復合材料的力學性能演示文稿

復合材料的力學性能演示文稿當前1頁，總共40頁。復合材料的力學性能當前2頁，總共40頁。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為在周期性交變載荷作用下材料發(fā)生的破壞行為稱為疲勞，它記述了材料經(jīng)受周期應力或應變時的失效過程。如圖所示，通?？捎肧-N曲線描述材料疲勞失效的特征。其中S是對材料施加的恒定應力，N是施加應力的周期次數(shù)，當應力很高時，達失效的周期次數(shù)N很??；當應力較低而失效的周期次數(shù)N無限大時，應力的上限值稱為疲勞極限。當前3頁，總共40頁。但實際上不可能在長時間內(nèi)無限制地試驗下去，一般當N達到107次而不發(fā)生疲勞失效時應力的上限值就定義為疲勞極限，或稱作條件疲勞極限。疲勞失效一般指構(gòu)件已不能再按原來要求的功能繼續(xù)使用，并伴隨產(chǎn)生熱，機械強度降低、損傷直至斷裂等，如高分子材料產(chǎn)生銀紋使強度和透明降低就是一種失效的表現(xiàn)。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前4頁，總共40頁。在實際使用過程中，構(gòu)件或制品常常在比屈服強度低得多的應力下發(fā)生失效，這種現(xiàn)象多與材料在加工過程中存在的某些缺陷，如氣泡、裂紋、雜質(zhì)和局部應力集中等有關(guān)。對纖維復合材料在交變載荷作用下的損傷與破壞行為作出正確的評價，是復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與應用中必須要考慮的問題。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前5頁，總共40頁。在復合材料疲勞過程中，一般不出現(xiàn)主裂紋擴展現(xiàn)象，其損傷機理非常復雜，難以用簡單的數(shù)學模型加以描述，因此對疲勞行為的檢測是十分重要的。然而，由于復合材料的非均質(zhì)各向異性以及層合結(jié)構(gòu)等增大了疲勞試驗的難度。目前，復合材料疲勞損傷的測試主要有顯微鏡直接觀察、聲性射、X-射線衍射及紅外熱像技術(shù)等無損檢驗方法。以下簡要介紹纖維復合材料疲勞損傷的特點以及影響疲勞性能的因素。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前6頁，總共40頁。在交變載荷作用下，可以觀察到各向同性金屬材料中明顯的單一主裂紋有規(guī)律的擴展現(xiàn)象，這一主裂紋控制著最終的疲勞破壞。對于纖維復合材料，往往在高應力挖掘區(qū)出現(xiàn)較大的疲勞破壞，如界面脫膠、基體開裂、分層和纖維斷裂等，表面出非常疲勞破壞行為，很少出現(xiàn)由單一裂紋控制的破壞機理。一、復合材料的疲勞損傷第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前7頁，總共40頁。如圖所示，各向異性纖維復合材料的抗疲勞損傷性能比傳統(tǒng)金屬材料好得多。在疲勞過程中，盡管復合材料初始損傷或缺陷的尺寸比金屬大，但多種損傷形式和增強纖維的牽制作用使復合材料呈現(xiàn)出良好的斷裂韌性和低的缺口敏感性，因此損傷壽命長于金屬材料，具有較大的臨界損傷尺寸。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前8頁，總共40頁。單向復合材料在纖維方向有很好的抗疲勞性，這是由于在單向復合材料中載荷主要靠纖維傳遞，而通常纖維具有良好的抗疲勞性。在實際受力結(jié)構(gòu)中，普遍使用的是復合材料層合板。由于各個鋪層方向不同，沿載荷方向的一些鋪層會比另外一些鋪層薄弱。在比層合板最終破壞早得多的時候，在薄弱鋪層中會出現(xiàn)損傷跡象，如基體產(chǎn)生裂紋或龜裂、纖維與基體間的界面破壞、纖維斷裂以及鋪層之間分層等。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前9頁，總共40頁。如圖為單向復合材料正軸拉伸時幾種疲勞損傷的示意圖。拉伸疲勞時，首先在基體內(nèi)出現(xiàn)分散的橫向裂紋（a）；在纖維斷裂處裂紋發(fā)生局部擴展，并誘發(fā)界面破壞（b）；纖維斷裂引起界面脫膠（c）以及促使基體裂紋擴展（d）；大規(guī)?；w裂紋擴展還會出現(xiàn)纖維橋接（e）以及多種疲勞損傷組合的形式（f）地。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前10頁，總共40頁。在正交（0°/90°）層合復合材料中，橫向?qū)樱?0）與縱向?qū)樱?°）的強度和模量相差很大。通常，在交變載荷作用下，橫向?qū)訉⑹紫瘸霈F(xiàn)裂紋，并往往同時伴隨界面脫前和基體開裂及分層。分層是因橫向與縱向兩層的泊松比不同引起層間剪切應力和層間正應力所致。裂紋出現(xiàn)后，裂紋附近橫向?qū)觾?nèi)的縱向正應力為零，而離裂紋稍遠處應力較大。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前11頁，總共40頁。隨著裂紋進一步發(fā)展，橫向?qū)釉诳v向正應力較大的區(qū)域繼續(xù)產(chǎn)生新的橫向裂紋，使裂紋密度逐漸趨于飽和。此時，橫向?qū)邮チ顺休d能力，僅依靠界面將其與縱向?qū)诱辰Y(jié)在一起。但是，橫向?qū)訉v向?qū)硬此勺冃蔚囊种谱饔糜终T發(fā)了縱向?qū)又械目v橫向裂紋，出現(xiàn)了縱橫裂紋交叉現(xiàn)象。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前12頁，總共40頁。同時，由于纖維性能的離散性，若干隨機分布的纖維首先斷裂。在疲勞破壞的后期，復合材料內(nèi)部出現(xiàn)較多的纖維斷裂群。最后，在損傷最為密集的區(qū)域發(fā)生局部損傷加劇化，導致層合板破壞。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前13頁，總共40頁。用S-N曲線來描述復合材料的疲勞行為時，一般是以試樣完全破壞作為失效基準。復合材料的S-N曲線受各種材料的、試驗的因素影響。例如，材料方面的因素有組分材料的性能、鋪層方向及順序、增強纖維的體積含量和界面結(jié)構(gòu)等，試驗方面的因素如載荷形式、平均應力和切口、頻率、環(huán)境條件等。二、影響復合材料疲勞性能的因素第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前14頁，總共40頁。如圖所示，用高模量纖維如硼纖維、Kevlar纖維或碳纖維等增強的復合材料，當在纖維方向試驗時，復合材料顯示出極好的抗疲勞性。圖中R為最小應力與最大應力的比值。雖然高模量單向復合材料橫向拉伸疲勞行為與玻璃纖維復合材料相差無幾，但其縱向抗疲勞性能要好得多。當復合材料在纖維方向承受疲勞載荷時，高模量纖維可使基體產(chǎn)生較小的應變。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前15頁，總共40頁。單向復合材料的拉伸強度在纖維方向是最大的，因此能承受較高的拉伸疲勞載荷。然而，與多向?qū)雍习逑啾龋瑔蜗驈秃喜牧系钠谔匦圆⒉皇亲罴训?。橫向強度低以及不良的試驗條件等容易引起復合材料沿纖維方向發(fā)生縱向開裂。如果增加一些90°方向的鋪層，可以避免縱向開裂。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前16頁，總共40頁。如圖為不同結(jié)構(gòu)形式層合板的S-N曲線?？梢?，加入適量90°鋪層或采用±5°對稱鋪層結(jié)構(gòu)的層合板較單向?qū)雍习宓睦炱谔匦阅苡兴倪M。等量的0°和90°鋪層構(gòu)成的正交鋪層層合板的疲勞強度明顯高于玻璃布鋪層層合板。由于無紡材料中纖維處于平行和舒直狀態(tài)，不象編織物中纖維那樣彎曲，所以一般而言，無紡材料在抗疲勞性方面優(yōu)于編織材料。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前17頁，總共40頁。在有切口的試樣中，切口周圍容易產(chǎn)生復合應力和出現(xiàn)應力集中。疲勞加載時，試樣內(nèi)部的損傷使得缺口周圍的應力重新分配，所以很難用無切口閉幕式樣的疲勞強度估算切口試樣的疲勞強度。但是，大多數(shù)復合材料層合板的疲勞數(shù)據(jù)表明，切口（圓孔或裂紋）對疲勞強度的影響并不顯著。復合材料切口試樣良好的抗疲勞性主要是由于損傷緩和了切口尖端附近的應力集中。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前18頁，總共40頁。濕度和溫度不僅影響材料的固有強度，也影響材料的應力狀態(tài)。升高溫度或濕度，常常會降低受基體影響較大的鋪層橫向強度和剪切強度，因而也使得剩余強度下降。吸濕還會降低聚合物基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，影響玻璃纖維的耐腐蝕性。試驗表明，低溫對復合材料疲勞壽命的影響幾乎可以忽略，而室溫下濕度對碳纖維復合材料疲勞壽命的影響亦很小。第三節(jié)纖維復合材料的疲勞行為當前19頁，總共40頁。沿纖維方向的拉伸和壓縮試驗、垂直于纖維方向的拉伸和壓縮試驗以及面內(nèi)剪切試驗是單向復合材料的5個基本力學試驗。一般而言，在纖維方向拉壓及垂直于纖維方向拉伸試驗中，應力-應變關(guān)系多呈線性，而在垂直于纖維方向壓縮及縱橫方向剪切試驗中應力-應變關(guān)系則表現(xiàn)出非線性特征。第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前20頁，總共40頁。單向復合材料的破壞模式除與纖維和基體的種類有關(guān)外，還受材料內(nèi)部向種缺陷及損傷的影響。例如，氣泡、空隙、貧或富膠、夾雜物、不正確的纖維取向等制造缺陷。劃傷、擦傷、邊緣損傷、沖擊引起的分層、脫膠等使用損傷以及冰凍/環(huán)境損傷，對復合材料的破壞模式也有一定作用。因此，用復合理論預測的復合材料性能往往與試驗值不符。以下簡要介紹在不同載荷條件下單向復合材料的斷裂模式（fracturemodel）。第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前21頁，總共40頁。單向復合材料的破壞起源于材料中固有的缺陷。這些缺陷可以是破損的纖維、基體中的裂紋以及界面脫膠等。如圖，單向復合材料在纖維方向受到拉伸載荷作用時，至少有三種破壞模式，即①脆性斷裂；②伴有纖維拔出的脆性斷裂；③伴有纖維拔出、界面基體剪切或脫膠破壞的脆性斷裂。一、縱向拉伸破壞第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前22頁，總共40頁。依據(jù)纖維與基體之間的界面狀態(tài)和載荷由基體向纖維傳遞的機理，纖維間基體的剪切破壞和部分脫膠可能同時發(fā)生，也有可能分別獨立發(fā)生。在脆性或短纖維與韌性基體構(gòu)成的復合材料中會出現(xiàn)纖維拔出的現(xiàn)象，因而阻止了基體裂紋的擴展，這一裂紋可能參與鄰近其它纖維的斷裂。第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前23頁，總共40頁。在這種情況下，材料的破壞是以纖維從基體中拔出的形式發(fā)生，而不是纖維在復合材料斷裂平面的斷裂。破壞時如果裂紋平行于纖維擴展（脫膠裂紋），則纖維會與基體脫膠，纖維與基體之間的粘附作用遭到破壞。如果復合材料的纖維強而界面弱，就容易發(fā)生這種脫膠現(xiàn)象。脫膠裂紋可以在纖維與基體的界面上或在鄰近基體中擴展，主要取決于它們的相對強度。第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前24頁，總共40頁。纖維拔出和纖維脫膠兩種破壞的區(qū)別在于當基體裂紋不能橫斷纖維而擴展時，發(fā)生纖維脫膠，纖維拔出則是由于纖維斷裂的裂紋不能擴展到韌性基體中所致。通常，伴隨著纖維拔出的同時，基體發(fā)生伸長變形，這種現(xiàn)象在纖維脫膠中是不存在的。第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前25頁，總共40頁。纖維體積含量對復合材料的斷裂模式也有很大影響。以單向玻璃纖維復合材料為例，當纖維含量較低（Vf<40%）時，主要發(fā)生脆性破壞；纖維含量適中（40<Vf<65%））時，破壞模式常表現(xiàn)為伴有纖維拔出的脆性斷裂；如果纖維含量較高，則多出現(xiàn)伴有纖維拔出和脫膠或基體剪切破壞的脆性斷裂。碳纖維復合材料常出現(xiàn)類似圖中（a）和（b）模式的破壞。第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前26頁，總共40頁。如前所述，單向復合材料縱向即沿纖維方向受壓時，增強纖維發(fā)生屈曲。若復合材料中纖維含量很低，甚至當基體應力在其彈性范圍內(nèi)，也能使纖維發(fā)生微屈曲。二、縱向壓縮破壞第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前27頁，總共40頁。但對于纖維體積含量較高如Vf>40%時，纖維微屈曲常常出現(xiàn)于基體屈曲、基體微裂和部分脫膠之后，所以單向復合材料的縱向受壓破壞將始于復合材料的橫向列裂或破壞，或者說，泊松效應引起的橫向拉伸應變可能超過復合材料橫向變形能力的極限，致使界面上產(chǎn)生裂紋。如圖為單向復合材料縱向壓縮破壞模式的示意圖。圖中，（a）橫向拉伸破壞；（b）纖維發(fā)生屈曲，而基體仍是彈性的或者處于屈服狀態(tài)；（c）剪切破壞。第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前28頁，總共40頁。單向復合材料在橫向即垂直于纖維方向受拉時，在基體和界面上會產(chǎn)生應力集中。因此受橫向拉伸載荷作用時單向復合材料的破壞起源于基體或界面的拉伸破壞。在某些場合，也有可能出現(xiàn)因纖維橫向拉伸性能差異而導致復合材料破壞。三、橫向拉伸破壞第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前29頁，總共40頁。通常發(fā)生橫向拉伸破壞的模式有兩種：①基體拉伸破壞；②脫膠或纖維橫向斷裂。如圖（a）為單向復合材料橫向拉伸破壞模式示意圖。第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前30頁，總共40頁。單向復合材料橫向受壓時，因基體發(fā)生剪切而破壞如圖（b）。同時還可能發(fā)生部分脫膠及纖維破斷現(xiàn)象，所以其破壞模式可以分成兩種：基體剪切破壞和基體剪切破壞的同時伴隨脫膠或纖維橫向破碎。四、橫向壓縮破壞第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前31頁，總共40頁。在沿纖維方向和垂直于纖維方向的平面內(nèi)受到剪切作用時，單向復合材料的破壞一般是由于基體剪切、部分脫膠等引起的。因而破壞模式包括：①基體剪切破壞；②基體剪切破壞并伴有脫膠；③脫膠。如圖為面內(nèi)剪切破壞模式的示意圖。五、面內(nèi)剪切破壞第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前32頁，總共40頁。簡言之，纖維復合材料的破壞是一個非常復雜的過程，它既依賴于材料本身的性質(zhì)，也受外界因素的影響。各類復合材料的破壞行為差別很大，不可能用簡單的模式完整地概括之。復合材料的破壞行為一直是理論研究和工程實際所關(guān)注的重要課題，在此方面已有許多研究成果直。第四節(jié)單向復合材料的破壞模式當前33頁，總共40頁。當前34頁，總共40頁。圖1