复合材料的力学性能.ppt

10.4.2 复合材料的冲击性能 与金属材料的冲击试验一样，复合材料的冲击性能也通常通过摆锤冲击试验（包括采用简支梁的夏比冲击试验和悬臂梁的艾氏冲击试验）和落锤冲击试验方法进行测定，并以冲击吸收功Ak和冲击韧性 来表示。 复合材料冲击试验过程中的载荷-形变曲线，如图。图中 为断裂引发能， 为断裂扩展能，两者之和 为总冲击能。根据它们，即可评价复合材料的冲击性能。 冲击过程中复合材料的载荷-形变曲线 复合材料的冲击性能，不仅与增强纤维的类型、含量、排列方式有关，还与纤维与基体界面的结合强度有关。对层合板材料，还与铺层顺序、铺层角度和层间结合强度有关。 另外，纤维与基体的结合强度也强烈地影响复合材料的破坏模式，从而影响材料的冲击性能。当界面结合强度在某一剪切强度之下时，冲击性能随剪切强度的增加而降低，材料的破坏模式为分层；但当结合强度在此值以上时，冲击性能随剪切强度的增加而增大，纤维断裂是主要的失效模式，如图所示 玻璃纤维/聚酯复合材料的界面强度对冲击性能的影响 10.4.3 复合材料的疲劳性能 由于复合材料的多相结构特性，复合材料在疲劳过程中往往出现多种损伤模式；这些损伤相互影响组合，表现复杂的疲劳破坏行为。 从损伤尺寸看，复合材料初始损伤尺寸比金属材料大，但各种牵制作用使其具有良好断裂韧性和低的缺口敏感性，因此有较大临界损伤尺寸，如图。另外复合材料损伤是累积的，有明显征兆；而金属材料损伤累积是隐蔽的，破坏是突发性的。 复合材料与金属材料的疲劳损伤尺寸比较 从评价方法看，复合材料的疲劳性能也可用S-N曲线表示。复合材料的疲劳性能，除受到材料参数的影响外，还与试验参数等因素有关。如基体塑性好的复合材料比脆性基体复合材料的疲劳寿命长；在纤维方向进行疲劳试验时，复合材料表现出极好的疲劳性能，这是因为纤维是复合材料中的主要承载部分，而纤维的疲劳又较好的缘故。 单向连续纤维复合材料及铝合金的S-N曲线 从疲劳裂纹的扩展模式看，首先会由于纤维的断裂而产生疲劳裂纹；纤维断裂后，在纤维和基体界面产生很大的剪切应力，有利于剪切裂纹的扩展。根据界面强度和基体强度的相对大小，剪切裂纹可以在界面区扩展。当界面很弱时，界面上的拉伸开裂可能先于基体中的疲劳裂纹而产生(图b)。由于界面较弱，产生的裂纹分支(图a)和拉伸开裂(图b)会使裂纹附近的应力集中减缓，从而提高了材料的疲劳寿命。在屈服应力低的基体中出现的塑性变形也可使裂纹尖端钝化。 纤维增强复合材料中疲劳裂纹的扩展模式（M-基体；F-纤维） （a）在纤维断裂处产生的剪切裂纹；（b）在基体裂纹前面的界面上产生的拉伸开裂； （c）强纤维旁侧的基体裂纹；（d）在基体裂纹前面韧性纤维中产生的裂纹； （e）在基体裂纹前面产生的脆性纤维断裂 当基体中的疲劳裂纹扩展至纤维时，裂纹可能有三种扩展方式： （1）在弱界面和强纤维的情况下，裂纹会避开强纤维、沿纤维旁侧以非平面应变模式增长(图c)； （2）当界面很强时，裂纹尖端的高应力将作用于纤维，如果韧性纤维对裂纹尖端的高应力特别敏感，疲劳裂纹会快速地穿过纤维进行扩展(图d)； （3）由于裂纹尖端的应力集中，使脆性纤维突然破坏(图e)。当疲劳裂纹以图中的(d)和(c)模式扩展时，复合材料的抗裂纹扩展能力将明显下降。 本 章 小 结 1）复合材料的概念、分类与性能特点。 2）单向连续纤维复合材料的弹性性能（纵向弹性模量、横向弹性模量、泊松比、切变模量）、断裂强度（纵向抗拉强度、纵向抗压强度）、最小体积分数、并联与串联模型等。 3）短纤维复合材料的应力传递、纤维临界长度、平均应力、弹性模量和抗拉强度。 4）复合材料的断裂方式（纤维断裂、纤维拔出、基体开裂、界面脱胶和分层等）、冲击与疲劳失效的特点。 复习思考题 (1); (2); (4); (5) ; (6); (8) * 而对韧性纤维，由于其在受力条件下能在基体内产生塑性变形，并可阻止其产生颈缩，当纤维断裂时会大于纤维本身的断裂应变，从而使复合材料的断裂应变高于纤维的断裂应变。因而复合材料的抗拉强度总是会高于按式（10-32）预测的强度，即韧性纤维的加入总是会增强基体材料的。 2）纵向抗压强度 当单向连续纤维复合材料纵向受压时，可将连续纤维看作在弹性基体中的细长杠件而产生屈曲。屈曲的形式有两种：一是拉压型，纤维彼此间反向弯曲（图a），使基体出