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文檔簡介
1、斷裂力學(xué)的形成脆斷的發(fā)生破壞的機(jī)理: 往往由構(gòu)件的內(nèi)部缺陷導(dǎo)致(典型如裂紋的存在)。因在實(shí)際的構(gòu)件中,理想的均勻連續(xù)材料是不存在的,都或多或少地存在不同類型的缺陷,構(gòu)件在使用過程中,這些缺陷將逐步發(fā)展成微裂紋,在外載荷的作用下,微裂紋的擴(kuò)展、融合最終導(dǎo)致了構(gòu)件的斷裂。 傳統(tǒng)強(qiáng)度理論把材料組織的不均勻性和實(shí)驗(yàn)測得的應(yīng)力不準(zhǔn)確性,都包含在安全系數(shù)中,因此,導(dǎo)致安全系數(shù)的選擇或大或小。 因此,為了研究裂紋擴(kuò)展的規(guī)律,防止低應(yīng)力脆斷的發(fā)生,形成了一門嶄新的學(xué)科斷裂力學(xué)。斷裂力學(xué)的概念: 它是以構(gòu)件內(nèi)存在缺陷為前提,建立符合客觀情況的理論和試驗(yàn)方法。它的任務(wù)不僅研究裂紋擴(kuò)展的規(guī)律性,還通過分析裂紋周圍的
2、應(yīng)力和應(yīng)變以及測試帶有裂紋的試件的力學(xué)性質(zhì),建立了斷裂的判據(jù)。斷裂力學(xué)的形成斷裂力學(xué)的可以解決的問題:可以解決構(gòu)件的選材,確定構(gòu)件的允許最大初始裂紋尺寸;估計構(gòu)件的疲勞壽命;估計構(gòu)件的剩余強(qiáng)度和檢修周期等,從而保證構(gòu)件的安全使用。斷裂韌性的解釋: 臨界應(yīng)力(試件拉斷時的名義應(yīng)力)構(gòu)件斷裂時的臨界應(yīng)力 與裂紋深度(或長度)a的平方根的乘機(jī)為一常數(shù)K。0aKa00玻璃上的表面裂紋0斷裂韌性K是對同一材料是一常數(shù),它表示材料本身所固有的物理性質(zhì)。若裂紋尺寸一定時,可知,K值越大,裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力 就越高。 因此,常數(shù)K表示了材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力,可以看成是材料抵抗材料脆性破壞能力的一個斷裂韌性參
3、量。0復(fù)合材料失效的結(jié)構(gòu)因素復(fù)合材料的多相結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定其具有良好的斷裂韌性;材料變形時,一定程度上的損傷并不會削弱其承載能力,只有損傷超過臨界水平后,裂紋的擴(kuò)展才將導(dǎo)致破壞的發(fā)生。材料變形時,微觀及宏觀層上弱界面的存在會抑制裂紋的增長。控制裂紋擴(kuò)展的因素很多,不僅取決于各組元的特性,還取決于其相互作用的方式(如:鋪層方式、貧富脂區(qū)、缺陷幾何尺寸等),其中主要是纖維與基體界面的不連續(xù)性。斷裂力學(xué)的研究方法1920年,基于應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度因子K和相應(yīng)的基于能量的應(yīng)變能釋放率G,Griffith建立了含裂紋固體斷裂Griffith模型;從而為現(xiàn)代斷裂力學(xué)在復(fù)合材料中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,后人研究
4、發(fā)現(xiàn),斷裂能或斷裂功功與斷裂過程具有明確的關(guān)系,由它可以不同材料的性能,而且有助于推斷材料/工藝參數(shù)對特定復(fù)合材料的行為可能產(chǎn)生的影響;斷裂能的思想又導(dǎo)致了裂紋阻力曲線(R曲線)概念的發(fā)展。平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測定yxzoppzyxoppyxzoppI型(張開型)II型裂紋(滑開型)III型裂紋(撕開型)Griffith的三種破壞模型的三種破壞模型復(fù)合材料的斷裂過程s考慮簡單的Griffith平面裂紋模型,認(rèn)為裂紋擴(kuò)展不可逆。裂紋增長導(dǎo)致整個系統(tǒng)(試驗(yàn)機(jī)試樣)彈性能的凈變化用于提供產(chǎn)生新表面的能量 和激發(fā)促使裂紋增長的其他變形或破壞機(jī)制的能量F基體效應(yīng)基體效應(yīng): 金屬或熱塑性材料等非脆性基
5、體中加入高體積份數(shù)的剛性、脆性纖維時,由于塑性約束而導(dǎo)致基體中產(chǎn)生三軸向拉應(yīng)力分量,使基體有效韌性降低(如水泥、金屬陶瓷等) 軟質(zhì)基體中加入低體積分?jǐn)?shù)的剛性粒子或纖維后由于基體剛性提高,基體產(chǎn)生臨界初始裂紋所需的應(yīng)力提高,因此基體有效韌性增加1. 低韌性基體中加入纖維或粒子后由于在添加物附近裂紋增長緩慢,基體的有效韌性提高。(如脆性塑料依賴于裂紋的開裂速度、并于裂紋表面粗糙度有關(guān))纖維效應(yīng)纖維效應(yīng):玻璃纖維、碳纖維和硼纖維等具有較高破壞強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變,這些纖維的本征斷裂能很低,其破壞形式主要由缺陷分布的統(tǒng)計性質(zhì)決定。纖維纖維/基體的簡單加合效應(yīng):基體的簡單加合效應(yīng):對金屬增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料的
6、研究表明;復(fù)合材料的比斷裂能可通過混合律對各組元斷裂能求和:()() (1)()FcFmfFffVV該式假定剛性更強(qiáng)的纖維使基體塑性變形的范圍局限在裂紋附近。復(fù)合效應(yīng)對韌性的影響復(fù)合效應(yīng)對韌性的影響對于簡單情況,估算基體合纖維的變形所需的相應(yīng)能量就可以為宏觀韌性提供合理的模型(如混合律模型),然而在實(shí)際的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中,微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性合各向異性使斷裂過程非常復(fù)雜,微觀斷裂會最終導(dǎo)致破壞,但微觀斷裂結(jié)合在一起卻能使斷裂能提高。與金屬不同,大部分高性能復(fù)合材料不存在加工硬化問題,即使是破壞過程是漸進(jìn)的,達(dá)到峰值載荷后某一組元的承載能力也會非常迅速下降,但破壞過程仍能吸收很多能量,所以此類復(fù)
7、合材料適合于吸收能量比承載能力更重要的場合。線性(非韌)非線性(較韌)后斷裂(整體)不同脆性/韌性行為的應(yīng)力應(yīng)變曲線單向復(fù)合材料中的單向復(fù)合材料中的累積累積損傷和失效損傷和失效復(fù)合材料應(yīng)力軸纖維拉伸應(yīng)力未斷裂纖維剪切應(yīng)力斷裂纖維周圍應(yīng)力擾動斷裂纖維周圍應(yīng)力擾動斷裂纖維當(dāng)某一給定纖維上弱點(diǎn)處的局部應(yīng)力水平達(dá)到其失效應(yīng)力時,纖維將發(fā)生斷裂,所承受的載荷將會轉(zhuǎn)移到相鄰的集體中。但在遠(yuǎn)離纖維斷點(diǎn)處纖維仍將承擔(dān)分配的全部載荷。在臨近斷點(diǎn)的纖維上應(yīng)力將發(fā)生擾動,但不會引起鄰近纖維到斷裂程度。隨著載荷的繼續(xù)增加,其它纖維將陸續(xù)發(fā)生斷裂。單絲的破壞不會嚴(yán)重影響整個復(fù)合材料的承載能力。研究導(dǎo)致復(fù)合材料失效的纖維
8、隨機(jī)斷裂的模型復(fù)合材料研究導(dǎo)致復(fù)合材料失效的纖維隨機(jī)斷裂的模型復(fù)合材料纖維復(fù)合材料中裂紋增長階段纖維復(fù)合材料中裂紋增長階段12345為便于研究各種微觀增韌機(jī)制,可考慮一個集體中正在接近一單根纖維模型。1、首先,由于纖維剛度高,使基體開裂無法進(jìn)一步擴(kuò)大;2、其次,纖維強(qiáng)度高,不會被集中在基體裂紋尖端的應(yīng)力所拉斷,因此纖維可有效 地阻止裂紋擴(kuò)展(如2)3、若作用在纖維/基體界面的局部剪應(yīng)力足夠高而使纖維局部脫粘,裂紋會進(jìn)一步開裂;4、脫粘后,纖維彈性延伸,隨后基體相對于纖維發(fā)生滑移的過程中裂紋進(jìn)一步張開(如3),所有這些過程都需要能量;裂紋可能繞過大量纖維而不使纖維斷裂,對于給定的纖維/基體/界面
9、體系可以達(dá)到一種平衡狀態(tài),其中穩(wěn)定數(shù)量的橋聯(lián)纖維繼續(xù)承受部分載荷,這種橋聯(lián)是一種更進(jìn)步的增韌機(jī)制;5、裂紋擴(kuò)展時對裂紋抵抗能力增長的程度通常成為“R曲線行為”,它受限還是擴(kuò)展取決于材料。處于橋聯(lián)中的纖維上的載荷會不斷增加而將纖維拉斷(如5)6、加載過程中,纖維由于泊松比收縮而發(fā)生脫粘的長度上與基體脫離,其長度取決于界面結(jié)合的強(qiáng)度,當(dāng)纖維在距開裂平面較遠(yuǎn)處斷開時,儲存的彈性能得到釋放,纖維與基體重新接觸。ms基體屈服應(yīng)力;*基體中應(yīng)變量為fu時的應(yīng)力;* *基體應(yīng)變量Lu時的應(yīng)力;Lu復(fù)合材料縱向抗拉強(qiáng)度;fs纖維屈服應(yīng)力;fu纖維斷裂應(yīng)變;fu復(fù)合材料斷裂應(yīng)變以上過程從纖維/基體/復(fù)合材料的應(yīng)
10、力應(yīng)變曲線中也可看出可以看出, 復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線處于纖維和基體的應(yīng)力應(yīng)變曲線之間。 復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的位置取決于纖維的體積分?jǐn)?shù)。 如果纖維的體積分?jǐn)?shù)越高,復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線越接近纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線; 反之,當(dāng)基體體積分?jǐn)?shù)高時,復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線則接近基體的應(yīng)力應(yīng)變曲線。 平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測試一般可認(rèn)為裂紋頂端的塑性區(qū)域非常微小,從而可用線彈性力學(xué)來分析裂紋的行為。裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變場皆可由一個參量K來表征,它標(biāo)志著裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場強(qiáng)弱程度,成為應(yīng)力強(qiáng)度因子。xy2IyKx2a223cos1 sinsin22223cos1 sinsin22223sincoscos2
11、222.cos(1)(1)sin(1)222.sin2(1)cos(1)222IxIyIxIIIKrKrKrKruKrvKa 平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測定從上式可看出,KI是所有應(yīng)力分量和位移分量一個公有的關(guān)鍵因子,其它參量 對已知材料已知點(diǎn)來說都是定值。 因此,在裂紋尖端附近區(qū)域的整個應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變場的強(qiáng)度程度,僅僅取決于和各應(yīng)力分量、位移分量呈線性關(guān)系的單一參量KI,所以KI是裂紋尖端附近區(qū)域應(yīng)力場強(qiáng)弱程度的度量,成為應(yīng)力強(qiáng)度因子。它是名義應(yīng)力 和裂紋幾何參量a的函數(shù)。當(dāng) 時,應(yīng)力分量將趨于無窮大。實(shí)際上,裂紋頂端處應(yīng)力不可能無限增長,當(dāng)?shù)竭_(dá)測量屈服應(yīng)力時,即在裂紋尖端附近形成一個微小的屈服
12、區(qū),所以無法直接用裂紋尖端處的應(yīng)力大小來作裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的判據(jù)。根據(jù)材料脆性斷裂的統(tǒng)計強(qiáng)度理論的觀點(diǎn),構(gòu)件最大應(yīng)力區(qū)中足夠大體積內(nèi)的應(yīng)力都達(dá)到了材料特定的臨界值時,即發(fā)生脆性斷裂。, ,rE和0r平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測定因此,應(yīng)力強(qiáng)度因子可以用來作為構(gòu)件脆性斷裂的判據(jù),即,式中,KIC是對應(yīng)于構(gòu)件在靜載荷作用下裂紋開始失穩(wěn)擴(kuò)展時的KI值,即KI的臨界值,它是材料在三向拉伸狀態(tài)下的裂紋擴(kuò)展力,稱為材料的平面應(yīng)變斷裂韌性。但二者的物理意義不同但二者的物理意義不同IICKK復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試壓縮破壞壓縮破壞復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試壓縮破壞壓縮破壞復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性
13、能測試三點(diǎn)彎曲三點(diǎn)彎曲復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試三點(diǎn)彎曲破壞三點(diǎn)彎曲破壞復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試四點(diǎn)彎曲四點(diǎn)彎曲復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試壓縮測試壓縮測試復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試壓縮測試壓縮測試復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試DCBa=12.750mm, NASAASTM 50mmL=80200mm, B=2030mm,h=310mm復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試DCB測試復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試ENF a=1550mm, L=70200mm, B=1525mm, h=36mm復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試
14、ENF測試復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試混合測試復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試夾芯板DCB測試復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試蜂窩夾芯板DCB測試能量釋放率(斷裂韌性)的實(shí)驗(yàn)方法復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試SLB復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試界面單元界面單元復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試界面單元應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系界面單元應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展斷裂力學(xué)的應(yīng)用斷裂力學(xué)被普遍認(rèn)為是表征宏觀均質(zhì)和各向同性材料(如金屬和合金)韌性的一個非常有用的理論。然而由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的內(nèi)在結(jié)構(gòu)的特殊性(非均質(zhì)、各向異性等),使得早期研究者認(rèn)為斷裂力學(xué)應(yīng)用具有局限性,主要表現(xiàn)在:1、使用相同的試驗(yàn)方法(如臨界應(yīng)力強(qiáng)度和柔度測量)表征復(fù)合材料韌性是否可行;2、斷裂力學(xué)的基本方程能否修改使其使用于非均質(zhì)和各向異性體系;3、初始裂紋的幾何形狀、載荷和材料方向在多大程度上控制裂紋擴(kuò)展(當(dāng)它以適當(dāng)方式發(fā)生時)4、發(fā)展能夠預(yù)測復(fù)合材料行為的技術(shù)需要哪些理論和實(shí)驗(yàn)研究。在具體復(fù)合材料中的應(yīng)用 復(fù)合材料應(yīng)用斷裂力學(xué)的實(shí)質(zhì)是在材料含有缺口、缺陷或其它大于纖維直徑的設(shè)計特征的情況下,尋求一個只與材料宏觀行為有關(guān)的斷裂準(zhǔn)則。 由
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