断裂韧性参量.ppt

复合材料性能测试混合测试第31页，共44页，星期日，2025年，2月5日第1页，共44页，星期日，2025年，2月5日断裂力学的形成断裂力学的可以解决的问题：可以解决构件的选材，确定构件的允许最大初始裂纹尺寸；估计构件的疲劳寿命；估计构件的剩余强度和检修周期等，从而保证构件的安全使用。断裂韧性的解释：临界应力（试件拉断时的名义应力）构件断裂时的临界应力与裂纹深度（或长度）a的平方根的乘机为一常数K。玻璃上的表面裂纹第2页，共44页，星期日，2025年，2月5日断裂韧性K是对同一材料是一常数，它表示材料本身所固有的物理性质。若裂纹尺寸一定时，可知，K值越大，裂纹扩展的临界应力就越高。因此，常数K表示了材料阻止裂纹扩展的能力，可以看成是材料抵抗材料脆性破坏能力的一个断裂韧性参量。第3页，共44页，星期日，2025年，2月5日2、复合材料失效的结构因素复合材料的多相结构性质决定其具有良好的断裂韧性；－材料变形时，一定程度上的损伤并不会削弱其承载能力，只有损伤超过临界水平后，裂纹的扩展才将导致破坏的发生。材料变形时，微观及宏观层上弱界面的存在会抑制裂纹的增长。控制裂纹扩展的因素很多，不仅取决于各组元的特性，还取决于其相互作用的方式（如：铺层方式、贫富脂区、缺陷几何尺寸等），其中主要是纤维与基体界面的不连续性。第4页，共44页，星期日，2025年，2月5日断裂力学的研究方法1920年，基于应力的应力强度因子K和相应的基于能量的应变能释放率G，Griffith建立了含裂纹固体断裂Griffith模型；从而为现代断裂力学在复合材料中的应用打下基础。在此基础上，后人研究发现，断裂能或断裂功功与断裂过程具有明确的关系，由它可以不同材料的性能，而且有助于推断材料/工艺参数对特定复合材料的行为可能产生的影响；断裂能的思想又导致了裂纹阻力曲线（R曲线）概念的发展。第5页，共44页，星期日，2025年，2月5日平面应变断裂韧性KIC的测定Griffith的三种破坏模型第6页，共44页，星期日，2025年，2月5日复合材料的断裂过程考虑简单的Griffith平面裂纹模型，认为裂纹扩展不可逆。裂纹增长导致整个系统（试验机＋试样）弹性能的净变化用于提供产生新表面的能量和激发促使裂纹增长的其他变形或破坏机制的能量基体效应：金属或热塑性材料等非脆性基体中加入高体积份数的刚性、脆性纤维时，由于塑性约束而导致基体中产生三轴向拉应力分量，使基体有效韧性降低（如水泥、金属陶瓷等）软质基体中加入低体积分数的刚性粒子或纤维后由于基体刚性提高，基体产生临界初始裂纹所需的应力提高，因此基体有效韧性增加低韧性基体中加入纤维或粒子后由于在添加物附近裂纹增长缓慢，基体的有效韧性提高。（如脆性塑料依赖于裂纹的开裂速度、并于裂纹表面粗糙度有关）第7页，共44页，星期日，2025年，2月5日纤维效应：玻璃纤维、碳纤维和硼纤维等具有较高破坏强度和断裂应变，这些纤维的本征断裂能很低，其破坏形式主要由缺陷分布的统计性质决定。纤维/基体的简单加合效应：对金属增强的金属基复合材料的研究表明；复合材料的比断裂能可通过混合律对各组元断裂能求和：该式假定刚性更强的纤维使基体塑性变形的范围局限在裂纹附近。第8页，共44页，星期日，2025年，2月5日复合效应对韧性的影响对于简单情况，估算基体合纤维的变形所需的相应能量就可以为宏观韧性提供合理的模型（如混合律模型），然而在实际的纤维增强复合材料中，微观结构的不均匀性合各向异性使断裂过程非常复杂，微观断裂会最终导致破坏，但微观断裂结合在一起却能使断裂能提高。与金属不同，大部分高性能复合材料不存在加工硬化问题，即使是破坏过程是渐进的，达到峰值载荷后某一组元的承载能力也会非常迅速下降，但破坏过程仍能吸收很多能量，所以此类复合材料适合于吸收能量比承载能力更重要的场合。第9页，共44页，星期日，2025年，2月5日线性（非韧）非线性（较韧）后断裂（整体）不同脆性/韧性行为的应力应变曲线第10页，共44页，星期日，2025年，2月5日单向复合材料中的累积损伤和失效复合材料应力轴纤维拉伸应力未断裂纤维剪切应力断裂纤维周围应力扰动断裂纤维当某一给定纤维上弱点处的局部应力水平达到其失效应力时，纤维将发生断裂，所承受的载荷将会转移到相邻的集体中。但在远离纤维断点处纤维仍将承担分配的全部载荷。在临近断点的纤维上应力将发生扰动，但不会引起邻近纤维到断裂程度。随着载荷的继续增加，其它纤维将陆续发生断裂。单丝的破坏不会严重影响整个复合材料的承载能力。第11页，共44页，星期日