Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix Composite Laminates

Abstract

A study of high frequency fatigue in carbon-fiber reinforced composites has been undertaken. A comparison has been made between the fatigue behavior of crossply (0/90°) and angleply (±45°) carbon/epoxy unnotched and notched laminates. Additionally, a micromechanical analysis of fracture surfaces performed by scanning electron microscopy was carried out to evaluate the micromechanisms that occurred during fatigue. Experimental observations indicate that fatigue damage consists of a combination of matrix cracks, longitudinal splitting, fiber fracture, and delamination. In order to minimize the effects of residual strain due to temperature rise, a method is proposed for determining real fatigue strength at the level of variable load not lower than the fatigue limit, at which residual strains are minimal.

Выполнены высокочастотные усталостные испытания композитных материалов, армированных графитовыми волокнами. Проведен сравнительный анализ усталостного поведения графитоэпоксидных ламинатных материалов с надрезом и без надреза для различных случаев ориентации волокон (0°/90° и ±45°). Кроме того, с применением метода сканирующей электронной микроскопии осуществлен микромеханический анализ поверхностей разрушения с целью обнаружения микромеханизмов разрушения материала. Полученные экспериментальные результаты показали, что усталостное повреждение обусловлено комбинированными эффектами трещинообразования в матрице, продольного расслоения, разрушения волокон и деламинации. Для минимизирования остаточных деформационных эффектов, связанных с повышением температуры, предложен метод определения фактической усталостной прочности как переменного уровня нагрузки не ниже предела усталостной прочности, при котором имеют место минимальные остаточные напряжения.

Виконано високочастотні втомні випробування композитних матеріалів, армованих графітовими волокнами. Проведено порівняльний аналіз втомного поведінки графітоепоксідних ламінатних матеріалів з ​​надрізом і без надрізу для різних випадків орієнтації волокон (0 ° / 90 ° і ± 45 °). Крім того, із застосуванням методу скануючої електронної мікроскопії здійснено мікромеханічних аналіз поверхонь руйнування з метою виявлення мікромеханізм руйнування матеріалу. Отримані експериментальні результати показали, що утомлююча пошкодження обумовлено комбінованими ефектами тріщиноутворення в матриці, поздовжнього розшарування, руйнування волокон і деламінаціі. Для минимизирования залишкових деформаційних ефектів, пов'язаних з підвищенням температури, запропонований метод визначення фактичної втомної міцності як змінного рівня навантаження не нижче межі втомної міцності, при якому мають місце мінімальні залишкові напруги.