第9章 复合材料其他力学性能精选PPT.ppt
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1、第9章 复合材料其他力学性能1第1页,本讲稿共29页9.1.1 复合材料的冲击性能复合材料的冲击性能 复合材料在应用中难免承受复合材料在应用中难免承受冲击载荷冲击载荷。因此很。因此很有必要了解复合材料的有必要了解复合材料的冲击性能和能量吸收机冲击性能和能量吸收机理。理。冲击载荷冲击载荷指以较高的速度施加到材料上的载指以较高的速度施加到材料上的载荷,当材料在承受冲击载荷时,瞬间冲击所引荷,当材料在承受冲击载荷时,瞬间冲击所引起的应力和变形比静载荷时要大的多,因此,起的应力和变形比静载荷时要大的多,因此,在制造这类材料时,就必须考虑到材料的在制造这类材料时,就必须考虑到材料的抵抗抵抗冲击载荷能力冲
2、击载荷能力,即材料的,即材料的冲击性能。冲击性能。2第2页,本讲稿共29页吸收能量的机理有两种:吸收能量的机理有两种:形成新的表面;形成新的表面;材料变形材料变形.2)能量吸收机理和破坏模式)能量吸收机理和破坏模式 在这里讨论的各种能量吸收机理和破坏模式不只是在这里讨论的各种能量吸收机理和破坏模式不只是适用冲击破坏,而是适用冲击破坏,而是具有普遍意义。具有普遍意义。破坏模式:当一个固体承受静载荷或冲击载荷时,破坏模式:当一个固体承受静载荷或冲击载荷时,材料材料变形变形首先发生;如提供的能量足够大,首先发生;如提供的能量足够大,裂纹裂纹可能可能产生产生并扩并扩展;在裂纹扩展过程中,裂纹前沿又总存
3、在着材料变形。展;在裂纹扩展过程中,裂纹前沿又总存在着材料变形。3第3页,本讲稿共29页 可见,材料的总能量吸收能力(或韧性)可见,材料的总能量吸收能力(或韧性)能够靠能够靠增加分离过程中的裂纹路径增加分离过程中的裂纹路径,或者,或者增大增大材料的变形能力材料的变形能力得到提高。得到提高。4第4页,本讲稿共29页 复合材料的破坏可以认为是从材料中固有复合材料的破坏可以认为是从材料中固有的小缺陷发源的。例如,有缺陷的纤维,的小缺陷发源的。例如,有缺陷的纤维,基体与纤维界面处的缺陷和界面不良反应基体与纤维界面处的缺陷和界面不良反应物等。在形成的裂纹尖端及其附近,有可物等。在形成的裂纹尖端及其附近,
4、有可能以发生纤维断裂、基体变形和开裂、纤能以发生纤维断裂、基体变形和开裂、纤维与基体分离(纤维脱粘)、纤维拔出等维与基体分离(纤维脱粘)、纤维拔出等模式破坏。现分述如下。模式破坏。现分述如下。5第5页,本讲稿共29页 纤维复合纤维复合材料材料中裂纹尖模型中裂纹尖模型 6第6页,本讲稿共29页1)纤维破坏纤维破坏 分别讨论各种破坏机理。分别讨论各种破坏机理。纤维断裂发生在其应变达到纤维断裂发生在其应变达到断裂应变断裂应变时。时。由于脆性纤维具有由于脆性纤维具有低的断裂应变低的断裂应变,只产生,只产生少量变形,少量变形,因而吸因而吸收能量低。收能量低。虽然纤维是使复合材料具有高强度的主要原因,但纤
5、维虽然纤维是使复合材料具有高强度的主要原因,但纤维断裂仅占总能量吸收的很小比例。但应当记住,纤维的存在断裂仅占总能量吸收的很小比例。但应当记住,纤维的存在非常显著地影响非常显著地影响破坏模式破坏模式,从而也影响了总冲击能。,从而也影响了总冲击能。碳纤维复合材料的冲击性能低,玻璃钢和凯芙拉的冲击性碳纤维复合材料的冲击性能低,玻璃钢和凯芙拉的冲击性能好。能好。7第7页,本讲稿共29页 2)基体变形和开裂)基体变形和开裂 基体破坏吸收的总能量包括基体破坏吸收的总能量包括基体变形能基体变形能和和开裂产生的新开裂产生的新表面能。表面能。基体变形所吸收的能量基体变形所吸收的能量:正比于单位体积的基体变形正
6、比于单位体积的基体变形到破坏所做的功。到破坏所做的功。基体开裂所吸收的能量:正比于裂纹产生的新表面面积基体开裂所吸收的能量:正比于裂纹产生的新表面面积8第8页,本讲稿共29页3 3)纤维脱胶)纤维脱胶 在断裂过程中由于裂纹平行于纤维扩展(脱胶裂纹),则在断裂过程中由于裂纹平行于纤维扩展(脱胶裂纹),则纤维与基体材料分离。在这个过程中,纤维与基体间的化学纤维与基体材料分离。在这个过程中,纤维与基体间的化学键与次价键的黏附均被破坏,同时形成新表面。当纤维键与次价键的黏附均被破坏,同时形成新表面。当纤维强而强而界面弱界面弱时,就发生这种开裂。时,就发生这种开裂。降低界面强度可使大范围脱胶或分层,从而
7、增加冲击降低界面强度可使大范围脱胶或分层,从而增加冲击能。能。所以弱界面的所以弱界面的拉伸强度拉伸强度比较比较低低,但,但冲击强度冲击强度比较比较高。高。9第9页,本讲稿共29页4 4)纤维拔出)纤维拔出 当当脆性脆性的或的或不连续的纤维不连续的纤维嵌于嵌于韧性基体韧性基体中时,中时,会发生会发生纤维拔出。纤维拔出。纤维断裂在其本身的薄弱横截面上,这个截面纤维断裂在其本身的薄弱横截面上,这个截面不一定与复合材料断裂面重合。纤维断裂在基体不一定与复合材料断裂面重合。纤维断裂在基体中引起的应力集中因基体屈服而得到缓和,因此中引起的应力集中因基体屈服而得到缓和,因此阻止了基体裂纹。在这种情况下,断裂
8、以纤维从阻止了基体裂纹。在这种情况下,断裂以纤维从基体中拔出的破坏方式进行。基体中拔出的破坏方式进行。10第10页,本讲稿共29页 纤维脱胶和纤维拔出两种模式间的纤维脱胶和纤维拔出两种模式间的差别差别:当当基体裂纹基体裂纹不能横断纤维而扩展时,发生纤不能横断纤维而扩展时,发生纤维脱胶;纤维拔出是起始于维脱胶;纤维拔出是起始于纤维破坏的裂纹纤维破坏的裂纹没有能力扩展到韧性基体中去的结果。纤维没有能力扩展到韧性基体中去的结果。纤维拔出通常伴随有基体的伸长变形,而这种变拔出通常伴随有基体的伸长变形,而这种变形在纤维脱胶中是不存在的,形在纤维脱胶中是不存在的,共同点共同点:破坏都发生在纤维基体界面,都
9、显:破坏都发生在纤维基体界面,都显著地提高断裂能。著地提高断裂能。11第11页,本讲稿共29页5)分层裂纹)分层裂纹 裂纹在扩展中穿过裂纹在扩展中穿过层合板层合板的一个铺层,当裂纹尖的一个铺层,当裂纹尖端达到相邻铺层的纤维时,可能受到抑制。因为邻端达到相邻铺层的纤维时,可能受到抑制。因为邻近裂纹尖的基体中的剪应力很高,裂纹可能分支出近裂纹尖的基体中的剪应力很高,裂纹可能分支出来,开始在平行于铺层的界面上扩展。这样的裂纹来,开始在平行于铺层的界面上扩展。这样的裂纹叫做分层裂纹。存在这样的裂纹,吸收的断裂能就叫做分层裂纹。存在这样的裂纹,吸收的断裂能就高。高。12第12页,本讲稿共29页 上述断裂
10、模式,因复合材料或试验条件的不同,而在上述断裂模式,因复合材料或试验条件的不同,而在复合材料的断裂时出现其中一种或几种,它们所占比例复合材料的断裂时出现其中一种或几种,它们所占比例及对断裂的影响也各不相同,有的模式的影响可能是很及对断裂的影响也各不相同,有的模式的影响可能是很小的。通常总是有几种断裂模式同时存在。小的。通常总是有几种断裂模式同时存在。13第13页,本讲稿共29页3)影响复合材料冲击性能的因素)影响复合材料冲击性能的因素 讨论了复合材料的能量吸收机理之后,就不难理解材料性质对讨论了复合材料的能量吸收机理之后,就不难理解材料性质对冲击性能的影响了,因为纤维性质不同、基体韧性不同,界
11、面强冲击性能的影响了,因为纤维性质不同、基体韧性不同,界面强度不同会导致不同的破坏模式,从而大大地影响复合材料的冲击度不同会导致不同的破坏模式,从而大大地影响复合材料的冲击性能。性能。提高复合材料冲击韧性的途径有:基体增韧、合适的界提高复合材料冲击韧性的途径有:基体增韧、合适的界面强度、采用混杂纤维复合材料。面强度、采用混杂纤维复合材料。14第14页,本讲稿共29页 9.1.2 复合材料的疲劳性能复合材料的疲劳性能复合材料在应用过程中,复合材料在应用过程中,由于承受由于承受变动载荷变动载荷或反或反复承受应力,即使复承受应力,即使应力应力低于屈服强度低于屈服强度,也会导致,也会导致裂纹萌生和扩展
12、裂纹萌生和扩展,以至构,以至构件材料件材料断裂断裂而失效,或使而失效,或使其力学性质变坏。其力学性质变坏。15第15页,本讲稿共29页单向连续纤维增强的复合材料单向连续纤维增强的复合材料在纤维方向有卓越的抗疲劳性。在纤维方向有卓越的抗疲劳性。这是由于在单向复合材料里,疲这是由于在单向复合材料里,疲劳载荷主要是由和载荷方向一致劳载荷主要是由和载荷方向一致的纤维所承担的缘故。的纤维所承担的缘故。1 1)复合材料的疲劳性能特点)复合材料的疲劳性能特点16第16页,本讲稿共29页 在实际应用中,复合材料往往以多向层板形式使用,以适应在实际应用中,复合材料往往以多向层板形式使用,以适应结构里的多向应力需
13、要。结构里的多向应力需要。由于层板里的各层的强度不同,在疲劳过程的早期就开由于层板里的各层的强度不同,在疲劳过程的早期就开始出现横向裂纹损伤。随着循环数的增加,裂纹的长度和始出现横向裂纹损伤。随着循环数的增加,裂纹的长度和数量也相应增加,还会出现分层、界面脱胶、纤维断裂或数量也相应增加,还会出现分层、界面脱胶、纤维断裂或屈曲等损伤形式。这样损伤的出现,占疲劳寿命的较大部屈曲等损伤形式。这样损伤的出现,占疲劳寿命的较大部分,并不影响材料或结构的安全使用。分,并不影响材料或结构的安全使用。金属材料则不同,一旦出现裂纹,很快就断裂了;复合金属材料则不同,一旦出现裂纹,很快就断裂了;复合材料疲劳过程早
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