1、中心切口對機織物柔性的影響     本文作者：汪澤幸 陳南梁 單位：湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心 東華大學(xué)紡織學(xué)院作為一種新型紡織結(jié)構(gòu)增強復(fù)合材料，織物增強柔性復(fù)合材料通常采用紡織結(jié)構(gòu)材料作為增強骨架材料，選用塑料或橡膠為涂覆基體材料，采用涂層、壓延加工工藝制備而成，在紡織領(lǐng)域通常稱之為涂層織物或壓延織物?？椢镌鰪娙嵝詮?fù)合材料作為一種新型的工程材料，現(xiàn)已廣泛用于膜結(jié)構(gòu)建筑、飛艇囊體結(jié)構(gòu)、各種充氣結(jié)構(gòu)等，同時也廣泛應(yīng)用于輸送帶行業(yè)1-2。隨著織物增強柔性復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對其各種性能的要求越來越高，作為其最為重

2、要的性能指標(biāo)之一，對其力學(xué)性能的研究也越來越重視。目前，在研究各種復(fù)合材料的力學(xué)性能時，通?；跓o損試樣來進行測試、標(biāo)定，并研究各種復(fù)合材料所適用的強度理論、失效準(zhǔn)則等3。但織物增強柔性復(fù)合材料在加工和使用過程中會直接或間接地引入內(nèi)部缺陷與外部損傷，如在加工過程中，在材料內(nèi)部產(chǎn)生諸如內(nèi)部空隙、纖維斷裂、纖維與樹脂之間層間脫黏等內(nèi)部缺陷;在使用時，由于疲勞、蠕變等或材料與尖銳物體接觸、摩擦?xí)r，在材料表面產(chǎn)生諸如裂紋或缺口等形式的損傷。在長時間使用過程中，上述內(nèi)部缺陷或外部損傷將會在外部因素的作用下不斷萌生、擴展，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生，引起織物增強柔性復(fù)合材料承載能力和剛度等力學(xué)性能的降低。

3、因此，織物增強柔性復(fù)合材料在加工制備和使用時，應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)內(nèi)部空隙、裂紋及缺口等形式損傷，以確保材料在使用過程中具有相當(dāng)?shù)目煽啃?同時在使用時，應(yīng)嚴(yán)格限制缺口等形式損傷的尺寸，以確保材料具有一定的可靠性。針對裂紋或切口對織物增強柔性復(fù)合材料力學(xué)性能的劣化，眾多學(xué)者對處于單向4-7、雙向5、8及多向9加載條件下織物增強柔性復(fù)合材料的裂紋擴展性能進行了大量的試驗研究，基于復(fù)合材料破壞模型對其拉伸性能進行了理論預(yù)測10，并基于應(yīng)變能釋放率對其斷裂韌性進行了理論研究4。但上述均基于單邊或中心貫穿型等單一形式裂紋切口，而未對比研究各種切口對織物增強柔性復(fù)合材料拉伸性能的劣化。文獻11對預(yù)置各種貫穿型

4、裂紋切口(單邊、雙邊及中心)試樣在不同切口尺寸下的拉伸性能進行了測試與對比分析。本文以中心切口(貫穿型與圓孔型)拉伸試樣為試驗對象，對織物增強柔性復(fù)合材料的中心缺口敏感性進行研究，以期研究中心裂紋和圓形切口試樣的拉伸性能及破壞過程。1缺口敏感性及其試驗11缺口敏感性及其度量缺口敏感性作為衡量材料性能的一個重要指標(biāo)，指材料因存在缺口(切口、尖角、溝槽、橫孔等截面急劇變化之處)所引起的局部應(yīng)力集中而導(dǎo)致其名義“強度”降低的現(xiàn)象。對于線彈性材料，衡量切口附近區(qū)域的應(yīng)力集中程度可用理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt來表示。按彈性力學(xué)理論計算得到切口或其他應(yīng)力集中處的局部應(yīng)力與相應(yīng)的名義應(yīng)力的比值，即可得到理論應(yīng)力集

5、中系數(shù)Kt3。但對于彈塑性材料，難以確定切口根部區(qū)域的應(yīng)力場，使實際應(yīng)用受限，且切口試樣的強度無法用無損試樣的抗拉強度或采用斷裂力學(xué)的方法來驗算。在工程應(yīng)用中，通常采用切口強度比來衡量材料的缺口敏感性。12切口敏感性試驗方案本文以機織物增強PVC柔性復(fù)合材料為試驗對象，其增強骨架材料為滌綸機織平紋織物，雙面涂覆PVC樹脂。其中，增強骨架織物的規(guī)格為:經(jīng)紗選用11111tex超低收縮聚酯長絲，緯紗選用03mm聚酯單絲，織物經(jīng)向和緯向密度分別為67和35根/cm?？椢镌鰪娙嵝詮?fù)合材料的成品面密度為140g/m2，厚度為142mm。因該種復(fù)合材料常用以制備織物增強輕型輸送帶，在使用時主要承受縱向拉伸

6、載荷的作用，故本文僅對其縱向試樣進行拉伸測試與分析。其中，試樣有效寬度W與有效夾持隔距L0分別為40和200mm，如圖1所示。在制備中心貫穿型裂紋切口(以下簡稱中心裂紋切口)試樣時，采用剃須刀片在試樣中部對稱線處預(yù)置長度為的貫穿型裂紋切口，切口尺寸為5、10、15和20mm，分別為試樣有效寬度W的1250%、2500%、3750%和5000%。在制備中心圓形切口試樣時，采用不同直徑D的鋒利圓形取樣器在試樣上制備穿透圓孔，圓孔關(guān)于縱向和橫向?qū)ΨQ線對稱。受圓形取樣器規(guī)格的影響，圓孔直徑取65、115和165mm，分別為試樣有效寬度W的1625%、2875%和4125%。為便于表示，采用表示中心裂紋

7、切口的尺寸來描述圓孔直徑。為減小夾具內(nèi)表面對試樣夾持區(qū)域的損傷以及試樣與夾具間的滑移，以確保測試過程的順利進行，采用鋁片對試樣夾持區(qū)域的上下表面進行保護，并采用高強黏合劑黏結(jié)，見圖1。所有拉伸試驗均在WDW-20型材料強力試驗機上進行，試驗機夾頭的移動速度為5mm/min。采用“多曲線平均”法對同種試樣的多條拉伸曲線進行處理，以獲得無損試樣、中心裂紋切口試樣和中心圓形切口試樣在不同切口尺寸下的典型拉伸曲線。并對拉伸曲線進行數(shù)據(jù)處理，以獲得中心裂紋和中心圓形切口試樣在不同切口尺寸下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，以及抗拉強力、切口擴展臨界強力、拉伸模量、屈服模量等。在測試過程中，采用外加光源照亮試樣切口根部區(qū)域

8、，以方便觀察切口根部在拉伸過程中的啟裂位置和變化情況。所有拉伸測試均在溫度為(20±2)，相對濕度為50%的試驗環(huán)境下進行。2試驗結(jié)果分析21破壞過程與破壞模式對中心裂紋和中心圓形切口試樣的破壞過程進行分析，可以發(fā)現(xiàn)切口試樣的拉伸破壞過程可分為四個階段，即初始狀態(tài)、切口張開、切口擴展與徹底拉伸破壞，如圖2所示。當(dāng)外加載荷為零或較小時，切口保持初始狀態(tài)。當(dāng)外加載荷逐漸增加時，中心裂紋切口試樣的切口逐漸張開;中心圓形切口試樣的中心圓孔由正圓形向橢圓形轉(zhuǎn)變，同時在兩側(cè)韌帶的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)塑性變形區(qū)，其形狀為橢圓形，即均在切口根部附近區(qū)域產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，且該塑性變形區(qū)隨著外加載荷的增加而逐漸擴展。當(dāng)

9、切口根部塑性變形區(qū)發(fā)展到臨界狀態(tài)時，切口根部基體開始破壞，且切口根部紗線開始斷裂，此時切口試樣破壞進入切口擴展階段，材料開始失效。隨著外加載荷的增加，切口沿著切口擴展方向逐漸擴展，試樣最終被拉斷為上下兩部分。分析切口試樣的破壞過程可知，中心裂紋切口試樣和中心圓形切口試樣的切口均由中心向兩側(cè)擴展，且切口兩側(cè)根部紗線交替斷裂。對切口試樣的破壞過程作進一步分析發(fā)現(xiàn)，兩種切口試樣在拉伸過程中均會產(chǎn)生“面外屈曲”，表現(xiàn)為在切口上下臨近區(qū)域向面外突出，出現(xiàn)“起拱”現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為切口試樣的兩側(cè)韌帶向內(nèi)收縮，如圖3所示。這將導(dǎo)致切口部位產(chǎn)生附加彎矩，使得切口試樣在拉伸過程中處于拉力和附加彎矩的共同作用下。對

10、中心裂紋和中心圓形切口試樣的拉伸變形過程進行觀察發(fā)現(xiàn)，相對于中心圓形切口試樣，中心裂紋切口試樣在拉伸過程中的面外屈曲程度較高。22拉伸載荷伸長曲線從拉伸載荷伸長曲線(圖4)可以看出，無損試樣與切口試樣的拉伸曲線形態(tài)存在較大的差異，預(yù)置切口的引入明顯劣化了機織物增強柔性復(fù)合材料的抗拉性能，且劣化程度與切口類型和切口尺寸密切相關(guān)。從圖4還可以看出，切口試樣的拉伸曲線具有很好的相似性，在切口擴展階段均表現(xiàn)出明顯的多峰特性。對比無損和切口試樣的拉伸曲線和破壞過程可以發(fā)現(xiàn)，無損試樣和切口試樣的拉伸破壞過程可用“突然破壞”和“逐漸破壞”來描述。23切口抗拉強力與切口擴展臨界強力由切口試樣的破壞過程及拉伸曲

11、線(見圖2、圖4)可知，當(dāng)施加的外部載荷達到某一臨界值時，切口根部基體開始被破壞，同時最臨近切口根部的經(jīng)紗斷裂，此時的拉伸載荷稱為切口擴展臨界強力Fthreshold。切口試樣可承受的最大抗拉強力稱之為切口抗拉強力Fnotch。切口擴展臨界強力與切口抗拉強力的確定方法詳見參考文獻11。中心裂紋和中心圓形切口試樣的切口抗拉強力和切口擴展臨界強力與切口尺寸比的變化見圖5。從圖5中可以看出，中心裂紋和中心圓形切口試樣的抗拉強力Fnotch與切口擴展臨界強力Fthreshold均位于理論缺口非敏感性線下方，表明該種材料對缺口敏感，即該種材料具有缺口敏感性。對于同種切口試樣，隨著切口尺寸的增加，韌帶尺寸

12、(W)隨之減小，且切口根部應(yīng)力集中程度增加12。在這兩方面因素的作用下，材料的切口抗拉強力和切口擴展臨界強力呈衰減變化趨勢。在同一切口尺寸下，兩類切口試樣的切口抗拉強力和切口擴展臨界強力存在的差異可歸結(jié)為:不同切口類型的切口根部應(yīng)力分布和應(yīng)力集中不同;切口試樣在拉伸過程中所產(chǎn)生的面外屈曲現(xiàn)象。24切口強度比rNSR圖6為由式(2)計算得到的切口強度比rNSR隨切口尺寸比的變化趨勢圖。從圖6中可以看出，切口強度比rNSR的變化趨勢與切口抗拉強力和切口擴展臨界強力的變化趨勢相似，均隨著切口尺寸比的增加而呈現(xiàn)冪函數(shù)衰減，且兩種切口試樣在各種切口尺寸下的切口強度比rNSR均小于1，從而表明本文選用的機

13、織物增強柔性復(fù)合材料對切口具有強烈的敏感性。同時可以發(fā)現(xiàn):同等切口尺寸下，織物增強柔性復(fù)合材料對裂紋型切口較為敏感。進而表明，該種復(fù)合材料所表現(xiàn)的缺口敏感性不僅與切口尺寸密切相關(guān)，同時還與切口形式密切相關(guān)。25拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線預(yù)置切口的存在將導(dǎo)致切口截面的應(yīng)力分布發(fā)生變化，使切口截面處于三向應(yīng)力狀態(tài)，從而產(chǎn)生“切口強化”效應(yīng)3。為表征切口對材料力學(xué)性能的“強化”效應(yīng)，對拉伸載荷伸長曲線進行轉(zhuǎn)化計算，以獲得拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線以及基于應(yīng)力應(yīng)變曲線獲得拉伸彈性模量和屈服強度。在轉(zhuǎn)換計算時，應(yīng)變采用工程應(yīng)變來計算，應(yīng)力S采用拉伸載荷F與凈截面面積sN的比值來表示，即。圖7為由拉伸載荷伸長曲線經(jīng)轉(zhuǎn)換計算得

14、到的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖7可以看出，切口試樣的拉伸曲線具有很好的相似性，同種切口試樣拉伸曲線的初始段具有較好的重合性;隨著加載應(yīng)變的增加，拉伸曲線間表現(xiàn)出明顯的分散性，且隨加載應(yīng)變的增加而快速增加。圖7表明，切口的引入將強化試樣切口擴展前的拉伸應(yīng)力，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為:切口擴展前，在同等加載應(yīng)變下，切口試樣的應(yīng)力明顯高于無損試樣，且深切口試樣的應(yīng)力明顯高于淺切口試樣。這主要是由于切口的存在將產(chǎn)生“切口強化”效應(yīng)，導(dǎo)致切口截面上應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生較大的變化，切口對塑性變形的約束增強，導(dǎo)致塑性降低，使得在同等加載應(yīng)變下，切口試樣的應(yīng)力高于無損試樣，且隨著切口尺寸比的增加而增加。26切口試樣的彈性模

15、量與屈服強度取應(yīng)力應(yīng)變曲線初始近似直線段的斜率作為彈性模量，切口試樣彈性模量Enotch隨切口尺寸比的變化趨勢見圖8。從應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖7)可以看出，機織物增強柔性復(fù)合材料的拉伸曲線無明顯的屈服點，表明該材料無明顯的屈服極限。對于這類材料，通常采用殘余形變法來確定其屈服極限，所得到的屈服強度又稱條件屈服強度。圖9為殘余形變量取05%所得到的屈服強度與切口尺寸比的變化趨勢圖。從圖8及圖9可以看出，切口試樣的彈性模量Enotch和屈服強度SYnotch均隨切口尺寸比的增加而增加，表明預(yù)置切口的存在將強化材料的彈性模量和屈服強度，且強化程度與切口尺寸和切口類型密切相關(guān)。切口試樣彈性模量和屈服強度的強化現(xiàn)象表明，“切口強化”效應(yīng)表現(xiàn)為彈性模量和屈服強度的強化。這種強化效應(yīng)歸功于切口對試樣切口截面所出現(xiàn)的三向應(yīng)力狀態(tài)，以及由此產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象和塑性變形約束。切口試樣彈性模量Enotch和屈服強度SYnotch隨切口尺寸比的變化關(guān)系可用線性方程(6)和(7)描述，相應(yīng)的線性擬合方程及擬合系數(shù)見表2。3結(jié)語本文對中心裂紋及中心圓形切口試樣在不同切口深度下的低速拉伸性能進行了測試與分析，對破壞過程、拉伸載荷伸長曲線、拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線進行了研究，并對切口抗拉強力與切口擴展臨界強力、切口強度比、彈性模量和屈服強度隨切口尺寸比的變化趨勢進行了分析。試驗結(jié)