The mechanical properties and failure analysis of selected Fiber Metal Laminates

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

Warianty tytułu

PL

Wybrane właściwości mechaniczne oraz analiza zniszczenia laminatów metalowo-włóknistych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Composite materials have developed in recent years. Fiber reinforced polymer composites (laminates) and aluminum alloys currently constitute the most dominant materials applied in the aerospace industry. The paper presents the tensile properties of selected fiber metal laminates regarding the content of structural components. Additionally, the failure characteristics of the tested specimens were determined. The hybrid systems (Fiber Metal Laminates) in this study were based on the 2024-T3 aluminum alloy and glass and carbon fibers reinforced polymers. The tensile properties were determined according to ASTM D 3039. The strain gauge Vishay CEA-06-125UT-350 was employed to measure the strain. The results have shown that the tensile properties of both tested types of laminates depend on the metal volume fraction factor. The investigated specimens showed a bilinear character in the stress-strain curves. The findings imply that the tensile properties of fiber metal laminates depend on the type of composite reinforcement, metal volume contribution and fibers orientation. It can be noted that with a decrease in the metal volume fraction and a layer orientation change from 0 by 0/90 up to 45 results in a decrease in the Young's modulus of the tested laminates. Several fracture modes were identified depending on the lay-up configuration and type of reinforcing fibers. Use of the metal volume fraction approach in predicting the mechanical properties is appropriate for both carbon and glass fiber reinforced fiber metal laminates.

PL

Kompozyty polimerowe wzmacniane włóknami są od kilku dekad stosowane z powodzeniem jako materiały konstrukcyjne w przemyśle lotniczym. Nową generację materiałów o dużym potencjale rozwoju stanowią laminaty metalowo-włókniste. Laminaty tego typu poprzez swoją hybrydową konstrukcję łączą korzystne właściwości polimerowych laminatów kompozytowych wzmacnianych włóknami oraz lekkich stopów aluminium tradycyjnie stosowanych w przemyśle lotniczym. W pracy przedstawiono wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie laminatów metalowo-włóknistych zawierających warstwy kompozytowe wzmacniane włóknami węglowymi oraz szklanymi w układzie jednokierunkowym. Badane były laminaty z różną orientacją warstw kompozytowych. Testy wytrzymałościowe przeprowadzono zgodnie z normą ASTM D 3039 na prostopadłościennych próbkach o długości 180 mm i szerokości 15 mm dla włókien ułożonych w kierunku (0) i 20 mm dla włókien ułożonych w kierunku (0/90 i ±45) w warstwie kompozytowej laminatu. Dla badanych materiałów uzyskano bilinearne charakterystyki naprężeniowo odkształceniowe oraz silną zależność pomiędzy kierunkiem ułożenia włókien w warstwie kompozytowej a wartością wytrzymałości na rozciąganie oraz sztywności. Wykazano liniową zależność pomiędzy objętościową zawartością metalu a wytrzymałością na rozciąganie i sztywnością dla laminatów wzmacnianych zarówno włóknami szklanymi, jak i węglowymi. Dodatkowo dokonano analizy zniszczenia badanych próbek w mezoskali z użyciem mikroskopu optycznego (Nikon SMZ1500). Zaobserwowano istotne różnice w charakterach zniszczenia warstw kompozytowych wzmacnianych włóknami węglowymi oraz szklanymi, co jednak nie wpływa znacząco na opisane powyżej zależności i przewidywanie właściwości mechanicznych.

Słowa kluczowe

EN

fiber metal laminates; tensile properties; failure analysis

PL

laminaty metalowo-włókniste; właściwości wytrzymałościowe; analiza zniszczenia

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 13, nr 3
• Strony: 220--224
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bieniaś J.

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

autor

Majerski K.

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

autor

Surowska B.

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

autor

Jakubczak P.

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

Bibliografia

• [1] Campbell F.C., Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials, Elsevier, London 2006.
• [2] Vlot A., Impact properties of fibre metal laminates, Compos. Eng. 1993, 10, 911-27.
• [3] Vlot A., Impact loading on fibre metal laminates, Int. J. Impact. Eng. 1996, 8, 291-307.
• [4] Sinmazçelik T., Avecu E., Bora M., Coban O., A review: fibre metal laminates, background, bonding types and applied test methods, Mater. Des. 2011, 32, 3671-85.
• [5] Vlot A., Gunnink J.W., Fiber Metal Laminates an Introduction, Delft 2001.
• [6] Alderliesten R.C., Homan J.J., Fatigue and damage tolerance issues of Glare in aircraft structures, International Journal of Fatigue 2006, 28, 1116-1123.
• [7] Shengqing Z., Gin B., Low-velocity impact response of fibre-metal laminates Experimental andfinite element analysis, Comp. Sci. and Tech. 2012, 72, 1793-1802.
• [8] Liu G.R., A step-by-step method of rule-of-mixture of fiber - and particle-reinforced composite materials, Composite Structures 1997, 40, 313-322.
• [9] Beumler T., Flying Glare: A contribution to aircraft certification issues on strength properties in non-damaged and fatigue damaged GLARE structures, Delft University Press 2004.
• [10] Wu H.F., Wu L.L., Use of rule of mixtures and metal volume fraction for mechanical property predictions of fibre-reinforced aluminium laminates, Journal of Materials Science 1994, 29, 4583-4591.
• [11] Greenhalgh E., Failure Analysis and Fractography of Polymer Composites, 1 edition, 2009.