Tensile strength of titanium/fibre reinforced polymers at different temperature values

• Autorzy: Majerski K. , Bieniaś J. , Surowska B.

Warianty tytułu

PL

Wytrzymałość na rozciąganie laminatów tytan/kompozyt włóknisty przy różnych wartościach temperatury

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The study describes the results of tensile strength tests of hybrid laminates composed of thin titanium layers and glass and carbon fibre reinforced polymer layers. The tests were conducted at -120, RT (23°C) and 85°C. The tests allowed the basic mechanical properties to be determined, including: tensile strength, Young's modulus and strain at failure. The tests proved that as the temperature decreases, the strength of titanium/glass fibre reinforced polymers increases by 21 to 26% depending on the configuration, while the strength of titanium/carbon fibre reinforced polymers decreases by 6 to 8%. The Young's modulus values for all the tested systems increase by 3 to 7% as the temperature drops. A different tendency was observed regarding the strain at failure which decreases by 1 to 11% as the temperature drops. The tensile strength test results for the increased temperature (85°C) differ only slightly from those obtained at room temperature. The macroscopic analysis of the failed specimens revealed the existence of characteristic, prevailing forms of failure, namely breaking fibres, matrix cracking, including delamination and permanent deformation of the titanium layers.

PL

Przedstawiono wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie laminatów hybrydowych składających się z cienkich warstw tytanowych oraz warstw kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami szklanymi oraz węglowymi. Próby przeprowadzono w temperaturze -120, RT (23°C) oraz 85°C. Podczas badań wyznaczono podstawowe właściwości mechaniczne, takie jak: wytrzymałość na rozciąganie, moduł Younga oraz odkształcenie przy zniszczeniu. Przeprowadzone próby wykazały, że wraz ze spadkiem temperatury wytrzymałość laminatów wzmacnianych włóknem szklanym wzrasta od 21 do 26% w zależności od układu, natomiast wytrzymałość laminatów wzmacnianych włóknem węglowym spada od 6 do 8% wraz ze spadkiem temperatury. Wartości modułu Younga dla wszystkich badanych układów wzrastają od 3 do 7% wraz ze spadkiem temperatury badania. Odmienną tendencję odnotowano dla wartości odkształcenia przy zniszczeniu, która zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury od 1 do 11%. Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie uzyskane dla temperatury podwyższonej (85°C) nie różnią się znacząco od wyników uzyskanych w temperaturze odniesienia (RT). Makroskopowa analiza zniszczonych próbek wykazała występowanie charakterystycznych, dominujących form zniszczenia w postaci zerwania włókien, pękania osnowy, w tym delaminacji oraz trwałych deformacji blach tytanowych.

Słowa kluczowe

EN

fibre metal laminates; tensile strength; temperature; titanium

PL

laminaty metalowo-włókniste; wytrzymałość na rozciąganie; temperatura; tytan

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2018
• Tom: R. 18, nr 2
• Strony: 88--94
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Majerski K.

• Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

autor

Bieniaś J.

• Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

autor

Surowska B.

• Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• [1] Vlot A., Gunnink W., Fibre Metal Laminates: an Introduction, Springer, 2001. DOI:10.1007/978-94-010-0995-9.
• [2] Sinmazçelik T., Avcu E., Bora M.Ö., Çoban O., A review: Fibre metal laminates, background, bonding types and applied test methods, Mater. Des. 2011, 32, 3671-3685. DOI:10.1016/j.matdes.2011.03.011.
• [3] Jakubczak P., Bieniaś J., Majerski K., Ostapiuk M., Surowska B., Bienias J., Majerski K., Ostapiuk M., Surowska B., The impact behavior of aluminum hybrid laminates, Aircr. Eng. Aerosp. Technol. 2014, 86, 287-294. DOI:10.1108/AEAT-12-2013-0228.
• [4] Dadej K., Bieniaś J., Surowska B., Residual fatigue life of carbon fibre aluminium laminates, Int. J. Fatigue 2017, 100, 94-104. DOI:10.1016/j.ijfatigue.2017.03.026.
• [5] Vogelesang L.B., Vlot A., Development of fibre metal laminates for advanced aerospace structures, J. Mater. Process. Technol. 2000, 103, 1-5. DOI:10.1016/S0924-0136(00)00411-8.
• [6] Mania R.J.R.J., Kolakowski Z., Bienias J., Jakubczak P., Majerski K., Comparative study of FML profiles buckling and postbuckling behaviour under axial loading, Compos. Struct. 2015, 134, 216-225. DOI:10.1016/j.compstruct.2015.08.093.
• [7] Mania R.J., Madeo A., Zucco G., Kubiak T., Imperfection sensitivity of post-buckling of FML channel section column, Thin-Walled Struct. 2017, 114, 32-38. DOI:10.1016/j.tws.2017.01.033.
• [8] Majerski K., Surowska B., Bienias J., The comparison of effects of hygrothermal conditioning on mechanical properties of fibre metal laminates and fibre reinforced polymers, Compos. Part B Eng. 2018, 142. DOI:10.1016/j.compositesb.2018.01.002.
• [9] Mania R.J., Kolakowski Z., Bienias J., Jakubczak P., Majerski K., Comparative study of FML profiles buckling and postbuckling behaviour under axial loading, Compos. Struct. 2015, 134. DOI:10.1016/j.compstruct.2015.08.093.
• [10] Bienias J., Jakubczak P., Dadej K., Low-velocity impact resistance of aluminium glass laminates - Experimental and numerical investigation, Compos. Struct. 2016, 152, 339-348. DOI:10.1016/j.compstruct.2016.05.056.
• [11] Gliszczyński A., Czechowski L., Collapse of channel section composite profile subjected to bending. Part I: Numerical investigations, Compos. Struct. 2017, 178, 383-394. DOI:10.1016/J.COMPSTRUCT.2017.07.033.
• [12] Jakubczak P., Gliszczyński A., Bieniaś J., Majerski K., Kubiak T., Collapse of channel section composite profile subjected to bending Part II: Failure analysis, Compos. Struct. 2017, 179. DOI:10.1016/j.compstruct.2017.07.052.
• [13] Przybyłowicz K., Metaloznawstwo, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007.
• [14] Zhang L., Xu H., Ma Q., Wang Z., Low-temperature creep behavior of commercially pure titanium TA2, Rare Met. Mater. Eng. 2008, 37, 2114-2117. DOI:10.1016/S18755372(10)60008-2.
• [15] Leyens C., Peters M., Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications, John Wiley & Sons, 2003.
• [16] Dao B., Hodgkin J., Krstina J., Mardel J., Tian W., Accelerated aging versus realistic aging in aerospace composite materials. I. The chemistry of thermal aging in a lowtemperature-cure epoxy composite, J. Appl. Polym. Sci. 2006, 102, 4291-4303. DOI:10.1002/app.24862.
• [17] Shindo Y., Takano S., Horiguchi K., Sato T., Cryogenic fatigue behavior of plain weave glass/epoxy composite laminates under tension-tension cycling, Cryogenics (Guildf) 2006, 46, 794-798.
• [18] Surendra Kumar M., Sharma N., Ray B.C., Mechanical behavior of glass/epoxy composites at liquid nitrogen temperature, J. Reinf. Plast. Compos. 2008, 27, 937-944.
• [19] Timmerman J.F., Hayes B.S., Seferis J.C., Cryogenic microcracking of carbon fiber/epoxy composites: influences of fiber-matrix adhesion, J. Compos. Mater. 2003, 37, 1939-1950.
• [20] Choi S.J., Micromechanics, fracture mechanics and gas permeability of composite laminates for cryogenic storage systems, University of Florida, 2005.
• [21] Sawa F., Nishijima S., Okada T., Molecular design of an epoxy for cryogenic temperatures, Cryogenics (Guildf) 1995, 35, 767-769. DOI:10.1016/0011-2275(95)90910-8.
• [22] Timmerman J.F., Tillman M.S., Hayes B.S., Seferis J.C., Matrix and fiber influences on the cryogenic microcracking of carbon fiber/epoxy composites, Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2002, 33, 323-329.
• [23] Ray B.C., Thermal shock and thermal fatigue on delamination of glass-fiber-reinforced polymeric composites, J. Reinf. Plast. Compos. 2005, 24, 111-116. DOI:10.1177/0731684405042953.
• [24] Sethi S., Ray B.C., An assessment of mechanical behavior and fractography study of glass/epoxy composites at different temperatures and loading speeds, Mater. Des. 2014. DOI:10.1016/j.matdes.2014.07.017.
• [25] Westre W.N., Allen-Lilly H.C., Ayers D.J., Cregger S.E., Evans D.W., Grande D.L., Hoffman D.J., Rogalski M.E., Rothschilds R.J., Titanium-polymer hybrid laminates, Cranfield University 2000.
• [26] Kolesnikov B., Herbeck L., Fink A., CFRP/titanium hybrid material for improving composite bolted joints, Compos. Struct. 2008, 83, 368-380. DOI:10.1016/j.compstruct.2007.05.010.
• [27] Li E., Johnson W.S., An investigation into the fatigue of a hybrid titanium composite laminate, J. Compos. Technol. Res. 1998, 20, 3-12. DOI:10.1520/CTR10494J.
• [28] Cortes P., The tensile and fatigue properties of carbon fiberreinforced PEEK-titanium fiber-metal laminates, J. Reinf. Plast. Compos. 2004, 23, 1615-1623. DOI:10.1177/0731684404039796.
• [29] Fink A., Kolesnikov B., Hybrid titanium composite material improving composite structure coupling, [In:] Eur. Sp. Agency, (Special Publ. ESA SP), 2005, 843-848.
• [30] Hu Y., Li H., Tao J., Pan L., Xu J., The effects of temperature variation on mechanical behaviors of polyetheretherketone-based fiber metal laminates, Polym. Compos. 2016. DOI:10.1002/pc.24085.
• [31] Ali A., Pan L., Duan L., Zheng Z., Sapkota B., Characterization of seawater hygrothermal conditioning effects on the properties of titanium-based fiber-metal laminates for marine applications, Compos. Struct. 2016, 158, 199-207. DOI:10.1016/j.compstruct.2016.09.037.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).