復合材料的斷裂和韌性

斷裂力學的形成脆斷的發(fā)生破壞的機理：往往由構件的內(nèi)部缺陷導致（典型如裂紋的存在）。因在實際的構件中，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，微裂紋的擴展、融合最終導致了構件的斷裂。傳統(tǒng)強度理論把材料組織的不均勻性和實驗測得的應力不準確性，都包含在安全系數(shù)中，因此，導致安全系數(shù)的選擇或大或小。因此，為了研究裂紋擴展的規(guī)律，防止低應力脆斷的發(fā)生，形成了一門嶄新的學科－斷裂力學。斷裂力學的概念：－它是以構件內(nèi)存在缺陷為前提，建立符合客觀情況的理論和試驗方法。它的任務不僅研究裂紋擴展的規(guī)律性，還通過分析裂紋周圍的應力和應變以及測試帶有裂紋的試件的力學性質(zhì)，建立了斷裂的判據(jù)。2021/10/10星期日1斷裂力學的形成斷裂力學的可以解決的問題：可以解決構件的選材，確定構件的允許最大初始裂紋尺寸；估計構件的疲勞壽命；估計構件的剩余強度和檢修周期等，從而保證構件的安全使用。斷裂韌性的解釋：臨界應力（試件拉斷時的名義應力）構件斷裂時的臨界應力與裂紋深度（或長度）a的平方根的乘機為一常數(shù)K。玻璃上的表面裂紋2021/10/10星期日2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，裂紋擴展的臨界應力就越高。因此，常數(shù)K表示了材料阻止裂紋擴展的能力，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量。2021/10/10星期日3復合材料失效的結構因素復合材料的多相結構性質(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，裂紋的擴展才將導致破壞的發(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?？刂屏鸭y擴展的因素很多，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。2021/10/10星期日4斷裂力學的研究方法1920年，基于應力的應力強度因子K和相應的基于能量的應變能釋放率G，Griffith建立了含裂紋固體斷裂Griffith模型；從而為現(xiàn)代斷裂力學在復合材料中的應用打下基礎。在此基礎上，后人研究發(fā)現(xiàn)，斷裂能或斷裂功功與斷裂過程具有明確的關系，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)對特定復合材料的行為可能產(chǎn)生的影響；斷裂能的思想又導致了裂紋阻力曲線（R曲線）概念的發(fā)展。2021/10/10星期日5平面應變斷裂韌性KIC的測定Griffith的三種破壞模型2021/10/10星期日6復合材料的斷裂過程考慮簡單的Griffith平面裂紋模型，認為裂紋擴展不可逆。裂紋增長導致整個系統(tǒng)（試驗機＋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制的能量基體效應：金屬或熱塑性材料等非脆性基體中加入高體積份數(shù)的剛性、脆性纖維時，由于塑性約束而導致基體中產(chǎn)生三軸向拉應力分量，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數(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力提高，因此基體有效韌性增加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）2021/10/10星期日7纖維效應：玻璃纖維、碳纖維和硼纖維等具有較高破壞強度和斷裂應變，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/基體的簡單加合效應：對金屬增強的金屬基復合材料的研究表明；復合材料的比斷裂能可通過混合律對各組元斷裂能求和：該式假定剛性更強的纖維使基體塑性變形的范圍局限在裂紋附近。2021/10/10星期日8復合效應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），然而在實際的纖維增強復合材料中，微觀結構的不均勻性合各向異性使斷裂過程非常復雜，微觀斷裂會最終導致破壞，但微觀斷裂結合在一起卻能使斷裂能提高。與金屬不同，大部分高性能復合材料不存在加工硬化問題，即使是破壞過程是漸進的，達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，所以此類復合材料適合于吸收能量比承載能力更重要的場合。2021/10/10星期日9線性（非韌）非線性（較韌）后斷裂（整體）不同脆性/韌性行為的應力應變曲線2021/10/10星期日10單向復合材料中的累積損傷和失效復合材料應力軸纖維拉伸應力未斷裂纖維剪切應力斷裂纖維周圍應力擾動斷裂纖維當某一給定纖維上弱點處的局部應力水平達到其失效應力時，纖維將發(fā)生斷裂，所承受的載荷將會轉移到相鄰的集體中。但在遠離纖維斷點處纖維仍將承擔分配的全部載荷。在臨近斷點的纖維上應力將發(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。單絲的破壞不會嚴重影響整個復合材料的承載能力。2021/10/10星期日11研究導致復合材料失效的纖維隨機斷裂的模型復合材料纖維復合材料中裂紋增長階段123452021/10/10星期日12為便于研究各種微觀增韌機制，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，使基體開裂無法進一步擴大；2、其次，纖維強度高，不會被集中在基體裂紋尖端的應力所拉斷，因此纖維可有效地阻止裂紋擴展（如2）3、若作用在纖維/基體界面的局部剪應力足夠高而使纖維局部脫粘，裂紋會進一步開裂；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/界面體系可以達到一種平衡狀態(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)是一種更進步的增韌機制；5、裂紋擴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合的強度，當纖維在距開裂平面較遠處斷開時，儲存的彈性能得到釋放，纖維與基體重新接觸。2021/10/10星期日13σms—基體屈服應力；σ*—基體中應變量為εfu時的應力；σ**—基體應變量εLu時的應力；σLu—復合材料縱向抗拉強度；σfs—纖維屈服應力；εfu—纖維斷裂應變；εfu—復合材料斷裂應變以上過程從纖維/基體/復合材料的應力應變曲線中也可看出2021/10/10星期日14可以看出，

復合材料的應力－應變曲線處于纖維和基體的應力－應變曲線之間。復合材料應力－應變曲線的位置取決于纖維的體積分數(shù)。如果纖維的體積分數(shù)越高，復合材料應力－應變曲線越接近纖維的應力－應變曲線；反之，當基體體積分數(shù)高時，復合材料應力-應變曲線則接近基體的應力－應變曲線。2021/10/10星期日15平面應變斷裂韌性KIC的測試一般可認為裂紋頂端的塑性區(qū)域非常微小，從而可用線彈性力學來分析裂紋的行為。裂紋尖端區(qū)域的應力應變場皆可由一個參量K來表征，它標志著裂紋尖端區(qū)域應力場強弱程度，成為應力強度因子。2021/10/10星期日16平面應變斷裂韌性KIC的測定從上式可看出，KI是所有應力分量和位移分量一個公有的關鍵因子，其它參量 對已知材料已知點來說都是定值。因此，在裂紋尖端附近區(qū)域的整個應力應力應變場的強度程度，僅僅取決于和各應力分量、位移分量呈線性關系的單一參量KI，所以KI是裂紋尖端附近區(qū)域應力場強弱程度的度量，成為應力強度因子。它是名義應力和裂紋幾何參量a的函數(shù)。當時，應力分量將趨于無窮大。實際上，裂紋頂端處應力不可能無限增長，當?shù)竭_測量屈服應力時，即在裂紋尖端附近形成一個微小的屈服區(qū)，所以無法直接用裂紋尖端處的應力大小來作裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展的判據(jù)。根據(jù)材料脆性斷裂的統(tǒng)計強度理論的觀點，構件最大應力區(qū)中足夠大體積內(nèi)的應力都達到了材料特定的臨界值時，即發(fā)生脆性斷裂。2021/10/10星期日17平面應變斷裂韌性KIC的測定因此，應力強度因子可以用來作為構件脆性斷裂的判據(jù)，即，式中，KIC是對應于構件在靜載荷作用下裂紋開始失穩(wěn)擴展時的KI值，即KI的臨界值，它是材料在三向拉伸狀態(tài)下的裂紋擴展力，稱為材料的平面應變斷裂韌性。但二者的物理意義不同2021/10/10星期日18復合材料性能測試壓縮破壞2021/10/10星期日19復合材料性能測試壓縮破壞2021/10/10星期日20復合材料性能測試三點彎曲2021/10/10星期日21復合材料性能測試三點彎曲破壞2021/10/10星期日22復合材料性能測試四點彎曲2021/10/10星期日23復合材料性能測試扭轉實驗2021/10/10星期日24復合材料性能測試壓縮測試2021/10/10星期日25復合材料性能測試壓縮測試2021/10/10星期日26復合材料性能測試DCBa=12.7~50mm,NASA\ASTM50mmL=80~200mm,B=20~30mm,h=3~10mm2021/10/10星期日27復合材料性能測試DCB測試2021/10/10星期日28復合材料性能測試ENFa=15~50mm,L=70~200mm,B=15~25mm,h=3~6mm2021/10/10星期日29復合材料性能測試ENF測試2021/10/10星期日30復合材料性能測試混合測試2021/10/10星期日31復合材料性能測試夾芯板DCB測試2021/10/10星期日32復合材料性能測試蜂窩夾芯板DCB測試2021/10/10星期日33能量釋放率（斷裂韌性）的實驗方法

2021/10/10星期日34復合材料性能測試SLB2021/10/10星期日35復合材料性能測試界面單元2021/10/10星期日36復合材料性能測試裂紋尖端應力－應變關系2021/10/10星期日37復合材料性能測試界面單元應力－應變關系2021/10/10星期日38復合材料性能測試裂紋穩(wěn)態(tài)擴展2021/10/10星期日39復合材料性能測試裂紋穩(wěn)態(tài)擴展2021/10/10星期日40斷裂力學的應用斷裂力學被普遍認為是表征宏觀均質(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。然而由于纖維增強復合材料的內(nèi)在結構的特殊性（非均質(zhì)、各向異性等），使得早期研究者認為斷裂力學應用具有局限性，主要表現(xiàn)在：1、使用相同的試驗方法（如臨界應力強度和柔度測量）表征復合材料韌性是否可行；2、斷裂力學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展（當它以適當方式發(fā)生時）4、發(fā)展能夠預測復合材料行為的技術需要哪些理論和實驗研究。2021/10/10星期日41在具體復合材料中的應用復合材料應用斷裂力學的實質(zhì)是在材料含有缺口、缺陷或其它大于纖維直徑的設計特征的情況下，尋求一個只與材料宏觀行為有關的斷裂準則。由于若界面結合可以大幅度改變復合材料的斷裂行為，而且裂紋擴展模式也似乎不符合