复合材料及结构的缺陷与损伤-2缺陷与损伤的描述

在所有情况下，弹道入口点的超声波检查意味着比表 面可见的区域更大的隐蔽损伤区域。
因此，往往很难检测到分层。
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图 A2.13示出了不同冲击能量产生的损伤类型，显示了 高、中、低能量的冲击弹体对层压板的影响。
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层压板对分层的响应受分层尺寸和位置、层压板 的取向/铺层顺序，以及测试环境的影响。
这些影响将取决于纤 维分布差异的程度， 由固化过程控制，因 此属于制造型缺陷 （图A2.23）。 纤维断层∶参见"受损 纤维丝"和图 A2.23。
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纤维扭结（Fibre kinking failure）∶ 基体内纤维的锐边屈曲。以前的研究已经表明，扭结 是微屈曲的直接后果。纤维过度扭结最终会导致纤维 断裂，如图A2.24的显微图像所示。
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复合材料的失效模式是多种多样的，且受多种因素影 响。
在多向层压板结构中，预测失效模式是非常困难的
失效模式的预测通常采用不同载荷谱条件下几个单向 失效模式的结合。
在大多数失效事例中，失效模式要通过断裂面检查才 能确定。
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附录A 缺陷类型描述
所有这些缺陷都会不同程度地影响承载强度。 支承面损伤∶ • 发生在销（紧固件）和孔边之间的接触点。
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破碎∶ 由冲击损伤导致的局部压痕或者表面凹痕。它可能是 内部有损伤的迹象，如分层、纤维断裂或基体开裂。
在部件的外表面，基体开裂和纤维断裂可以与破碎同 时发生。 在层压/蜂窝芯夹层结构中，破碎更加常见，如图 A2.9所示。
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切口和划痕∶ 切口（图A2.10）和划痕可以视作表面损伤。 表面划痕和缺口的严重程度取决于它们的宽度、深度 和与纤维或加载方向的取向。静力强度的大幅降低是 可能的，但在目前设计中允许的应变条件下，它们并 不是关键的。参见"裂纹"和"纤维断裂"。
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受损纤维丝∶包括断丝（图A2.11（a））、打结（图 A2.11（b））、绞结、分股丝束、纤维分叉、中空纤 维或断续纤维等，这些都在受损纤维丝名下叙述。这 样的损伤会降低细丝强度和纤维/基体界面强度，从 而降低薄层刚度。细丝损坏是由较差的预加工控制和 操作所导致的。
紧固件孔洞∶紧固件孔洞缺陷有许多类型。图A2.17、 A2.18和 A2.19给出了几个典型紧固件孔洞损伤的例 子。
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下面讨论不同紧固件孔洞缺陷。
紧固件拆卸和重新安装∶ 通过紧固件的拆卸和重新安装进行孔洞的返修可导致 局部层板损伤。对紧固件的拆卸和重新安装来说，抗 拉强度似乎不敏感，而抗压强度稍微敏感。
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裂缝（纹）的产生会使得剪切强度降低
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角半径分层∶ 平行于部件（通常是刚性元件）角半径内纤维轴的基 体裂纹（图A2.6）。主要是由于制造误差，角半径分 层导致非面内应力被引入到部件中。分层会纵向进行。 参见"分层"。
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裂纹∶ 在本书中，层压板内的裂纹只发生在基体内; 当纤维破裂后，就被称为纤维断裂。
基体裂纹的特点是局部部分在厚度方向的开裂。连 续纤维复合材料及其层压板中的很多裂纹状失效都 包含在界面平面内，界面平面内的基体材料的性能 决定了断裂响应。
裂纹产生了局部应力集中，如果严重的话，会导致 纤维断裂或分层。基体开裂在相对较低的载荷条件 下也会产生，甚至固化周期中的热膨胀也会导致基 体开裂。不同类型的基体裂纹如图A2.7所示。基体 开裂的微观图像如图A2.8所示。
分层越大，它在层压板内的位置就越深，强度损 失就越大。
只有表面附近的分层以稳定的方式生长，但它们 引发的强度损失可以忽略不计。
小的分层只显示出可以忽略的强度降低。
分层还会引起局部层间应力。
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凹痕∶在移动物体的接触点处的压痕。它们有别于破 碎，因为没有纤维断裂（图 A2.14）。然而，凹痕能
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结论： 先进高分子复合材料容易产生许多种类的缺陷和损伤。 这些缺陷和损伤类型会产生于组分材料的加工过程中、 复合材料部件制造过程中，以及复合材料部件的实际 使用过程中。
由于使用而导致的缺陷类型可以进一步归纳为∶ （1）横向基体裂纹 （2）分层 （3）孔洞（纤维断裂）
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复合材料及结构的缺陷与损伤
2 缺陷与损伤的描述
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缺陷（52种）分类 根据缺陷在复合材料结构寿命内的：
➢ 出现时间（表2.2成型、加工、服役） ➢ 缺陷的相对大小（表2.3微观、宏观） ➢ 缺陷在复合材料结构内的位置或起点，（表
2.4几何不连续、自由边、弹体冲击、热损伤） ➢ 以及缺陷对复合材料部件中已知应力状态产生
A2.22钻孔出口 侧损伤
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其他紧固件孔的问题∶
发生在紧固件孔内的其他缺陷类型包括∶
干涉配合紧固件的不正确安装;
拔出;
支承面缺少树脂;
以及歪斜的埋头孔。
在支承面上，这些对拉伸和压缩都很敏感。
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纤维分布差异∶ 纤维分布不均匀或不合适的纱线间距可能会改变层 压板的性能，使得在一定程度上层压板载荷响应和 设计需求有差异。
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侵蚀∶因磨损而造成的表面材料的去除被称作侵蚀（图 A2.16）。在侵蚀过程中，外部基体材料和纤维被有效
地除去。这会导致局部强度和刚度降低，并产生一个不 对称区域，诱发出非面内应力;这种退化效应将取决于侵 蚀的深度。
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过多层重叠∶ 发生在装配过程中当层板没有被正确地修剪时。这能 够导致在层压板的尺寸公差错误。这些误差可能会导 致翘曲或引起高剥离应力。
孔伸长∶过载或承载失效将导致孔伸长。承载/旁路 载荷响应将会受到影响。然而，似乎对失圆孔洞不太 敏感。
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孔磨损∶ 紧固件在孔中的运动会导致孔磨损。当紧固件杆穿过 孔时发生的磨损最为严重。
紧固件的不当安装和置位∶ 如果紧固件尺寸过大或过小，或者扭矩过载或偏小， 接合效率将通过对承载/旁路载荷响应的变化受到影 响，承载强度也有可能大幅降低。
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缺陷位置 倾向于集中在几何不连续的位置
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缺陷类型的一般化
一般应力状态包括分层、横向基体裂纹、孔洞或纤 维断裂，以及设计差异（表2.5）。
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紧固件缺失∶如果当紧固件缺失时通孔仍然存在，这 就会产生应力集中（图A2.20）。接合效率也将受到 影响。参见"孔"。
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扭矩过载的紧固件∶导致外层的局部粉碎（图 A2.21）。参见"破碎"。也会导致紧固件拔出的结果。
A2.21
孔出口侧损伤∶由大钻头进给引起，这会导致层压 板的背面产生分层（图A2.22）。损伤的临界状态 取决于分层的严重程度。
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纤维偏移∶发生于如下情况∶当存在层面取向错误， 或者偏离了预定的缠绕模式，或者过量的树脂流动冲 刷掉了纤维时（图A2.26）。 纤维偏移是一种制造控制差错。该效果是层压板载荷 响应的一个局部变化。局部错排，如纤维扭结，会导 致能引起拉伸强度损失的纤维损伤，或者在压缩载荷 的作用下促成纤维屈曲和过早失效。
• 损伤可能包括纤维断裂、分层和基体开裂，是由 于不正确的紧固件安装、接头过载或紧固件松动 （图A2.1）造成的。
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• 支承面损伤会降低节点的刚度和承载/旁路负载响 应。
• 支承面损伤可以被视作分层和裂纹。
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支承面损伤∶
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起泡∶ • 局部薄板（层）的分层（图A2.2）。
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蠕变∶由持续载荷引起的塑性变形，通常在高温 下发生。 蠕变是基体主导的失效，因此与张力相比，蠕变 对压缩和剪切性能的影响往往更大。
然而，典型的结构元素的测试已经表明，蠕变不 是什么问题，缺陷和蠕变之间被认为不存在显著 的相互作用。
但是，在尺寸/形状关键部件中，必须考虑蠕变， 这类部件中，面内扩展受到约束，由此产生的面 外变形会导致屈曲。
服役使用。在使用中的部件，通过机械作用或接触恶
劣环境，如碰撞和搬运损伤、局部超载、局部受热、
化学侵蚀、紫外线辐射、战斗损伤、雷击、声振动、
疲劳或不适当的修复，都会产生缺陷。
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缺陷的大小：对其临界性有重要的影响。
够导致局部刚度损失。使用工具造成的印痕是凹痕常 见的来源。
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边缘损伤∶由对部件的误操作引起。边缘损伤的共 同特点是开裂和分层。边缘分层可由自由边附近产 生的较高的平面外法向或剪切应力导致，如图 A2.4 和图 A2.15所示。更详尽的说明请参见"分层"。
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分层∶也称作层间开裂，分层是先进复合材料最常见 的一种损坏类型。分层是一种基体缺陷，面内基体裂 纹会在层压板各层之间或者层压板内扩展，裂纹方向 与纤维方向平行。 图A2.5、图A2.8、图A2.9和图A2.12示出了分层情况
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分层可以在静态和循环拉伸载荷下形成和发展，但主 要是一种与压缩有关的缺陷，能够使部件的抗压强度 和剪切强度显著退化。分层由以下因素引起∶
• 起泡可以发生在薄板的任何地方，由在层内被困气 体的膨胀所导致。
• 表面起泡可以由化学侵蚀或基体局部受热所导致。 关于起泡对层压板的影响，参见"分层"部分的内容。
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污染∶ 指的是如剥离层或者衬纸等层压板内的异物夹杂， 通常是在层间，在部件制造过程中产生。根据污染 的尺寸和程度的不同，会对部件产生不同的影响。 污染可以显示为分层。
Pinho等人在观察了T300 / 913扭结带形成的过程之后，
提出了新的扭结带形成机理：扭结带是由于剪切主导的
基体开裂引起的，纤维的微屈曲并不是纤维失效的主导
因素。https://mp.weixin.qq.com/s/BaakG5ZfURcrNE945yEsVg
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纤维/基体脱粘∶纤维/基体界面的分离（图A2.25）。 这将导致剪切传递的损失，以及层压板的总强度降低。 纤维/基体界面脱粘是由过多的局部剪切传递应力造成 的，特别是在短纤维存在的位置。这类缺陷是微观级 的基体开裂。
的类似影响，（表2.5分层、横向基体裂纹、 孔洞或纤维断裂、设计差异）
缺陷可以划分为特定的类别。
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材料加工。由于不恰当的储存或者质量控制和批认证 步骤导致材料发生变化，材料加工缺陷会产生于预浸 料（预浸复合纤维）组分材料的生产和准备过程中。
部件制造。部件制造引起的缺陷发生在铺放和固化过 程中，或者是部件的机加工和组装过程中。
（1）发生内部层间失效的冲击损伤; （2）由于不匹配的泊松比导致的层间应力很高的自由 边（几何边界、微裂纹或空穴）; （3）在层叠界面的厚度方向捕捉到基体裂纹，之后裂 纹沿平行于界面的方向发展，如图A2.8所示。
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在冲击损伤的情况下，所有实验证据表明：
可见的表面损伤，显著小于实际的内部损伤（层间剥 离和纤维/基体失效）或石墨/环氧树脂结构背部的损 伤。
角裂∶ 基体裂纹，垂直于层面或横穿 层间（图 A2.3）。这些裂纹的 原因与引起角开裂的原因相似。 参见"裂纹"和"分层"。
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角/边开裂∶ 边缘分层通常由边缘冲击引起（图A2.4）。这些分层
是平行于层间界面之间的层与层之间的裂纹，如图 A2.5所示。
边缘分层是由于边缘处产生的非面内应力或者由冲击 损伤造成，通常与维修相关。裂缝（纹）的产生会使 得剪切强度降低。参见"分层"。