复合的断裂和韧性浅析.ppt

断裂力学的形成 脆断的发生破坏的机理： 往往由构件的内部缺陷导致（典型如裂纹的存在）。因在实际的构件中，理想的均匀连续材料是不存在的，都或多或少地存在不同类型的缺陷，构件在使用过程中，这些缺陷将逐步发展成微裂纹，在外载荷的作用下，微裂纹的扩展、融合最终导致了构件的断裂。 传统强度理论把材料组织的不均匀性和实验测得的应力不准确性，都包含在安全系数中，因此，导致安全系数的选择或大或小。 因此，为了研究裂纹扩展的规律，防止低应力脆断的发生，形成了一门崭新的学科－断裂力学。 断裂力学的概念： －它是以构件内存在缺陷为前提，建立符合客观情况的理论和试验方法。它的任务不仅研究裂纹扩展的规律性，还通过分析裂纹周围的应力和应变以及测试带有裂纹的试件的力学性质，建立了断裂的判据。 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。 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。 平面应变断裂韧性KIC的测定 复合材料的断裂过程 平面应变断裂韧性KIC的测试 一般可认为裂纹顶端的塑性区域非常微小，从而可用线弹性力学来分析裂纹的行为。裂纹尖端区域的应力应变场皆可由一个参量K来表征，它标志着裂纹尖端区域应力场强弱程度，成为应力强度因子。 平面应变断裂韧性KIC的测定 从上式可看出，KI是所有应力分量和位移分量一个公有的关键因子，其它参量 对已知材料已知点来说都是定值。 因此，在裂纹尖端附近区域的整个应力应力应变场的强度程度，仅仅取决于和各应力分量、位移分量呈线性关系的单一参量KI，所以KI是裂纹尖端附近区域应力场强弱程度的度量，成为应力强度因子。它是名义应力 和裂纹几何参量a的函数。 当 时，应力分量将趋于无穷大。实际上，裂纹顶端处应力不可能无限增长，当到达测量屈服应力时，即在裂纹尖端附近形成一个微小的屈服区，所以无法直接用裂纹尖端处的应力大小来作裂纹发生失稳扩展的判据。 根据材料脆性断裂的统计强度理论的观点，构件最大应力区中足够大体积内的应力都达到了材料特定的临界值时，即发生脆性断裂。 平面应变断裂韧性KIC的测定 因此，应力强度因子可以用来作为构件脆性断裂的判据，即， 式中，KIC是对应于构件在静载荷作用下裂纹开始失稳扩展时的KI值，即KI的临界值，它是材料在三向拉伸状态下的裂纹扩展力，称为材料的平面应变断裂韧性。 但二者的物理意义不同 复合材料性能测试 压缩破坏 复合材料性能测试 压缩破坏 复合材料性能测试 三点弯曲 复合材料性能测试 三点弯曲破坏 复合材料性能测试 四点弯曲 复合材料性能测试 扭转实验 复合材料性能测试 压缩测试 复合材料性能测试 压缩测试 复合材料性能测试 DCB a=12.7~50mm, NASA\ASTM 50mm L=80~200mm, B=20~30mm,h=3~10mm 复合材料性能测试 DCB测试 复合材料性能测试 ENF 复合材料性能测试 ENF测试 复合材料性能测试 混合测试 复合材料性能测试 夹芯板DCB测试 复合材料性能测试 蜂窝夹芯板DCB测试 能量释放率（断裂韧性）的实验方法 复合材料性能测试 SLB 复合材料性能测试 界面单元 复合材料性能测试 裂纹尖端应力－应变关系 复合材料性能测试 界面单元应力－应变关系 复合材料性能测试 裂纹稳态扩展 复合材料性能测试 裂纹稳态扩展 断裂力学的应用 在具体复合材料中的应用 复合材料应用断裂力学的实质是在材料含有缺口、缺陷或其它大于纤维直径的设计特征的情况下，寻求一个只与材料宏观行为有关的断裂准则。 由于若界面结合可以大幅度改变复合材料的断裂行为，而且裂纹扩展模式也似乎不符合断裂力学应用条件，但实验结果表明断裂力学方法可以有限地应用于纤维增强复合材料。 DCB实验结果 断裂力学被普遍认为是表征宏观均质和各向同性材料（如金