复合材料的力学性能课件.ppt

第十一章 复合材料的力学性能 11.1 11.1 复合材料概论复合材料概论 11.2 11.2 单向复合材料的力学性能单向复合材料的力学性能 11.3 11.3 短纤维复合材料的力学性能短纤维复合材料的力学性能 11.4 11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳复合材料的断裂、冲击和疲劳111.1 复合材料概论一、定义和分类1、定义由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。2、分类按基体分：金属基复合材料；无机非金属复合材料；聚合物复合材料。按增强体分：连续纤维复合材料；短纤维复合材料；颗粒复合材料；层合板复合材料。按用途分：结构复合材料；功能复合材料。2二、材料复合的物理冶金基础 1 1、界面与界面反应、界面与界面反应 界面上反应热力学与动力学：相应温度下反应的可能性；反应常数；反应速度常数。固溶与化合反应：原子扩散，形成浓度不同的固溶体；新化合物。过渡层的出现：2 2、强化理论、强化理论 第二相强化、弥散强化；形变带强化。断裂及其机理：裂纹的萌生及扩展；断裂。聚合强度的作用。3三、复合材料的性能特点 1、高比强度、比弹性模量；2、各向异性；3、抗疲劳性能好；4、减振性能好；5、可设计性强。4四、结构设计原理 1 1、层次结构、层次结构 一次结构（单层），不产生新相；二次结构（铺层）有新相产生；能较好地过渡；三次结构（多层）形成多个铺层。2 2、连续纤维与非连续纤维增强、连续纤维与非连续纤维增强 连续纤维增强 方向性明显，性能受纤维的粗细、数量、排列的影响。非连续纤维增强 纤维的长度与直径之比L/d，提高剪切强度。返回返回511.2 单向复合材料的力学性能一、单向复合材料及其结构模型 1 1、定义、定义 连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，叫做单向连续纤维增强复合材料。2 2、结构模型、结构模型（图）并联模型 纤维与基体有相同的应变 串联模型 纤维与基体有相同的应力。6 3 3、力学性能特征值、力学性能特征值 五个特征强度值 纵向抗拉强度，横向抗拉强度，纵向抗压强度，横向抗压强度，面内抗剪强度。四个特征弹性常数 纵向弹性模量，横向弹性模量，主泊松比，切变模量。复合材料的强度和弹性模量由复合材料的组分、材料的特性、增强体的取向、体积分数决定。7二、弹性性能 1、纵向弹性模量（并联）（加权和 ）Ecl1=KEfVf+Em(1-Vf)K工程修正值 Vf纤维的体积分数 2 2、横向弹性模量、横向弹性模量（串联）基于：LcT=LfT+LmT 应力相同8 3 3、切变模量、切变模量 （1）等应力模型，等应变模型（图11-7）（与拉伸时的模型的定义正相反）（2）模量的推导以扭距MC为基础。9 4 4、泊松比、泊松比 纵向泊松比 （式11-28）横向泊松比 （式11-34）10三、强度 1、拉伸强度（1）曲线（图11-11）（2）拉伸变形的四个阶段（图11-9)a）纤维和基体都是弹性变形；b）纤维弹性变形，基体非弹性变形；c）纤维与基体均为非弹性变形 （仅韧性纤维存在第三阶段）d）纤维断裂，随之复合材料断裂。11（3）各阶段的强度I:CL=EffVf+Em(1-Vf)（式11-36）纤维体积Vf，在一定范围内，Vf，CL，过多浸润不好，反而。II：CL()=f()Vf+m()Vm m*基体应变等于纤维断裂应变时的基体应力。纤维增强作用，仅在复合材料的强度超过基体强度时才有效。可以推导出临界纤维体积，Vfcr （式11-41）当VfVfmin时 复合材料的抗拉强度CLu=mu(1-Vf)12 2 2、抗压强度、抗压强度 基体在纵向压缩中起重要作用。基体给予纤维侧向支持，使纤维不屈曲。拉压型和剪切型失稳模型中，纵向抗压强度分别为 式11-44和式11-45 “纤维的微弯曲和基体剪切失稳是复合材料纵向压缩的两个主要破坏机理”。返回返回1311.3 短纤维复合材料的力学性能 该材料的应用广泛。力学性能比连续纤维的更为复杂。纤维末端的应力传递作用不能忽略一、基体与纤维间的应力传递 拉伸状态 纤维的临界长度Lcr（中部的拉伸应力最大）平均应力约为最大应力的95%。14二、弹性模量 弹性模量计算公式(式11-61）（式11-62）（式11-63）三、强度 按混合定律计算。用纤维的平均应力代替（11-39）中的纤维抗拉强度。返回返回1511.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳一、断裂 1、损伤累积机理 裂纹萌生：缺陷处 扩展：2、非累积损伤机理 接力破坏 脆性粘接断裂机理 最薄弱环节破坏机理 3、复合材料的破坏形式 纤维断裂 基体变形和开裂 纤维脱胶 纤维拨出 分层裂纹16二、冲击性能 1、冲击性能特点 ，冲击性能 高模量碳纤维复合材料，对变化不敏感。高弹性模量比低弹性模量的冲击韧性差。冲击断裂是各类损伤的累积或非累积破坏。2、影响冲击性能的因素 自身属性，力学性能。纤维方向；铺层结构。界面的聚合强度。17三、疲劳性能 1、疲劳性能特点 疲劳性能好。复杂的疲劳破坏行为。损伤可被牵制。2、影响因素 组分材料的性能（基体，增强纤维影响）；增强纤维的体积分数（纤维含量）；界面性质（包括缺口的影响）；载荷形式；环境条件。18