在复合材料疲劳试验试样的测量区中引起疲劳的试样几何形状的制作方法
【专利摘要】一种在疲劳试验过程中在试样的测量区（20）中确定失效的试样几何形状。在测量区（20）失效的倾向是通过使用与相似形状的薄片联接的蝴蝶结形状的试样（10）给出的。试验试样（10）具有蝴蝶结形状的轮廓，并且具有随着其从试样的相对端延伸到测量区（20）而聚合的锥形侧，从而形成由测量区（20）连接的一对梯形部分（16和18）（一个是另一个的镜像）。试样（10）的这些梯形部分（16和18）包括相似的梯形薄片将被贴附在试样的前面和后面的区域。该试验试样（10）在该测量区（20）具有最小宽度和不变的厚度并且该测量区（20）的高度不大于试验试样（10）高度的3%。
【专利说明】在复合材料疲劳试验试样的测量区中引起疲劳的试样几何形状
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于材料试验中的试验试样的几何形状。
【背景技术】
[0002]在材料科学中，疲劳是逐渐并且局部的结构损伤，其发生在材料受到周期载荷时，也就是，在重复的加载和卸载时。如果载荷高于某一阈值，微观裂纹将在应力集中处开始形成。最终裂纹将达到临界尺寸，并且该结构将断裂。由于结构的形状导致微观水平应力集中，所以其显著影响材料的疲劳寿命。
[0003]随着复合材料在航空航天结构中的最近和快速的采用，复合材料试验已经引起足够的重视和仔细检查。复合材料试样的疲劳试验具有尤其的关注，作为用于准确地确定复合材料的疲劳行为的满意的试验方法(通常以建立材料的应力与疲劳循环数(S-N)曲线的形式)仍然要被建立。当前的复合材料疲劳试样通常是由于与试验机器的相互作用而失效，从而引入试验结果的误差。
[0004]更具体地，当前的复合材料试样的疲劳通常导致试验架附近到试样界面的邻接处(该区域通常被称为“夹具”)的过早失效。这产生噪音并且在一些情况中产生不可用的疲劳数据，其有时与实际的材料性能具有不可靠的关系。而且，损坏的或者修复的复合材料试样(例如，划伤、孔、补片)要求损伤或修复被置于原始试样的失效位置。在测量区域没有确定失效的情况下，比较损伤的或者修复的试样与其原始的对应试样是不可能的；因此，强度退化因素不能被建立。
[0005]按照ASTM D3039，当前的试验复合材料试样疲劳的方法是使用带有附在其任何一端的矩形薄片贴矩形试样。这种试样形状被使用于稳定性和疲劳试验。然而，如在ASTMD3479(题目为“Standard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer MatrixComposite Materials”)6.3部分所承认的,其涉及复合材料试样的疲劳试验:“作为薄片区域附近的应力集中的结果，薄片区域内试件的过早失效在拉-拉疲劳试验中是常见的”。由于唯一的应力集中出现在薄片附近(薄片-夹具界面下面或者沿着薄片的端部，在此载荷被完全传递到复合材料)，所以当前的用于疲劳试验的试样几何形状不具备在测量段失效的倾向。虽然这在静态试验中具有有限的不利影响，但是在薄片附近的疲劳试验导致大部分的疲劳试件由于与试验机器的相互作用而过早地失效。这在试验玻璃复合材料试样中尤其显著。
[0006]需要这样的试验试样几何形状，这种形状引起在复合材料试验试样中测量区的失效。
【发明内容】
[0007]本文公开的主题是在疲劳试验过程中，在试样的测量区确定失效的试样几何形状，从而产生关于期望的复合材料性质的高质量、相关数据。在测量区失效的倾向是通过使用与相类似形状的薄片联接的蝴蝶结形状的试样给出的。在本公开中，表述“相似”将被使用于其几何形状意义上，即，如果两个几何物体具有相同的形状，则被称为相似。如果两个物体相似，则每个全等于另一的相同比例。
[0008]主体的试验试样由复合材料制成并且被设计为在本文中指定为测量区的中间段引起失效。这些试样具有蝴蝶结形状的轮廓和锥形侧，其随着它们从试样的相对端到测量区聚合，从而形成一对由测量区连接的梯形部分(一个是另一个的镜像)。试验试样的这些梯形部分包括以下区域，该区域中相似的梯形薄片将被贴附到试样的前面和后面。
[0009]下文更详细地公开的主题的一个方面是一种复合材料试样，其包括:第一梯形部分，其具有第一和第二直锥形侧；第二梯形部分，其具有第三和第四直锥形侧；和设置在所述第一和第二梯形部分之间并且连接到所述第一和第二梯形部分的测量区，并且该测量区具有第一和第二弧形侧，该第一弧形侧被连接到第一和第三直锥形侧，并且第二弧形侧被连接到第二和第四直锥形侧，其中该试验试样在测量区具有最小的宽度和不变的厚度，并且测量区的高度(从试样的一端测量至另一端)不大于试验试样高度的3%。
[0010]根据一个实施例，该第一和第二直锥形侧彼此发散并且第三和第四直锥形侧随着第一至第四直锥形侧远离测量区延伸而彼此发散。第一至第四锥形侧的锥角度可以相等。锥角可以在I到10度范围所包括的角度。第一和第三直锥形侧可以与测量区的第一弧形侧相切，并且第二和第四直锥形侧可以与测量区的第二弧形侧相切。
[0011]另一个方面是一种复合材料试验试样，其具有不变的厚度和沿着竖直轴线的高度和当沿着厚度方向的轴线观察时蝴蝶结状的轮廓，其中蝴蝶结状的轮廓包括左和右侧以及顶端和底端，其中左侧包括分别从第一弧形部分朝向顶端和底端延伸的第一和第三直锥形部分，并且右侧包括分别从第二弧形部分朝向顶端和底端延伸的第二和第四直锥形部分。该第一和第二直锥形部分分别从第一和第二弧形部分以相互发散的第三和第四方向延伸。第一直锥形部分和与竖直轴线平行的交线之间的锥角度在I至10度包括的范围内。
[0012]另一个方面是试样组件，其包括:由纤维增强塑料材料制成的不变厚度的试验试样，该试样包括由具有试样最小宽度的试样连接的第一和第二梯形部分，该第一和第二梯形部分和测量区形成试验试样的各自的后面部分和各自的后面部分，每个前面和后面具有蝴蝶结状的轮廓；第一和第二薄片，其分别被贴附在前面和后面的第一部分上的梯形部分；和第三和第四薄片，其分别被贴附在前面和后面的第二部分上的梯形部分。每个第一至第四薄片由纤维增强塑料材料制成并且具有梯形的轮廓。
[0013]根据这个方面的一个实施例，该第一梯形部分包括第一和第二直锥形侧，该第二梯形部分包括第三和第四直锥形侧，并且该测量区包括第一和第二弧形侧。该试验试样具有在测量区的最小宽度和不变的厚度，该第一弧形侧被连接到第一和第三直锥形侧，并且该第二弧形侧被连接到第二和第四直锥形侧。测量区的高度不大于试验试样的高度的3%，并且第一直锥形部分与平行于竖直轴线的交线之间的角度在I到10度所包括的范围内。
[0014]其他的方面在下面公开并提出权利要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]为了说明前面的和其他方面的目的，多种实施例将在下面参照附图被描述。
[0016]图1A是示出已经在薄片处失效的矩形复合材料试验试样的俯视图。[0017]图1B是示出带有已经在测量段失效的锥形侧的复合材料试验试样的俯视图。
[0018]图2是示出锥形角α在I到10度范围内的复合材料试验试样几何形状的俯视图。
[0019]图2Α是示出图2中虚线圆内区域的放大视图。
[0020]图3Α是示出没有薄片的试验试样的一端的图。
[0021]图3Β是示出具有贴附在试样前后的无斜角薄片的试验试样的一端的图。
[0022]图3C是示出具有贴附在试样前后的斜角薄片的试验试样的一端的图。
[0023]在下面将参照附图，其中在不同附图中相似的元件具有相同的参考号。
【具体实施方式】
[0024]本文公开的试验试样几何形状在划痕复合材料试样的疲劳试验领域有特别的应用。复合材料划痕试验被进行以便确定复合材料试样上各种划痕深度的不利影响，其中复合材料试验试样包括多层的铺层，每层包括纤维增强塑料。相邻的层的纤维方向不同以提供最终层压板的增加的强度和刚度。该复合材料铺层试样能够使用按照期望的试样几何形状编程的喷水器切割。每个试样包括在试样的相对端的第一和第二载荷施加区域，在该区域薄片将被粘合，和减小截面的相对较窄的中间段(下面成为“测量区”)，其被设计以促进在试样中间区的失效。每个载荷施加区域将具有粘合在其两端的一对薄片。该薄片便于通过试验机器将试验载荷施加到试样。
[0025]复合材料划痕试验的一个实施方式要求原始试样和带有引入穿过测量区的划痕的试样二者的疲劳试验。然后原始试样和划痕试样的S-N曲线将被比较以便确定由于划痕所导致的材料强度的降低。在对于合适几何形状的探寻中，已经发现在疲劳试验过程中，蝴蝶结状的试样具有提高的性能。蝴蝶结状在测量区引入轻微的应力集中，从而导致试样确定地在低-和高-周期疲劳下那个位置处确定失效而不影响S-N曲线的形状。使用这种试样几何形状，划痕能够被施予到穿过测量区以便提供无划痕和划痕试样之间的可靠对比。
[0026]带有相似形状薄片的蝴蝶结形状的复合材料试验试样与带有矩形薄片的矩形复合材料试验试样的性能相比较之下的改善的性能，能够在图1A和图1B中看出。
[0027]图1A示出了已经在薄片处失效的矩形试验试样2的俯视图。在图1中可见的试验试样2的前面是矩形的。这个试验试样在试样的两端附近具有贴附在前面和后面的矩形薄片。只有被贴附在试样2的前面的薄片4a和4b在图1A中是可见的。如图1A可见，试样2的失效在薄片4b附近已经发生。
[0028]相比之下，图1B示出了带有已经在测量区20失效的锥形侧的复合材料试验试样10的俯视图。这个试样被构造以便载荷被平行于层压方向施加并且与铺层在同一平面内。在未变形状态下，试验试样10具有蝴蝶结形状的轮廓并且包括连接到测量区20的上和下梯形部分16和18。每个梯形部分16、18具有在试样的两侧直发散锥形。相似的形状(即，梯形)薄片(其被设计以接收试验载荷)被贴附到试样两端附近的前面和后面。未变形的试验试样还具有不变的厚度，该厚度方向垂直于复合材料铺层位于的平面。只有贴附到试样10的前面的薄片6a和6b在图1B中是可见的。
[0029]图1B所描绘的具体试验试样具有原始的特定尺寸的蝴蝶结状的几何形状。然而，应理解本文中所公开的试验试样几何形状不局限于单一的尺寸设置，而是包括具有在各个范围的尺寸的蝴蝶结状的几何形状。特别地，试样两侧上的锥形角可以在I到10度范围内变化。
[0030]图2示出没有薄片的蝴蝶结状的试样10的二维几何形状，其未按照比例绘制。由于图2的试样不是按照比例绘制，所以该附图的意图是描绘锥形角α，其可以具有在以上提到的I到10度范围之间的任何数值。在未变形状态下，试验试样10包括三个区域:第一梯形部分16，其具有第一和第二直锥形侧12a和12b ;第二梯形部分18，其具有第三和第四直锥形侧12c和12d ;和具有第一和第二弧形侧14a和14b的测量区20。测量区20的第一和第二弧形侧14a和14b是凹的，以便试验试样的最小宽度出现在沿着连接第一和第二弧形侧14a和14b的中点的直线。图2中的虚线竖直点表明如果试验试样的前面是矩形的而不是蝴蝶结状的，则试样的右侧将在何处。
[0031]第二弧形侧14b被连接到第二直锥形侧12b并且被连接到第四直锥形侧12d，如图2A可以更清晰地看出，其是图2中的虚线圆内侧的区域的放大视图。相似地，第一弧形侧14a被连接到第一直锥形侧12a和第三直锥形侧12c。如图2所示，试验试样10具有从其前面到其后面的蝴蝶结状几何形状的轮廓并且具有不变的厚度(即，从前面到后面的距离是不变的)。优选地，所有锥形侧12a到12d的锥形角是相等的。同样地，弧形侧14a和14b的半径是相同的并且其弧长也是相同的。第一和第三直锥形侧12a和12c可以与测量区20的第一弧形侧14a相切，而第二和第四直锥形侧12b和12d可以与测量区20的第二弧形侧14b相切。
[0032]可替代地，复合材料试验试样10能够具有如下特征，其具有不变的厚度、沿着竖直轴线的高度和当沿着厚度方向的轴线观察时蝴蝶结形状的轮廓。蝴蝶结形状的轮廓包括左侧和右侧以及顶端44和底端50。左侧包括第一弧形部分14a和分别从第一弧形部分14a朝向顶端44和底端50延伸的第一和第三直锥形部分12a和12c ;右侧包括第二弧形部分14b以及分别从第二弧形部分14b朝向顶端44和底端50延伸的第二直锥形部分12b和第四直锥形部分12d。第一直锥形部分12a和第二直锥形部分2b分别从第一弧形部分14a和第二弧形部分14b以互相发散的第一和第二方向延伸；第三直锥形部分12c和第四直锥形部分12d分别从第一和第二弧形部分14a和14b以互相发散的第三和第四方向延伸。第一直锥形部分12a与平行于竖直轴线的交线之间的锥形角在I到10度所包括的范围内。其他直锥形部分的锥形角与第一直锥形部分12a的锥形角可以相等。
[0033]如图2可见，第一直锥形部分12a可以在第一转角40被连接到试样的顶端44 ;第二直锥形部分12b可以在第二转角42被连接到顶端44 ;第三直锥形部分12c可以在第三转角46被连接到试样的底端50 ;并且第四直锥形部分12d可以在第四转角48被连接到底端50。可替代地，转角40、42、46和48可以是圆化或者具有斜角。为了本公开的目的，由直锥形侧12a和12b、顶端44和假设的连接每个弧形部分14a和14b的弧的上端点的直线形成的形状将被视为“梯形”，即使在顶端的转角已经是圆化或者具有斜角。试验试样的下半部分同样如此。
[0034]对于本文中所公开的实施例，测量区20的高度(即，分离每个弧形部分14a和14b的弧的端点的距离)优选地不大于复合材料试样10的高度的3% (从顶端44测量至底端50)。
[0035]根据一个提出的实施例，试验试样被设计为具有下面的尺寸:高度9.000英寸；端部宽度1.340英寸；测量宽度1.000英寸；测量半径0.080英寸；和锥形角α =2.163°。如前面所提到的，锥形角可以在I到10度之间变化。
[0036]预测按照以上描述的几何形状并且具有前面提到的范围内的锥形角的试验试样将在测量段失效而不影响材料(即，S-N)曲线形状。
[0037]图3A示出没有薄片的试验试样10的一端。有时没有薄片的试样被试验，这是因为其不是ASTM的要求。图3A示出的试验试样具有不变的厚度。
[0038]可替代地，不同的薄片几何形状可以与图2所示出的试验试样的几何形状相结合使用。优选的，薄片具有与贴附薄片的蝴蝶结状的试验试样的部分的轮廓相似的梯形轮廓。
[0039]图3B示出蝴蝶结状的试验试样10的一端，其具有贴附到试验试样的前面和后面的无斜角的薄片22和24。尽管在图3B中不可见，但薄片22和24具有梯形的前面。
[0040]图3C示出蝴蝶结状的试验试样10的一端，其具有贴附到试验试样的前面和后面的斜角的薄片26和30。尽管在图3C中不可见，但薄片26和30在从前看时具有梯形的轮廓。在这个实施方式中，薄片26包括斜角的表面28，而薄片30包括斜角的表面32。斜角在薄片端部降低应力集中。
[0041]图3B和图3C示出各自的试验试样组件的部分。每个试验试样组件包括:由纤维增强塑料材料制成的不变厚度的试验试样10，该试验试样包括由具有试样最小宽度的测量区(图2中的20)连接的第一和第二梯形部分(在图2中条目16和18)。第一和第二梯形部分和测量区形成试验试样的各前面部分和各后面部分，每个前面和后面具有蝴蝶结状的轮廓。试验试样组件还包括被贴附到试样的前面和后面的各第一部分的第一梯形部分上的第一和第二薄片；和被贴附到试样的前面和后面的各第二部分的第二梯形部分上的第三和第四薄片。四个薄片中的每个是由纤维增强塑料材料制成的并且具有梯形的轮廓。
[0042]以上所描述的蝴蝶结状的几何形状在试验机器、薄片与试样之间产生渐变的应力过渡。在试样的两侧，锥形在测量区到达顶点，其成为在疲劳试验中试样的最高的应力部分。然而，不像在测量区引起失效的开孔试样，这个试样几何形状不改变材料S-N曲线形状并且保持正常的测量宽度。而且，提出的试验试样优选地具有贴附的薄片，其形状遵循蝴蝶结状的试样的轮廓；这解决了前面的“狗骨”试样的尝试所面临的，即失效点发生在狗骨区域的开始而不是在测量区。
[0043]进一步，本公开包括根据以下条款的实施例:
[0044]条款12、试验试样(10)组件，其包括:
[0045]由纤维增强塑料制成的不变厚度的试验试样(10)，所述试验试样(10)包括由具有试样最小宽度的测量区(20)连接的第一和第二梯形部分(16和18)，所述第一和第二梯形部分(16和18)和所述测量区(20)形成试样(10)的前面的各部分和后面的各部分，每个所述前面和后面具有蝴蝶结形状的轮廓；
[0046]贴附到所述前面和后面的各第一部分上的所述第一梯形部分(16)的第一和第二薄片；和
[0047]贴附到所述前面和后面的各第二部分上的所述第二梯形部分(18)的第三和第四薄片，
[0048]其中所述第一至第四薄片的每个是由纤维增强塑料材料制成的。
[0049]条款13、如条款12所述的试验试样(10)组件，其中每个所述第一至第四薄片具有梯形轮廓。[0050]条款14、如条款13所述的试验试样(10)组件，其中所述试验试样(10)具有在所述测量区(20)的最小宽度和不变的厚度，所述第一梯形部分(16)包括第一和第二直锥形侧(12a和12b)，所述第二梯形部分(18)包括第三和第四直锥形侧(12c和12d)，所述测量区(20)包括第一和第二弧形侧(14a和14b)，所述第一弧形侧(14a)被连接到所述第一和第三直锥形侧(12a和12c)，并且所述第二弧形侧(14b)被连接到所述第二和第四直锥形侧(12b 和 12d)。
[0051]条款15、如条款14所述的试验试样(10)组件，其中由于第一至第四直锥形侧(12a至12d)远离所述测量区(20)延伸，所述第一和第二直锥形侧(12a和12b)彼此发散并且所述第三和第四直锥形侧(12c和12d)彼此发散。
[0052]条款16、如条款14所述的试验试样(10)组件，其中所述第一和第三直锥形侧(12a和12c)与所述测量区(20)的第一弧形侧(14a)相切，并且所述第二和第四直锥形侧(12b和12d)与所述测量区(20)的第二弧形侧(14b)相切。
[0053]条款17、如条款14所述的试验试样(10)组件，其中所述第一至第四直锥形侧(12a至12d)的锥形角是相等的。
[0054]条款18、如条款17所述的试验试样(10)组件，其中所述锥形角在I到10度所包括的范围内。
[0055]条款19、如条款14所述的试验试样(10)组件，其中所述第一和第二弧形侧(14a和14b)的半径是相等的。
[0056]条款20、如条款14所述的试验试样(10)组件，其中所述第一弧形部分的高度不大于试验试样(2)的高度的3%。
[0057]尽管试验试样的几何形状已经参照各种实施例被描述，但是本领域技术人员将理解各种可以做出各种改变并且变体可以替代其元件而不离开本发明的范围。另外，许多修改可以被做出以使得特定的情况适合于本文的教义而不离开其核心范围。因此，权利要求旨在不局限于公开的特定的实施例。
[0058]如权利要求所使用的，词语“梯形部分”应该被构造为宽泛地包括实验试样的梯形部分，其具有两个直锥形侧和一个直端，但是被与测量区整体形成在梯形的第四侧上。直锥形侧可以在各自的转角连接至试验试样的直线端或者试验试样可以具有圆化角，其被连接到直端和各直锥形侧。
【权利要求】
1.一种复合材料试验试样(10)，所述试样包括: 第一梯形部分(16)，其具有第一和第二直锥形侧(12a和12b)； 第二梯形部分(18)，其具有第三和第四直锥形侧(12c和12d);和 设置在所述第一和第二梯形部分(16和18)之间并且连接到所述第一和第二梯形部分(16和18)的测量区(20)，并且其具有第一和第二弧形侧(14a和14b)，所述第一弧形侧(14a)被连接到所述第一和第三直锥形侧(12a和12c)，并且所述第二弧形侧(14b)被连接到所述第二和第四直锥形侧(12b和12d)， 其中所述试验试样(10)具有在所述测量区(20)的最小宽度和不变的厚度，并且所述测量区(20)的高度不大于所述试验试样(10)高度的3%。
2.根据权利要求1所述的复合材料试验试样(10)，其中由于所述第一至第四直锥形侧(12a至12d)远离所述测量区(20)延伸，所以所述第一和第二直锥形侧(12a和12b)彼此发散并且所述第三和第四直锥形侧(12c和12d)彼此发散。
3.根据权利要求1所述的复合材料试验试样(10)，其中所述第一至第四直锥形侧(12a至12d)的锥形角是相等的。
4.根据权利要求3所述的复合材料试验试样(10)，其中所述锥形角在I到10度所包括的范围内。
5.根据权利要 求1所述的复合材料试验试样(10)，其中所述第一和第二弧形侧(14a和14b)的半径是相等的。
6.根据权利要求1所述的复合材料试验试样(10)，其中所述第一和第三直锥形侧(12a和12c)与所述测量区(20)的第一弧形侧(14a)相切，并且所述第二和第四直锥形侧(12b和12d)与所述测量区(20)的第二弧形侧(14b)相切。
7.一种复合材料试验试样(10)，其具有不变的厚度、沿着竖直轴线的高度和当沿着厚度方向的轴观察时蝴蝶结形状的轮廓，其中所述蝴蝶结形状的轮廓包括左侧和右侧以及顶端和底端(44和50)，所述左侧包括第一弧形部分(14a)和分别从所述第一弧形部分朝向所述顶端和底端(44和50)延伸的第一和第三直锥形部分(12a和12c)，并且所述右侧包括第二弧形部分(14b)和分别从第二弧形部分(14b)朝向所述顶端和底端(44和50)延伸的第二和第四直锥形部分(12b和12d)，所述第一和第二直锥形部分(12a和12b)分别从所述第一和第二弧形部分(14a和14b)以互相发散的方向延伸，并且所述第三和第四直锥形部分(12c和12d)分别从所述第一和第二弧形部分(14a和14b)以互相发散的方向延伸，其中所述第一直锥形部分(12a)与平行于所述竖直轴线的交线之间的锥形角在I到10度所包括的范围内。
8.根据权利要求7所述的复合材料试验试样(10)，其中所述第一弧形部分的高度不大于所述试验试样(10)的高度的3%。
9.根据权利要求7所述的复合材料试验试样(10)，其中所述第一至第四直锥形侧(12a至12d)的锥形角是相等的。
10.根据权利要求7所述的复合材料试验试样(10)，其中所述第一和第二弧形侧(14a和14b)的半径是相等的。
11.根据权利要求7所述的复合材料试验试样(10)，其中所述第一和第三直锥形侧(12a和12c)与所述第一弧形侧(14a)相切，并且所述第二和第四直锥形侧(12b和12d)与所述第二弧形侧(14b )相切。
【文档编号】G01N1/28GK103994904SQ201410054161
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2013年2月18日
【发明者】M·J·李, N·C·金博尔 申请人:波音公司