幾何形狀影響揭示了兩種斷裂模式的變化。綜上所述，現(xiàn)有研究已對GLARE 層板開孔強度及損傷失效機理給出了現(xiàn)象學上的解釋和分析，但尚不能完全解釋其損傷演化情況與失效機理。究其原因，GLARE層板結構形式多樣、材料種類繁多、載荷工況復雜多變，導致其損傷模式多樣且多種損傷往往同時存在。由于傳統(tǒng)實驗方法難以實時獲取材料變形信息且無法對損傷發(fā)生及演化特征進行識別與追蹤，導致實驗結果與數(shù)值結果難以真正印證。鑒于此，通過利用非破壞性損傷監(jiān)測技術，實現(xiàn)對GLARE層板結構的損傷辨識、演化追蹤和性能評估，進而減少突發(fā)性結構破壞具有重要意義。

數(shù)字圖像相關方法（digital image correlation，DIC）是一種基于數(shù)字圖像處理技術的非接觸式變形測量方法。通過計算兩幅或多幅數(shù)字圖像之間的像素位移獲得測試物體的形變、位移等信息，被廣泛應用于許多領域的應變分析、力學性能評價、材料疲勞等研究[8]。聲發(fā)射技術（acoustic emission，AE）作為一種非破壞性的檢測方法，通常由傳感器、放大器、數(shù)字化采集系統(tǒng)和分析軟件組成，常用于實時監(jiān)測材料或結構中的微小損傷和裂紋。近年來AE 和DIC 的技術組合已被用于復合材料損傷機理的研究[9]。張燕南等[10]將AE 和DIC 相結合對三維四向編織復合材料拉伸過程中的變形與損傷破壞行為進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)編織材料厚度增加會導致材料抗拉強度下降，但AE 峰值幅度和頻率無明顯變化。Tu 等[11]采用DIC 和AE 對復合材料裂紋尖端生長進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)通過分析AE 信號可以獲得裂紋萌生和擴展的相關信息，分析DIC 的位移場可以獲得關于界面處斷裂過程區(qū)演變的信息，二者存在良好的相關性。AE 和DIC 相結合技術能夠實時監(jiān)測GLARE 層板表面應變場變化并獲得材料內(nèi)部損傷演化過程的相關AE 信號，進而用于損傷程度分析及損傷模式識別，可以有效彌補傳統(tǒng)實驗方法的缺陷。

本工作以含有不同孔徑的GLARE 層板為研究對象，開展常溫下的靜態(tài)拉伸實驗，結合DIC 和AE 技術對試樣表面應變場以及損傷演化過程進行實時監(jiān)測，分析拉伸過程中含孔GLARE 層板的失效機理。

1 實驗材料及方法

1.1 材料與實驗試樣

GLARE-3/2 層板由3 層2024-T3 鋁合金薄板和2 層復合材料交替堆疊后經(jīng)平板硫化機熱壓成型。復合材料層由4 層S-4 玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預浸料按照0°/90°/90°/0°的順序鋪貼，其中0°層纖維與鋁合金軋制方向一致。熱壓成型后的層板通過銑削加工成如圖1 所示試樣，其中試件成型厚度h=2.5 mm，總長L=250 mm，寬度W=25 mm，規(guī)長L0=150 mm，夾持端長為50 mm。本工作共設計四種孔徑的試樣：D=3 mm、D=5 mm、D=7 mm、D=9 mm，編號分別為0-90-3、0-90-5、0-90-7、0-90-9，每組試樣各準備三根。

圖1 GLARE-3/2 試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of GLARE-3/2 specimen

1.2 實驗方法

參照ASTM D5766 標準在電液伺服疲勞試驗機上進行靜載拉伸實驗。實驗采用位移控制，加載速率為1 mm/min，直至試樣拉斷實驗停止。DIC設備為三維應變光學測量系統(tǒng)（ARAMIS 3D 2.3M），圖像采樣頻率為2 Hz。實驗前對被測試樣表面噴涂啞光黑和啞光白漆創(chuàng)建隨機散斑方便相機有效識別，通過圖像采集系統(tǒng)完成拉伸過程中試樣表面散斑圖像采集，利用后處理分析軟件能夠獲得試樣表面在變形過程中的位移和應變場，在對散斑圖形的采集過程中，為了防止熱變形對試件的影響，采用冷光源系統(tǒng)對開孔區(qū)域照明。聲發(fā)射信號分析設備為 DS5-8B（四通道）全信息聲發(fā)射信號分析儀，傳感器型號為 RA-2A（采樣頻率范圍為50～400 kHz），20/40/60 dB 多檔前置放大器放大倍數(shù)選擇40 dB，設定聲發(fā)射門檻值為40 dB，采樣頻率為3 MHz。傳感器與試樣之間涂抹凡士林作耦合劑，可以有效減少信號衰減的速率和噪聲的影響。同時，采用透明膠帶將傳感器與試件固定在一起，減小傳感器從試件上脫落風險。實驗完成后使用Sigma500 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對試樣拉伸斷口進行拍照，觀察斷口微觀損傷結構。

2 結果與討論

2.1 GLARE 層板AE 信號的聚類分析

采用主成分分析方法[12]對拉伸過程中所采集的幅值（PA）、峰值頻率（PF）、 RA 值和相對能量（E）四個AE 特征參數(shù)進行降維處理，選用峰值頻率（PF）和幅值（PA）兩個相似度較高的主成分對AE 信號進行聚類分析。基于k-means 聚類方法對數(shù)據(jù)特征進行分類并計算平均輪廓系數(shù)。選定最佳聚類數(shù)k=4，此時平均輪廓系數(shù)最大，表示組內(nèi)樣本距離越近，聚類效果較好。圖2 為不同孔徑試件的幅值與峰值頻率關系的k-means 聚類結果。按照峰值頻率范圍大小分別將四類結果命名為CL1、CL2、CL3 和CL4，其中CL1 和CL2 分別對應的是低頻和中低頻信號，CL3 和CL4 分別對應的是中高頻和高頻信號。從幅值上進行區(qū)分，CL2 對應的AE 信號屬于高幅值信號，其幅值可以達到80 dB以上，CL1、CL3 和CL4 所含AE 信號對應的幅值較小，絕大多數(shù)小于40 dB。

圖2 不同孔徑GLARE 層板試件的幅值與峰值頻率聚類關系 （a）0-90-3；（b）0-90-5；（c）0-90-7；（d）0-90-9Fig.2 Clustering relationship between amplitude and peak frequency of GLARE laminates with different apertures （a）0-90-3；（b）0-90-5；（c）0-90-7；（d）0-90-9

不同孔徑的GLARE 試樣AE 信號的聚類邊界與對應信號數(shù)量如表1 所示。通過表1 可以發(fā)現(xiàn)，四種孔徑試件的幅值與峰值頻率的四類聚類結果都十分相近。一般來說，復合材料常見的損傷形式包含四類，即基體開裂、纖維剝離、分層損傷和纖維斷裂。根據(jù)圖2 的聚類結果，將峰值頻率分為四個頻率范圍0～50 kHz（低頻）、80～200 kHz（中低頻）和200～300 kHz（中高頻）及300～400 kHz（高頻）。鋁合金試樣的軸向靜載拉伸破壞聲發(fā)射監(jiān)測結果顯示，僅在鋁合金破壞后期時采集到AE 信號且信號頻率集中在0～50 kHz 頻率范圍內(nèi)，因此判斷GLARE 試件在拉伸破壞過程中采集到的0～50 kHz頻率范圍的AE 信號是鋁合金層損傷產(chǎn)生的。通常，頻率范圍最低且數(shù)量最多的信號代表基體開裂這一損傷模式，而頻率范圍最高的AE 信號代表纖維斷裂這一損傷模式，因此可以判斷CL2 所含80～200 kHz 的AE 信號是基體開裂產(chǎn)生的，CL4所含300～400 kHz 的高頻信號屬于纖維斷裂損傷模式。根據(jù)文獻[13]所給出的建議，并結合試樣的斷裂形式分析，CL3 中所含200～300 kHz 的中高頻AE 信號包含了纖維剝離和分層兩種損傷形式產(chǎn)生的AE 信號。圖3 為不同孔徑GLARE 層板試件峰值頻率分布。從圖3 中可以直觀地看到，CL2 中與基體開裂有關的AE 信號數(shù)大于CL4 中與纖維斷裂有關的AE 信號數(shù)，說明基體開裂是整個拉伸失效過程的主要損傷形式。

圖3 不同孔徑GLARE 層板試件的幅值與峰值頻率聚類關系 （a）0-90-3；（b）0-90-5；（c）0-90-7；（d）0-90-9Fig.3 Clustering relationship between amplitude and peak frequency of GLARE laminates with different apertures （a）0-90-3；（b）0-90-5；（c）0-90-7；（d）0-90-9

2.2 GLARE 層板失效過程的失效機理

圖4 為不同孔徑試件拉伸損傷過程中載荷和AE 相對能量隨時間變化關系（圖4（a-1）～（d-1））和不同階段拉伸方向應變分布云圖（圖4（a-2）～（d-2））。由圖4 圖4（a-1）～（d-1）可以發(fā)現(xiàn)，試樣在失效階段采集到的大于1000 mV?ms 的AE 信號隨試樣孔徑增大數(shù)量變多，在失效階段早期已經(jīng)出現(xiàn)，且在失效階段后期高能量信號的密集程度增加。這是由于隨著孔徑的增大，試樣在失效階段末期由脆性斷裂變?yōu)檠有詳嗔裑14]。由圖4（a-2）～（d-2）可以看出，隨著孔徑的增大，在相同階段試件缺口周圍應變集中程度減弱，表面應變場銳度的變化速率減緩。由圖4（a-1）～（d-1）還可以看出，載荷-時間關系呈現(xiàn)典型的雙線性關系，根據(jù)曲線特征可劃分為三個階段：彈性階段、屈服階段和失效階段。

圖4 不同孔徑試件拉伸載荷和相對能量隨時間變化曲線及各階段拉伸方向應變 εyy的DIC 云圖 （a）0-90-3；（b）0-90-5；（c）0-90-7；（d）0-90-9；（1）能量載荷隨時間變化關系；（2）拉伸方向應變 εyy的DIC 云圖Fig.4 Tension load and relative energy versus time curve and DIC cloud map of tensile directional strain εyy in each stage（a）0-90-3；（b）0-90-5；（c）0-90-7；（d）0-90-9；（1）relative energy and tensile load versus time；（2）DIC cloud map of tensile directional strainεyy

彈性階段載荷呈線性增長，鋁合金層和纖維層共同承擔截面載荷，且由于鋁合金具有相對較高的彈性模量及體積分數(shù)，此時鋁合金在GLARE 層板的彈性特征中占主導地位。在彈性階段，傳感器只捕捉到少量低能量的AE 信號，應變云圖中缺口周圍的應變值幅值變化較小，只有在纖維層中少量微元單位發(fā)生破壞。該部分破壞可能是由于在試樣制備過程中不可避免的微裂紋、氣泡等原始缺陷所造成的。

隨著載荷逐漸增大，試樣進入屈服階段，在這個階段中載荷曲線明顯呈現(xiàn)非線性增長。在該階段，低能量的AE 信號數(shù)量逐漸增加。同時，云圖中垂直于加載方向的缺口周圍應變集中開始顯現(xiàn)，并沿加載方向逐漸呈現(xiàn)出“漏斗”狀。當截面應力達到并超過鋁合金的屈服極限時，鋁合金發(fā)生塑性屈服，承載能力減弱，復合材料層的承載貢獻不斷增大。因此，在鋁合金層發(fā)生屈服和局部塑性變形的時候，導致了載荷曲線在這個階段呈非線性增長。在此階段，由于復合材料層的承載貢獻不斷增加，基體開裂、纖維剝離及界面分層等損傷形式逐漸出現(xiàn)并不斷累計，低能量的AE 信號數(shù)量不斷增加。

當載荷進一步增大試件進入失效階段，基體開裂、纖維剝離及界面分層等損傷進一步增大，且纖維斷裂開始出現(xiàn)并不斷積累演化，直至試樣完全失效。該階段高能量的AE 信號頻繁地被釋放并被傳感器捕捉。同時，可觀測到應變云圖中垂直于加載方向的缺口周圍出現(xiàn)的應變區(qū)顏色層次更加分明，從外到里顏色逐漸變深，應變集中現(xiàn)象逐漸增大，沿加載方向的缺口周圍的“漏斗”形更加明顯。某種程度上，應變集中是應力集中的一種表現(xiàn)形式。由于缺口附近的應力集中現(xiàn)象，試樣從缺口邊緣的應力集中區(qū)開始發(fā)生破壞，沿著垂直于加載方向發(fā)生開裂并不斷延伸至整個截面，這一情況也與試樣斷口位置吻合。

除了能量曲線隨時間變化關系外，拉伸過程中損傷的發(fā)生及演化也可以通過幅值及累計撞擊數(shù)隨時間的變化關系表現(xiàn)。如圖5 所示，在彈性階段主要為低幅信號（0～5 dB），撞擊次數(shù)增長緩慢，說明此階段試樣損傷較少。進入屈服階段后，隨著撞擊數(shù)的不斷累積，幅值也在不斷增加，但整體低于10 dB。在失效階段可以發(fā)現(xiàn)，無論是累計撞擊數(shù)還是幅值均有顯著增長，10 dB 以上幅值數(shù)量大量出現(xiàn)，最大幅值接近100 dB。對比可知，相對能量、幅值及累計撞擊數(shù)在表征GLARE 拉伸損傷發(fā)生及演化具有良好的效果。

圖5 0-90-5 試樣拉伸載荷、撞擊累計數(shù)及幅值與時間關系Fig.5 Relationship curves of tension load, impact cumulative count and amplitude vs time for 0-90-5 specimen

盡管相對能量、幅值及累計撞擊數(shù)可以較好地表征GLARE 拉伸損傷發(fā)生及演化過程，但這些信號會隨著信號傳播距離增大而衰減，受傳感器接收信號距離的影響。峰值頻率不受傳感器位置的影響，是一個可靠的特征參數(shù)，而峰值頻率常用來區(qū)分復合材料的損傷模式。圖6 為不同孔徑試件拉伸載荷和峰值頻率與時間關系曲線。由圖6 可以發(fā)現(xiàn)，CL1 低頻信號主要與鋁合金損傷有關，且大部分集中在失效階段的后半段。CL2 中低頻信號主要與基體損傷相關，從屈服階段開始出現(xiàn)且在失效階段聚集明顯，在整個損傷模式中占試樣損傷的主導地位。CL3 中高頻信號主要與纖維剝離和分層損傷相關，在屈服階段后期產(chǎn)生并在失效階段不斷擴展累積。CL4 高頻信號主要與纖維斷裂相關，主要發(fā)生在失效階段，隨著纖維斷裂的不斷產(chǎn)生，試樣失去承載能力發(fā)生斷裂。CL4 所含的高頻信號在較小孔徑情況下主要集中于斷裂瞬間，而在較大孔徑情況下集中在失效階段的早中期。從圖6還可以發(fā)現(xiàn)，不同孔徑下峰值頻率的范圍分布類似，說明GLARE 層板的失效模式對孔徑變化的敏感性較低。由此，對與正交鋪層的GLARE 層板最終失效是由纖維斷裂所主導。圖7 為0-90-5 試樣拉伸斷后宏觀樣貌與局部微觀形貌特征。從圖7（a）宏觀斷口局部放大圖中可以發(fā)現(xiàn)鋁合金在斷口處的截面積明顯變小，說明鋁合金層在拉伸過程中發(fā)生塑性變形并伴有明顯的頸縮現(xiàn)象。觀察0°和90°纖維層的破壞形貌，發(fā)現(xiàn)0°層出現(xiàn)類似于脆性斷裂的斷口形貌，而90°層纖維表現(xiàn)出拉伸纖維的斷裂形態(tài)且暴露在斷口表面的纖維數(shù)量更多，這是因為0°層纖維方向與施加的拉伸應力方向相同，而90°層纖維受到橫向應力的撕裂作用，更容易發(fā)生纖維基體剝離損傷并造成斷裂。為了更清晰全面展示試樣斷口附近的損傷類型，圖7（b）給出了平行于拉伸方向的側視微觀形貌。從圖7（b）可以清晰觀測到鋁合金與纖維層發(fā)生界面分層，在0°層以纖維斷裂為主的損傷模式比較明顯，而90°層以基體開裂為主的損傷模式更為突出。圖7（c）展示了局部纖維層損傷特征，損傷模式包含基體開裂、層內(nèi)分層和纖維/基體剝離。由于90°層基體承載能力較低，首先出現(xiàn)裂紋并擴展至于0°層界面，進而產(chǎn)生層內(nèi)分層損傷且從開孔區(qū)域逐漸向拉伸方向蔓延。隨著載荷的增加，基體的承載能力無法承受外部作用力而發(fā)生開裂，纖維束和基體之間黏結失效導致了纖維與基體發(fā)生分離，部分纖維束直接暴露于基體之外，由此就產(chǎn)生了如圖7（c）所示的纖維/基體剝離損傷。這種損傷會引起纖維層強度和剛度的降低，最終發(fā)生纖維束斷裂的現(xiàn)象。由圖2 發(fā)現(xiàn)，纖維斷裂這一損傷模式的AE 信號特點為高頻低幅，但是可以從圖4、圖5 和圖6 中觀察到失效階段捕捉到具有高能量、高峰頻和高幅值的AE 信號，這是因為在失效階段，纖維內(nèi)部同時發(fā)生著多種損傷模式，鋁合金層在這個階段也發(fā)生斷裂破壞，由于它們產(chǎn)生的AE 信號相互疊加，導致傳感器捕捉到了高能量、高峰頻和高幅值的AE 信號。

圖6 不同孔徑試件拉伸載荷和峰值頻率與時間關系曲線（a）0-90-3；（b）0-90-5；（c）0-90-7；（d）0-90-9Fig.6 Relationship curves of tension load and peak frequency versus time for specimens with different aperture diameters （a）0-90-3；（b）0-90-5；（c）0-90-7；（d）0-90-9

2.3 不同孔徑對GLARE 層板強度及損傷失效的影響

圖8 給出了不同開孔尺寸試件載荷-變形曲線。觀察發(fā)現(xiàn)，不同開孔尺寸對載荷-位移曲線形狀影響較小，但對載荷極限和失效位移影響顯著?？讖接绊懕憩F(xiàn)為隨著孔徑增大，試樣的載荷極限及失效位移均不斷減小，承載能力下降明顯。這是由于圓孔的存在減少了拉伸過程中試樣實際承載的有效橫截面積，同時圓孔周圍出現(xiàn)應力集中，從而加速了試樣的斷裂破壞。圖8 同時給出了四種孔徑下試樣的強度極限。從層板斷裂強度的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)曲線的下降速率隨孔徑的增大呈非線性變化，其中從D=3 mm 到D=5 mm 的斷裂強度下降的最為明顯，而從D=5 mm 到D=9 mm 的斷裂強度下降速率明顯減緩。這是由于隨著切口尺寸的增加，開孔曲率逐漸降低。因此，孔周應力集中將明顯減弱，試樣的最終斷裂將被延遲。

圖8 不同孔徑GLARE 層板試樣載荷-位移曲線及斷裂強度曲線圖Fig.8 Load-displacement curve and ultimate strength curve of GLARE laminates with different apertures

從圖8 中發(fā)現(xiàn)，載荷曲線在接近強度極限時產(chǎn)生抖動并且隨孔徑增大而愈發(fā)明顯，載荷曲線的抖動恰好能印證隨孔徑增大失效形式由脆性斷裂變?yōu)檠有詳嗔堰@一現(xiàn)象。延性斷裂通常是由于分層損傷延緩試樣斷裂的速度，導致試樣在整個失效階段的損傷隨時間更加均勻。該結果也可以從圖6中CL4 所含的高頻信號在較小孔徑情況下主要集中于斷裂瞬間而在較大孔徑情況下集中在失效階段的早中期的分布得到佐證。

3 結論

（1）GLARE 層板的整個拉伸階段分為三個階段：彈性階段、屈服階段和失效階段。彈性階段時鋁合金層是主要承載層。屈服階段時由于鋁合金的塑性變形，主要承載層轉變?yōu)閺秃喜牧蠈?。從彈性階段到屈服階段，主要承載層的轉變導致了拉伸曲線呈現(xiàn)雙線性變化。經(jīng)過屈服階段的損傷累積，在進入失效階段后傳感器會采集到高能量、高幅值、高頻率的AE 信號，其中高能量、高幅值的AE 信號是由于多種損傷模式的疊加形成的，高頻率的AE 信號是由于傳感器檢測到了纖維斷裂損傷。

（2）GLARE 層板內(nèi)部在整個拉伸過程中會發(fā)生四種損傷，即基體開裂（80～200 kHz）、纖維剝離與界面分層（200～300 kHz）和纖維斷裂（300～400 kHz），并且不同損傷模式的峰值頻率范圍分布對孔徑變化的敏感性較小。另外這四種損傷在時間上有時序性：首先是基體開裂，其次是纖維剝離和界面分層，最后是鋁合金開裂和纖維斷裂。

（3）GLARE 層板的承載能力和斷裂形式受到孔徑影響，隨著孔徑增大層板極限載荷呈現(xiàn)非線性減小，并且發(fā)生延性斷裂的現(xiàn)象也逐漸明顯。