Comparative analysis of failure of Al/GFRP laminates after tensile strength test

• Autorzy: Ostapiuk M. , Surowska B.

Warianty tytułu

PL

Analiza porównawcza zniszczenia laminatów Al/GFRP w próbie wytrzymałości na rozciąganie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Fibre-metal laminates are modern composite materials that are replacing certain metal elements in aircraft structures. Such hybrid materials have synergic properties determined by their component properties and configuration. This article presents studies of GLARE laminates consisting of aluminium and glass-epoxy composite sheets manufactured using the autoclave method. 2024T3 aluminium alloy sheets were subjected to chromic acid anodising (CAA) and sulphuric acid anodising (SAA). Three different lay-up configurations of the composite layers were used in the structure of 2/1 laminates: [0°], [0/90°] and [±45°]. Tensile strength studies were conducted using a strength testing machine (MTS 322) in accordance with the ASTM standard for composite materials. Microstructural and fractographic observations were conducted using an optical microscope and a scanning electron microscope (Zeiss Ultra Plus, NovaNanoSEM 450). The tensile strength test did not result in cracking of the metal plies; it was the composite that underwent degradation. After the test, the samples were found to have undergone deformation and delamination as a result of the tension; the laminates with an SAA layer were more greatly affected. The plastic range properties are determined by the fibre configuration. The metal/composite adhesion force was higher than the cohesive force in the composite for all the configurations. The degradation mechanism of the laminate structure during uniaxial tensile strength tests does not depend on the type of anodised layer. The configuration of the fibrous composite layers affects the propagation of cracks in the composite area. Transverse cracking of the fibres, cracking of the anodised layer and decohesion of the matrix with tearing-out of fibres were observed in all the cases. The surface morphology of the fracture caused by the decohesion of the composite in an FML is of the same nature as the fracture in the composite material.

PL

Laminaty metalowo-włókniste to współczesne materiały złożone zastępujące niektóre elementy metalowe w konstrukcjach lotniczych. Taki materiał hybrydowy posiada właściwości synergiczne, determinowane właściwościami komponentów i ich konfiguracją. W niniejszej pracy przedstawiono badania laminatów typu Glare, składających się z blach aluminium i kompozytu epoksydowo-szklanego, wytworzonych metodą autoklawową. Blachy ze stopu aluminium gat. 2024T3 anodowano w roztworze kwasu chromowego (CAA) oraz w roztworze kwasu siarkowego (SAA). W budowie laminatów 2/1 wykorzystane zostały trzy różne konfiguracje ułożenia warstw kompozytu: [0°], [0/90°] oraz [±45°]. Badania wytrzymałości na rozciąganie zostały przeprowadzone przy użyciu maszyny wytrzymałościowej (MTS 322) zgodnie z normą ASTM dla materiałów kompozytowych. Obserwacje mikrostrukturalne i fraktograficzne zostały przeprowadzone przy użyciu mikroskopu optycznego i skaningowej mikroskopii elektronowej (Zeiss Ultra Plus, NovaNanoSEM 450). W teście rozciągania nie nastąpiło pęknięcie warstw metalu, degradacji uległ kompozyt. Po zakończeniu testu wystąpiła deformacja próbek i ich rozwarstwienie na skutek naprężenia, silniejszy efekt zaobserwowano w laminatach z warstwą SAA. O właściwościach w zakresie plastycznym decyduje konfiguracja włókien. We wszystkich układach siła adhezji metal/kompozyt przewyższała siłę kohezji w kompozycie. Mechanizm degradacji struktury laminatów podczas jednoosiowego rozciągania nie zależy od typu warstwy anodowej. Konfiguracja warstw kompozytu włóknistego wpływa na propagację pęknięć w obszarze kompozytu. We wszystkich przypadkach nastąpiło pękanie poprzeczne włókien, pękanie warstwy anodowej oraz dekohezja osnowy z odrywaniem włókien. Morfologia powierzchni przełomu powstałego w wyniku dekohezji kompozytu w FML ma taki sam charakter jak przełom w materiale kompozytowym.

Słowa kluczowe

EN

fibre metal laminates; tensile strength; fractography; failure

PL

laminaty metalowo-włókniste; rozciąganie; fraktografia; zniszczenie

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 15, nr 4
• Strony: 259--265
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Ostapiuk M.

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

autor

Surowska B.

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

Bibliografia

• [1] Vlot A.D., Gunnink J.W. editors, Fiber metal laminates. An Introduction, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 2001.
• [2] Botelho E.C., Silva R.A., Pardini L.C., Rezende MC. A review on the development and properties of continuous fiber/epoxy/aluminium hybrid composites for aircraft structures. Mater. Res. 2006, 9, 247-256.
• [3] Sinmazcelik T., Avcu E., Bora M.O., Coban O., A review: Fibre metal laminates, background, bonding types and applied test methods, Materials and Design 2011, 32, 3671-3685.
• [4] Alderliesten R.C., Designing for damage tolerance in aerospace: A hybrid material technology, Materials and Design 2015, 66, 421-428
• [5] Moussavi-Torshizi S.E., Dariushi S., Sadighi M., Safarpour P., A study on tensile properties of a novel fiber/metal laminates, Materials Science and Engineering A 2010, 527 4920-4925.
• [6] Wu G.G., Yang J.-M., The mechanical behaviour of glare laminates for aircraft structures, JOM 2005, 75, 72-79.
• [7] Sugiman S., Crocombe A.D., Katnam K.B., Investigating the static response of hybrid fibre-metal laminate doublers loaded in tension, Composites: Part B 2011, 42, 1867-1884.
• [8] de Vries TJ, Vlot A, Hashagen F., Delamination behavior of spliced Fiber Metal Laminates. Part. 1 Experimental result, Composite Structures 1999, 46, 131-145.
• [9] Bieniaś J., Rudawska A., Analiza powierzchni metalu w laminatach metalowo-włóknistych, Inżynieria Materiałowa 2011, 4, 337-340.
• [10] Cioffi M.O.H., Voorwald H.J.C., Camargo J.A.M., Rezende M.C., Ortiz E.C., Ambrosio L., Fractography analysis and fatigue strength of carbon fiber/RTM6 laminates, Materials Science and Engineering A 2010, 527, 3609-3614.
• [11] Bonhomme J., Arguelles A., Vina J., Vina I., Fractography and failure mechanisms in static mode I and mode II delamination testing of unidirectional carbon reinforced composites, Polymer Testing 2009, 28, 612-617.