復(fù)合材料的力學(xué)性能.ppt

1、第 六 章 纖維復(fù)合材料的力學(xué)行為,第三節(jié) 纖維復(fù)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(yīng)力或應(yīng)變時(shí)的失效過程。如圖所示，通常可用S-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(yīng)力，N是施加應(yīng)力的周期次數(shù)，當(dāng)應(yīng)力很高時(shí)，達(dá)失效的周期次數(shù)N很??；當(dāng)應(yīng)力較低而失效的周期次數(shù)N無限大時(shí)，應(yīng)力的上限值稱為疲勞極限。,但實(shí)際上不可能在長時(shí)間內(nèi)無限制地試驗(yàn)下去，一般當(dāng)N達(dá)到107次而不發(fā)生疲勞失效時(shí)應(yīng)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(jī)械強(qiáng)度降低、損傷直至斷裂等，

2、如高分子材料產(chǎn)生銀紋使強(qiáng)度和透明降低就是一種失效的表現(xiàn)。,第三節(jié) 纖維復(fù)合材料的疲勞行為,在實(shí)際使用過程中，構(gòu)件或制品常常在比屈服強(qiáng)度低得多的應(yīng)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(yīng)力集中等有關(guān)。對纖維復(fù)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(jià)，是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中必須要考慮的問題。,第三節(jié) 纖維復(fù)合材料的疲勞行為,在復(fù)合材料疲勞過程中，一般不出現(xiàn)主裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，其損傷機(jī)理非常復(fù)雜，難以用簡單的數(shù)學(xué)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(fù)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(yàn)的難度。目前，復(fù)合材料疲

3、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(yàn)方法。以下簡要介紹纖維復(fù)合材料疲勞損傷的特點(diǎn)以及影響疲勞性能的因素。,第三節(jié) 纖維復(fù)合材料的疲勞行為,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(kuò)展現(xiàn)象，這一主裂紋控制著最終的疲勞破壞。對于纖維復(fù)合材料，往往在高應(yīng)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(jī)理。,一、復(fù)合材料的疲勞損傷,第三節(jié) 纖維復(fù)合材料的疲勞行為,如圖所示，各向異性纖維復(fù)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(fù)合材料初

4、始損傷或缺陷的尺寸比金屬大，但多種損傷形式和增強(qiáng)纖維的牽制作用使復(fù)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(fù)合材料的疲勞行為,單向復(fù)合材料在纖維方向有很好的抗疲勞性，這是由于在單向復(fù)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(shí)際受力結(jié)構(gòu)中，普遍使用的是復(fù)合材料層合板。由于各個(gè)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(shí)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(fù)合材料的疲勞行為,如圖為單向復(fù)

5、合材料正軸拉伸時(shí)幾種疲勞損傷的示意圖。拉伸疲勞時(shí)，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(kuò)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(kuò)展（d）；大規(guī)?；w裂紋擴(kuò)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(fù)合材料的疲勞行為,在正交（0/90）層合復(fù)合材料中，橫向?qū)樱?0）與縱向?qū)樱?）的強(qiáng)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(shí)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(yīng)力和層間正應(yīng)力所致。裂紋出現(xiàn)后，裂紋附近橫向?qū)觾?nèi)的縱向正應(yīng)力為零，而離裂紋稍遠(yuǎn)

6、處應(yīng)力較大。,第三節(jié) 纖維復(fù)合材料的疲勞行為,隨著裂紋進(jìn)一步發(fā)展，橫向?qū)釉诳v向正應(yīng)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(shí)，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(fù)合材料的疲勞行為,同時(shí)，由于纖維性能的離散性，若干隨機(jī)分布的纖維首先斷裂。在疲勞破壞的后期，復(fù)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(dǎo)致層合板破壞。,第三節(jié) 纖維復(fù)合材料的疲勞行為,用S-N曲線來描述復(fù)合材料的疲勞行為時(shí)，一般是以試樣完全破壞作為失效

7、基準(zhǔn)。復(fù)合材料的S-N曲線受各種材料的、試驗(yàn)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(qiáng)纖維的體積含量和界面結(jié)構(gòu)等，試驗(yàn)方面的因素如載荷形式、平均應(yīng)力和切口、頻率、環(huán)境條件等。,二、影響復(fù)合材料疲勞性能的因素,第三節(jié) 纖維復(fù)合材料的疲勞行為,如圖所示，用高模量纖維如硼纖維、Kevlar纖維或碳纖維等增強(qiáng)的復(fù)合材料，當(dāng)在纖維方向試驗(yàn)時(shí)，復(fù)合材料顯示出極好的抗疲勞性。圖中R為最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值。雖然高模量單向復(fù)合材料橫向拉伸疲勞行為與玻璃纖維復(fù)合材料相差無幾，但其縱向抗疲勞性能要好得多。當(dāng)復(fù)合材料在纖維方向承受疲勞載荷時(shí)，高模量纖維可使基體產(chǎn)生較小的應(yīng)變。,第三節(jié)

8、纖維復(fù)合材料的疲勞行為,單向復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)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?，單向?fù)合材料的疲勞特性并不是最佳的。橫向強(qiáng)度低以及不良的試驗(yàn)條件等容易引起復(fù)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(fù)合材料的疲勞行為,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(jìn)。等量的0和90鋪層構(gòu)成的正交鋪層層合板的疲勞強(qiáng)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

9、性方面優(yōu)于編織材料。,第三節(jié) 纖維復(fù)合材料的疲勞行為,在有切口的試樣中，切口周圍容易產(chǎn)生復(fù)合應(yīng)力和出現(xiàn)應(yīng)力集中。疲勞加載時(shí)，試樣內(nèi)部的損傷使得缺口周圍的應(yīng)力重新分配，所以很難用無切口閉幕式樣的疲勞強(qiáng)度估算切口試樣的疲勞強(qiáng)度。但是，大多數(shù)復(fù)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(qiáng)度的影響并不顯著。復(fù)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(yīng)力集中。,第三節(jié) 纖維復(fù)合材料的疲勞行為,濕度和溫度不僅影響材料的固有強(qiáng)度，也影響材料的應(yīng)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(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，因而也使得剩余強(qiáng)度下降。吸濕還會降低聚合物基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫

10、度，影響玻璃纖維的耐腐蝕性。試驗(yàn)表明，低溫對復(fù)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(fù)合材料疲勞壽命的影響亦很小。,第三節(jié) 纖維復(fù)合材料的疲勞行為,沿纖維方向的拉伸和壓縮試驗(yàn)、垂直于纖維方向的拉伸和壓縮試驗(yàn)以及面內(nèi)剪切試驗(yàn)是單向復(fù)合材料的5個(gè)基本力學(xué)試驗(yàn)。一般而言，在纖維方向拉壓及垂直于纖維方向拉伸試驗(yàn)中，應(yīng)力-應(yīng)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(yàn)中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系則表現(xiàn)出非線性特征。,第四節(jié) 單向復(fù)合材料的破壞模式,單向復(fù)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

11、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(fù)合材料的破壞模式也有一定作用。因此，用復(fù)合理論預(yù)測的復(fù)合材料性能往往與試驗(yàn)值不符。以下簡要介紹在不同載荷條件下單向復(fù)合材料的斷裂模式（fracture model）。,第四節(jié) 單向復(fù)合材料的破壞模式,單向復(fù)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(fù)合材料在纖維方向受到拉伸載荷作用時(shí)，至少有三種破壞模式，即脆性斷裂；伴有纖維拔出的脆性斷裂；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(fù)合材料的破壞模式,依據(jù)纖維與基體之間

12、的界面狀態(tài)和載荷由基體向纖維傳遞的機(jī)理，纖維間基體的剪切破壞和部分脫膠可能同時(shí)發(fā)生，也有可能分別獨(dú)立發(fā)生。在脆性或短纖維與韌性基體構(gòu)成的復(fù)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(kuò)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(fù)合材料的破壞模式,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(fù)合材料斷裂平面的斷裂。破壞時(shí)如果裂紋平行于纖維擴(kuò)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(fù)合材料的纖維強(qiáng)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(kuò)展，主要取決于它們的相對強(qiáng)度。,第四節(jié) 單向復(fù)

13、合材料的破壞模式,纖維拔出和纖維脫膠兩種破壞的區(qū)別在于當(dāng)基體裂紋不能橫斷纖維而擴(kuò)展時(shí)，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(kuò)展到韌性基體中所致。通常，伴隨著纖維拔出的同時(shí)，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(fù)合材料的破壞模式,纖維體積含量對復(fù)合材料的斷裂模式也有很大影響。以單向玻璃纖維復(fù)合材料為例，當(dāng)纖維含量較低（Vf40%）時(shí)，主要發(fā)生脆性破壞；纖維含量適中（40Vf65%）時(shí)，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(fù)合材料常出現(xiàn)類似圖中（a）和（b）模式的破壞。,第四節(jié)

14、單向復(fù)合材料的破壞模式,如前所述，單向復(fù)合材料縱向即沿纖維方向受壓時(shí)，增強(qiáng)纖維發(fā)生屈曲。若復(fù)合材料中纖維含量很低，甚至當(dāng)基體應(yīng)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(fù)合材料的破壞模式,但對于纖維體積含量較高如Vf40%時(shí)，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(fù)合材料的縱向受壓破壞將始于復(fù)合材料的橫向列裂或破壞，或者說，泊松效應(yīng)引起的橫向拉伸應(yīng)變可能超過復(fù)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(fù)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

15、。,第四節(jié) 單向復(fù)合材料的破壞模式,單向復(fù)合材料在橫向即垂直于纖維方向受拉時(shí)，在基體和界面上會產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此受橫向拉伸載荷作用時(shí)單向復(fù)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(dǎo)致復(fù)合材料破壞。,三、橫向拉伸破壞,第四節(jié) 單向復(fù)合材料的破壞模式,通常發(fā)生橫向拉伸破壞的模式有兩種：基體拉伸破壞；脫膠或纖維橫向斷裂。如圖（a）為單向復(fù)合材料橫向拉伸破壞模式示意圖。,第四節(jié) 單向復(fù)合材料的破壞模式,單向復(fù)合材料橫向受壓時(shí)，因基體發(fā)生剪切而破壞如圖（b）。同時(shí)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(shí)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(fù)合材料的破壞模式,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(shí)，單向復(fù)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：基體剪切破壞；基體剪切破壞并伴有脫膠；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(fù)合材料的破壞模式,簡言之，纖維復(fù)合材料的破壞是一個(gè)非常復(fù)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(fù)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(fù)合材料的