Strength of rough interfaces: A micro-scale approach to steel-epoxy and composite systems

Abstract

The load-carrying capability of current multi-component materials is highly dependent on the performance of interfaces. This thesis studies the mechanical strength of planar interfaces and focuses on the effects of microscopic roughness. The first part of the thesis concentrates on a stainless steel-epoxy bi-material. The effect of the preparation at an elevated temperature is studied by analysing the residual stress state using an X-ray diffraction method. The bi-material's interface strength is determined on the basis of the energy release rate (Gc) and particular attention is paid to advancing the notched coating adhesion (NCA) test method. A systematic pre-crack preparation technique and a definition for the critical point of the interface collapse are developed in order to obtain a representative Gc and also to distinguish the effects of the substrate morphology. In this work, grain boundary grooves with a depth of 1-2 microns were found to produce the highest Gc values. A stabilizing aging effect was observed to reduce the interface strength. A finite element model was generated based on atomic-force microscopy and mode II dominated crack growth was simulated on a micro-scale. The simulation revealed an M-shaped crack-tip mode-mixity distribution for the interface at grain boundary grooves and a 100-fold toughening effect; however, the toughening effect decreased 35% due to modelled voids at the grain boundaries. The second part of the thesis concentrates on planar interfaces in composite systems. A literature review was conducted to review the various effects of roughness patterns due to peel ply surface treatments. An experimental study focuses on overlaminated interfaces in a glass-fibre-reinforced, unsaturated polyester composite. It was found that a combination of moisture and elevated temperature cause a significant decrease in the interface strength and durability of composites pre-treated using either polymeric peel plies or an impregnated tear ply. The work produced a model of a series of experiments, which can be used to describe the essential factors of strength for stainless steel-epoxy interfaces. The thesis concludes that a rough metal-polymer interface can be successfully analysed on a micro-scale when residual stresses, substrate morphology and flaws are realistically incorporated. The developed simulation scheme can be used to interpret the influence of groove-type micro-roughness on macroscopic performance. Also, an experimental study was conducted to offer a baseline for future simulations of systematically roughened, composite-composite interfaces.

Materiaaliyhdistelmien kuormankantokykyyn vaikuttavat suuresti komponenttien väliset rajapinnat. Tämä väitöskirja tutkii tasomaisten rajapintojen lujuutta ja pinnan morfologian vaikutusta murtumiskäyttäytymiseen mikrotasolla. Väitöskirjan ensimmäinen osio keskittyy ruostumattomasta teräksestä ja epoksiliimasta muodostettuun bi-materiaaliin. Materiaalin valmistaminen korotetussa lämpötilassa johtaa sisäisiin jäännösjännityksiin, joita tutkitaan röntgensäteiden diffraktioon perustuvalla menetelmällä. Rajapinnan murtositkeys (Gc) määritellään vapautuvan deformaatioenergian perusteella. Kokeellista menettelyä Gc-arvon määrittämiseksi kehitetään tarkan esisärön valmistusmenetelmän ja kriittisen, rajapinnan äkkinäiseen pettämiseen johtavan venymätason määrittelyn avulla. Tutkimuksessa todetaan 1-2 mikrometriä syvien raerajauurteiden johtavan korkeampiin Gc-arvoihin verrattuna elektrolyyttisellä kiillotuksella tai etsauksella aikaansaatuun morfologiaan. Murtositkeys tutkituilla rajapinnoilla alenee ajan funktiona, mutta stabiloituu lopulta. Raerajauurteiden vaikutusta tutkitaan elementtimenetelmällä muodostamalla rajapinnan geometriamalli atomivoimamikroskoopilla tehtyjen mittausten perusteella. Simulaatio rajapinnan murtumisesta osoittaa raerajauurteen aiheuttavan M-muotoisen särön kärjen kuormitusmoodijakautuman ja 100-kertaisen sitkeytymisefektin. Tämä efekti pienenee 35 %, mikäli raerajauurteisiin mallinnetaan adheesiovikoja. Väitöskirjan toinen osio keskittyy tasomaisiin rajapintoihin kuitulujitetuissa komposiiteissa. Tutkimus aloitetaan kirjallisuusselvityksellä, jonka tavoitteena on selvittää systemaattisen karheuden vaikutusta liimattujen ja laminoitujen liitosten ominaisuuksiin. Kokeellinen työ keskittyy lasikuidulla lujitetun polyesterilaminaatin pintakäsittelyyn karhennuskankaiden avulla. Tulokset osoittavat, että kosteuden ja korotetun lämpötilan yhteisvaikutus alentaa huomattavasti polymeeripohjaisilla karhennuskankailla esikäsiteltyjen liitosten lujuutta. Väitöskirjatyön tulos on kokeisiin pohjautuva proseduuri, jolla voidaan määrittää ruostumattoman teräksen ja epoksiliiman rajapinnan murtositkeyteen oleellisesti vaikuttavat tekijät. Koetulosten perusteella voidaan edelleen simuloida mikroskooppisen karheuden vaikutus rajapinnan mekaaniseen suorituskykyyn makroskaalassa. Tulokset osoittavat, että karheuden vaikutus rajapinnan murtumiseen voidaan simuloida, mikäli jäännösjännitykset, morfologia ja adheesioviat otetaan mallinnuksessa huomioon realistisesti.