断裂韧性参量PPT学习教案

1、会计学1 断裂韧性参量断裂韧性参量 0 aK a 0 0 玻璃上的表面裂纹 0 第1页/共44页 0 第2页/共44页 复合材料的多相结构性质决定其具有良好的断裂韧性； 材料变形时，一定程度上的损伤并不会削弱其承载能力，只 有损伤超过临界水平后，裂纹的扩展才将导致破坏的发生。材 料变形时，微观及宏观层上弱界面的存在会抑制裂纹的增长。 控制裂纹扩展的因素很多，不仅取决于各组元的特性，还取决 于其相互作用的方式（如：铺层方式、贫富脂区、缺陷几何尺 寸等），其中主要是纤维与基体界面的不连续性。 第3页/共44页 断裂力学的研究方法 1920年，基于应力的应力强度因子K和相应的基于能 量的应变能释放率

2、G，Griffith建立了含裂纹固体断裂 Griffith模型；从而为现代断裂力学在复合材料中的应 用打下基础。在此基础上，后人研究发现，断裂能或 断裂功功与断裂过程具有明确的关系，由它可以不同 材料的性能，而且有助于推断材料/工艺参数对特定复 合材料的行为可能产生的影响；断裂能的思想又导致 了裂纹阻力曲线（R曲线）概念的发展。 第4页/共44页 y x z o p p z y x o p p y x z o p p I型（张开型） II型裂纹（滑开型） III型裂纹（撕开型） Griffith的三种破坏模型的三种破坏模型 第5页/共44页 s 考虑简单的Griffith平面裂纹模型，认为裂纹

3、扩展不可逆。 裂纹增长导致整个系统（试验机试样）弹性能的净变化用 于提供产生新表面的能量 和激发促使裂纹增长的其他变 形或破坏机制的能量 F 基体效应基体效应： 1. 金属或热塑性材料等非脆性基体中加入高体积份数的刚性 、脆性纤维时，由于塑性约束而导致基体中产生三轴向拉 应力分量，使基体有效韧性降低（如水泥、金属陶瓷等） 2. 软质基体中加入低体积分数的刚性粒子或纤维后由于基体 刚性提高，基体产生临界初始裂纹所需的应力提高，因此 基体有效韧性增加 3. 低韧性基体中加入纤维或粒子后由于在添加物附近裂纹增 长缓慢，基体的有效韧性提高。（如脆性塑料依赖于裂纹 的开裂速度、并于裂纹表面粗糙度有关）

4、第6页/共44页 纤维效应纤维效应： 玻璃纤维、碳纤维和硼纤维等具有较高破坏强度和断裂应变， 这些纤维的本征断裂能很低，其破坏形式主要由缺陷分布的统 计性质决定。 纤维纤维/基体的简单加合效应：基体的简单加合效应： 对金属增强的金属基复合材料的研究表明；复合材料的比断裂 能可通过混合律对各组元断裂能求和： ()() (1)() FcFmfFff VV 该式假定刚性更强的纤维使基体塑性变形的范围局限在 裂纹附近。 第7页/共44页 复合效应对韧性的影响复合效应对韧性的影响 对于简单情况，估算基体合纤维的变形所需的相应能量就可以 为宏观韧性提供合理的模型（如混合律模型），然而在实际的 纤维增强复合

5、材料中，微观结构的不均匀性合各向异性使断裂 过程非常复杂，微观断裂会最终导致破坏，但微观断裂结合在 一起却能使断裂能提高。与金属不同，大部分高性能复合材料 不存在加工硬化问题，即使是破坏过程是渐进的，达到峰值载 荷后某一组元的承载能力也会非常迅速下降，但破坏过程仍能 吸收很多能量，所以此类复合材料适合于吸收能量比承载能力 更重要的场合。 第8页/共44页 线性（非韧） 非线性（较韧） 后断裂（整体） 不同脆性/韧性行为的应力应变曲线 第9页/共44页 单向复合材料中的单向复合材料中的累积累积损伤和失效损伤和失效 复合材料应力轴 纤维拉伸应力 未断裂纤维 剪切应力 断裂纤维周围应力扰动断裂纤维周

6、围应力扰动 断裂纤维 当某一给定纤维上弱点处的局部应力水平达到其失效应力时，纤维将发生断裂，所承受的载荷将会转移到相邻的集体中。但在远离纤维断点处纤维仍将承担分配的全部载荷。 在临近断点的纤维上应力将发生扰动，但不会引起邻近纤维到断裂程度。 随着载荷的继续增加，其它纤维将陆续发生断裂。 单丝的破坏不会严重影响整个复合材料的承载能力。 第10页/共44页 研究导致复合材料失效的纤维随机断裂的模型复合材料研究导致复合材料失效的纤维随机断裂的模型复合材料 纤维复合材料中裂纹增长阶段纤维复合材料中裂纹增长阶段 1 2 3 45 第11页/共44页 为便于研究各种微观增韧机制，可考虑一个集体中正在接近一

7、单根纤维模型。 1、首先，由于纤维刚度高，使基体开裂无法进一步扩大； 2、其次，纤维强度高，不会被集中在基体裂纹尖端的应力所拉断，因此纤维可 有效 地阻止裂纹扩展（如2） 3、若作用在纤维/基体界面的局部剪应力足够高而使纤维局部脱粘，裂纹会进一 步开裂； 4、脱粘后，纤维弹性延伸，随后基体相对于纤维发生滑移的过程中裂纹进一步 张开（如3），所有这些过程都需要能量；裂纹可能绕过大量纤维而不使纤维断 裂，对于给定的纤维/基体/界面体系可以达到一种平衡状态，其中稳定数量的桥 联纤维继续承受部分载荷，这种桥联是一种更进步的增韧机制； 5、裂纹扩展时对裂纹抵抗能力增长的程度通常成为“R曲线行为”，它受限

8、还 是扩展取决于材料。处于桥联中的纤维上的载荷会不断增加而将纤维拉断（如5 ） 6、加载过程中，纤维由于泊松比收缩而发生脱粘的长度上与基体脱离，其长度 取决于界面结合的强度，当纤维在距开裂平面较远处断开时，储存的弹性能得到 释放，纤维与基体重新接触。 第12页/共44页 ms基体屈服应力； *基体中应变量为fu时的应力； * *基体应变量Lu时的应力； Lu复合材料纵向抗拉强度； fs纤维屈服应力； fu纤维断裂应变； fu复合材料断裂应变 以上过程从纤维/基体/复合材料的应力应变曲线中也可看出 第13页/共44页 可以看出， 复合材料的应力应变曲线处于纤维和基体的应力应变 曲线之间。 复合材

9、料应力应变曲线的位置取决于纤维的体积分 数。 如果纤维的体积分数越高，复合材料应力应变曲线越接 近纤维的应力应变曲线； 反之，当基体体积分数高时，复合材料应力-应变曲线则接 近基体的应力应变曲线。 第14页/共44页 x y 2 I y K x 2a 2 2 3 cos1 sinsin 2222 3 cos1 sinsin 2222 3 sincoscos 2222 .cos(1)(1)sin (1)222 .sin2(1)cos (1)222 I x I y I x I I I K r K r K r Kr u Kr v Ka 第15页/共44页 , ,rE和 0r 第16页/共44页 II

10、C KK 第17页/共44页 第18页/共44页 第19页/共44页 第20页/共44页 第21页/共44页 第22页/共44页 第23页/共44页 第24页/共44页 第25页/共44页 第26页/共44页 第27页/共44页 a=1550mm, L=70200mm, B=1525mm, h=36mm 第28页/共44页 第29页/共44页 第30页/共44页 第31页/共44页 第32页/共44页 第33页/共44页 第34页/共44页 第35页/共44页 第36页/共44页 第37页/共44页 第38页/共44页 第39页/共44页 断裂力学被普遍认为是表征宏观均质和各向同性材料（如金属 和合金）韧性的一个非常有用的理论。然而由于纤维增强复合 材料的内在结构的特殊性（非均质、各向异性等），使得早期 研究者认为断裂力学应用具有局限性，主要表现在： 1、使用相同的试验方法（如临界应力强度和柔度测量）表征 复合材料韧性是否可行； 2、断裂力学的基本方程能否修改使其使用于非均质和各向异 性体系； 3、初始裂纹的几何形状、载荷和材料方向在多大程度上控制 裂纹扩展（当它以适当方式发生时） 4、发展能够预测复合材料行为的技术需要哪些理论和实验研 究。 第40页/共44页 第41页/共44页 研究表明：对平行于纤维方向扩展的特定