中心切口对机织物柔性的影响
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本文作者：汪泽幸 陈南梁 单位：湖南工程学院纺织服装学院 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心 东华大学纺织学院
作为一种新型纺织结构增强复合材料，织物增强柔性复合材料通常采用纺织结构材料作为增强骨架材料，选用塑料或橡胶为涂覆基体材料，采用涂层、压延加工工艺制备而成，在纺织领域通常称之为涂层织物或压延织物。织物增强柔性复合材料作为一种新型的工程材料，现已广泛用于膜结构建筑、飞艇囊体结构、各种充气结构等，同时也广泛应用于输送带行业［1-2］。随着织物增强柔性复合材料应用领域的不断拓展，对其各种性能的要求越来越高，作为其最为重要的性能指标之一，对其力学性能的研究也越来越重视。目前，在研究各种复合材料的力学性能时，通常基于无损试样来进行测试、标定，并研究各种复合材料所适用的强度理论、失效准则等［3］。但织物增强柔性复合材料在加工和使用过程中会直接或间接地引入内部缺陷与外部损伤，如在加工过程中，在材料内部产生诸如内部空隙、纤维断裂、纤维与树脂之间层间脱黏等内部缺陷;在使用时，由于疲劳、蠕变等或材料与尖锐物体接触、摩擦时，在材料表面产生诸如裂纹或缺口等形式的损伤。在长时间使用过程中，上述内部缺陷或外部损伤将会在外部因素的作用下不断萌生、扩展，从而导致应力集中现象的产生，引起织物增强柔性复合材料承载能力和刚度等力学性能的降低。因此，织物增强柔性复合材料在加工制备和使用时，应尽可能避免出现内部空隙、裂纹及缺口等形式损伤，以确保材料在使用过程中具有相当的可靠性;同时在使用时，应严格限制缺口等形式损伤的尺寸，以确保材料具有一定的可靠性。针对裂纹或切口对织物增强柔性复合材料力学性能的劣化，众多学者对处于单向［4-7］、双向［5、8］及多向［9］加载条件下织物增强柔性复合材料的裂纹扩展性能进行了大量的试验研究，基于复合材料破坏模型对其拉伸性能进行了理论预测［10］，并基于应变能释放率对其断裂韧性进行了理论研究［4］。但上述均基于单边或中心贯穿型等单一形式裂纹切口，而未对比研究各种切口对织物增强柔性复合材料拉伸性能的劣化。文献［11］对预置各种贯穿型裂纹切口(单边、双边及中心)试样在不同切口尺寸下的拉伸性能进行了测试与对比分析。本文以中心切口(贯穿型与圆孔型)拉伸试样为试验对象，对织物增强柔性复合材料的中心缺口敏感性进行研究，以期研究中心裂纹和圆形切口试样的拉伸性能及破坏过程。
1缺口敏感性及其试验
1．1缺口敏感性及其度量缺口敏感性作为衡量材料性能的一个重要指标，指材料因存在缺口(切口、尖角、沟槽、横孔等截面急剧变化之处)所引起的局部应力集中而导致其名义“强度”降低的现象。对于线弹性材料，衡量切口附近区域的应力集中程度可用理论应力集中系数Kt来表示。按弹性力学理论计算得到切口或其他应力集中处的局部应力与相应的名义应力的比值，即可得到理论应力集中系数Kt［3］。但对于弹塑性材料，难以确定切口根部区域的应力场，使实际应用受限，且切口试样的强度无法用无损试样的抗拉强度或采用断裂力学的方法来验算。在工程应用中，通常采用切口强度比来衡量材料的缺口敏感性。
1．2切口敏感性试验方案本文以机织物增强PVC柔性复合材料为试验对象，其增强骨架材料为涤纶机织平纹织物，双面涂覆PVC树脂。其中，增强骨架织物的规格为:经纱选用111．11tex超低收缩聚酯长丝，纬纱选用0．3mm聚酯单丝，织物经向和纬向密度分别为6．7和3．5根/cm。织物增强柔性复合材料的成品面密度为140g/m2，厚度为1．42mm。因该种复合材料常用以制备织物增强轻型输送带，在使用时主要承受纵向拉伸载荷的作用，故本文仅对其纵向试样进行拉伸测试与分析。其中，试样有效宽度W与有效夹持隔距L0分别为40和200mm，如图1所示。在制备中心贯穿型裂纹切口(以下简称中心裂纹切口)试样时，采用剃须刀片在试样中部对称线处预置长度为α的贯穿型裂纹切口，切口尺寸α为5、10、15和20mm，分别为试样有效宽度W的12．50%、25．00%、37．50%和50．00%。在制备中心圆形切口试样时，采用不同直径D的锋利圆形取样器在试样上制备穿透圆孔，圆孔关于纵向和横向对称线对称。受圆形取样器规格的影响，圆孔直径取6．5、11．5和16．5mm，分别为试样有效宽度W的16．25%、28．75%和41．25%。为便于表示，采用表示中心裂纹切口的尺寸α来描述圆孔直径。为减小夹具内表面对试样夹持区域的损伤以及试样与夹具间的滑移，以确保测试过程的顺利进行，采用铝片对试样夹持区域的上下表面进行保护，并采用高强黏合剂黏结，见图1。所有拉伸试验均在WDW-20型材料强力试验机上进行，试验机夹头的移动速度为5mm/min。采用“多曲线平均”法对同种试样的多条拉伸曲线进行处理，以获得无损试样、中心裂纹切口试样和中心圆形切口试样在不同切口尺寸下的典型拉伸曲线。并对拉伸曲线进行数据处理，以获得中心裂纹和中心圆形切口试样在不同切口尺寸下的应力—应变曲线，以及抗拉强力、切口扩展临界强力、拉伸模量、屈服模量等。在测试过程中，采用外加光源照亮试样切口根部区域，以方便观察切口根部在拉伸过程中的启裂位置和变化情况。所有拉伸测试均在温度为(20±2)℃，相对湿度为50%的试验环境下进行。
2试验结果分析
2．1破坏过程与破坏模式对中心裂纹和中心圆形切口试样的破坏过程进行分析，可以发现切口试样的拉伸破坏过程可分为四个阶段，即初始状态、切口张开、切口扩展与彻底拉伸破坏，如图2所示。①当外加载荷为零或较小时，切口保持初始状态。②当外加载荷逐渐增加时，中心裂纹切口试样的切口逐渐张开;中心圆形切口试样的中心圆孔由正圆形向椭圆形转变，同时在两侧韧带的内侧出现塑性变形区，其形状为椭圆形，即均在切口根部附近区域产生钝化现象，且该塑性变形区随着外加载荷的增加而逐渐扩展。③当切口根部塑性变形区发展到临界状态时，切口根部基体开始破坏，且切口根部纱线开始断裂，此时切口试样破坏进入切口扩展阶段，材料开始失效。④随着外加载荷的增加，切口沿着切口扩展方向逐渐扩展，试样最终被拉断为上下两部分。分析切口试样的破坏过程可知，中心裂纹切口试样和中心圆形切口试样的切口均由中心向两侧扩展，且切口两侧根部纱线交替断裂。对切口试样的破坏过程作进一步分析发现，两种切口试样在拉伸过程中均会产生“面外屈曲”，表现为在切口上下临近区域向面外突出，出现“起拱”现象，具体表现为切口试样的两侧韧带向内收缩，如图3所示。这将导致切口部位产生附加弯矩，使得切口试样在拉伸过程中处于拉力和附加弯矩的共同作用下。对中心裂纹和中心圆形切口试样的拉伸变形过程进行观察发现，相对于中心圆形切口试样，中心裂纹切口试样在拉伸过程中的面外屈曲程度较高。
2．2拉伸载荷—伸长曲线从拉伸载荷—伸长曲线(图4)可以看出，无损试样与切口试样的拉伸曲线形态存在较大的差异，预置切口的引入明显劣化了机织物增强柔性复合材料的抗拉性能，且劣化程度与切口类型和切口尺寸密切相关。从图4还可以看出，切口试样的拉伸曲线具有很好的相似性，在切口扩展阶段均表现出明显的多峰特性。对比无损和切口试样的拉伸曲线和破坏过程可以发现，无损试样和切口试样的拉伸破坏过程可用“突然破坏”和“逐渐破坏”来描述。
2．3切口抗拉强力与切口扩展临界强力由切口试样的破坏过程及拉伸曲线(见图2、图4)可知，当施加的外部载荷达到某一临界值时，切口根部基体开始被破坏，同时最临近切口根部的经纱断裂，此时的拉伸载荷称为切口扩展临界强力Fthreshold。切口试样可承受的最大抗拉强力称之为切口抗拉强力Fnotch。切口扩展临界强力与切口抗拉强力的确定方法详见参考文献［11］。中心裂纹和中心圆形切口试样的切口抗拉强力和切口扩展临界强力与切口尺寸比的变化见图5。从图5中可以看出，中心裂纹和中心圆形切口试样的抗拉强力Fnotch与切口扩展临界强力Fthreshold均位于理论缺口非敏感性线下方，表明该种材料对缺口敏感，即该种材料具有缺口敏感性。对于同种切口试样，随着切口尺寸的增加，韧带尺寸(W－α)随之减小，且切口根部应力集中程度增加［12］。在这两方面因素的作用下，材料的切口抗拉强力和切口扩展临界强力呈衰减变化趋势。在同一切口尺寸下，两类切口试样的切口抗拉强力和切口扩展临界强力存在的差异可归结为:①不同切口类型的切口根部应力分布和应力集中不同;②切口试样在拉伸过程中所产生的面外屈曲现象。
2．4切口强度比rNSR图6为由式(2)计算得到的切口强度比rNSR随切口尺寸比的变化趋势图。从图6中可以看出，切口强度比rNSR的变化趋势与切口抗拉强力和切口扩展临界强力的变化趋势相似，均随着切口尺寸比的增加而呈现幂函数衰减，且两种切口试样在各种切口尺寸下的切口强度比rNSR均小于1，从而表明本文选用的机织物增强柔性复合材料对切口具有强烈的敏感性。同时可以发现:同等切口尺寸下，织物增强柔性复合材料对裂纹型切口较为敏感。进而表明，该种复合材料所表现的缺口敏感性不仅与切口尺寸密切相关，同时还与切口形式密切相关。
2．5拉伸应力—应变曲线预置切口的存在将导致切口截面的应力分布发生变化，使切口截面处于三向应力状态，从而产生“切口强化”效应［3］。为表征切口对材料力学性能的“强化”效应，对拉伸载荷—伸长曲线进行转化计算，以获得拉伸应力—应变曲线以及基于应力—应变曲线获得拉伸弹性模量和屈服强度。在转换计算时，应变采用工程应变来计算，应力S采用拉伸载荷F与净截面面积sN的比值来表示，即。图7为由拉伸载荷—伸长曲线经转换计算得到的拉伸应力—应变曲线。从图7可以看出，切口试样的拉伸曲线具有很好的相似性，同种切口试样拉伸曲线的初始段具有较好的重合性;随着加载应变的增加，拉伸曲线间表现出明显的分散性，且随加载应变的增加而快速增加。图7表明，切口的引入将强化试样切口扩展前的拉伸应力，在应力—应变曲线上表现为:切口扩展前，在同等加载应变下，切口试样的应力明显高于无损试样，且深切口试样的应力明显高于浅切口试样。这主要是由于切口的存在将产生“切口强化”效应，导致切口截面上应力状态发生较大的变化，切口对塑性变形的约束增强，导致塑性降低，使得在同等加载应变下，切口试样的应力高于无损试样，且随着切口尺寸比的增加而增加。
2．6切口试样的弹性模量与屈服强度取应力—应变曲线初始近似直线段的斜率作为弹性模量，切口试样弹性模量Enotch随切口尺寸比的变化趋势见图8。从应力—应变曲线(图7)可以看出，机织物增强柔性复合材料的拉伸曲线无明显的屈服点，表明该材料无明显的屈服极限。对于这类材料，通常采用残余形变法来确定其屈服极限，所得到的屈服强度又称条件屈服强度。图9为残余形变量取0．5%所得到的屈服强度与切口尺寸比的变化趋势图。从图8及图9可以看出，切口试样的弹性模量Enotch和屈服强度SYnotch均随切口尺寸比的增加而增加，表明预置切口的存在将强化材料的弹性模量和屈服强度，且强化程度与切口尺寸和切口类型密切相关。切口试样弹性模量和屈服强度的强化现象表明，“切口强化”效应表现为弹性模量和屈服强度的强化。这种强化效应归功于切口对试样切口截面所出现的三向应力状态，以及由此产生的应力集中现象和塑性变形约束。切口试样弹性模量Enotch和屈服强度SYnotch随切口尺寸比的变化关系可用线性方程(6)和(7)描述，相应的线性拟合方程及拟合系数见表2。
3结语
本文对中心裂纹及中心圆形切口试样在不同切口深度下的低速拉伸性能进行了测试与分析，对破坏过程、拉伸载荷—伸长曲线、拉伸应力—应变曲线进行了研究，并对切口抗拉强力与切口扩展临界强力、切口强度比、弹性模量和屈服强度随切口尺寸比的变化趋势进行了分析。试验结果表明，对于织物增强柔性复合材料，预置切口将大幅度劣化其拉伸性能。相对于中心圆形切口，机织物增强柔性复合材料对中心裂纹切口较为敏感。因切口引入，切口截面出现了三向应力状态以及应力集中和塑性变形约束增强，从而产生了“切口强化”效应。切口试样弹性模量和屈服强度的强化可用于间接描述“切口强化”效应。为确保具有较高的可靠性和保持较好的力学性能，织物增强柔性复合材料在加工和使用时，应尽量避免产生内部缺陷和外部损伤。当织物增强柔性复合材料表面出现损伤时，应尽快修复，以避免或减小因损伤的存在而引起拉伸性能劣化。