复合材料的力学性能

1、第 六 章 纤维复合材料的力学行为,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为称为疲劳，它记述了材料经受周期应力或应变时的失效过程。如图所示，通常可用S-N曲线描述材料疲劳失效的特征。其中S是对材料施加的恒定应力，N是施加应力的周期次数，当应力很高时，达失效的周期次数N很小；当应力较低而失效的周期次数N无限大时，应力的上限值称为疲劳极限。,但实际上不可能在长时间内无限制地试验下去，一般当N达到107次而不发生疲劳失效时应力的上限值就定义为疲劳极限，或称作条件疲劳极限。 疲劳失效一般指构件已不能再按原来要求的功能继续使用，并伴随产生热，机械强度降低、损伤直至断裂等，

2、如高分子材料产生银纹使强度和透明降低就是一种失效的表现。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,在实际使用过程中，构件或制品常常在比屈服强度低得多的应力下发生失效，这种现象多与材料在加工过程中存在的某些缺陷，如气泡、裂纹、杂质和局部应力集中等有关。对纤维复合材料在交变载荷作用下的损伤与破坏行为作出正确的评价，是复合材料结构设计与应用中必须要考虑的问题。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,在复合材料疲劳过程中，一般不出现主裂纹扩展现象，其损伤机理非常复杂，难以用简单的数学模型加以描述，因此对疲劳行为的检测是十分重要的。然而，由于复合材料的非均质各向异性以及层合结构等增大了疲劳试验的难度。目前，复合材料疲

3、劳损伤的测试主要有显微镜直接观察、声性射、X-射线衍射及红外热像技术等无损检验方法。以下简要介绍纤维复合材料疲劳损伤的特点以及影响疲劳性能的因素。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,在交变载荷作用下，可以观察到各向同性金属材料中明显的单一主裂纹有规律的扩展现象，这一主裂纹控制着最终的疲劳破坏。对于纤维复合材料，往往在高应力挖掘区出现较大的疲劳破坏，如界面脱胶、基体开裂、分层和纤维断裂等，表面出非常疲劳破坏行为，很少出现由单一裂纹控制的破坏机理。,一、复合材料的疲劳损伤,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,如图所示，各向异性纤维复合材料的抗疲劳损伤性能比传统金属材料好得多。在疲劳过程中，尽管复合材料初

4、始损伤或缺陷的尺寸比金属大，但多种损伤形式和增强纤维的牵制作用使复合材料呈现出良好的断裂韧性和低的缺口敏感性，因此损伤寿命长于金属材料，具有较大的临界损伤尺寸 。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,单向复合材料在纤维方向有很好的抗疲劳性，这是由于在单向复合材料中载荷主要靠纤维传递，而通常纤维具有良好的抗疲劳性。在实际受力结构中，普遍使用的是复合材料层合板。由于各个铺层方向不同，沿载荷方向的一些铺层会比另外一些铺层薄弱。在比层合板最终破坏早得多的时候，在薄弱铺层中会出现损伤迹象，如基体产生裂纹或龟裂、纤维与基体间的界面破坏、纤维断裂以及铺层之间分层等。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,如图为单向复

5、合材料正轴拉伸时几种疲劳损伤的示意图。拉伸疲劳时，首先在基体内出现分散的横向裂纹（a）；在纤维断裂处裂纹发生局部扩展，并诱发界面破坏（b）；纤维断裂引起界面脱胶（c）以及促使基体裂纹扩展（d）；大规模基体裂纹扩展还会出现纤维桥接（e）以及多种疲劳损伤组合的形式（f）地。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,在正交（0/90）层合复合材料中，横向层（90）与纵向层（0）的强度和模量相差很大。通常，在交变载荷作用下，横向层将首先出现裂纹，并往往同时伴随界面脱前和基体开裂及分层。分层是因横向与纵向两层的泊松比不同引起层间剪切应力和层间正应力所致。裂纹出现后，裂纹附近横向层内的纵向正应力为零，而离裂纹稍远

6、处应力较大。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,随着裂纹进一步发展，横向层在纵向正应力较大的区域继续产生新的横向裂纹，使裂纹密度逐渐趋于饱和。此时，横向层失去了承载能力，仅依靠界面将其与纵向层粘结在一起。但是，横向层对纵向层泊松变形的抑制作用又诱发了纵向层中的纵横向裂纹，出现了纵横裂纹交叉现象。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,同时，由于纤维性能的离散性，若干随机分布的纤维首先断裂。在疲劳破坏的后期，复合材料内部出现较多的纤维断裂群。最后，在损伤最为密集的区域发生局部损伤加剧化，导致层合板破坏。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,用S-N曲线来描述复合材料的疲劳行为时，一般是以试样完全破坏作为失效

7、基准。复合材料的S-N曲线受各种材料的、试验的因素影响。例如，材料方面的因素有组分材料的性能、铺层方向及顺序、增强纤维的体积含量和界面结构等，试验方面的因素如载荷形式、平均应力和切口、频率、环境条件等。,二、影响复合材料疲劳性能的因素,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,如图所示，用高模量纤维如硼纤维、Kevlar纤维或碳纤维等增强的复合材料，当在纤维方向试验时，复合材料显示出极好的抗疲劳性。图中R为最小应力与最大应力的比值。虽然高模量单向复合材料横向拉伸疲劳行为与玻璃纤维复合材料相差无几，但其纵向抗疲劳性能要好得多。当复合材料在纤维方向承受疲劳载荷时，高模量纤维可使基体产生较小的应变。,第三节

8、纤维复合材料的疲劳行为,单向复合材料的拉伸强度在纤维方向是最大的，因此能承受较高的拉伸疲劳载荷。然而，与多向层合板相比，单向复合材料的疲劳特性并不是最佳的。横向强度低以及不良的试验条件等容易引起复合材料沿纤维方向发生纵向开裂。如果增加一些90方向的铺层，可以避免纵向开裂。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,如图为不同结构形式层合板的S-N曲线。可见，加入适量90铺层或采用5对称铺层结构的层合板较单向层合板的拉伸疲劳特性能有所改进。等量的0和90铺层构成的正交铺层层合板的疲劳强度明显高于玻璃布铺层层合板。由于无纺材料中纤维处于平行和舒直状态，不象编织物中纤维那样弯曲，所以一般而言，无纺材料在抗疲劳

9、性方面优于编织材料。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,在有切口的试样中，切口周围容易产生复合应力和出现应力集中。疲劳加载时，试样内部的损伤使得缺口周围的应力重新分配，所以很难用无切口闭幕式样的疲劳强度估算切口试样的疲劳强度。但是，大多数复合材料层合板的疲劳数据表明，切口（圆孔或裂纹）对疲劳强度的影响并不显著。复合材料切口试样良好的抗疲劳性主要是由于损伤缓和了切口尖端附近的应力集中。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,湿度和温度不仅影响材料的固有强度，也影响材料的应力状态。升高温度或湿度，常常会降低受基体影响较大的铺层横向强度和剪切强度，因而也使得剩余强度下降。吸湿还会降低聚合物基体的玻璃化转变温

10、度，影响玻璃纤维的耐腐蚀性。试验表明，低温对复合材料疲劳寿命的影响几乎可以忽略，而室温下湿度对碳纤维复合材料疲劳寿命的影响亦很小。,第三节 纤维复合材料的疲劳行为,沿纤维方向的拉伸和压缩试验、垂直于纤维方向的拉伸和压缩试验以及面内剪切试验是单向复合材料的5个基本力学试验。一般而言，在纤维方向拉压及垂直于纤维方向拉伸试验中，应力-应变关系多呈线性，而在垂直于纤维方向压缩及纵横方向剪切试验中应力-应变关系则表现出非线性特征。,第四节 单向复合材料的破坏模式,单向复合材料的破坏模式除与纤维和基体的种类有关外，还受材料内部向种缺陷及损伤的影响。例如，气泡、空隙、贫或富胶、夹杂物、不正确的纤维取向等制造

11、缺陷。划伤、擦伤、边缘损伤、冲击引起的分层、脱胶等使用损伤以及冰冻/环境损伤，对复合材料的破坏模式也有一定作用。因此，用复合理论预测的复合材料性能往往与试验值不符。以下简要介绍在不同载荷条件下单向复合材料的断裂模式（fracture model）。,第四节 单向复合材料的破坏模式,单向复合材料的破坏起源于材料中固有的缺陷。这些缺陷可以是破损的纤维、基体中的裂纹以及界面脱胶等。如图，单向复合材料在纤维方向受到拉伸载荷作用时，至少有三种破坏模式，即脆性断裂；伴有纤维拔出的脆性断裂；伴有纤维拔出、界面基体剪切或脱胶破坏的脆性断裂。,一、纵向拉伸破坏,第四节 单向复合材料的破坏模式,依据纤维与基体之间

12、的界面状态和载荷由基体向纤维传递的机理，纤维间基体的剪切破坏和部分脱胶可能同时发生，也有可能分别独立发生。在脆性或短纤维与韧性基体构成的复合材料中会出现纤维拔出的现象，因而阻止了基体裂纹的扩展，这一裂纹可能参与邻近其它纤维的断裂。,第四节 单向复合材料的破坏模式,在这种情况下，材料的破坏是以纤维从基体中拔出的形式发生，而不是纤维在复合材料断裂平面的断裂。破坏时如果裂纹平行于纤维扩展（脱胶裂纹），则纤维会与基体脱胶，纤维与基体之间的粘附作用遭到破坏。如果复合材料的纤维强而界面弱，就容易发生这种脱胶现象。脱胶裂纹可以在纤维与基体的界面上或在邻近基体中扩展，主要取决于它们的相对强度。,第四节 单向复

13、合材料的破坏模式,纤维拔出和纤维脱胶两种破坏的区别在于当基体裂纹不能横断纤维而扩展时，发生纤维脱胶，纤维拔出则是由于纤维断裂的裂纹不能扩展到韧性基体中所致。通常，伴随着纤维拔出的同时，基体发生伸长变形，这种现象在纤维脱胶中是不存在的。,第四节 单向复合材料的破坏模式,纤维体积含量对复合材料的断裂模式也有很大影响。以单向玻璃纤维复合材料为例，当纤维含量较低（Vf40%）时，主要发生脆性破坏；纤维含量适中（40Vf65%）时，破坏模式常表现为伴有纤维拔出的脆性断裂；如果纤维含量较高，则多出现伴有纤维拔出和脱胶或基体剪切破坏的脆性断裂。碳纤维复合材料常出现类似图中（a）和（b）模式的破坏。,第四节

14、单向复合材料的破坏模式,如前所述，单向复合材料纵向即沿纤维方向受压时，增强纤维发生屈曲。若复合材料中纤维含量很低，甚至当基体应力在其弹性范围内，也能使纤维发生微屈曲。,二、纵向压缩破坏,第四节 单向复合材料的破坏模式,但对于纤维体积含量较高如Vf40%时，纤维微屈曲常常出现于基体屈曲、基体微裂和部分脱胶之后，所以单向复合材料的纵向受压破坏将始于复合材料的横向列裂或破坏，或者说，泊松效应引起的横向拉伸应变可能超过复合材料横向变形能力的极限，致使界面上产生裂纹。如图为单向复合材料纵向压缩破坏模式的示意图。图中，（a）横向拉伸破坏；（b）纤维发生屈曲，而基体仍是弹性的或者处于屈服状态；（c）剪切破坏

15、。,第四节 单向复合材料的破坏模式,单向复合材料在横向即垂直于纤维方向受拉时，在基体和界面上会产生应力集中。因此受横向拉伸载荷作用时单向复合材料的破坏起源于基体或界面的拉伸破坏。在某些场合，也有可能出现因纤维横向拉伸性能差异而导致复合材料破坏。,三、横向拉伸破坏,第四节 单向复合材料的破坏模式,通常发生横向拉伸破坏的模式有两种：基体拉伸破坏；脱胶或纤维横向断裂。如图（a）为单向复合材料横向拉伸破坏模式示意图。,第四节 单向复合材料的破坏模式,单向复合材料横向受压时，因基体发生剪切而破坏如图（b）。同时还可能发生部分脱胶及纤维破断现象，所以其破坏模式可以分成两种：基体剪切破坏和基体剪切破坏的同时伴随脱胶或纤维横向破碎。,四、横向压缩破坏,第四节 单向复合材料的破坏模式,在沿纤维方向和垂直于纤维方向的平面内受到剪切作用时，单向复合材料的破坏一般是由于基体剪切、部分脱胶等引起的。因而破坏模式包括：基体剪切破坏；基体剪切破坏并伴有脱胶；脱胶。如图为面内剪切破坏模式的示意图。,五、面内剪切破坏,第四节 单向复合材料的破坏模式,简言之，纤维复合材料的破坏是一个非常复杂的过程，它既依赖于材料本身的性质，也受外界因素的影响。各类复合材料的破坏行为差别很大，不可能用简单的模式完整地概括之。复合材料的