材料力学性能 第十一章 复合材料的力学性能 材料力学性能 讲义 课件

材料力学性能 Date1安徽工业大学 材料科学与工程学院 第十一章 复合材料的力学性能 Date2安徽工业大学 材料科学与工程学院 n20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。 n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。 n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。 n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。 Date3安徽工业大学 材料科学与工程学院 第一节 复合材料的定义和性能特点 n一、复合材料的定义与分类 n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。 n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。 Date4安徽工业大学 材料科学与工程学院 n基体：复合材料中的连续相，主要构成相 n增强体：分布于基体中的一种或几种不连续相 ，不连续相的强度、硬度比连续相高。增强体 以独立的形态分布于基体中，二者之间存在相 界面，增强体可是纤维、颗粒状填料等。 本章讨论的是作为结构材料使用的纤维复合材料，指以高性能 的碳纤维、陶瓷纤维、芳纶（聚对苯二甲酰对苯二胺）纤维、 晶须等为增强体，以金属、陶瓷、聚合物为基体的先进复合材 料。 Date5安徽工业大学 材料科学与工程学院 复合材料的分类 n（1）按增强体分类： n 连续纤维复合材料 n 非连续纤维复合材料 n 颗粒复合材料 n 层合板复合材料 n（2）按基体分类： n 聚合物基复合材料 n 金属基复合材料 n 无机非金属基复合材料 n（3）按用途分类： n 结构复合材料 n 功能复合材料 Date6安徽工业大学 材料科学与工程学院 二、复合材料的特点 n复合材料取决于基体和增强体的特性、含量、 分布等。 n(1) 高比强度、比模量 Date7安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date8安徽工业大学 材料科学与工程学院 (2) 各向异性 n纤维纤维 增强复合材料在弹弹性常数、热热膨胀胀系数、强度等方面具有 明显显的各向异性。 n通过铺层设计过铺层设计 的复合材料，可能出现现各种形式和不同程度的各 向异性。 n各向异性这这一特性使复合材料的力学行为为复杂杂化，但也可以作 为为一种优优点在设计时设计时 加以利用。如果采用合理的铺层铺层 可在不同 的方向分别满别满 足设计设计 要求，能明显显减轻轻重量和更好的发挥结发挥结 构 的性能。 (3) 抗疲劳性好 金属、陶瓷材料的疲劳劳破坏是没有明显预显预 兆的突发发性破坏，而纤纤 维维复合材料中纤维纤维 和基体的界面能阻止裂纹扩纹扩 展，所以纤维纤维 复合 材料疲劳劳破坏总总是从纤维纤维 的薄弱环节环节 开始，逐渐扩渐扩 展到结结合面 上，破坏前没有明显预显预 兆。 Date9安徽工业大学 材料科学与工程学院 n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。 n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。 n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。 (4) 减振性能好 n通过改变纤维、基体的种类和相对含量，纤维集合形式及排 布方式等可满足复合材料结构和性能的设计要求。 n复合材料的高比强度、高模量的特点，是由于这种材料受力 时高强度、高模量的增强纤维承受了大部分载荷，基体只是 作为传递和分散载荷给纤维的媒介引起的。 (5) 可设计性强 Date10安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date11安徽工业大学 材料科学与工程学院 第二节 单向复合材料的力学性能 n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。 Date12安徽工业大学 材料科学与工程学院 n单向复合材料的强度和钢度都随方向而改变，有五个特征 强度： n（1）纵向抗拉强度、（2）纵向抗压强度、 n（3）横向抗拉强度、（4）横向抗压强度、 n（5）面内抗剪强度。 n有四个特征弹性常数： n（1）纵向弹性模量、（2）横向弹性模量、 n（3）主泊松比、（4）切变模量。 Date13安徽工业大学 材料科学与工程学院 一、单向复合材料的弹性性能 n（一）纵向弹性模量 n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。 n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。 Date14安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date15安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date16安徽工业大学 材料科学与工程学院 n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： Date17安徽工业大学 材料科学与工程学院 （二）横向弹性模量 n计算单向纤维复合材料横向弹性模量的模型有两种： nI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： nII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： Date18安徽工业大学 材料科学与工程学院 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： Date19安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date20安徽工业大学 材料科学与工程学院 n根据假设 ，有： n同理，并联模型的纵向弹性模量的模型相同， 所以： n 是纤维全部分散、互不接触，独立时的横向弹性模 量，是横向弹性模量的最小值； n 是纤维全部接触、连通时的横向弹性模量，是横向 弹性模量的最大值。 Date21安徽工业大学 材料科学与工程学院 （三）切变模量 n模型I：纤维与基体轴向串联模型，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。 n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。 Date22安徽工业大学 材料科学与工程学院 根据纤维与基体轴向串联模型所得到的切变模量： 根据纤维与基体轴向并联模型所得到的切变模量： Date23安徽工业大学 材料科学与工程学院 （四）泊松比 n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。 n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： Date24安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date25安徽工业大学 材料科学与工程学院 横向泊松比：当沿垂直于纤维方向弹性拉伸时，其纵向 应变与横向应变之比： Date26安徽工业大学 材料科学与工程学院 二、单向复合材料的强度 n（一）纵向抗拉强度 n玻璃纤维、碳纤维、硼纤 维、陶瓷纤维增强的热固 性树脂基复合材料的变形 特性只有I、IV阶段； n金属基和热塑性树脂基复 合材料，包含第II阶段； n脆性纤维增强复合材料， 观察不到第III阶段，而韧 性纤维复合材料有第III阶 段。 Date27安徽工业大学 材料科学与工程学院 n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 Date28安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date29安徽工业大学 材料科学与工程学院 n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： n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。 n以上公式应满足两个条件： n(1) 纤维受力过程中处于弹性变形状态； n(2) 基体的断后伸长率大于纤维的断后伸长率。 Date30安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date31安徽工业大学 材料科学与工程学院 如果VfVfmin时，复合材料的抗拉强度才按此式计算： Date32安徽工业大学 材料科学与工程学院 n屈曲的形式有两种： n（1）挤压型 n纤维彼此间反向弯曲，使 基体产生横向拉伸或压缩 应变； n当纤维间距离相当大，即 纤维体积分数很小时，这 种屈曲模式才可能发生。 n（2）剪切型 n纤维之间同向弯曲，基体 主要产生剪切变形，这种 屈曲模式较为常见。 （二）纵向抗压强度 Date33安徽工业大学 材料科学与工程学院 复合材料沿纤维方向受压时，可以认为纤维在基体内的 承力形式像弹性杆。 假设基体仅提供横向支持，载荷由纤维均摊，复合材料 的抗压强度由纤维在基体内的微屈曲临界应力控制。 将单向纤维复合材料简化成纤维和基体薄片相间粘接的 纵向受压杆件，当外载荷增至一定值后，纤维开始失稳 ，产生屈曲。 Date34安徽工业大学 材料科学与工程学院 第三节 短纤维复合材料的力学性能 n单向连续纤维增强复合材料的一个显著特点： n就是沿纤维方向有较高的强度和模量，但在垂直 于纤维方向强度和模量较小。 n如果一个零件的应力状态可以精确地确定，就可 用单向层坯设计制造层合板，使它与这个应力状 态完全匹配，这种情况下，单向复合材料具有优 越性。 Date35安徽工业大学 材料科学与工程学院 n但是如果零件的应力状态无法预测，或已经知道在各 个方向上受力基本相同，虽然可用单向增强的层坯制 成准各向同性的层板，但在每一层内，如在弯曲时受 力最大的表面层内，在垂直纤维方向还是容易出现裂 纹，所以在这种情况下，每一层最好是各向同性的。 n而制造这种各向同性层坯的有效方法，是用随机取向 短纤维作为增强体，制造短纤维复合材料易使制造过 程自动化，应用大批量生产中的模塑技术，如模压法 和注模法，可以高生产率制造出高精度的短纤维复合 材料零件或结构件。 Date36安徽工业大学 材料科学与工程学院 一、基体与纤维间的应力传递 n载荷作用于复合材料上时，纤维不直接受力，载荷作用 于基体材料上，然后通过纤维与基体的界面传递到纤维 。 n当纤维长度比传递应力的界面区长度大很多时，纤维末 端的传递作用可以忽略不计，纤维可看成是连续的。在 短纤维复合材料情况下，纤维末端的应力传递作用变得 显著，已不能忽略不计，同时复合材料的力学性能与纤 维长度密切相关。 Date37安徽工业大学 材料科学与工程学院 n距离纤维末端z的纤维应力为： n由于纤维末端附近高的应力集中或 基体屈服，使纤维末端与基体脱胶 ，一般 可忽略，则上式可改成 ： n如果切应力沿纤维长度的变化已知 ，则据上式就可以计算出数值。 n实际上，切应力分布事先是未知的 ，只能作为整个解的一部分来求。 Date38安徽工业大学 材料科学与工程学院 n随纤维长度增加，界面面积增大，中部拉应力也增大 。当纤维中点的最大拉应力恰好等于纤维裂纹强度时 ，纤维长度称为纤维的临界长度lcr： nllcr时，短纤维才会像长纤维一样起增强作用。 Date39安徽工业大学 材料科学与工程学院 二、短纤维复合材料的弹性模量 n假设纤维与基体粘接牢固， 纤维的长度和直径相同，不 屈服，Halpin-Tsai给出了单 向短纤维得合材料的弹性模 量的计算公式： Date40安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date41安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date42安徽工业大学 材料科学与工程学院 三、短纤维复合材料的强度 n根据纤维长度不同，单向短纤维复合材料的抗拉强度 有不同的表达式： Date43安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date44安徽工业大学 材料科学与工程学院 第四节 复合材料的断裂 n一、复合材料的断裂 n复合材料受载，当裂纹尖端应 力水平达到一定数值时，裂纹 将向前扩展； n裂纹扩展时，其尖端可能与附 近各种已存在的损伤或新形成 的损伤（如纤维断裂、基体变 形和开裂、纤维与基体脱胶等 ）相遇，使损伤区加大，裂纹 继续扩展，直到最终产生宏观 断裂。 Date45安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date46安徽工业大学 材料科学与工程学院 这种脆性断裂共有三种类型： n(1) 接力破坏机理：当一根纤维断裂引起邻近纤维应 力集中而过载，后者断裂，依次类推，最终复合材 料整体破坏。 n(2) 脆性粘接断裂机理：断裂的纤维在其周围基体中 形成应力集中，使基体破坏，并最终导致材料整体 破坏。 n(3) 最弱环节机理：与基体粘接强的纤维的一旦断裂 ，立即引起复合材料的整体破坏。 Date47安徽工业大学 材料科学与工程学院 n是垂直于裂纹扩展方向的纤维，当其应变达到断裂应变时发生的 。在复合材料受载早期就有个别纤维产生这种损伤，随着载荷增 加，断裂纤维数也增加。 (1) 纤维断裂 n复合材料中，基体因强度低，所以在材料受载时先于纤维变形， 到复合材料完全断裂时，纤维周围的基体也随之断裂。 (2) 基体变形和开裂 n若裂纹穿过基体扩展遇到纤维时，裂纹可能分叉，转向平行于纤 维方向扩展。裂纹可在基体内，也可沿界面扩展，取决于界面与 基体的相对强度。如果界面结合较弱，就将使纤维与基体脱胶。 (3) 纤维脱胶 Date48安徽工业大学 材料科学与工程学院 n这种损伤也发生在纤维与基体的界面上，它是由于断裂纤维在基 体中引起的应力集中因基体屈服而被松弛，使纤维断裂裂纹在基 体中扩展阻力增加，结果沿界面产生纤维拔出现象。 n当断裂纤维端部与材料断裂横截面的距离很小（小于临界尺寸的 一半），常出现纤维拔出损伤。 (4) 纤维拔出 n这是发生在层合板情况下的一种损伤。当裂纹穿过层合板的一个 铺层扩展时，其尖端遇到相邻铺层的纤维，可能受到阻滞。 n但因与裂纹尖端相邻的基体中切应力很高，裂纹可能分枝出来， 开始在平行于铺层平面的界面上扩展，形成分层裂纹。 (5) 分层裂纹 Date49安徽工业大学 材料科学与工程学院 n（一）复合材料的冲击性能特点： n(1) 单向复合材料的应变速率敏感性因纤维种类不同 而有所区别，而钢的应变速率敏感性也因强度不同而 有差异。 n低模量玻璃纤维复合材料对应变速率变化敏感，当冲 击拉伸应变速率达到103s-1，其强度、塑性和韧性都比 静载荷时高； n高模量碳纤维复合材料的力学性能，对应变速率变化 不敏感。 二、复合材料的冲击性能 Date50安徽工业大学 材料科学与工程学院 n(2) 钢的冲击断裂机理是穿晶解理或微孔聚集断裂， 复合材料的冲击断裂是各类损伤的积累或非积累破坏 。 n(3) 高弹性模量复合材料往往比低弹性模量复合材料 的冲击韧性差，如碳纤维-环氧复合材料与玻璃纤维- 环氧复合材料的冲击韧性。 n前者以纤维断裂为主要损伤模式，断裂扩展能低，后 者以纤维拔出和分层裂纹为损伤模式，断裂扩展能高 。 Date51安徽工业大学 材料科学与工程学院 （二）影响复合材料冲击性能的因素 n1. 纤维方向的影响 Date52安徽工业大学 材料科学与工程学院 Date53安徽工业大学 材料科学与工程学院 2. 界面的影响 n纤维与基体的界面强度强烈地影响复合材料的破坏模式， 从而影响材料的冲击能。 n对玻璃纤维-聚酯复合材料和玻璃纤维-环氧树脂试验表明 ，前者的界面强度可通过表面处理大幅度变化，而后者的 界面即使未经过表面处理也能