复合材料压缩试验

1、 复合材料的压缩试验复合材料的压缩试验 板样试件的压缩板样试件的压缩 沿着纤维增强方向的压缩试验是普遍采取沿着纤维增强方向的压缩试验是普遍采取 的试验方式，其重要性等同于拉伸试验。的试验方式，其重要性等同于拉伸试验。 与板样试件拉伸的关系与板样试件拉伸的关系 一般情况下，等同于纤维聚合物复合材料在一般情况下，等同于纤维聚合物复合材料在 弹性对称主轴方向进行拉伸试验的所有基本弹性对称主轴方向进行拉伸试验的所有基本 关系，但要考虑变形方向。关系，但要考虑变形方向。 纤维聚合物复合材料的拉伸与压缩试验性纤维聚合物复合材料的拉伸与压缩试验性 质的差别比各向同性材料大。质的差别比各向同性材料大。 p p

2、 压缩试验的特性注意点压缩试验的特性注意点 1、与材料弹性对称主轴成不同角度的各向异性性能、层间应力、与材料弹性对称主轴成不同角度的各向异性性能、层间应力 和受压时结构对称效应。和受压时结构对称效应。 2、加载方式和材料结构所决定的特性。、加载方式和材料结构所决定的特性。 变形特点变形特点 一般情况下一般情况下, 曲线是曲线是非线性非线性 的的. 然而然而,如玻璃、硼、碳纤维等刚如玻璃、硼、碳纤维等刚 性纤维增强的复合材料，性纤维增强的复合材料，沿纤维方沿纤维方 向加载时向加载时，应力应变图从加载开，应力应变图从加载开 始到破坏前始到破坏前实际上都是线性实际上都是线性的。有的。有 时，也能观察

3、到同拉伸试验相同的时，也能观察到同拉伸试验相同的 断裂特性。断裂特性。 解释：解释： 1）若破坏前出现断裂，则是由于）若破坏前出现断裂，则是由于 部分增强部分增强纤维的失稳纤维的失稳。 2）若在较小载荷下，从）若在较小载荷下，从 曲曲 线上出现断裂，则可能是试件本身线上出现断裂，则可能是试件本身 及安装不正确或变形受到了及安装不正确或变形受到了约束约束。 当垂直于纤维铺层方向加当垂直于纤维铺层方向加 载时，呈现出非线性，其载时，呈现出非线性，其 程度取决于聚合物程度取决于聚合物基体的基体的 性能性能。 纤维与基体粘接不牢时，纤维与基体粘接不牢时， 这时材料远没达到最大载这时材料远没达到最大载

4、荷，随着粘接界面的破坏荷，随着粘接界面的破坏 而开始破坏。而开始破坏。 对棱柱试件纵向加载时发现，对棱柱试件纵向加载时发现， 支撑面的纵向和横向应变大支撑面的纵向和横向应变大 大的超过了试件标距段的应大的超过了试件标距段的应 变。这样其相应的应力可能变。这样其相应的应力可能 超过了试件本身的横向强度超过了试件本身的横向强度 而导致提早破坏。而导致提早破坏。 由于强度的各向异性的敏感性，高强度的单性复合材料由于强度的各向异性的敏感性，高强度的单性复合材料 对应力集中特别敏感。如：对短试件而言，应变场不均匀，对应力集中特别敏感。如：对短试件而言，应变场不均匀， 可造成拉伸、压缩弹性模量差别明显，这

5、不是试件本身的可造成拉伸、压缩弹性模量差别明显，这不是试件本身的 原因，而是加工误差和尺寸选择不正确所致。原因，而是加工误差和尺寸选择不正确所致。 在实际试验过程中，至少有一个支撑面相对与试验纵轴在实际试验过程中，至少有一个支撑面相对与试验纵轴 保持静止，因此，具有非对称性增强纤维叠层的试件不易保持静止，因此，具有非对称性增强纤维叠层的试件不易 进行压缩试验。进行压缩试验。 破坏模式破坏模式-取决于材料：取决于材料： 增强纤维方式增强纤维方式； 材料组分的力学性能材料组分的力学性能 试验的相对尺寸试验的相对尺寸 视基体的模量不同主要视基体的模量不同主要破坏模式破坏模式有有3 1)低模量（低模量

6、（） 局部屈曲局部屈曲制作中的变化因素。如：制作中的变化因素。如： 纤维初始波纹度；分布不均等。纤维初始波纹度；分布不均等。 2）中模量（中模量（） 横向破裂横向破裂材料组分泊松比的差别；材料组分泊松比的差别； 试样全场范围内不均匀；也有可能是试样全场范围内不均匀；也有可能是 局部破坏造成。此时的临界载荷要以局部破坏造成。此时的临界载荷要以 发生局部破坏的材料的性能来确定。发生局部破坏的材料的性能来确定。 3）高模量（高模量（） 压缩破坏压缩破坏（纤维受纤维受450角剪切角剪切）而增而增 强纤维无任何局部屈曲。强纤维无任何局部屈曲。 15 25 m empa 200700 m empa 200

7、0 m empa t300t300增强复合材料端口形貌增强复合材料端口形貌 45/0/ 45/90 层板压缩破坏表面呈现层裂层板压缩破坏表面呈现层裂 25/90 2 2层板压缩破坏表面纤维断裂层板压缩破坏表面纤维断裂 30/90 侧向形貌，侧向形貌，90900 0层横向裂缝，层间组阻挡裂纹扩展层横向裂缝，层间组阻挡裂纹扩展 层板受压分层纤维断裂及其层板受压分层纤维断裂及其 留在基体中的烙印留在基体中的烙印 25/90 t t层板破坏表面层板破坏表面 30/90 碳布压缩破坏断口碳布压缩破坏断口 45/0/ 45 载荷垂直于增强纤维方向，复合材料常由于在同基体载荷垂直于增强纤维方向，复合材料常由

8、于在同基体 剪切强度相当的应力下失稳而破坏，此时试样破碎成剪切强度相当的应力下失稳而破坏，此时试样破碎成 棱柱块。棱柱块。 实际试验过程中，可能是以上多实际试验过程中，可能是以上多 种破坏模式的耦合，常是线性与非种破坏模式的耦合，常是线性与非 线性行为，层间应力、表面层开裂、线性行为，层间应力、表面层开裂、 总体失稳、端面破坏或垂直层片开总体失稳、端面破坏或垂直层片开 裂等，因此必须裂等，因此必须仔细观察分析仔细观察分析 记录试件的破坏模式，未指明破坏记录试件的破坏模式，未指明破坏 模式的复合材料试验结果无可比性模式的复合材料试验结果无可比性。 应变速率的影响应变速率的影响 静强度受应变速率的

9、影响较大；而压静强度受应变速率的影响较大；而压 缩弹性模量和断裂伸长对应变速率不缩弹性模量和断裂伸长对应变速率不 敏感；敏感； 试样的形状和尺寸试样的形状和尺寸 与拉伸试验相比，更依赖于与拉伸试验相比，更依赖于 试件的形状和尺寸。试件的形状和尺寸。 在实际试验中，应避免使用在实际试验中，应避免使用 尺寸过小的试件。尺寸过小的试件。 原因：原因： 变形难以测准；变形难以测准； 标距段小，应变均匀度不够；标距段小，应变均匀度不够； 支撑面的挤压和变形约束效支撑面的挤压和变形约束效 应难以消除应难以消除 加工困难并导致尺寸效应加工困难并导致尺寸效应 测定测定强度强度时，应选择时，应选择板状板状或或变

10、截面变截面试样；试样； 测定测定模量模量时，应选择时，应选择圆截面圆截面或或夹层梁夹层梁试样；试样； 杆和板状试样的制备杆和板状试样的制备 与尺寸与尺寸 在弹性对称主轴方向在弹性对称主轴方向 上切取；上切取； 宽度和厚度上对称于宽度和厚度上对称于 试样纵轴；试样纵轴； 保证破坏发生在标距保证破坏发生在标距 段；段； 夹头的选择要谨慎；夹头的选择要谨慎； 在选择试样尺寸时，要考虑正应力在选择试样尺寸时，要考虑正应力 和剪切应力和剪切应力的应力集的应力集 中，标距长度要不失稳。中，标距长度要不失稳。 y xy 139.76.351.5 2.0 139.76.351.5 3.0 139.76.353

11、.2 4.0 astm推荐的标准推荐的标准(mm) lbh 硼纤维复合材料硼纤维复合材料 碳纤维复合材料碳纤维复合材料 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料 试样的标距长度：试样的标距长度：25.4 变截面试样变截面试样 变截面试样的变截面试样的 形状和尺寸取决形状和尺寸取决 于试验的目的。于试验的目的。 消除应力集中消除应力集中 如高模量纤维如高模量纤维 聚合物复合材料，聚合物复合材料， 通常采用标距段通常采用标距段 很明显的试样，很明显的试样， 以保证试样的破以保证试样的破 坏发生在标距段。坏发生在标距段。 优点是有明确优点是有明确 的标距段；的标距段； 缺点是加工难；缺点是加工难； 圆截面试

12、样圆截面试样 用来测定某些易于加工的用来测定某些易于加工的 单向复合材料，如：碳纤维单向复合材料，如：碳纤维 复合材料的压缩强度和弹性复合材料的压缩强度和弹性 模量的测定。模量的测定。 试验表明：同矩形试件相试验表明：同矩形试件相 比，数据离散度小，但强度比，数据离散度小，但强度 绝对值大。绝对值大。 为防止端面压碎，要采用为防止端面压碎，要采用 专门设计的保护端头套。专门设计的保护端头套。 端头套的尺寸端头套的尺寸 试样标距段的尺寸的选择试样标距段的尺寸的选择 标距段均匀的应力状态；标距段均匀的应力状态； 无失稳现象；无失稳现象； 应变片定位好；应变片定位好； 长度、宽度及铺层数对长度、宽度

13、及铺层数对 压缩强度的影响压缩强度的影响 标距的长度对压缩临界载荷的影响标距的长度对压缩临界载荷的影响 加载方式加载方式 试件端面施加轴向力试件端面施加轴向力 试件侧面施加切向力试件侧面施加切向力 二者叠加二者叠加 试件加工及安试件加工及安 装精度要求高装精度要求高 试验表明：试验表明： 无论加工有多无论加工有多 仔细，也不可仔细，也不可 能使试件与端能使试件与端 头套底端完全头套底端完全 接触。接触。 薄片试件对加薄片试件对加 载条件更为敏载条件更为敏 感。感。 试件端面施加轴向力试件端面施加轴向力 试件侧面施加切向力需要特殊夹具试件侧面施加切向力需要特殊夹具 celanesecelanes

14、e 夹具夹具 对试件对试件厚度有限制厚度有限制及夹及夹 具具加工精度加工精度要求高要求高 联合加载联合加载 防止屈曲和失稳的方法防止屈曲和失稳的方法 环状试样的压缩环状试样的压缩 对于弹性模量对于弹性模量 的测定与环状试件的测定与环状试件 拉伸相同。环的截面内除有压缩应力外，拉伸相同。环的截面内除有压缩应力外， 还有还有弯曲应力弯曲应力。 弯曲应力大小取决于：弯曲应力大小取决于： 材料的力学性能；材料的力学性能；试样相对尺寸；试样相对尺寸； 夹具结构夹具结构 如用如用对开盘对开盘作环状试件拉伸相同，在距作环状试件拉伸相同，在距 间隙处环的应力最大。主要原因是施加间隙处环的应力最大。主要原因是施

15、加 压缩载荷时，有偏心效应存在。压缩载荷时，有偏心效应存在。 对开盘式加载试验主要用于对开盘式加载试验主要用于定性评价定性评价 不同材料的弹性和强度性能。不同材料的弹性和强度性能。 p p r h e 测定性能：测定性能：,e 测量数据：测量数据：, iij p 几何尺寸：几何尺寸：/ , ,r h b h 可测定可测定 曲线的曲线的 线性段线性段 除对开盘式加载方式外，还有除对开盘式加载方式外，还有柔性圆环柔性圆环和和液压式液压式加载方式。加载方式。 加载的方法同拉伸时相同。加载的方法同拉伸时相同。 r h pp pp p h r 柔性圆环式加载柔性圆环式加载 液压式加载液压式加载 对于环状

16、试样在外压下进行压缩试验时，如何正确选择对于环状试样在外压下进行压缩试验时，如何正确选择 是主要问题。在实际压缩试验时，应考虑破坏压力和相对厚度是主要问题。在实际压缩试验时，应考虑破坏压力和相对厚度 间的关系有三个定义明显的区域。间的关系有三个定义明显的区域。 第一个区域第一个区域(薄壁环薄壁环)中，由于失稳而丧失承载能力。此时，中，由于失稳而丧失承载能力。此时， 失稳的临界压力可由下式计算：失稳的临界压力可由下式计算： /hr * rr pp *3 3/ r pe i r 式中：式中：环轴线的单位长度上的临界压力环轴线的单位长度上的临界压力 2 1/ 1 0.4kk试样几何形状和各向异性的参

17、数 试样几何形状和各向异性的参数 第二个区域第二个区域中，环发生压缩破坏。中，环发生压缩破坏。 第三个区域第三个区域（厚壁环厚壁环）中，要考虑边界条件，不仅要考虑）中，要考虑边界条件，不仅要考虑 也要考虑也要考虑 三个区域的边界取决于材料的各项异性。三个区域的边界取决于材料的各项异性。 r 当外力加载时，由于内层的剥离，要正确计算压缩强度通常当外力加载时，由于内层的剥离，要正确计算压缩强度通常 非常困难。非常困难。 当内层片保持为环状时的能量与同一层片剥离和失稳后的当内层片保持为环状时的能量与同一层片剥离和失稳后的 能量之差，高于内层片的结合能量时，内层片发生剥离并随能量之差，高于内层片的结合

18、能量时，内层片发生剥离并随 后失稳。当层片厚度为后失稳。当层片厚度为 时，临界应力等于：时，临界应力等于： 环状试样内表面分层环状试样内表面分层 0 h 1 21 2 0 0.916 r ii hh ek rr 4.77 /() i ke r 式式 中中格里菲斯提出的比破坏能格里菲斯提出的比破坏能 i r环的那半径环的那半径 由剥离造成的分层可分为两种：由剥离造成的分层可分为两种：对于螺旋缠绕的试样，可对于螺旋缠绕的试样，可 能会使缠绕开始松散；能会使缠绕开始松散；对于圆周叠层的试样，可能会出现对于圆周叠层的试样，可能会出现 逐层剥离现象。逐层剥离现象。 在测量径向弹性模量在测量径向弹性模量

19、时也采用外压法。这时利用外压时也采用外压法。这时利用外压p p 对紧贴在刚性芯模上的短圆筒加压。对紧贴在刚性芯模上的短圆筒加压。 r e 1 rzrrz ph e r ：在圆筒外表面测：在圆筒外表面测 得的圆周应变得的圆周应变 管状试样试验管状试样试验 用于评定具有各种纤维叠层形式的丝束缠绕材料的力学性能。用于评定具有各种纤维叠层形式的丝束缠绕材料的力学性能。 加载方式有加载方式有内压内压和和外压外压两种。两种。 可进行的试验有：可进行的试验有：轴向拉伸轴向拉伸、轴向压缩轴向压缩和和剪切剪切等。等。 所加载荷：可单一种或耦合方式。如：轴向拉伸和压缩加扭转；所加载荷：可单一种或耦合方式。如：轴向

20、拉伸和压缩加扭转； 可测得的常数：可测得的常数： 管状试验主要用来评价各种增强纤维叠层形式的复合材料的管状试验主要用来评价各种增强纤维叠层形式的复合材料的 力学性能，为了方便，常将管状式样看成没有边界效应的无限力学性能，为了方便，常将管状式样看成没有边界效应的无限 宽的平板试样。宽的平板试样。 该种等效办法只能有条件使用。该种等效办法只能有条件使用。 原因：原因： 因为二者的制造方法不同；因为二者的制造方法不同； 管状件制造时，很难保证纤维含量和铺层角度恒定；管状件制造时，很难保证纤维含量和铺层角度恒定； 在各向异性体中，应力张量和应变张量的轴只是在个别情况在各向异性体中，应力张量和应变张量的

21、轴只是在个别情况 下吻合，而受单向拉伸和压缩时，管状试件上的应力状态不能下吻合，而受单向拉伸和压缩时，管状试件上的应力状态不能 简单的等同于板状试件。简单的等同于板状试件。 ; iue u xx ; ie u xx ee z ( ) , i e u mpa ( )3 10 , i e x empa 材料和加载方式材料和加载方式 板状试件板状试件管状试件管状试件板状试件板状试件管状试件管状试件 7层碳纤维复合材料层碳纤维复合材料 拉伸拉伸 压缩压缩 13层碳纤维复合材料层碳纤维复合材料 拉伸拉伸 压缩压缩 138 131 217 117 30.3 34.5 49.0 44.8 下列表中的差别，不

22、仅是由于试件的制造方法不同，而且也下列表中的差别，不仅是由于试件的制造方法不同，而且也 是由于厚度不同以及是由于厚度不同以及7层和层和13层碳纤维复合材料的叠层顺序层碳纤维复合材料的叠层顺序 不同所致。不同所致。 281 165 295 208 55.8 54.5 57.2 57.9 用均质、各向异性材料制成定长的圆筒，受轴向载荷时，在用均质、各向异性材料制成定长的圆筒，受轴向载荷时，在 材料的各向异性轴同其几何轴重合的情况下，可由公式计算。材料的各向异性轴同其几何轴重合的情况下，可由公式计算。 （略）（略） 1323 aa若若 ，在整个横截面上不均匀地分布着应力，在整个横截面上不均匀地分布着应力 以及在以及在 纵截面上相应有应力纵截面上相应有应力 和和 ；当测定强度；当测定强度 时，必须时，必须 考虑考虑 和和 是稳定的。是稳定的。 各向各向 异性管受拉压时，只有管状试件横截面同材料的异性管受拉压时，只有管状试件横截面同材料的 横向异性平面重合（如单向复合材料管状试件，其纤维方横向异性平面重合（如单向复合材料管状试件，其纤维方 向和管子轴线严格同向时）没有径向应力和周向应力。向和管子轴线严格同向时）没有径向应力和周向应力。 x r ( )i e u z x 管状试件