材料力学性能复合材料的力学性能 材料力学性能 讲义PPT课件

5/22/20221 20世纪60年代以来，航天、航空、电子、汽车等高技术领域的迅速发展，对材料性能的要求日益提高，单一的金属、陶瓷、高分子材料已难以满足迅速增长的性能要求。 为了克服单一材料性能上的局限性，人们越来越多的根据构件的性能要求和工况条件，选择两种或两种以上化学、物理性质不同的材料，按一定的方式、比例、分布组合成复合材料，使其具有单一材料所无法达到的特殊性能或综合性能。 复合材料性能的基本特点是各向异性、可设计性，这些特性以及所引起的特殊力学性能与均质各向同性材料是不同的。 因此，需要学习了解有关复合材料的理论、力学行为的基本特征。第1页/共60页5/22/20222第一节 复合材料的定义和性能特点 一、复合材料的定义与分类 定义：由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合成的新型材料。 其组分材料虽然保持相对独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的简单叠加。第2页/共60页5/22/20223 基体：复合材料中的连续相，主要构成相 增强体：分布于基体中的一种或几种不连续相，不连续相的强度、硬度比连续相高。增强体以独立的形态分布于基体中，二者之间存在相界面，增强体可是纤维、颗粒状填料等。本章讨论的是作为结构材料使用的纤维复合材料，指以高性能的碳纤维、陶瓷纤维、芳纶（聚对苯二甲酰对苯二胺）纤维、晶须等为增强体，以金属、陶瓷、聚合物为基体的先进复合材料。第3页/共60页5/22/20224复合材料的分类 （1）按增强体分类： 连续纤维复合材料 非连续纤维复合材料 颗粒复合材料 层合板复合材料 （2）按基体分类： 聚合物基复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料 （3）按用途分类： 结构复合材料 功能复合材料第4页/共60页5/22/20225二、复合材料的特点 复合材料取决于基体和增强体的特性、含量、分布等。 (1) 高比强度、比模量第5页/共60页5/22/20226第6页/共60页5/22/20227(2) 各向异性 纤维增强复合材料在弹性常数、热膨胀系数、强度等方面具有明显的各向异性。 通过铺层设计的复合材料，可能出现各种形式和不同程度的各向异性。 各向异性这一特性使复合材料的力学行为复杂化，但也可以作为一种优点在设计时加以利用。如果采用合理的铺层可在不同的方向分别满足设计要求，能明显减轻重量和更好的发挥结构的性能。(3) 抗疲劳性好n金属、陶瓷材料的疲劳破坏是没有明显预兆的突发性破坏，而纤维复合材料中纤维和基体的界面能阻止裂纹扩展，所以纤维复合材料疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前没有明显预兆。第7页/共60页5/22/20228 构件的自身频率除了与本身结构有关外，还与材料比模量的平方成正比。 纤维复合材料的比模量大，因而它的自振频率很高，在加载速率下不容易出现因共振而快速断裂的现象。 同时复合材料中存在大量纤维，与基体的界面，由于界面对振动有反射和吸收作用，所以复合材料的振动阻尼强，即使激起振动也会很快衰减。(4) 减振性能好n通过改变纤维、基体的种类和相对含量，纤维集合形式及排布方式等可满足复合材料结构和性能的设计要求。n复合材料的高比强度、高模量的特点，是由于这种材料受力时高强度、高模量的增强纤维承受了大部分载荷，基体只是作为传递和分散载荷给纤维的媒介引起的。(5) 可设计性强第8页/共60页5/22/20229第9页/共60页5/22/202210第二节 单向复合材料的力学性能 连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，称为单向连续纤维增强复合材料。第10页/共60页5/22/202211n单向复合材料的强度和钢度都随方向而改变，有五个特征强度：n（1）纵向抗拉强度、（2）纵向抗压强度、n（3）横向抗拉强度、（4）横向抗压强度、n（5）面内抗剪强度。n有四个特征弹性常数：n（1）纵向弹性模量、（2）横向弹性模量、n（3）主泊松比、（4）切变模量。第11页/共60页5/22/202212一、单向复合材料的弹性性能 （一）纵向弹性模量 在计算单向复合材料的纵向弹性模量时，将复合材料看成是两种弹性体并联，并简化成有一定规则形状和分布的模型。 假设：纤维连续、均匀、平行排列于基体中，纤维与基体粘接牢固，且纤维、基体和复合材料有相同的拉伸应变，基体将拉伸力F通过界面完全传递给纤维。第12页/共60页5/22/202213第13页/共60页5/22/202214第14页/共60页5/22/202215 实际上，由于纤维有屈曲、排列不整齐、界面结合强度小等原因，使实验值与计算值有一定差异，所以工程上常加一个修正系数K，则有：第15页/共60页5/22/202216（二）横向弹性模量 计算单向纤维复合材料横向弹性模量的模型有两种： I型：纤维含量少，纤维与基体的串联模型，此时纤维与基体具有相同的应力，即： II型：纤维含量高，纤维呈束状分布于基体中，必然与基体紧密接触，其间有基体材料，但很薄，可以认为这部分变形与基体一致，纤维与基体有相同的应变，即为并联模型：第16页/共60页5/22/202217根据串联模型，复合材料的横向伸长等于纤维和基体的横向伸长之和：第17页/共60页5/22/202218第18页/共60页5/22/202219 根据假设 ，有： 同理，并联模型的纵向弹性模量的模型相同，所以：n 是纤维全部分散、互不接触，独立时的横向弹性模量，是横向弹性模量的最小值；n 是纤维全部接触、连通时的横向弹性模量，是横向弹性模量的最大值。第19页/共60页5/22/202220（三）切变模量 模型I：纤维与基体轴向串联模型，在扭矩作用下，圆筒受纯剪切应力，纤维与基体切应力相同，但因切变模量不同，切应变不同，所以为等应力模型。 模型II：纤维与基体轴向并联模型，即纤维被基体包围，在扭矩作用下纤维与基体产生相同切应变，但切应力不同，所以为等应变模型。第20页/共60页5/22/202221根据纤维与基体轴向串联模型所得到的切变模量：根据纤维与基体轴向并联模型所得到的切变模量：第21页/共60页5/22/202222（四）泊松比 单向复合材料的正交各向异性，决定了材料在纵、横两个方向呈现的泊松效应不同，所以有两个泊松比。 纵向泊松比：当单向复合材料沿纤维方向受到拉伸时，在横向产生收缩，其横向应变与纵向应变之比为纵向泊松比，即：第22页/共60页5/22/202223第23页/共60页5/22/202224横向泊松比：当沿垂直于纤维方向弹性拉伸时，其纵向应变与横向应变之比：第24页/共60页5/22/202225二、单向复合材料的强度n（一）纵向抗拉强度n玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维增强的热固性树脂基复合材料的变形特性只有I、IV阶段；n金属基和热塑性树脂基复合材料，包含第II阶段；n脆性纤维增强复合材料，观察不到第III阶段，而韧性纤维复合材料有第III阶段。第25页/共60页5/22/202226 在第I阶段，纤维和基体都处于弹性变形状态，复合材料也处于弹性变形状态，且第26页/共60页5/22/202227第27页/共60页5/22/202228 复合材料进入变形第II阶段时，纤维仍处于弹性状态，但基体已产生塑性变形，此时复合材料的应力为： 由于载荷主要由纤维承担，所以随着变形的增加，纤维载荷增加较快，当达到纤维抗拉强度时，纤维破断，此时基体不能支持整个复合材料载荷，复合材料随之破坏。 以上公式应满足两个条件： (1) 纤维受力过程中处于弹性变形状态； (2) 基体的断后伸长率大于纤维的断后伸长率。第28页/共60页5/22/202229第29页/共60页5/22/202230如果VfVfmin时，复合材料的抗拉强度才按此式计算：第30页/共60页5/22/202231 屈曲的形式有两种： （1）挤压型 纤维彼此间反向弯曲，使基体产生横向拉伸或压缩应变； 当纤维间距离相当大，即纤维体积分数很小时，这种屈曲模式才可能发生。 （2）剪切型 纤维之间同向弯曲，基体主要产生剪切变形，这种屈曲模式较为常见。（二）纵向抗压强度第31页/共60页5/22/202232复合材料沿纤维方向受压时，可以认为纤维在基体内的承力形式像弹性杆。假设基体仅提供横向支持，载荷由纤维均摊，复合材料的抗压强度由纤维在基体内的微屈曲临界应力控制。将单向纤维复合材料简化成纤维和基体薄片相间粘接的纵向受压杆件，当外载荷增至一定值后，纤维开始失稳，产生屈曲。第32页/共60页5/22/202233第三节 短纤维复合材料的力学性能 单向连续纤维增强复合材料的一个显著特点： 就是沿纤维方向有较高的强度和模量，但在垂直于纤维方向强度和模量较小。 如果一个零件的应力状态可以精确地确定，就可用单向层坯设计制造层合板，使它与这个应力状态完全匹配，这种情况下，单向复合材料具有优越性。第33页/共60页5/22/202234 但是如果零件的应力状态无法预测，或已经知道在各个方向上受力基本相同，虽然可用单向增强的层坯制成准各向同性的层板，但在每一层内，如在弯曲时受力最大的表面层内，在垂直纤维方向还是容易出现裂纹，所以在这种情况下，每一层最好是各向同性的。 而制造这种各向同性层坯的有效方法，是用随机取向短纤维作为增强体，制造短纤维复合材料易使制造过程自动化，应用大批量生产中的模塑技术，如模压法和注模法，可以高生产率制造出高精度的短纤维复合材料零件或结构件。第34页/共60页5/22/202235一、基体与纤维间的应力传递 载荷作用于复合材料上时，纤维不直接受力，载荷作用于基体材料上，然后通过纤维与基体的界面传递到纤维。 当纤维长度比传递应力的界面区长度大很多时，纤维末端的传递作用可以忽略不计，纤维可看成是连续的。在短纤维复合材料情况下，纤维末端的应力传递作用变得显著，已不能忽略不计，同时复合材料的力学性能与纤维长度密切相关。第35页/共60页5/22/202236 距离纤维末端z的纤维应力为： 由于纤维末端附近高的应力集中或基体屈服，使纤维末端与基体脱胶，一般 可忽略，则上式可改成： 如果切应力沿纤维长度的变化已知，则据上式就可以计算出数值。 实际上，切应力分布事先是未知的，只能作为整个解的一部分来求。第36页/共60页5/22/202237 随纤维长度增加，界面面积增大，中部拉应力也增大。当纤维中点的最大拉应力恰好等于纤维裂纹强度时，纤维长度称为纤维的临界长度lcr： llcr时，短纤维才会像长纤维一样起增强作用。第37页/共60页5/22/202238二、短纤维复合材料的弹性模量 假设纤维与基体粘接牢固，纤维的长度和直径相同，不屈服，Halpin-Tsai给出了单向短纤维得合材料的弹性模量的计算公式：第38页/共60页5/22/202239第39页/共60页5/22/202240第40页/共60页5/22/202241三、短纤维复合材料的强度 根据纤维长度不同，单向短纤维复合材料的抗拉强度有不同的表达式：第41页/共60页5/22/202242第42页/共60页5/22/202243第四节 复合材料的断裂 一、复合材料的断裂 复合材料受载，当裂纹尖端应力水平达到一定数值时，裂纹将向前扩展； 裂纹扩展时，其尖端可能与附近各种已存在的损伤或新形成的损伤（如纤维断裂、基体变形和开裂、纤维与基体脱胶等）相遇，使损伤区加大，裂纹继续扩展，直到最终产生宏观断裂。第43页/共60页5/22/202244第44页/共60页5/22/202245这种脆性断裂共有三种类型： (1) 接力破坏机理：当一根纤维断裂引起邻近纤维应力集中而过载，后者断裂，依次类推，最终复合材料整体破坏。 (2) 脆性粘接断裂机理：断裂的纤维在其周围基体中形成应力集中，使基体破坏，并最终导致材料整体破坏。 (3) 最弱环节机理：与基体粘接强的纤维的一旦断裂，立即引起复合材料的整体破坏。第45页/共60页5/22/202246 是垂直于裂纹扩展方向的纤维，当其应变达到断裂应变时发生的。在复合材料受载早期就有个别纤维产生这种损伤，随着载荷增加，断裂纤维数也增加。(1) 纤维断裂n复合材料中，基体因强度低，所以在材料受载时先于纤维变形，到复合材料完全断裂时，纤维周围的基体也随之断裂。(2) 基体变形和开裂n若裂纹穿过基体扩展遇到纤维时，裂纹可能分叉，转向平行于纤维方向扩展。裂纹可在基体内，也可沿界面扩展，取决于界面与基体的相对强度。如果界面结合较弱，就将使纤维与基体脱胶。(3) 纤维脱胶第46页/共60页5/22/202247 这种损伤也发生在纤维与基体的界面上，它是由于断裂纤维在基体中引起的应力集中因基体屈服而被松弛，使纤维断裂裂纹在基体中扩展阻力增加，结果沿界面产生纤维拔出现象。 当断裂纤维端部与材料断裂横截面的距离很小（小于临界尺寸的一半），常出现纤维拔出损伤。(4) 纤维拔出n这是发生在层合板情况下的一种损伤。当裂纹穿过层合板的一个铺层扩展时，其尖端遇到相邻铺层的纤维，可能受到阻滞。n但因与裂纹尖端相邻的基体中切应力很高，裂纹可能分枝出来，开始在平行于铺层平面的界面上扩展，形成分层裂纹。(5) 分层裂纹第47页/共60页5/22/202248 （一）复合材料的冲击性能特点： (1) 单向复合材料的应变速率敏感性因纤维种类不同而有所区别，而钢的应变速率敏感性也因强度不同而有差异。 低模量玻璃纤维复合材料对应变速率变化敏感，当冲击拉伸应变速率达到103s-1，其强度、塑性和韧性都比静载荷时高； 高模量碳纤维复合材料的力学性能，对应变速率变化不敏感。二、复合材料的冲击性能第48页/共60页5/22/202249 (2) 钢的冲击断裂机理是穿晶解理或微孔聚集断裂，复合材料的冲击断裂是各类损伤的积累或非积累破坏。 (3) 高弹性模量复合材料往往比低弹性模量复合材料的冲击韧性差，如碳纤维-环氧复合材料与玻璃纤维-环氧复合材料的冲击韧性。 前者以纤维断裂为主要损伤模式，断裂扩展能低，后者以纤维拔出和分层裂纹为损伤模式，断裂扩展能高。第49页/共60页5/22/202250（二）影响复合材料冲击性能的因素 1. 纤维方向的影响第50页/共60页5/22/202251第51页/共60页5/22/2022522. 界面的影响 纤维与基体的界面强度强烈地影响复合材料的破坏模式，从而影响材料的冲击能。 对玻璃纤维-聚酯复合材料和玻璃纤维-环氧树脂试验表明，前者的界面强度可通过表面处理大幅度变化，而后者的界面即使未经过表面处理也能形成很强的粘接，所以界面强度变化较小。第52页/共60页5/22/202253 （一）复合材料的疲劳性能特点： 对大多数各向同性材料，在受交变载荷作用时，往往出现一个单一的疲劳主裂纹并控制最终的疲劳破坏。 对于纤维复合材料，往往在高应力区出现较大规模的损伤，如界面开胶、基体开裂、分层和纤维断裂等，这些损伤还会相互影响和组合，表现出复杂的疲劳破坏行为，而很少出现单一裂纹控制的破坏机理。三、复合材料的疲劳性能第53页/共60页5/22/202254（二）影响复合材料疲劳性能的因素： 1. 基体、增强纤维种类的影响偶联剂：是一类具有两不同性质官能团的物质，它们分子中的一部分官能团可与有机分子反应，另一部分官能团可与 无机物表面的吸附水反应，形成牢固的粘合。偶联剂在复合材料中的作用在于它既能与增强材料表面的某些基团反应，又能与基体树脂反应，从而增强了增强材料与树脂之间粘合强度，提高了复合材料的性能。按偶联剂的化学结构及组成分为有机铬络合物、硅烷类、钛酸酯类和铝酸化合物四大类。 第54页/共60页5/22/202255第55页/共60页5/22/2022562. 纤维含量的影响第56页/共60页5/22/202257 带缺口复合材料多向层合板，受静载时会产生低应力脆性破坏，但在受疲劳载荷时，却对缺口不敏感，这是它的一个明显优点，称为“拟脆性”。3. 缺口的影响4. 界面性质的影响第57页/共60页5/22/202258作业 P228 1 2 5第58页/共60页5/22/202259第59页/共60页5/22/2022安徽工业大学 材料科学与工程学院60感谢您的观看。第60页/共60页