5强韧化5.1复合材料的强度.ppt

5. 强韧化 5.1复合材料的强度 分析复合材料破环行为的两种表达方式 作为引起材料的变形、损伤程度及最终破坏的载荷的函数 描述为复合材料发生应变时内部所吸收的能量。（韧性） 5.1.1 长纤维复合材料的断裂模式 横向拉伸断裂 剪切断裂 压缩断裂 5.1.2 受到非轴向载荷的单层板的断裂 1） 最大应力学说 在单纯的最大应力学说中，假定与纤维平行或垂直的应力达到某一极限值时，发生断裂。 其他的断裂学说 在组合应力，特别是对叠层板的各个层片施加平面应力的条件下，对长纤维复合材料的断裂进行了各种预测。Rowlands于1985年发表了对该方法的展望。大部分方法都是基于对金属展开的屈服标准的采用。最为一般的是Tresca与Mises的屈服标准。Tresca的标准相当于达到最大剪切应力的极限值时发生的屈服 实验数据 5.1.3 叠层板的强度 层间应力 末端效应 5.1.4 受到内压的圆管的破损 5.2. 复合材料的韧性 受到负荷的材料所吸收的能量与应力同等重要 韧性优异的材料在断裂时需要大的能量 在受到冲击等多种负荷的情况下，材料是吸收一定的能量而断裂 在很多情况下，决定材料性能的是断裂韧性。 5.2.1 断裂机理基本概念 材料的断裂是由于裂纹周围积蓄的能量随裂纹的扩展而释放所发生。 如果能量不能达到平衡，则裂纹不扩展。 裂纹先端的高应力与裂纹传播的能量不能取得平衡时，裂纹不发生扩展。 在一般的金属材料中，由于晶粒界上滑移高频率地发生，所以显示出高的断裂韧性。 以应力或能量基础的裂纹变形 以裂纹先端的应力为焦点。指出在受到与纤维平行的负荷的复合材料中，裂纹接近纤维时，在裂纹的先端产生横向应力，这样的应力使界面开口，使来自纤维插入部的裂纹钝化，或者发生使裂纹变形的倾斜。 能量基础的裂纹变形的标准。一个模块中产生的裂纹，随着裂纹的增大而向另一模块扩展。所以可以推测，通过施加为了使裂纹扩展的负荷，能够使裂纹在该过程中贯通到另一模块，或者是发生沿着界面的变形。 5.2.2 对断裂能量的贡献 通常的工业材料中要求优异的断裂韧性。关于断裂韧性，对于复合材料有利的是促进材料内对能量的吸收的机制。而且，理解对该能量吸收的控制机理也是十分主要的。 提高断裂韧性 使强化材料分布均匀，限制颗粒或纤维的尺寸，改善成形工序。优异的界面强度的提高。 非金属基体，对于基体的能量吸收，虽然是有限的范围，但是，强韧化的机理还是有很大意义的。 塑料基复合材料的韧性的改善，其基本想法也是使用其韧性高于基体的强化材料。 基体的变形 金属基体一般在裂纹附近产生大的滑移，所以具有高的断裂韧性。但是高分子材料（特别是热固性树脂）与陶瓷的断裂韧性一般较低。 复合材料的断裂中基体的变形，与同一材料非强化状态下的变形相比，有很大的不同。 基体的变形会受到很多约束，在刚性高的纤维周围的基体，不能进行自由的变形，负荷的传递的不同。 裂纹附近的应力是三维应力场，阻碍基体伴随着变形的塑性流动。 横向的拉伸应力，阻碍了塑性流动，却在材料中产生了空洞，反而容易断裂。 纤维的断裂 复合材料的的断裂中纤维的断裂是其基本形式。 断裂能量中纤维断裂所占的比例很小。 有机体系纤维的断裂能量也较大。例如KevlarTM纤维。 金属纤维的断裂能量比无机纤维要大，强化混凝土中钢筋的体积比虽然较低，但仍然能够得到好的效果， 在复合材料中，如果不能充分利用纤维的性能，提高韧性是比较困难的。 界面剥离 在复合材料的断裂过程中常常发生。 裂纹向着与纤维排列方向相垂直的方向扩展，裂纹在到达界面时，可能会在界面产生剥离。 界面剥离是由横向载荷或剪切载荷所产生的。 摩擦滑动与纤维的拔出抵抗 通常的纤维强化复合材料的断裂能量，是在界面上的摩擦滑动而进行。断裂的能量吸收会因界面的粗糙度、接触压力或滑动距离而不同。 界面特性的控制 5.2.3 准临界裂纹的扩展 在裂纹扩展过程中，在能量释放速率低于临界值时，会发生急剧的断裂。 两种情况。 第一，如果负荷由某种方法而变动，则在裂纹先端的局部，仅发生少量的裂纹扩展。 第二，裂纹先端浸入腐蚀液的部分韧性下降。 疲劳 对于金属基复合材料，疲劳断裂是重要的研究课题。对于疲劳的分析，一般是进行关于重复负荷中最大载荷与最小载荷之间的应力扩大系数的差ΔK进行研究。最初发生断裂的最大值Kmax，是由循环放出的能量与ΔK相关而求出。所以，以负荷应力的大小ΔK作为表示值而使用应力比R（Kmim/ Kmax）。裂纹扩展的抵抗。 应力腐蚀裂纹 应力腐蚀所产生的裂纹，是由于腐蚀液浸入了断面先端，从而促进了准临界裂纹的生长而造成的。材料的局部韧性下降的微观机理，因材料的种类及环境条件而变化。 例如，在铝基材料中，在包含水分及盐分的空气中，疲