Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix Composite Laminates
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 per...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2003 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2003
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47008 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix
 Composite Laminates / S. Putic, P.S. Uskokovic, R. Aleksic // Проблемы прочности. — 2003. — № 5. — С. 93-103. — Бібліогр.: 16 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860138668837044224 |
|---|---|
| author | Putic, S. Aleksic, R. Uskokovic, P.S. |
| author_facet | Putic, S. Aleksic, R. Uskokovic, P.S. |
| citation_txt | Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix
 Composite Laminates / S. Putic, P.S. Uskokovic, R. Aleksic // Проблемы прочности. — 2003. — № 5. — С. 93-103. — Бібліогр.: 16 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | 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.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:47:51Z |
| format | Article |
| fulltext |
UDC 539.4
Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix
Composite Laminates
S. Putic, P. S. Uskokovic, and R. Aleksic
Faculty of Technology and Metallurgy, Belgrade, Yugoslavia
УДК 539.4
Анализ усталостного разрушения и роста трещин в ламинатных
композитах с эпоксидной матрицей, армированных графитовыми
волокнами
С. Путич, П. С. Ускокович, Р. Алексич
Факультет технологии и металлургии, Белград, Югославия
Выполнены высокочастотные усталостные испытания композитных материалов, армиро
ванных 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 сканиру
ющей электронной микроскопии осуществлен микромеханический анализ поверхностей раз
рушения с целью обнаружения микромеханизмов разрушения материала. Полученные экспе
риментальные результаты показали, что усталостное повреждение обусловлено комбини
рованными эффектами трещинообразования в матрице, продольного расслоения, разру
шения волокон и деламинации. Для минимизирования остаточных деформационных эффек
тов, 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.
К л ю ч е в ы е с л о в а : у с т а л о с т ь , л а м и н а т н ы е к о м п о з и т ы , к р и в а я у с т а л о с т и
S - N , р о с т т р е щ и н ы .
I n t r o d u c t io n . F a t ig u e b e h a v io r o f c o m p o s i t e m a te r ia ls h a s b e e n th e su b je c t
o f in t e n s e r e s e a r c h in r e c e n t y e a r s s in c e fa t ig u e i s k n o w n to b e r e s p o n s ib le fo r th e
m a jo r ity o f fa i lu r e s o f s tr u c tu r a l c o m p o n e n ts . L o c a l d a m a g e in is o tr o p ic
m a te r ia ls , s u c h a s m e ta ls a n d p o ly m e r s , u s u a l ly d e v e lo p s m o n o t o n ic a l ly le a d in g
to m a te r ia l fa ilu r e . In c o m p o s i t e m a te r ia ls , o n th e c o n tr a ry , a c o m b in a t io n o f fo u r
m a in d a m a g e m o d e s h a s b e e n o b s e r v e d u n d e r fa t ig u e lo a d in g , n a m e ly , m a tr ix
c r a c k in g , f ib e r -m a tr ix d e b o n d in g , d e la m in a t io n , a n d f ib e r fr a ctu r e . C a r b o n -f ib e r
r e in fo r c e d p o ly m e r ( C F R P ) c o m p o s i t e s are a ttr a c tiv e in th a t t h e y c o m b in e h ig h
s tr e n g th , h ig h m o d u lu s , a n d l o w d e n s ity . A m o n g m a n y s tu d ie s r e g a r d in g C F R P s ,
s o m e w e r e c o n c e r n e d w i t h th e ir fa t ig u e b e h a v io r . F o r in s ta n c e , M iy a n o e t a l. [1 ]
c a r r ie d o u t fa t ig u e te s t s o f u n id ir e c t io n a l C F R P s at v a r io u s te m p e r a tu r e s a n d
lo a d in g r a te s . H a rr is e t a l. [2 ] o b s e r v e d fo r a n g le p ly C F R P s th a t th e c o m b in a t io n
o f t e n s i l e a n d c o m p r e s s iv e fa t ig u e lo a d in g i s m o r e d a m a g in g th a n p u r e ly t e n s i le
o r c o m p r e s s iv e s tr e s s c y c l in g . W a n g a n d C h u n g [3 ] a c h ie v e d s e l f - m o n it o r in g o f
© S. PUTIC, P. S. USKOKOVIC, R. ALEKSIC, 2003
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2003, N2 5 93
S. Putic, P. S. Uskokovic, R. Aleksic
fa t ig u e d a m a g e in a c r o s s p ly C F R P b y e le c tr ic a l r e s is ta n c e m e a s u r e m e n t . S tu d ie s
w e r e e n g a g e d in c o m p a r is o n o f t e n s i l e fa t ig u e b e h a v io r o f u n id ir e c t io n a l [4 ] a n d
q u a s i- is o tr o p ic [5 ] C F R P s w i t h th e r m o p la s t ic a n d th e r m o s e t t in g m a tr ic e s . B y
u s in g a th o r o u g h fr a c to g r a p h ic a n a ly s is , S h in a n d J a n g [6 ] in v e s t ig a t e d
d e la m in a t io n fe a tu r e s in w o v e n C F R P s .
T h e in f lu e n c e o f th e m a te r ia l p r o p e r t ie s , p r o c e s s in g c o n d it io n s , a n d d e s ig n
o n th e r e s u lt in g fa t ig u e p e r fo r m a n c e o f c o m p o s i t e s in v a l id a te s a n y g e n e r a l iz a t io n
o f th e e x p e r im e n ta l r e s u lt s fo r n o m in a l ly id e n t ic a l c o m p o s i t e s [7 ] . S in c e c o u p o n
s p e c im e n s are s e n s it iv e to th e fr e e e d g e e f f e c t s , t h e y s e e m m o r e s u s c e p t ib le to
fa t ig u e d a m a g e th a n th e e n tir e s tr u c tu r e . A lt h o u g h m o r e d e s ir a b le , t e s t in g o f a
c o m p le t e str u c tu r a l p a r t is c o s t ly , c o m p lic a te d , a n d n o t e a s y to s ta n d a r d iz e , w h ic h
l e a v e s c o u p o n s p e c im e n t e s t in g s t i l l in u s e fo r i t s s im p l ic i t y a n d e a s e . C u rtis e t al.
[8 ] s u r m is e th a t l o w - f r e q u e n c y fa t ig u e e x p e r im e n ts , in w h ic h a p a r tic u la r m a te r ia l
r e s p o n s e i s r e c o r d e d , m ig h t p r o v id e a b e tte r d e p ic t io n o f th e c o m p o n e n t
p e r fo r m a n c e th a n h ig h e r f r e q u e n c y la b o r a to r y t e s t s . In fa t ig u e t e s t s a t h ig h e r
f r e q u e n c ie s , th e m a te r ia l o f a s tr u c tu r e m a y b e s u b je c te d to a m o r e c o m p le x s tr e s s
sta te th a n in a n id e a l i z e d c o u p o n . H o w e v e r , th e n e c e s s i t y fo r d e f in in g su ita b le
te s t s a t a c o u p o n - le v e l , w h ic h c o u ld b e u s e d a s a p a rt o f th e m e t h o d o lo g y fo r a
r e l ia b le fa t ig u e d e s ig n , le a d s to a n e e d fo r h ig h - f r e q u e n c y fa t ig u e t e s t s . T h e
lite ra tu re r e c o g n iz e s th e p o s s ib i l i t y o f te m p e r a tu r e r is e d u r in g fa t ig u e o f
c o m p o s i t e s th a t d e p e n d s p r im a r ily o n th e l e v e l a n d fr e q u e n c y o f c y c l i c lo a d a n d
c a n b e a ttr ib u te d to a n u m b e r o f v a r io u s h e a t s o u r c e s [ 8 - 1 1 ] . T h is s tu d y
c h a r a c te r iz e s th e h ig h - f r e q u e n c y fa t ig u e b e h a v io r o f a c r o s s p ly a n d a n g le p ly
c a r b o n -f ib e r r e in fo r c e d e p o x y b y S — N t e s t in g a n d b y a n a ly s is o f c r a c k g r o w th .
In o r d e r to m in im iz e th e e f f e c t o f r e s id u a l s tr a in s d u e to te m p e r a tu r e r is e , w h ic h
m a y d istu rb fa t ig u e m e a s u r e m e n ts , w e p r o p o s e a m e th o d fo r d e te r m in in g a m o r e
r e a l is t ic v a lu e o f th e fa t ig u e s tr e n g th d e s ig n a t e d in th is s tu d y a s th e r e a l fa t ig u e
str en g th .
O v e r v ie w o f M a t e r ia l s a n d P e r f o r m e d E x p e r im e n t s . S ix t y - s e v e n sp e c im e n s
w e r e fa b r ic a te d b y u s in g u n id ir e c t io n a l c a r b o n - e p o x y p r e p r e g s (B r o c h ie r ) , w h ic h
h a d th e th ic k n e s s o f a s in g le la y e r o f a p p r o x im a te ly 0 .1 5 m m w it h tw o
a r r a n g e m e n ts o f r e in fo r c e m e n ts (0 7 9 0 ° a n d ± 4 5 ° ) . T h e s p e c im e n s w e r e
m a n u fa c tu r e d in a n a u t o c la v e a c c o r d in g to th e m a n u fa c tu r e r ’s r e c o m m e n d a t io n s
at 1 7 5 °C a n d 7 b a r fo r 1 h o u r f o l lo w e d b y 1 9 0 °C a n d 7 b a r fo r 4 h o u r s . F in a lly , th e
s p e c im e n s w e r e c o o le d s l o w l y d o w n to 4 0 °C . T h e fr a c t io n o f th e f ib e r m a s s fo r
e a c h s p e c im e n w a s a p p r o x im a te ly 6 5 % . D e p e n d in g o n th e ty p e o f in v e s t ig a t io n
a n d th e c o r r e s p o n d in g sta n d a r d , v a r io u s s p e c im e n d im e n s io n s w e r e u s e d . A
r e v ie w o f th e in v e s t ig a t io n s w i t h d e s ig n a t io n s o f th e s p e c im e n s e r ie s u s e d is
p r e s e n te d in T a b le 1.
S ta t ic t e n s i l e t e s t s w e r e p e r fo r m e d o n a s e r v o -h y d r a u l ic t e s t in g m a c h in e
( S c h e n c k T r e b e l R M 1 0 0 ) w i t h h y d r a u lic g r ip s . T h e m e a n v a lu e s o f th e t e n s i le
s tr e n g th a n d m o d u lu s o f e la s t ic i ty w e r e d e te r m in e d fo r s p e c im e n s Z -1 a n d fo u n d
to b e 5 0 3 .6 M P a a n d 4 7 .4 G P a , r e s p e c t iv e ly , w h i l e th e sh e a r s tr e n g th a n d m o d u lu s
fo r s p e c im e n s S - 2 w e r e 1 0 2 M P a a n d 5 .4 G P a , r e s p e c t iv e ly .
T h e in v e s t ig a t io n s o f fa t ig u e s tr e n g th w e r e p e r fo r m e d at a t e n s i l e v a r ia b le
lo a d o n a h ig h - f r e q u e n c y p u ls a to r (A m s le r ) , w h ic h c a n d e v e lo p s in u s o id a l
v a r ia b le lo a d s in th e r a n g e fr o m — 1 0 0 to + 1 0 0 k N . M e a n v a lu e s o f th e lo a d a n d
94 ISSN 0556-171X. npo6n.eubi npounocmu, 2003, № 5
Analysis o f Fatigue and Crack Growth
lo a d a m p litu d e w e r e r e g is t e r e d w it h a n a c c u r a c y o f ± 5 0 N . T h e s tr e s s r a t io in
fa t ig u e w a s 0 .1 , a n d th e fr e q u e n c y w a s in th e r a n g e fr o m 1 2 0 to 1 3 0 H z . F o r th e
p u r p o s e o f r e s id u a l s tr a in m e a s u r e m e n ts , s tr a in g a u g e s w e r e g lu e d to th e
s p e c im e n s a n d c o n n e c t e d to a P C th r o u g h a m u lt i - c h a n n e l d y n a m ic r e c o r d s y s t e m
(A lp h a 2 0 0 0 ) w i t h a c o n v e r te r . T h e l e v e l o f r e s id u a l s tr a in s w a s r e g is t e r e d in
r e la t io n to th e n u m b e r o f c y c le s . S p e c im e n s fr o m s e r ie s T D - 1 , T D - 2 , S D - 1 , a n d
S D - 2 w e r e w a is t e d to a m in im u m w id t h o f 2 0 m m w it h a r a d iu s o f 3 4 m m .
T a b l e 1
Program of Investigations with Specimen Series Dimensions and Designations
Determined properties Lay-up Dimensions
(mm)
Number
of layers
Number
of specimens0790° ±45°
Static tensile properties Z-1 - 250 X 20 X 2.5 20 10
Static shear properties - S-2 250X 30X 3 24 10
Fatigue strength TD-1 TD-2 140X 30X 2 16 15 + 18
Real fatigue strength SD-1 SD-2 140X 30X 2 16 4 + 4
Fatigue crack growth DA-1 DA-2 55X 10X 8 64 3 + 3
T e sts fo r d e te r m in in g th e c r a c k g r o w th ra te w e r e c a r r ie d o u t o n a r e s o n a n t
h ig h - f r e q u e n c y p u ls a to r (C r a c k tr o n ic ) in th r e e -p o in t b e n d in g . T h e t e s t in g m a c h in e
c a n p r o d u c e a s in u s o id a l d i s c o n t in u o u s m o m e n t w i t h in th e r a n g e f r o m —7 0 to
+ 7 0 N - m . T h e e x p e r im e n t s w e r e p e r f o r m e d w i t h th e f o r c e c o n t r o l a t t h e s a m e
s t r e s s r a t io o f 0 .1 a n d w i t h th e d y n a m ic m o m e n t v a r y in g w i t h in th e r a n g e fr o m
1 2 .7 to 4 .4 N - m . T h e f r e q u e n c y r a n g e d fr o m 1 3 2 to 1 5 5 H z . S u b s iz e C h a r p y
s p e c im e n s ( F ig . 1 ) w e r e c u t b y a h a r d -m e ta l m i l l in g c u tte r f r o m s m a l l b a rs
e x tr a c te d f r o m p a n e l s a m p le s . S e r ie s o f th r e e s p e c im e n s f r o m e a c h la y - u p w e r e
m e c h a n ic a l ly p r e p a r e d b e f o r e th e t e s t a n d t a p e d w i t h c r a c k g a u g e f o i l (R u m u l
R M F A - 5 ) g lu e d l ik e a c o m m o n s tr a in g a u g e fo r r e c o r d in g th e g r o w t h o f a
f a t ig u e c r a c k .
Fig. 1. Geometry and dimensions of a modified Charpy specimen.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2003, № 5 95
S. Putic, P. S. Uskokovic, R. Aleksic
F ra c tu r e s u r fa c e s o f m e c h a n ic a l ly fr a c tu r e d s p e c im e n s w e r e a n a ly z e d b y
s c a n n in g e le c tr o n m ic r o s c o p y ( P h i l ip s - S E M 5 2 5 ) to s tu d y m ic r o m e c h a n is m s o f
fa t ig u e . T h e fr a ctu r e s u r fa c e s w e r e v a p o r -c o a te d w i t h a th in la y e r o f g o ld to
e n h a n c e th e q u a l ity o f th e im a g e .
F a t ig u e S t r e n g t h . T h e r e s u lt s o b ta in e d fo r s p e c im e n s s e le c t e d fr o m th e
se r ie s o f t w o la y - u p s are p r e s e n te d in th e fo r m o f S — N c u r v e s in F ig . 2 . D u r in g
th e e x p e r im e n t , i t w a s e s t a b l i s h e d th a t th e s tr e s s a m p litu d e S d e c r e a s e d
c o n t in u o u s ly w i t h in c r e a s in g n u m b e r o f c y c l e s N . F a t ig u e s tr e n g th S f w a s
d e f in e d a s th e s tr e n g th a fte r 1 0 c y c le s . B y c o m p a r in g t h e s e r e s u lt s w i t h th o s e
o b ta in e d fo r w o v e n g la s s - e p o x y la m in a te s w it h th e s a m e s ta c k in g s e q u e n c e [1 2 ,
1 3 ] , o n e c a n s e e th a t th e S — N c u r v e s fo r b o t h T D -1 a n d T D - 2 s p e c im e n se r ie s
are ra th e r fla t , m e a n in g th a t s l ig h t c h a n g e s in th e s tr e s s l e v e l r e s u lte d in b ig
d if f e r e n c e s in th e c y c le s . T h e f la tn e s s o f th e c u r v e s w a s e x p e c t e d s in c e th e
c a r b o n - e p o x y la m in a te t e s t e d h a s a f ib e r -d o m in a te d s tr en g th . T h e o b ta in e d v a lu e s
o f S f w e r e 4 2 5 M P a a n d 9 5 M P a fo r T D -1 a n d T D - 2 , r e s p e c t iv e ly . H ig h e r
v a lu e s w e r e fo u n d fo r th e 0 7 9 0 ° o r ie n ta t io n , w h ic h is p r o b a b ly d u e to th e
d o m in a n t s h e a r -s tr e s s c o m p o n e n ts fo r ± 4 5 ° o r ie n ta t io n , a n d th e fa c t th a t th e
la y -u p s c o n ta in in g ± 4 5 ° f ib e r s h a v e n o f ib e r s a lo n g th e lo a d d ir e c t io n [1 4 ] . T h e
v a lu e s o f th e fa t ig u e s tr e n g th o b ta in e d fo r a l l t e s t e d s p e c im e n s w e r e in th e r a n g e
fr o m 8 0 to 9 0 % o f th e s ta t ic s tr e n g th v a lu e .
S, MPa
TD-1
TD-2
10 10 10 ' 107 Ю* N , cycles
Fig. 2. Comparative presentation of S — N curves for specimen series of 0°/90° and ±45°
orientations.
R e a l F a t ig u e S t r e n g t h a n d R e s i d u a l S t r a in . D u e to th e r e s in m a tr ix
v is c o e la s t ic i t y , a s w e l l a s to th e p ly fa i lu r e a n d d e la m in a t io n [8 ] , th e d is s ip a t io n o f
h e a t m a n if e s t e d th r o u g h th e te m p e r a tu r e in c r e a s e c a n d e v e lo p w it h in th e m a te r ia l
d u r in g fa t ig u e . A s a c o n s e q u e n c e , th e m a tr ix d e g r a d e s in s p ite o f th e fa c t th a t a
th e r m o s e t t in g m a tr ix w i t h a m e lt in g p o in t o f a b o u t 1 9 0 °C w a s u t i l iz e d . I f th e
m a tr ix c o n tr ib u t io n to th e lo a d -c a r r y in g c a p a c ity i s n o t n e g l ig ib le , th e m a tr ix
s o f t e n in g c a u s e d b y th e te m p e r a tu r e in c r e a s e w i l l a p p a r e n t ly d e g r a d e th e fa t ig u e
s tr en g th . J o s e p h a n d P e r r e u x [1 1 ] p o in te d o u t th a t l o w fr e q u e n c ie s in d u c e a n
a d d it io n a l d a m a g e m e c h a n is m m o s t l ik e ly d u e to c r e e p , w h ic h i s a tte n u a te d a s th e
f r e q u e n c y in c r e a s e s . O n th e o th e r h a n d , w h e n h ig h f r e q u e n c ie s are im p o s e d , th e
96 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2003, № 5
Analysis o f Fatigue and Crack Growth
m a te r ia l d e g r a d a t io n ra te in c r e a s e s w it h te m p e r a tu r e . U n fo r tu n a te ly , th is p r o c e s s
is n o t e a s i ly p r e d ic ta b le s in c e i t d e p e n d s o n th e s p e c im e n g e o m e t r y a n d s iz e , te s t
w a v e f o r m (a m p litu d e a n d fr e q u e n c y ) , a n d fe a tu r e s s u c h a s th e t y p e o f m a tr ix a n d
fr ic t io n b e t w e e n th e m a tr ix a n d f ib e rs .
In o r d e r to p a r t ia lly s h ie ld th e e f f e c t s o f t h e s e p h e n o m e n a , in v e s t ig a t io n s
w e r e p e r fo r m e d w it h th e a im to r e g is t e r r e s id u a l s tr a in s £ a n d to d e te r m in e th e
l e v e l s o f th e v a r ia b le lo a d at w h ic h r e s id u a l s tr a in s are th e l o w e s t b u t are n o t
b e l o w th e fa t ig u e l im it . T h e d e p e n d e n c e o f th e r e s id u a l s tr a in o n th e n u m b e r o f
c y c l e s a t v a r io u s v a r ia b le lo a d l e v e l s i s p r e s e n te d in F ig . 3 a a n d b . T h e v a lu e s o f
th e v a r ia b le lo a d at w h ic h r e s id u a l s tr a in s are m in im a l w e r e d e te r m in e d fr o m th e
o b ta in e d d e p e n d e n c ie s a n d w e r e d e s ig n a t e d a s th e r e a l fa t ig u e s tr e n g th S f r (T a b le
2 ) . Its s ig n i f i c a n c e i s in th a t th e in f lu e n c e o f th e th e r m a l e f f e c t , w h ic h m a y d istu rb
th e fa t ig u e m e a s u r e m e n t , i s m in im iz e d .
T a b l e 2
The Determined Values of the Real Fatigue Strength and Residual Strain
Specimen series Residual strain e, jMm/m Real fatigue strength S fr , MPa
SD-1 727 418
SD-2 569 90
e, fimlm
2200
2000
1800
1600
1400
1 2 0 0 '
1 0 0 0
800
600
400'
200
0-
0 ° /9 0 ° |
--------------------------------------------
□ S D -1-1
0 S D -1-2
a SD-1-3
v SD-1-4
>-
H 8 « Y
1 9 v Y 1
S(=422 MPa
S,=420 MPa
S(r=418 MPa
io7 N , cycles
a
e, ^mlm
S,=95 MPa
Sf=93 MPa
S =91 MPa
S,=90 MPa
106 b 107 N , cycles
Fig. 3. Dependence of residual strain on the number of cycles at various load levels: (a) for
specimens of the SD-1 series; (b) for specimens of the SD-2 series.
± 4 5 ° I
--
0 SD-2-1
0 SD-2-2
a SD-2-3
7 SD-2-4
$ T.
A i
& ? Y
ISSN 0556-171X. npoôëeubi npounocmu, 2003, N 5 97
S. Putic, P. S. Uskokovic, R. Aleksic
M ic r o m e c h a n i c a l A n a ly s i s o f t h e F a t ig u e C r a c k G r o w t h . In c o m p o s i t e s ,
u n lik e is o t r o p ic m a te r ia ls , m ic r o c r a c k s a re in i t ia te d at a n e a r ly s ta g e o f lo a d in g
b u t c o m p o s i t e s s t i l l c a n s ta n d th e lo a d u n t i l f in a l fr a ctu r e . In r e a l s e r v ic e , d a m a g e
is a c o m p le x m ix tu r e o f tr a n sv e r s e c r a c k s , s p li t s , f ib e r fr a c tu r e s , a n d
d e la m in a t io n . A n a ly z in g d a m a g e g r o w th i s r a th er d if f ic u lt , b u t fr a ctu r e m e c h a n ic s
a p p r o a c h e s a re a n o p t io n w h e n th e g r o w th o f d a m a g e i s p r e s e n te d b y th e
p r o g r e s s io n o f a s in g le c r a c k s u c h a s d e la m in a t io n . T h e c r a c k d e n s it y c a n b e
c o n s id e r e d a s a s in g le d is tr ib u te d d a m a g e , a n d i t m a y b e s tu d ie d b y fra ctu re
m e c h a n ic s a s a s in g le c r a c k th r o u g h d if fe r e n t a p p r o a c h e s .
T h e c r a c k g r o w th m e a s u r e m e n ts (c r a c k le n g th , a, a g a in s t th e n u m b e r o f
fa t ig u e c y c l e s , N ) a l lo w d e te r m in a t io n o f th e s lo p e s d a / d N fr o m th e g r a p h s .
D u r in g th e in v e s t ig a t io n , th e n u m b e r o f c y c l e s fo r e v e r y 0 .0 5 m m o f th e c r a c k
le n g th w a s r e c o r d e d a n d th e n a v s N d ia g r a m s w e r e p lo t te d . F ig u r e 4 s h o w s
c h a r a c te r is t ic a v s N d ia g r a m s fo r b o th la y -u p s t e s te d . S im i la r tr e n d s w e r e
o b s e r v e d fo r o th e r t w o t e s t e d s p e c im e n s fr o m e a c h c o n f ig u r a t io n s e r ie s . I t is
o b v io u s th a t at th e s a m e lo a d l e v e l , th e n u m b e r o f c y c l e s r e q u ir e d fo r c r a c k
f o r m a t io n fo r D A - 1 - 1 (0 7 9 0 ° ) s p e c im e n s i s la r g e r th a n th a t fo r D A - 2 - 1 ( ± 4 5 ° )
s p e c im e n s . T h is c o n c lu s io n c a n b e r e la te d to th e m e c h a n ic a l c h a r a c te r is t ic s o f th e
r e s p e c t iv e c o n f ig u r a t io n , i . e . , th e s p e c im e n w it h a h ig h e r t e n s i l e s tr e n g th s h o w s a
h ig h e r r e s is ta n c e to c r a c k fo r m a tio n . A l s o , fo r th e D A - 1 - 1 s p e c im e n , th e a v s N
c u r v e h a s a n ab ru p t s h if t f r o m th e l in e a r p o r t io n in d ic a t in g a n in c r e a s e i n th e
c r a c k g r o w th ra te . In th is c a s e , fo r th e s a m e c r a c k le n g t h in c r e m e n t , a
c o n s id e r a b ly s m a lle r n u m b e r o f c y c l e s i s r e q u ir e d th a n th a t fo r th e in i t ia l c r a c k
fo r m a tio n . In th e D A - 2 - 1 c a s e , th is s h if t i s m o r e g r a d u a l.
a, mm
5
3
2
0
10' 10s 10" io' N, cycles
Fig. 4. Fatigue crack growth versus the number of cycles.
T h e s e a v s N d ia g r a m s s e r v e d a s a b a s is fo r c a lc u la t in g th e c r a c k g r o w th
ra te d a / d N . B e c a u s e o f th e la r g e n u m b e r o f d a ta c o m p i le d d u r in g t e s t in g o f o n e
s p e c im e n (a b o u t 5 0 m e a s u r e m e n ts ) , th e r a t io d a / d N = l o g ( A K ) i s g e n e r a l ly
p r e s e n te d g r a p h ic a lly (F ig . 5 ) . D e p e n d in g o n th e r a n g e o f th e s tr e s s in t e n s i t y
fa c to r A K , th e c o e f f i c ie n t C a n d e x p o n e n t n w e r e c a lc u la te d fr o m th e P a r is la w
[1 5 ]:
mm
0°/90°
± 4 5 ° I
- J
I
f
98 ISSN 0556-171X. npo6n.eubi npounocmu, 2003, N 5
Analysis o f Fatigue and Crack Growth
d a / d N = C ( A K ) n . (1 )
F ig u r e 5 s h o w s th e lo w e r l im it to d a m a g e g r o w th , o r th e e f f e c t iv e n o -g r o w th
th r e s h o ld , w h ic h fo r m s th e b a s is o f m a n y c u r re n t d e s ig n a p p r o a c h e s . T h e h ig h e r
v a lu e o f th e fa t ig u e t h r e s h o ld A K th w a s fo u n d fo r s p e c im e n D A - 1 - 1 . It a ls o h a s
th e lo w e r c r a c k g r o w th ra te d a / d N . T h is c a n b e s e e n b y c o m p a r in g th e d a / d N v s
A K d ia g r a m s , w h e r e th e s lo p e o f th e p o r t io n o f th e c u r v e w h e r e th e P a r is l a w is
v a l id i s g r e a te r in th e c a s e o f s p e c im e n s th a t h a v e a lo w e r c r a c k g r o w th ra te . T h is
c o n c lu s io n c a n a ls o b e c o n f ir m e d b y th e c o r r e s p o n d in g v a lu e s o f th e s tr e s s
in t e n s i t y fa c to r r a n g e A K , b e c a u s e fr o m th e d ia g r a m it i s o b v io u s th a t a la rg e r
r a n g e o f th e s tr e s s in t e n s i t y fa c to r A K is r e g is t e r e d fo r th e s a m e v a lu e o f d a / d N .
A s o p p o s e d to D A - 1 - 1 s p e c im e n , in th e c a s e o f D A - 2 - 1 s p e c im e n , o n e c a n n o t ic e
th e h ig h e r c r a c k g r o w th ra te a n d r e la t iv e ly l o w v a lu e s o f th e fa t ig u e th r e sh o ld ,
w h ic h c o n f ir m s th e fa c t th a t th e r e are e x c e p t io n a l ly h ig h sh e a r in g in te r la m in a r
s tr e s s e s in s u c h s tr u c tu r es th a t w e a k e n th e c o n s tr u c t io n . T h e o b s e r v e d d if f e r e n c e s
o c c u r r e d d u e to v a r io u s c r a c k g r o w th m ic r o m e c h a n is m s .
dajdN, jMm/cycle
6 7 s 9 10 AK, MPa-m1/2
Fig. 5. Measured constant-amplitude fatigue crack growth curves for DA-1 and DA-2 lay-ups with
thresholds at AKth = 7.7 and 4.1 MPa • m1/2, respectively.
F r a c t o g r a p h y . In o r d e r to e x p la in th e m e c h a n is m o f th e fa t ig u e fra ctu re
e v e n ts o b s e r v e d , s c a n n in g e le c tr o n m ic r o s c o p y ( S E M ) w a s u s e d to s tu d y th e
fr a ctu r e s u r fa c e s o f s p e c im e n s a fte r fa t ig u e te s t in g . M ic r o m e c h a n ic a l ly , v o id s o r
s tr e s s c o n c e n tr a t io n s in th e m a tr ix are n o r m a lly th e p o in ts o f in it ia t io n o f
c r a c k in g . F o r th e c a s e o f T D -1 t y p e s p e c im e n s , tr a n s v e r s e c r a c k in g im m e d ia t e ly
o c c u r r e d in th e 9 0 ° la y e r s , a n d d u r in g s u b s e q u e n t c y c l in g , l e a d to c r a c k fo r m a t io n
in th e m a tr ix in th e la y e r s w it h 0 ° o r ie n ta t io n , a s s h o w n in F ig . 6 . T h e c o m p le x
s tr e s s s ta te a r o u n d th e c r a c k tip c a u s e d c r a c k fo r m a t io n in th e m a tr ix a n d h ig h
s tr e s s c o n c e n tr a t io n s in th e la y e r s w i t h 0° o r ie n ta t io n s . T h is le a d s to f ib e r -m a tr ix
d e b o n d in g , d e la m in a t io n , a n d f ib e r b r e a k a g e . F ra c tu r e o f th e c o m p o s i t e o c c u r r e d
ISSN 0556-171X. npoôëeubi npounocmu, 2003, N 5 99
S. Putic, P. S. Uskokovic, R. Aleksic
at th e m o m e n t w h e n it w a s w e a k e n e d b y lo n g itu d in a l c r a c k s a n d c r a c k s fo r m e d
b y d e la m in a t io n o f th e la y e r s w it h o p p o s i t e o r ie n ta t io n s , w h ic h e n a b le d p r o p e r
s tr e s s tr a n s fe r b e t w e e n th e m . T h e f ib e r b r e a k a g e w i t h in th e w e a k e s t la y e r w a s
f o l lo w e d b y p r o g r e s s iv e fa i lu r e o f th e f ib e r s in r e m a in in g la y e r s . D e la m in a t io n o f
th e la y e r s w it h o p p o s i t e f ib e r o r ie n ta t io n s n e a r th e fr a ctu r e su r fa c e a n d a r e g io n o f
h ig h e r m a g n if ic a t io n c a n b e o b s e r v e d in F ig . 7 . In g e n e r a l , th e s e q u e n c e o f
d a m a g e in c o m p o s i t e s o b s e r v e d in fr a c to g r a p h ic s tu d ie s o f th e fr a ctu r e s u r fa c e s o f
s p e c im e n s s u b je c te d to a — N t e s t in g a g r e e d w it h th e p r e v io u s o n e s a n d w i t h th e
in v e s t ig a t io n s o n th e d a m a g e m e c h a n is m s o f c r o s s p ly g la s s - e p o x y la m in a te s [1 6 ] ,
r e v e a l in g th a t th e g r o w th o f th e m a in c r a c k w a s a r e s u lt o f s u c c e s s iv e b r e a k a g e o f
f ib e r s in la y - u p s c o n ta in in g 0° f ib e r s . In b e n d in g fa t ig u e , a c r a c k n o r m a l to th e 0°
la y e r s i s in tr o d u c e d b y th e n o tc h , w h i l e in t e n s i l e fa t ig u e , th e in it ia l c r a c k is
n o r m a l to th e lo a d in g d ir e c t io n (0°), i .e . , n o r m a l to th e t e n s i l e s tr e s s .
Fig. 6 Fig. 7
Fig. 6. SEM micrograph of the fracture surface of TD-1 specimen showing matrix cracking in 0°
layers.
Fig. 7. SEM micrograph of the fracture surface of TD-1 specimen showing progressive delamination
between layers of opposite orientation (left: X 25.4 magnification; right: detailed view of
delamination).
In th e c a s e o f c r o s s p ly s p e c im e n s , fa i lu r e r e s u lt e d fr o m b r e a k a g e o f th e
m a jo r ity o f f ib e r s in th e la y e r s a n d fr o m m a c r o s c o p ic a l ly v is u a l f ib e r p u l lo u t fr o m
th e m a tr ix . T h is w a s a c c o m p a n ie d b y d e la m in a t io n , w h ic h r e p r e se n ts th e
a d d it io n a l p h e n o m e n o n o f fa i lu r e d u r in g fa t ig u e lo a d in g . T h e in it ia l c r a c k s sta r ted
in th e m a tr ix o f o n e la y e r a n d , a fte r a c e r ta in n u m b e r o f c y c l e s , t h e y tr a n s fo r m e d
in to a m a c r o c r a c k a s a r e s u lt o f sa tu r a tio n . T h e a p p e a r a n c e o f s u c h a c r a c k c a u s e d
a c o m p le x s tr e s s s ta te , w h ic h w a s tr a n s fe r r e d b y sh e a r s t r e s s e s to th e n e ig h b o r in g
la y e r s o f o p p o s i t e o r ie n ta t io n . T h e c r a c k s p r e a d in g a lo n g th e f ib e r s w e a k e n e d th e
f ib e r -m a tr ix b o n d ; a s a r e s u lt , th e e n tir e lo a d w a s tr a n s fe r r e d to f ib e r s th a t le a d to
th e ir fa i lu r e (F ig . 8 ) . S im ila r m e c h a n is m o f fa t ig u e d a m a g e g r o w th w a s fo u n d in
a — N t e s t e d s p e c im e n s . T h e m a in d if f e r e n c e i s in th e fa c t th a t s u b c r it ic a l c r a c k s
w e r e g r o w in g a t th e s a m e t im e in la y -u p s c o n ta in in g + 4 5 ° a n d —4 5 ° f ib e r s . A ls o ,
u n s ta b le d ir e c t io n o f th e m a in c r a c k g r o w th w a s o b s e r v e d , w h ic h i s r e a s o n a b le
h a v in g in m in d th a t th e f ib e r b r e a k a g e o c c u r r e d in d if fe r e n t lo c a t io n s b u t a lw a y s
at a p p r o x im a te ly 4 5 ° to th e t e n s i l e a x is .
100 ISSN 0556-171X. npo6n.eubi npounocmu, 2003, N 5
Analysis o f Fatigue and Crack Growth
Fig. 8. SEM micrograph of the fracture surface of TD-2 specimen showing fiber breakage in the
layers.
C r a c k p a th s are h ig h ly c o m p le x , a n d th e c r a c k i t s e l f i s n o t th e o n ly
m a n if e s t a t io n o f str u c tu r a l d a m a g e . M a tr ix c r a c k s , f ib e r b r e a k a g e , f ib e r /m a tr ix
s p li t t in g , a n d d e b o n d in g b e t w e e n th e la m in a te la y e r s c o u ld a id th e d e g r a d a t io n o f
th e c o m p o s i t e ’s m e c h a n ic a l p r o p e r t ie s . F u r th e r m o r e , th is d a m a g e m a y b e
w id e s p r e a d a n d n o t n e c e s s a r i ly l o c a l i z e d in th e c r a c k -t ip r e g io n , a l th o u g h th is is
u s u a l ly w h e r e th e d a m a g e i s m o s t s e v e r e .
D u r in g o p e r a t io n , c o m p o s i t e s are s u b je c te d to r e p e a t in g a n d f lu c tu a t in g
s tr e s s e s , w h ic h im p l ie s th a t, fo r s u c c e s s f u l a p p lic a t io n , d e s ig n e r s m u s t b e
c o n v in c e d o f th e lo n g - te r m d u r a b ility a n d r e l ia b i l i t y o f c o m p o s i t e s . A lt h o u g h
s ig n i f ic a n t e f fo r ts o n fa t ig u e c h a r a c te r iz a tio n o f C F R P s h a v e b e e n m a d e , th e r e is
s t i l l a n e e d fo r e x p e r im e n ta l d a ta r e q u ir e d fo r a c o m p le t e v i e w o f th e c o m p o s i t e
r e s p o n s e to th e a p p l ie d c y c l i c lo a d in g .
C o n c l u s io n s . T h e v a lu e s o f fa t ig u e s tr e n g th o b ta in e d fo r b o t h o r ie n ta t io n s
w e r e in th e r a n g e o f 8 0 - 9 0 % o f th e d e g r e e o f th e s ta t ic s tr e n g th w it h h ig h e r
v a lu e s fo u n d fo r th e 0 ° /9 0 ° o r ie n ta t io n . T h e d if f e r e n c e in th e fa t ig u e s tr e n g th
b e t w e e n th e la y -u p s i s s ig n i f ic a n t , c o n f ir m in g th a t th e fa t ig u e s tr e n g th i s m a in ly
d e p e n d e n t o n th e f ib e r p r o p e r t ie s . T h e la y -u p s c o n ta in in g 4 5 ° f ib e r s h a v e a m u c h
lo w e r fa t ig u e s tr e n g th s in c e t h e y h a v e n o f ib e r s a lo n g th e lo a d d ir e c t io n .
In th e c a s e w h e r e fa t ig u e t e s t s a t h ig h e r f r e q u e n c ie s a re n e c e s s a r y fo r th e
g e n e r a t io n o f fa t ig u e d e s ig n d a ta , a m e th o d i s p r o p o s e d fo r d e te r m in in g a r e a l
fa t ig u e s tr e n g th a s a v a r ia b le lo a d l e v e l a t w h ic h r e s id u a l s tr a in s a re m in im a l,
a lth o u g h s t i l l h ig h e r th a n th e fa t ig u e lim it .
A s o p p o s e d to c r o s s p ly s p e c im e n s , in th e c a s e o f a n g le p ly s p e c im e n s , th e
h ig h c r a c k g r o w th ra te a n d r e la t iv e ly l o w v a lu e s o f th e fa t ig u e th r e s h o ld w e r e
r e c o r d e d . T h is c o n f ir m s th e fa c t th a t in s u c h str u c tu r e s , h ig h s h e a r in g in te r la m in a r
s tr e s s e s c o n tr ib u te to a d d it io n a l w e a k e n in g o f th e c o n s tr u c t io n .
F r a c to g r a p h ic a n a ly s is r e v e a le d th a t tr a n s v e r s e c r a c k in g im m e d ia t e ly
o c c u r r e d in th e 9 0 ° la y e r s o f th e c r o s s p ly s p e c im e n s . A s a c o n s e q u e n c e ,
s ig n i f ic a n t m a tr ix c r a c k s o c c u r r e d in 0 ° la y e r s , a n d a fte r sa tu r a tio n , th e r e f o l lo w e d
d e la m in a t io n o f th e la y e r s o f o p p o s i t e o r ie n ta t io n o r lo n g itu d in a l f ib e r - m a t r ix
sp li t t in g a n d s u b s e q u e n t f ib e r b r e a k a g e . In th e c a s e o f a n g le p ly s p e c im e n s , th e
in it ia l c r a c k s ta r te d in th e m a tr ix o f o n e la y e r a n d d e v e lo p e d u n t il th e b r e a k a g e o f
th e m a jo r ity o f f ib e r s in th e la y e r s a c c o m p a n ie d b y d e la m in a t io n .
ISSN 0556-171X. npoôëeubi npounocmu, 2003, № 5 101
S. Putic, P. S. Uskokovic, R. Aleksic
Резюме
В и к о н а н о в и с о к о ч а с т о т н і в и п р о б у в а н н я н а в т о м у к о м п о з и т н и х м а т е р іа л ів ,
щ о а р м о в а н і г а ф іт о в и м и в о л о к н а м и . П р о в е д е н о п о р ів н я л ь н и й а н а л із п о в е
д ін к и г р а ф іт о е п о к с и д н и х л а м ін а т н и х м а т е р іа л ів і з н а д р із о м т а б е з в ід у т о м и
д л я р із н и х в и п а д к ів о р іє н т а ц ій в о л о к о н (0 7 9 0 ° і ± 4 5 ° ) . О к р ім т о г о , з в и к о
р и с т а н н я м м е т о д у с к а н у в а л ь н о ї е л е к т р о н н о ї м ік р о с к о п і ї в и к о н а н о м ік р о -
м е х а н іч н и й а н а л із п о в е р х о н ь р у й н у в а н н я з м е т о ю в и я в л е н н я м ік р о м е х а -
н із м ів р у й н у в а н н я м а т е р іа л у . О т р и м а н і е к с п е р и м е н т а л ь н і д а н і п о к а з а л и , щ о
п о ш к о д ж е н н я в ід у т о м л е н о с т і з у м о в л е н о к о м б ін о в а н и м и е ф е к т а м и т р іщ и н о -
у т в о р е н н я в м а т р и ц і, п о з д о в ж н ь о г о р о з ш а р у в а н н я , р у й н у в а н н я в о л о к о н т а
д е л а м ін а ц ії . Д л я м ін ім із а ц і ї з а л и ш к о в и х д е ф о р м а ц ій н и х е ф е к т ів , п о в ’я з а н и х
із п ід в и щ е н н я м т е м п е р а т у р и , з а п р о п о н о в а н о м е т о д в и з н а ч е н н я ф а к т и ч н о ї
м іц н о с т і в ід у т о м л е н о с т і я к з м ін н о г о р ів н я н а в а н т а ж е н н я н е н и ж ч е г р а н и ц і
м іц н о с т і в ід у т о м л е н о с т і , з а я к о ї м а ю т ь м іс ц е м ін ім а л ь н і з а л и ш к о в і н а п р у
ж е н н я .
1. Y . M iy a n o , M . N a k a d a , H . K u d o h , a n d R . M u k i, “P r e d ic t io n o f t e n s i le
fa t ig u e l i f e fo r u n id ir e c t io n a l C F R P s ,” J . C o m p o s . M a te r . , 3 4 , 5 3 8 - 5 5 0
( 2 0 0 0 ) .
2 . B . H a rr is , N . G a th e r c o le , H . R e ite r , a n d T . A d a m , “ F a t ig u e o f c a r b o n -f ib e r
r e in fo r c e d p la s t ic s u n d e r b lo c k - lo a d in g c o n d it io n s ,” C o m p o s ., P a r t A , A p p l.
S ., 2 8 A , 3 2 7 - 3 3 7 ( 1 9 9 7 ) .
3 . X . W a n g a n d D . D . L . C h u n g , “ S e lf - m o n it o r in g o f fa t ig u e d a m a g e a n d
d y n a m ic s tr a in in c a r b o n -f ib e r p o ly m e r -m a tr ix c o m p o s i t e ,” C o m p o s ., P a r t B ,
E n g ., 2 9 B , 6 3 - 7 3 ( 1 9 9 8 ) .
4 . E . K . G a m s t e d t a n d R . T a lr e j a , “ F a t ig u e d a m a g e m e c h a n i s m s in
u n id ir e c t io n a l c a r b o n -f ib e r r e in fo r c e d p la s t ic s ,” J . M a te r . S c i . , 3 4 , 2 5 3 5
2 5 4 6 ( 1 9 9 9 ) .
5 . F . A y m e r ic h a n d M . S . F o u n d , “ R e s p o n s e o f n o t c h e d c a r b o n /P E E K a n d
c a r b o n /e p o x y la m in a te s s u b je c te d to t e n s i l e fa t ig u e lo a d in g ,” F a tig u e F ra c t.
E n g . M e c h , 2 3 , 6 7 5 - 6 8 3 ( 2 0 0 0 ) .
6 . S . S h in a n d J. J a n g , “F r a c to g r a p h ic a n a ly s is o n th e m o d e II d e la m in a t io n in
w o v e n c a r b o n -f ib e r r e in fo r c e d e p o x y c o m p o s i t e s ,” J . M a te r . S c i . , 3 4 , 5 2 9 9
5 3 0 6 ( 1 9 9 9 ) .
7 . O . K o n u r a n d F . L . M a t th e w s , “ E f f e c t o f th e p r o p e r t ie s o f th e c o n s t i tu e n ts o n
th e fa t ig u e p e r fo r m a n c e o f c o m p o s i t e s : A r e v i e w ,” C o m p o s ite s , 2 0 , 3 1 7 - 3 2 8
( 1 9 8 9 ) .
8 . D . C . C u rtis , D . R . M o o r e , B . S la te r , a n d N . Z a h la n , “ F a t ig u e t e s t in g o f
m u lt i - a n g le la m in a te s o f C F /P E E K ,” C o m p o s ite s , 1 9 , 4 4 6 - 4 5 2 ( 1 9 8 8 ) .
9 . J. W . D a l ly a n d L . J. B r o u tm a n , “ F r e q u e n c y e f f e c t s o n th e fa t ig u e o f
g la s s - r e in f o r c e d p la s t ic s ,” J . C o m p o s . M a te r . , 1 , 4 2 4 - 4 4 2 ( 1 9 6 7 ) .
1 0 . H . T . H a h n a n d R . Y . K im , “F a t ig u e b e h a v io r o f c o m p o s i t e la m in a t e s ,” J.
C o m p o s . M a te r . , 1 0 , 1 5 6 - 1 8 0 ( 1 9 7 6 ) .
102 ISSN 0556-171X. Проблеми прочности, 2003, № 5
Analysis o f Fatigue and Crack Growth
1 1 . E . J o s e p h a n d D . P e r r e u x , “F a t ig u e b e h a v io r o f g la s s - f ib e r /e p o x y - m a t r ix
f i la m e n t - w o u n d p ip e s : t e n s i l e lo a d in g t e s t s a n d r e s u l t s ,” C o m p o s . Sc i.
T e c h n o l , 5 2 , 4 6 9 - 4 8 0 ( 1 9 9 4 ) .
1 2 . S . P u t ic , “ T h e a n a ly s is o f fa t ig u e c r a c k g r o w th in g la s s / e p o x y c o m p o s i t e s ,”
In t. J . F r a c tu r e , 8 5 , L 2 7 - L 3 1 ( 1 9 9 7 ) .
1 3 . S . P u t ic , R . A le k s i c , a n d P . U s k o k o v ic , “ D y n a m ic m e c h a n ic a l b e h a v io r o f
g la s s - f ib e r r e in fo r c e d c o m p o s i t e s ,” M o b il . V eh ic l. M e c h , 2 5 , 5 9 - 6 7 ( 1 9 9 9 ) .
1 4 . K . P . D y e r a n d D . H . I s a a c , “F a t ig u e b e h a v io r o f c o n t in u o u s g la s s - f ib e r
r e in fo r c e d c o m p o s i t e s ,” C o m p o s ., P a r t B , E n g . , 2 9 B , 7 2 5 - 7 3 3 ( 1 9 9 8 ) .
1 5 . P . C . P a r is a n d F . E r d o g a n , “A c r it ic a l a n a ly s is o f c r a c k p r o p a g a t io n l a w s ,” J.
B a s ic . E n g ., T ra n s . A S M E , 8 5 , 5 2 8 - 5 3 4 ( 1 9 6 3 ) .
1 6 . J. F . M a n d e l l a n d U . M e ie r , “F a t ig u e c r a c k p r o p a g a t io n in 0 ° /9 0 ° E - g la s s /
e p o x y c o m p o s i t e s ,” in: F a tig u e o f C o m p o s i te M a te r ia l s , A S T M S T P 5 6 9
( 1 9 7 5 ) , p p . 2 8 - 4 4 .
Received 27. 02. 2002
ISSN 0556-171X. npoôëeuu npouuocmu, 2003, № 5 103
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-47008 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T17:47:51Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Putic, S. Aleksic, R. Uskokovic, P.S. 2013-07-08T15:45:00Z 2013-07-08T15:45:00Z 2003 Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix
 Composite Laminates / S. Putic, P.S. Uskokovic, R. Aleksic // Проблемы прочности. — 2003. — № 5. — С. 93-103. — Бібліогр.: 16 назв. — англ. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47008 539.4 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. en Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix Composite Laminates Анализ усталостного разрушения и роста трещин в ламинатных композитах с эпоксидной матрицей, армированных графитовыми волокнами Article published earlier |
| spellingShingle | Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix Composite Laminates Putic, S. Aleksic, R. Uskokovic, P.S. Научно-технический раздел |
| title | Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix Composite Laminates |
| title_alt | Анализ усталостного разрушения и роста трещин в ламинатных композитах с эпоксидной матрицей, армированных графитовыми волокнами |
| title_full | Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix Composite Laminates |
| title_fullStr | Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix Composite Laminates |
| title_full_unstemmed | Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix Composite Laminates |
| title_short | Analysis of Fatigue and Crack Growth in Carbon-Fiber Epoxy Matrix Composite Laminates |
| title_sort | analysis of fatigue and crack growth in carbon-fiber epoxy matrix composite laminates |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47008 |
| work_keys_str_mv | AT putics analysisoffatigueandcrackgrowthincarbonfiberepoxymatrixcompositelaminates AT aleksicr analysisoffatigueandcrackgrowthincarbonfiberepoxymatrixcompositelaminates AT uskokovicps analysisoffatigueandcrackgrowthincarbonfiberepoxymatrixcompositelaminates AT putics analizustalostnogorazrušeniâirostatreŝinvlaminatnyhkompozitahsépoksidnoimatriceiarmirovannyhgrafitovymivoloknami AT aleksicr analizustalostnogorazrušeniâirostatreŝinvlaminatnyhkompozitahsépoksidnoimatriceiarmirovannyhgrafitovymivoloknami AT uskokovicps analizustalostnogorazrušeniâirostatreŝinvlaminatnyhkompozitahsépoksidnoimatriceiarmirovannyhgrafitovymivoloknami |