含中心裂紋鋁合金板復(fù)合材料單面膠接修復(fù)后疲勞特性

利用真空袋壓工藝,采用單向炭纖維復(fù)合材料補(bǔ)片對(duì)中心裂紋鋁合金板進(jìn)行了單面膠接修補(bǔ)。測試了復(fù)合材料修補(bǔ)板的靜態(tài)拉伸強(qiáng)度及修補(bǔ)板在拉拉疲勞過程中的裂紋擴(kuò)展、界面脫粘和剩余拉伸強(qiáng)度等疲勞性能。結(jié)果表明,復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)能有效地提高裂紋板的破壞強(qiáng)度和剛度,降低裂紋板的疲勞裂紋擴(kuò)展速率,提高其疲勞壽命。裂紋板經(jīng)單向炭纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片修補(bǔ)后,其破壞強(qiáng)度從311.48mpa提高到364.74mpa,疲勞壽命從32217次提高到77546次。疲勞導(dǎo)致修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的粘接界面脫粘,脫粘區(qū)域近似橢圓形;脫粘面積隨疲勞周次的增加而增加,且增加的幅度與疲勞周次相關(guān)。

采用微波快速固化膠粘劑的方法通過實(shí)驗(yàn)對(duì)鋁合金材料的裂紋進(jìn)行了修復(fù),研究了修復(fù)工藝,并采用數(shù)學(xué)和有限元分析的方法分析了含裂紋的鋁合金板材修復(fù)前后的力學(xué)性能變化情況,同時(shí)對(duì)比了其他方式的修復(fù)后強(qiáng)度,觀察了修復(fù)效果,結(jié)果表明:修復(fù)后鋁合金材料的雙向拉伸性能可恢復(fù)到原材料的95%以上,靜強(qiáng)度可恢復(fù)到原材料的102.9%.

復(fù)合材料補(bǔ)片膠接技術(shù)是一種有效修復(fù)飛機(jī)受損鋁合金構(gòu)件的低成本方法。補(bǔ)片與鋁合金材料熱膨脹系數(shù)的顯著差異,會(huì)在構(gòu)件中引入殘余熱應(yīng)力,對(duì)構(gòu)件性能造成不利影響。文中采用單向碳/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片對(duì)航空鋁合金ly12cz薄板進(jìn)行單面補(bǔ)強(qiáng),并通過確定應(yīng)力釋放溫度測量了鋁板及補(bǔ)片上的殘余熱應(yīng)變。結(jié)果表明,對(duì)完好鋁板而言,鋁板和補(bǔ)片的殘余熱應(yīng)變可分別達(dá)到-488με和285με;對(duì)于含中心裂紋鋁板而言,裂紋長度對(duì)于殘余熱應(yīng)變的影響較小。采用經(jīng)典層合板理論和雙金屬片模型分別預(yù)測了復(fù)合材料補(bǔ)片及鋁合金板在膠接面上的殘余熱應(yīng)力。經(jīng)典層合板理論對(duì)補(bǔ)片和完好鋁板殘余熱應(yīng)力的預(yù)測值分別為-79.8mpa和50.8mpa;雙金屬片模型的計(jì)算值偏大,分別為-98.4mpa和64.6mpa。

利用熱壓成型工藝、采用預(yù)固化的單向碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片對(duì)鋁合金裂紋板進(jìn)行了修補(bǔ),測試了裂紋板膠接修補(bǔ)前后的破壞強(qiáng)度、疲勞壽命及裂紋擴(kuò)展情況,觀察了破壞后的斷口形貌,分析了復(fù)合材料補(bǔ)片的止裂機(jī)理。結(jié)果表明,經(jīng)過單向碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)后,其破壞強(qiáng)度和疲勞壽命均有顯著的提高,破壞強(qiáng)度提高了34.28%,恢復(fù)到完好板的85.83%,疲勞壽命提高2.06倍;裂紋板的臨界裂紋長度從17.86mm增加到28.64mm,從而延長了裂紋緩慢擴(kuò)展階段,延緩了裂紋快速擴(kuò)展;其斷口形貌方式發(fā)生生了明顯的變化。

采用單向硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片真空袋壓工藝單面修復(fù)不同厚度含中心裂紋鋁合金板,測試了修復(fù)試件的熱學(xué)及準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能,并采用三維有限元模型分析了修復(fù)試件的殘余熱應(yīng)變和應(yīng)力強(qiáng)度因子。結(jié)果表明:修復(fù)試件的彎曲撓度隨鋁合金板厚度增大而減小;修復(fù)試件鋁合金板下表面裂紋尖端附近的殘余熱應(yīng)變隨鋁合金板厚度增大而增大,補(bǔ)片上表面的殘余熱應(yīng)變則隨鋁合金板厚度增大而減小,這與有限元分析結(jié)果吻合較好。含中心裂紋鋁合金板的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨鋁合金板厚度增大而減小,而單面修復(fù)試件的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨鋁合金板厚度增大而增大。采用相同長度和寬度的單向硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片單面修復(fù)后,鋁合金板厚度為1.76mm修復(fù)試件的承載能力保留率為93.85%,而厚度為10.20mm修復(fù)試件的只有84.01%;修復(fù)試件的剛度得到了完全恢復(fù),等效剛度均大于完好試件的剛度。

采用單向碳/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片真空袋壓工藝單面修復(fù)含中心裂紋鋁合金板,進(jìn)行0-1700h鹽霧梯度腐蝕試驗(yàn),測試并對(duì)比分析了各腐蝕時(shí)間結(jié)點(diǎn)上試件修復(fù)前后的疲勞性能,從疲勞壽命、疲勞臨界裂紋長度和paris公式材料常數(shù)(c和m)的變化三個(gè)方面考察不同鹽霧腐蝕深度對(duì)鋁合金裂紋板修復(fù)前后的疲勞性能差異。結(jié)果表明:碳/環(huán)氧補(bǔ)片膠接修復(fù)鋁合金板能大幅度提高疲勞壽命,且未經(jīng)修復(fù)的裂紋板在腐蝕1700小時(shí)后疲勞壽命下降53.8%,而修復(fù)板僅為38.6%。修復(fù)板疲勞裂紋臨界長度acr大于未修復(fù)裂紋板,且隨鹽霧腐蝕時(shí)間延長,裂紋板和修復(fù)板acr變化不大,可作準(zhǔn)判據(jù)使用。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的不同腐蝕時(shí)間上試樣的材料常數(shù)c和m隨腐蝕時(shí)間延長而減小。利用paris公式可較好擬合鋁合金板疲勞壽命及paris區(qū)內(nèi)的疲勞裂紋擴(kuò)展行為,但疲勞壽命預(yù)測值與實(shí)際值的差異由未經(jīng)腐蝕時(shí)的5%左右增大到腐蝕1500h時(shí)的10%左右。

近年來,采用frp修復(fù)受損鋁合金構(gòu)件的研究已受到了廣泛關(guān)注并取得了一定的進(jìn)展。對(duì)復(fù)合材料修復(fù)鋁合金裂紋板的試驗(yàn)研究,包括不同膠接長度、不同表面處理和不同剛度比等因素對(duì)其疲勞性能的影響規(guī)律,以及有限元方法預(yù)測疲勞性能進(jìn)行了綜述與分析;對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與有限元預(yù)測的疲勞壽命進(jìn)行了比較;并展望了今后的研究趨勢。

采用真空袋壓技術(shù)將t300/cyd128復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修復(fù)于含中心裂紋的鋁合金1.76mm薄板。研究了實(shí)驗(yàn)室模擬濕熱環(huán)境對(duì)復(fù)合材料修復(fù)鋁合金薄板的力學(xué)性能影響,修復(fù)用復(fù)合材料的吸濕特性,以及修復(fù)用復(fù)合材料拉伸試樣及其基體樹脂澆鑄體的濕熱性能。結(jié)果顯示,澆鑄體飽和吸水率為0.9%,復(fù)合材料吸濕動(dòng)力學(xué)曲線則出現(xiàn)臺(tái)階;隨濕熱老化時(shí)間延長,澆鑄體與復(fù)合材料拉伸性能先升后降,其性能峰值出現(xiàn)時(shí)間分別為500h(73.9mpa)和300h(1531mpa);隨濕熱老化時(shí)間延長,鋁合金裂紋板拉伸性能基本呈線性下降,斷裂載荷下降速率δn=0.12kn/100h,修復(fù)板性能出現(xiàn)波動(dòng)。

由于腐蝕坑不同位置的應(yīng)力狀態(tài)的差異,由腐蝕坑萌生的裂紋擴(kuò)展行為僅僅用應(yīng)力強(qiáng)度因子分析無法得到準(zhǔn)確預(yù)測?？紤]裂紋閉合效應(yīng)的存在,本工作對(duì)于這種裂紋的應(yīng)力場進(jìn)行了分析,研究了其幾何尺寸在裂紋擴(kuò)展過程中的變化,理論分析表明這種幾何形狀的變化與材料形狀以及應(yīng)力范圍的大小關(guān)系不大。對(duì)于裂紋擴(kuò)展的幾何形狀變化的驗(yàn)證性試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果與理論分析的結(jié)果吻合程度良好。

本文選用具有高阻尼性能的al-78%zn合金與具有高強(qiáng)度、良好塑性和較高抗腐蝕能力的鋁合金熱軋復(fù)合,采用al-78%zn板與增強(qiáng)鋁合金板不同的復(fù)合方式與不同的厚度比復(fù)合,在相同的加工工藝條件下,探討al-78%zn與鋁合金不同復(fù)合方式和不同的復(fù)合厚度比對(duì)復(fù)合材料的阻尼性能與力學(xué)性能的影響,從而得出具有高阻尼、高強(qiáng)度、良好塑性與冷加工性能、輕質(zhì)、抗腐蝕性能高的減振材料的最佳復(fù)合方式與最佳的復(fù)合厚度比例。

采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)單向拉伸載荷作用下復(fù)合材料單搭接膠接頭的剪切破壞試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的方法,研究搭接長度對(duì)單搭接膠接頭損傷破壞的影響規(guī)律及其相應(yīng)的聲發(fā)射響應(yīng)特征。結(jié)果表明,隨搭接長度的增加,引起單搭接膠接頭的受力不均勻性增加,損傷易發(fā)生在膠層邊緣應(yīng)力集中區(qū)域,膠接頭承載能力不斷上升的同時(shí),平均剪切應(yīng)力逐漸降低;膠層邊緣應(yīng)力集中更明顯,從而出現(xiàn)較多的聲發(fā)射信號(hào),且幅度在60~80db的聲發(fā)射信號(hào)明顯增多,聲發(fā)射撞擊累積數(shù)有上升趨勢。聲發(fā)射相對(duì)能量、幅度分布等聲發(fā)射信號(hào)與膠層的損傷破壞過程相對(duì)應(yīng)。

采用單向硼/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片真空袋壓工藝單面修復(fù)含中心裂紋不同厚度鋁合金板,測試了修復(fù)試件的疲勞性能,從疲勞壽命、疲勞裂紋擴(kuò)展速率和裂紋擴(kuò)展紋線考察不同厚度鋁合金板修復(fù)后疲勞性能的差異。結(jié)果表明:硼/環(huán)氧補(bǔ)片膠接修復(fù)后,鋁合金板的疲勞壽命大幅度提高,且疲勞壽命提高幅度隨鋁合金板厚度增大而降低。厚度為1.76mm、5.20mm和10.20mm3種鋁合金板修復(fù)試件的疲勞壽命分別是未修復(fù)試件的22.30倍、12.84倍和8.40倍。厚度為1.76mm鋁合金板修復(fù)試件在鋁合金板完全斷裂后還能繼續(xù)承擔(dān)疲勞載荷,而厚度為5.20mm和10.20mm2種鋁合金板修復(fù)試件在鋁合金板斷裂后完全破壞。裂紋擴(kuò)展速率和歸一化裂紋長度差均隨鋁合金板厚度增大而增大。

鋁合金板和鋅合金板屋面

鋁合金與碳纖維復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)耐老化性能研究

目前,復(fù)合材料在航空工業(yè)和武器工業(yè)中的材料應(yīng)用比例逐年上升,復(fù)合材料的應(yīng)用程度已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要標(biāo)志之一.復(fù)合材料與金屬件之間的連接工藝尤其受到人們的關(guān)注.本篇主要描述了通過收集鋁合金與碳纖維復(fù)合材料膠接老化后剪切性能數(shù)據(jù),以期能從中找出規(guī)律,為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)提供依據(jù).

采用"熱軋+中間退火+冷軋+軋后退火"法復(fù)合軋制aa1100/aa7075/aa1100三層鋁合金板。利用金相、sem-eds觀察微觀組織變化及界面元素?cái)U(kuò)散,由顯微硬度和拉伸試驗(yàn)測定復(fù)合板力學(xué)性能。結(jié)果表明,aa7075層組織呈拉伸纖維狀沿軋向分布;熱軋包覆率不變,中間退火后包覆率隨冷軋應(yīng)變的增加先減小后幾乎不變;結(jié)合界面處存在mg、zn元素?cái)U(kuò)散。軋后退火使復(fù)合板強(qiáng)度降低、塑性增加,硬度沿厚度方向呈現(xiàn)梯度變化規(guī)律。

基于abaqus有限元仿真軟件,對(duì)5042鋁合金板在復(fù)合拉深工藝下的制耳規(guī)律進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。通過分析復(fù)合拉深工藝中板料成形后的筒高,及厚度、應(yīng)變的分布規(guī)律,探討了5042鋁合金板在這種復(fù)合工藝下的成形和制耳規(guī)律,揭示了相關(guān)塑性變形的機(jī)理。

基于非線性超聲調(diào)制頻譜法,對(duì)航空鋁合金板材中的疲勞裂紋識(shí)別進(jìn)行研究;以兩個(gè)不同頻率的超聲蘭姆波為激勵(lì)信號(hào),依靠超聲換能器、波形發(fā)生器和激光測振儀等,對(duì)含有疲勞裂紋和無損傷的2024-t351鋁合金薄板試樣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn);分別采用時(shí)域、頻域和時(shí)頻域聯(lián)合法分析非線性超聲波在鋁合金薄板試樣中傳播的響應(yīng)信號(hào)。結(jié)果表明:非線性聲學(xué)特征即調(diào)制頻譜及三階諧波可作為識(shí)別2024-t351鋁合金板材介質(zhì)中疲勞裂紋的判據(jù),通過對(duì)試樣表面進(jìn)行掃描,建立調(diào)制頻譜的峰值幅度與位移的關(guān)系,據(jù)此可確定樣板中疲勞裂紋的位置和輪廓,這為航空鋁合金板材疲勞裂紋的識(shí)別提供更多技術(shù)支撐。

《變形鋁及鋁合金板、帶缺陷》（送審稿）編制說明 1工作簡況（包括任務(wù)來源、協(xié)作單位、主要工作過程） 1.1任務(wù)來源 國標(biāo)委綜合[2007]100號(hào)文件及中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)中色協(xié)綜字 [2007]237號(hào)文件，下達(dá)了編制《變形鋁及鋁合金板、帶缺陷》國家標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)， 并確定了東北輕合金有限責(zé)任公司為主編單位。 1.2起草單位情況 東北輕合金有限責(zé)任公司（原東北輕合金加工廠）簡稱東輕公司，是作為“一 五”期間原蘇聯(lián)援建的156項(xiàng)重點(diǎn)工程中的兩項(xiàng)建設(shè)發(fā)展起來的新中國第一個(gè)鋁 鎂合金加工企業(yè)。1952籌備建廠，1956年11月開工生產(chǎn)。于1998年6月改制 組建為國有獨(dú)資公司。1992年東輕公司被認(rèn)定為國有特大型企業(yè)，1995年被國 務(wù)院發(fā)展研究中心認(rèn)定為“中國最大的鋁鎂合金加工基地”，被盛譽(yù)為“祖國的 銀色支柱”。 1.3主要工作過程和工作內(nèi)容 本標(biāo)準(zhǔn)

采用碳纖維與自行研制的室溫快速固化膠粘劑復(fù)合,制備復(fù)合貼片,研究了碳纖維表面處理工藝以及填加納米sio2對(duì)復(fù)合貼片修復(fù)損傷鋁合金板力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:對(duì)于同一種復(fù)合貼片,分別采用碳纖維表面氧化活化處理工藝和填加納米sio2兩種方法改進(jìn),可使損傷鋁合金板拉伸強(qiáng)度各自提高10%和20%;若將兩種方法結(jié)合應(yīng)用時(shí),則可使損傷鋁合金板拉伸強(qiáng)度提高60%;利用微脫粘法表征碳纖維-膠粘劑基體界面剪切強(qiáng)度,其平均提高幅度達(dá)46%;sem觀察發(fā)現(xiàn)碳纖維-膠粘劑基體-鋁合金板三者界面結(jié)合緊密。

研究了真空釬焊用鋁合金板材的特性，觀察了釬焊前與釬焊后的組織變化。說明了釬焊焊縫的三個(gè)區(qū)域的組織特征，熔蝕深度與焊縫厚度的關(guān)系，釬焊料對(duì)芯材的熔蝕情況，釬焊性能受釬料（包復(fù)層）和芯材成分以及組織特，大的影響。

為了獲得鋁合金板即典型結(jié)構(gòu)件的阻尼特性參數(shù)——阻尼比ξ值,文中對(duì)兩種鋁合金板件(普通鋁和高阻尼鋁)采用懸臂梁自由衰減振動(dòng)法,較簡便、準(zhǔn)確地測得材料的ξ值。這里詳細(xì)介紹了該測試試驗(yàn)的理論依據(jù)、實(shí)施條件、操作步驟和其準(zhǔn)確度的仿真驗(yàn)證;并通過對(duì)后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和對(duì)比分析,得出高阻尼鋁ξ值為普通鋁的1.8倍;且高阻尼鋁本身表現(xiàn)出非定值阻尼特性。上述試驗(yàn)結(jié)論將為結(jié)構(gòu)減振及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。