第十一章复合材料的力学性能要点分析.pptVIP

* * 一、基体与纤维间的应力传递 载荷作用于复合材料上时，纤维不直接受力，载荷作用于基体材料上，然后通过纤维与基体的界面传递到纤维。 当纤维长度比传递应力的界面区长度大很多时，纤维末端的传递作用可以忽略不计，纤维可看成是连续的。在短纤维复合材料情况下，纤维末端的应力传递作用变得显著，已不能忽略不计，同时复合材料的力学性能与纤维长度密切相关。 * * 距离纤维末端z的纤维应力为： 由于纤维末端附近高的应力集中或基体屈服，使纤维末端与基体脱胶，一般 可忽略，则上式可改成： 如果切应力沿纤维长度的变化已知，则据上式就可以计算出数值。 实际上，切应力分布事先是未知的，只能作为整个解的一部分来求。 * * 随纤维长度增加，界面面积增大，中部拉应力也增大。当纤维中点的最大拉应力恰好等于纤维裂纹强度时，纤维长度称为纤维的临界长度lcr： llcr时，纤维不会被拉断，而是从基体中被拔出； llcr时，短纤维才会像长纤维一样起增强作用。 * * 二、短纤维复合材料的弹性模量 假设纤维与基体粘接牢固，纤维的长度和直径相同，不屈服，Halpin-Tsai给出了单向短纤维得合材料的弹性模量的计算公式： * * * * * * 三、短纤维复合材料的强度 根据纤维长度不同，单向短纤维复合材料的抗拉强度有不同的表达式： * * * * 第四节 复合材料的断裂 一、复合材料的断裂 复合材料受载，当裂纹尖端应力水平达到一定数值时，裂纹将向前扩展； 裂纹扩展时，其尖端可能与附近各种已存在的损伤或新形成的损伤（如纤维断裂、基体变形和开裂、基体变形和开裂，纤维与基体脱胶等）相遇，使损伤区加大，裂纹继续扩展，直到最终产生宏观断裂。 * * * * 这种脆性断裂共有三种类型： (1) 接力破坏机理：当一根纤维断裂引起邻近纤维应力集中而过载，后者断裂，依次类推，最终复合材料整体破坏。 (2) 脆性粘接断裂机理：断裂的纤维在其周围基体中形成应力集中，使基体破坏，并最终导致材料整体破坏。 (3) 最弱环节机理：与基体粘接强的纤维的一旦断裂，立即引起复合材料的整体破坏。 * * 是垂直于裂纹扩展方向的纤维，当其应变达到断裂应变时发生的。在复合材料受载早期就有个别纤维产生这种损伤，随着载荷增加，断裂纤维数也增加。 (1) 纤维断裂 复合材料中，基体因强度低，所以在材料受载时先于纤维变形，到复合材料完全断裂时，纤维周围的基体也随之断裂。 (2) 基体变形和开裂 若裂纹穿过基体扩展遇到纤维时，裂纹可能分叉，转向平行于纤维方向扩展。裂纹可在基体内，也可沿界面扩展，取决于界面与基体的相对强度。如果界面结合较弱，就将使纤维与基体脱胶。 (3) 纤维脱胶 * * 这种损伤也发生在纤维与基体的界面上，它是由于断裂纤维在基体中引起的应力集中因基体屈服而被松弛，使纤维断裂裂纹在基体中扩展阻力增加，结果沿界面产生纤维拔出现象。 当断裂纤维端部与材料断裂横截面的距离很小（小于临界尺寸的一半），常出现纤维拔出损伤。 (4) 纤维拔出 这是发生在层合板情况下的一种损伤。当裂纹穿过层合板的一个铺层扩展时，其尖端遇到相邻铺层的纤维，可能受到阻滞。 但因与裂纹尖端相邻的基体中切应力很高，裂纹可能分枝出来，开始在平行于铺层平面的界面上扩展，形成分层裂纹。 (5) 分层裂纹 * * （一）复合材料的冲击性能特点： (1) 单向复合材料的应变速率敏感性因纤维种类不同而有所区别，而钢的应变速率敏感性也因强度不同而有差异。 低模量玻璃纤维复合材料对应变速率变化敏感，当冲击拉伸应变速率达到103s-1，其强度、塑性和韧性都比静载荷时高； 高模量碳纤维复合材料的力学性能，对应变速率变化不敏感。 二、复合材料的冲击性能 * * (2) 钢的冲击断裂机理是穿晶解理或微孔聚集断裂，复合材料的冲击断裂是各类损伤的积累或非积累破坏。 (3) 高弹性模量复合材料往往比低弹性模量复合材料的冲击韧性差，如碳纤维-环氧复合材料与玻璃纤维-环氧复合材料的冲击韧性。 前者以纤维断裂为主要损伤模式，断裂扩展能低，后者以纤维拔出和分层裂纹为损伤模式，断裂扩展能高。 * * （二）影响复合材料冲击性能的因素 1. 纤维方向的影响 * * * * 2. 界面的影响 纤维与基体的界面强度强烈地影响复合材料的破坏模式，从而影响材料的冲击能。 对玻璃纤维-聚酯复合材料和玻璃纤维-环氧树脂试验表明，前者的界面强度可通过表面处理大幅度变化，而后者的界面即使未经过表面处理也能形成很强的粘接，所以界面强度变化较小。 * * （一）复合材料的疲劳性能特点： 对大多数各向同性材料，在受交变载荷作用时，往往出现一个单一的疲劳主裂纹并控制最终的疲劳破坏。 对于纤维复合材料，往往在高应力区出现较大规模的损伤，如界面开胶、基体开裂、分层和纤维断裂等，这些损伤还会