材料力学性能- 第十一章.ppt

材料的力学性能 材料与化工学院 20世纪60年代以来，航天、航空、电子、汽车等高技术领域的迅速发展，对材料性能的要求日益提高，单一的金属、陶瓷、高分子材料已难以满足迅速增长的性能要求。 为了克服单一材料性能上的局限性，人们越来越多的根据构件的性能要求和工况条件，选择两种或两种以上化学、物理性质不同的材料，按一定的方式、比例、分布组合成复合材料，使其具有单一材料所无法达到的特殊性能或综合性能。 复合材料性能的基本特点是各向异性、可设计性，这些特性以及所引起的特殊力学性能与均质各向同性材料是不同的。 因此，需要学习了解有关复合材料的理论、力学行为的基本特征。 第一节 复合材料的定义和性能特点 一、复合材料的定义与分类 定义：由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合成的新型材料。 其组分材料虽然保持相对独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的简单叠加。 二、复合材料的特点 复合材料取决于基体和增强体的特性、含量、分布等。 (1) 高比强度、比模量 (2) 各向异性 纤维增强复合材料在弹性常数、热膨胀系数、强度等方面具有明显的各向异性。 通过铺层设计的复合材料，可能出现各种形式和不同程度的各向异性。 各向异性这一特性使复合材料的力学行为复杂化，但也可以作为一种优点在设计时加以利用。如果采用合理的铺层可在不同的方向分别满足设计要求，能明显减轻重量和更好的发挥结构的性能。 构件的自身频率除了与本身结构有关外，还与材料比模量的平方成正比。 纤维复合材料的比模量大，因而它的自振频率很高，在加载速率下不容易出现因共振而快速断裂的现象。 同时复合材料中存在大量纤维，与基体的界面，由于界面对振动有反射和吸收作用，所以复合材料的振动阻尼强，即使激起振动也会很快衰减。 第二节 单向复合材料的力学性能 连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，称为单向连续纤维增强复合材料。 一、单向复合材料的弹性性能 （一）纵向弹性模量 在计算单向复合材料的纵向弹性模量时，将复合材料看成是两种弹性体并联，并简化成有一定规则形状和分布的模型。 假设：纤维连续、均匀、平行排列于基体中，纤维与基体粘接牢固，且纤维、基体和复合材料有相同的拉伸应变，基体将拉伸力F通过界面完全传递给纤维。 实际上，由于纤维有屈曲、排列不整齐、界面结合强度小等原因，使实验值与计算值有一定差异，所以工程上常加一个修正系数K，则有： （二）横向弹性模量 计算单向纤维复合材料横向弹性模量的模型有两种： I型：纤维含量少，纤维与基体的串联模型，此时纤维与基体具有相同的应力，即： II型：纤维含量高，纤维呈束状分布于基体中，必然与基体紧密接触，其间有基体材料，但很薄，可以认为这部分变形与基体一致，纤维与基体有相同的应变，即为并联模型： 根据串联模型，复合材料的横向伸长等于纤维和基体的横向伸长之和： 根据假设 ，有： 同理，并联模型的纵向弹性模量的模型相同，所以： （三）切变模量 模型I：纤维与基体轴向并联模型，在扭矩作用下，圆筒受纯剪切应力，纤维与基体切应力相同，但因切变模量不同，切应变不同，所以为等应力模型。 模型II：纤维与基体轴向并联模型，即纤维被基体包围，在扭矩作用下纤维与基体产生相同切应变，但切应力不同，所以为等应变模型。 根据纤维与基体轴向串联模型所得到的切变模量： （四）泊松比 单向复合材料的正交各向异性，决定了材料在纵、横两个方向呈现的泊松效应不同，所以有两个泊松比。 纵向泊松比：当单向复合材料沿纤维方向受到拉伸时，在横向产生收缩，其横向应变与纵向应变之比为纵向泊松比，即： 二、单向复合材料的强度 在第I阶段，纤维和基体都处于弹性变形状态，复合材料也处于弹性变形状态，且 复合材料进入变形第II阶段时，纤维仍处于弹性状态，但基体已产生塑性变形，此时复合材料的应力为： 由于载荷主要由纤维承担，所以随着变形的增加，纤维载荷增加较快，当达到纤维抗拉强度时，纤维破断，此时基体不能支持整个复合材料载荷，复合材料随之破坏。 以上公式应满足两个条件： (1) 纤维受力过程中处于弹性变形状态； (2) 基体的断后伸长率大于纤维的断后伸长率。 如果VfVfmin，按 预测的应力下复合材料不会断裂，此时纤维对抑制基体的伸长无效，以致纤维迅速拉长达到它们的断裂应变，全部纤维破坏不会导致复合材料立即破坏。复合材料在应力为 时断裂，因此当纤维体积分数小于Vfmin时，复合材料的抗拉强度按下式计算：VfVfmin时，复合材料的抗拉强度才按此式计算： 屈曲的形式有两种： （1）挤压型 纤维彼此间反向弯曲，使基体产生横向拉伸或压缩应变； 当纤维间距离相当大，即纤维体积分数很小