材料力學(xué)性能復(fù)合材料的力學(xué)性能 材料力學(xué)性能 講義PPT課件

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1、5/22/20221 20世紀(jì)60年代以來，航天、航空、電子、汽車等高技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對材料性能的要求日益提高，單一的金屬、陶瓷、高分子材料已難以滿足迅速增長的性能要求。 為了克服單一材料性能上的局限性，人們越來越多的根據(jù)構(gòu)件的性能要求和工況條件，選擇兩種或兩種以上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的材料，按一定的方式、比例、分布組合成復(fù)合材料，使其具有單一材料所無法達(dá)到的特殊性能或綜合性能。 復(fù)合材料性能的基本特點(diǎn)是各向異性、可設(shè)計(jì)性，這些特性以及所引起的特殊力學(xué)性能與均質(zhì)各向同性材料是不同的。 因此，需要學(xué)習(xí)了解有關(guān)復(fù)合材料的理論、力學(xué)行為的基本特征。第1頁/共60頁5/22/20222第一節(jié) 復(fù)合材

2、料的定義和性能特點(diǎn) 一、復(fù)合材料的定義與分類 定義：由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合成的新型材料。 其組分材料雖然保持相對獨(dú)立性，但復(fù)合材料的性能卻不是組分材料的簡單疊加。第2頁/共60頁5/22/20223 基體：復(fù)合材料中的連續(xù)相，主要構(gòu)成相 增強(qiáng)體：分布于基體中的一種或幾種不連續(xù)相，不連續(xù)相的強(qiáng)度、硬度比連續(xù)相高。增強(qiáng)體以獨(dú)立的形態(tài)分布于基體中，二者之間存在相界面，增強(qiáng)體可是纖維、顆粒狀填料等。本章討論的是作為結(jié)構(gòu)材料使用的纖維復(fù)合材料，指以高性能的碳纖維、陶瓷纖維、芳綸（聚對苯二甲酰對苯二胺）纖維、晶須等為增強(qiáng)體，以金屬、陶瓷、聚合物為基體的先進(jìn)復(fù)合材料。第3頁/共60頁5/

3、22/20224復(fù)合材料的分類 （1）按增強(qiáng)體分類： 連續(xù)纖維復(fù)合材料 非連續(xù)纖維復(fù)合材料 顆粒復(fù)合材料 層合板復(fù)合材料 （2）按基體分類： 聚合物基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料 無機(jī)非金屬基復(fù)合材料 （3）按用途分類： 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 功能復(fù)合材料第4頁/共60頁5/22/20225二、復(fù)合材料的特點(diǎn) 復(fù)合材料取決于基體和增強(qiáng)體的特性、含量、分布等。 (1) 高比強(qiáng)度、比模量第5頁/共60頁5/22/20226第6頁/共60頁5/22/20227(2) 各向異性 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在彈性常數(shù)、熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度等方面具有明顯的各向異性。 通過鋪層設(shè)計(jì)的復(fù)合材料，可能出現(xiàn)各種形式和不同程度的各向異性。

4、各向異性這一特性使復(fù)合材料的力學(xué)行為復(fù)雜化，但也可以作為一種優(yōu)點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)加以利用。如果采用合理的鋪層可在不同的方向分別滿足設(shè)計(jì)要求，能明顯減輕重量和更好的發(fā)揮結(jié)構(gòu)的性能。(3) 抗疲勞性好n金屬、陶瓷材料的疲勞破壞是沒有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞，而纖維復(fù)合材料中纖維和基體的界面能阻止裂紋擴(kuò)展，所以纖維復(fù)合材料疲勞破壞總是從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開始，逐漸擴(kuò)展到結(jié)合面上，破壞前沒有明顯預(yù)兆。第7頁/共60頁5/22/20228 構(gòu)件的自身頻率除了與本身結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與材料比模量的平方成正比。 纖維復(fù)合材料的比模量大，因而它的自振頻率很高，在加載速率下不容易出現(xiàn)因共振而快速斷裂的現(xiàn)象。 同時(shí)復(fù)合材料中存在大量

5、纖維，與基體的界面，由于界面對振動有反射和吸收作用，所以復(fù)合材料的振動阻尼強(qiáng)，即使激起振動也會很快衰減。(4) 減振性能好n通過改變纖維、基體的種類和相對含量，纖維集合形式及排布方式等可滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的設(shè)計(jì)要求。n復(fù)合材料的高比強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，是由于這種材料受力時(shí)高強(qiáng)度、高模量的增強(qiáng)纖維承受了大部分載荷，基體只是作為傳遞和分散載荷給纖維的媒介引起的。(5) 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)第8頁/共60頁5/22/20229第9頁/共60頁5/22/202210第二節(jié) 單向復(fù)合材料的力學(xué)性能 連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排列的復(fù)合材料，稱為單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。第10頁/共60頁5/22/202211

6、n單向復(fù)合材料的強(qiáng)度和鋼度都隨方向而改變，有五個特征強(qiáng)度：n（1）縱向抗拉強(qiáng)度、（2）縱向抗壓強(qiáng)度、n（3）橫向抗拉強(qiáng)度、（4）橫向抗壓強(qiáng)度、n（5）面內(nèi)抗剪強(qiáng)度。n有四個特征彈性常數(shù)：n（1）縱向彈性模量、（2）橫向彈性模量、n（3）主泊松比、（4）切變模量。第11頁/共60頁5/22/202212一、單向復(fù)合材料的彈性性能 （一）縱向彈性模量 在計(jì)算單向復(fù)合材料的縱向彈性模量時(shí)，將復(fù)合材料看成是兩種彈性體并聯(lián)，并簡化成有一定規(guī)則形狀和分布的模型。 假設(shè)：纖維連續(xù)、均勻、平行排列于基體中，纖維與基體粘接牢固，且纖維、基體和復(fù)合材料有相同的拉伸應(yīng)變，基體將拉伸力F通過界面完全傳遞給纖維。第12

7、頁/共60頁5/22/202213第13頁/共60頁5/22/202214第14頁/共60頁5/22/202215 實(shí)際上，由于纖維有屈曲、排列不整齊、界面結(jié)合強(qiáng)度小等原因，使實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值有一定差異，所以工程上常加一個修正系數(shù)K，則有：第15頁/共60頁5/22/202216（二）橫向彈性模量 計(jì)算單向纖維復(fù)合材料橫向彈性模量的模型有兩種： I型：纖維含量少，纖維與基體的串聯(lián)模型，此時(shí)纖維與基體具有相同的應(yīng)力，即： II型：纖維含量高，纖維呈束狀分布于基體中，必然與基體緊密接觸，其間有基體材料，但很薄，可以認(rèn)為這部分變形與基體一致，纖維與基體有相同的應(yīng)變，即為并聯(lián)模型：第16頁/共60頁5/

8、22/202217根據(jù)串聯(lián)模型，復(fù)合材料的橫向伸長等于纖維和基體的橫向伸長之和：第17頁/共60頁5/22/202218第18頁/共60頁5/22/202219 根據(jù)假設(shè) ，有： 同理，并聯(lián)模型的縱向彈性模量的模型相同，所以：n 是纖維全部分散、互不接觸，獨(dú)立時(shí)的橫向彈性模量，是橫向彈性模量的最小值；n 是纖維全部接觸、連通時(shí)的橫向彈性模量，是橫向彈性模量的最大值。第19頁/共60頁5/22/202220（三）切變模量 模型I：纖維與基體軸向串聯(lián)模型，在扭矩作用下，圓筒受純剪切應(yīng)力，纖維與基體切應(yīng)力相同，但因切變模量不同，切應(yīng)變不同，所以為等應(yīng)力模型。 模型II：纖維與基體軸向并聯(lián)模型，即纖維

9、被基體包圍，在扭矩作用下纖維與基體產(chǎn)生相同切應(yīng)變，但切應(yīng)力不同，所以為等應(yīng)變模型。第20頁/共60頁5/22/202221根據(jù)纖維與基體軸向串聯(lián)模型所得到的切變模量：根據(jù)纖維與基體軸向并聯(lián)模型所得到的切變模量：第21頁/共60頁5/22/202222（四）泊松比 單向復(fù)合材料的正交各向異性，決定了材料在縱、橫兩個方向呈現(xiàn)的泊松效應(yīng)不同，所以有兩個泊松比。 縱向泊松比：當(dāng)單向復(fù)合材料沿纖維方向受到拉伸時(shí)，在橫向產(chǎn)生收縮，其橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比為縱向泊松比，即：第22頁/共60頁5/22/202223第23頁/共60頁5/22/202224橫向泊松比：當(dāng)沿垂直于纖維方向彈性拉伸時(shí)，其縱向應(yīng)變與橫

10、向應(yīng)變之比：第24頁/共60頁5/22/202225二、單向復(fù)合材料的強(qiáng)度n（一）縱向抗拉強(qiáng)度n玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維增強(qiáng)的熱固性樹脂基復(fù)合材料的變形特性只有I、IV階段；n金屬基和熱塑性樹脂基復(fù)合材料，包含第II階段；n脆性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，觀察不到第III階段，而韌性纖維復(fù)合材料有第III階段。第25頁/共60頁5/22/202226 在第I階段，纖維和基體都處于彈性變形狀態(tài)，復(fù)合材料也處于彈性變形狀態(tài)，且第26頁/共60頁5/22/202227第27頁/共60頁5/22/202228 復(fù)合材料進(jìn)入變形第II階段時(shí)，纖維仍處于彈性狀態(tài)，但基體已產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)復(fù)合材料的應(yīng)力為

11、： 由于載荷主要由纖維承擔(dān)，所以隨著變形的增加，纖維載荷增加較快，當(dāng)達(dá)到纖維抗拉強(qiáng)度時(shí)，纖維破斷，此時(shí)基體不能支持整個復(fù)合材料載荷，復(fù)合材料隨之破壞。 以上公式應(yīng)滿足兩個條件： (1) 纖維受力過程中處于彈性變形狀態(tài)； (2) 基體的斷后伸長率大于纖維的斷后伸長率。第28頁/共60頁5/22/202229第29頁/共60頁5/22/202230如果VfVfmin時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度才按此式計(jì)算：第30頁/共60頁5/22/202231 屈曲的形式有兩種： （1）擠壓型 纖維彼此間反向彎曲，使基體產(chǎn)生橫向拉伸或壓縮應(yīng)變； 當(dāng)纖維間距離相當(dāng)大，即纖維體積分?jǐn)?shù)很小時(shí)，這種屈曲模式才可能發(fā)生。 （2

12、）剪切型 纖維之間同向彎曲，基體主要產(chǎn)生剪切變形，這種屈曲模式較為常見。（二）縱向抗壓強(qiáng)度第31頁/共60頁5/22/202232復(fù)合材料沿纖維方向受壓時(shí)，可以認(rèn)為纖維在基體內(nèi)的承力形式像彈性桿。假設(shè)基體僅提供橫向支持，載荷由纖維均攤，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度由纖維在基體內(nèi)的微屈曲臨界應(yīng)力控制。將單向纖維復(fù)合材料簡化成纖維和基體薄片相間粘接的縱向受壓桿件，當(dāng)外載荷增至一定值后，纖維開始失穩(wěn)，產(chǎn)生屈曲。第32頁/共60頁5/22/202233第三節(jié) 短纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能 單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一個顯著特點(diǎn)： 就是沿纖維方向有較高的強(qiáng)度和模量，但在垂直于纖維方向強(qiáng)度和模量較小。 如果一個零件的應(yīng)

13、力狀態(tài)可以精確地確定，就可用單向?qū)优髟O(shè)計(jì)制造層合板，使它與這個應(yīng)力狀態(tài)完全匹配，這種情況下，單向復(fù)合材料具有優(yōu)越性。第33頁/共60頁5/22/202234 但是如果零件的應(yīng)力狀態(tài)無法預(yù)測，或已經(jīng)知道在各個方向上受力基本相同，雖然可用單向增強(qiáng)的層坯制成準(zhǔn)各向同性的層板，但在每一層內(nèi)，如在彎曲時(shí)受力最大的表面層內(nèi)，在垂直纖維方向還是容易出現(xiàn)裂紋，所以在這種情況下，每一層最好是各向同性的。 而制造這種各向同性層坯的有效方法，是用隨機(jī)取向短纖維作為增強(qiáng)體，制造短纖維復(fù)合材料易使制造過程自動化，應(yīng)用大批量生產(chǎn)中的模塑技術(shù)，如模壓法和注模法，可以高生產(chǎn)率制造出高精度的短纖維復(fù)合材料零件或結(jié)構(gòu)件。第34頁

14、/共60頁5/22/202235一、基體與纖維間的應(yīng)力傳遞 載荷作用于復(fù)合材料上時(shí)，纖維不直接受力，載荷作用于基體材料上，然后通過纖維與基體的界面?zhèn)鬟f到纖維。 當(dāng)纖維長度比傳遞應(yīng)力的界面區(qū)長度大很多時(shí)，纖維末端的傳遞作用可以忽略不計(jì)，纖維可看成是連續(xù)的。在短纖維復(fù)合材料情況下，纖維末端的應(yīng)力傳遞作用變得顯著，已不能忽略不計(jì)，同時(shí)復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維長度密切相關(guān)。第35頁/共60頁5/22/202236 距離纖維末端z的纖維應(yīng)力為： 由于纖維末端附近高的應(yīng)力集中或基體屈服，使纖維末端與基體脫膠，一般 可忽略，則上式可改成： 如果切應(yīng)力沿纖維長度的變化已知，則據(jù)上式就可以計(jì)算出數(shù)值。 實(shí)際上，

15、切應(yīng)力分布事先是未知的，只能作為整個解的一部分來求。第36頁/共60頁5/22/202237 隨纖維長度增加，界面面積增大，中部拉應(yīng)力也增大。當(dāng)纖維中點(diǎn)的最大拉應(yīng)力恰好等于纖維裂紋強(qiáng)度時(shí)，纖維長度稱為纖維的臨界長度lcr： llcr時(shí)，短纖維才會像長纖維一樣起增強(qiáng)作用。第37頁/共60頁5/22/202238二、短纖維復(fù)合材料的彈性模量 假設(shè)纖維與基體粘接牢固，纖維的長度和直徑相同，不屈服，Halpin-Tsai給出了單向短纖維得合材料的彈性模量的計(jì)算公式：第38頁/共60頁5/22/202239第39頁/共60頁5/22/202240第40頁/共60頁5/22/202241三、短纖維復(fù)合材料

16、的強(qiáng)度 根據(jù)纖維長度不同，單向短纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度有不同的表達(dá)式：第41頁/共60頁5/22/202242第42頁/共60頁5/22/202243第四節(jié) 復(fù)合材料的斷裂 一、復(fù)合材料的斷裂 復(fù)合材料受載，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力水平達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，裂紋將向前擴(kuò)展； 裂紋擴(kuò)展時(shí)，其尖端可能與附近各種已存在的損傷或新形成的損傷（如纖維斷裂、基體變形和開裂、纖維與基體脫膠等）相遇，使損傷區(qū)加大，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，直到最終產(chǎn)生宏觀斷裂。第43頁/共60頁5/22/202244第44頁/共60頁5/22/202245這種脆性斷裂共有三種類型： (1) 接力破壞機(jī)理：當(dāng)一根纖維斷裂引起鄰近纖維應(yīng)力集中而過載，后者斷

17、裂，依次類推，最終復(fù)合材料整體破壞。 (2) 脆性粘接斷裂機(jī)理：斷裂的纖維在其周圍基體中形成應(yīng)力集中，使基體破壞，并最終導(dǎo)致材料整體破壞。 (3) 最弱環(huán)節(jié)機(jī)理：與基體粘接強(qiáng)的纖維的一旦斷裂，立即引起復(fù)合材料的整體破壞。第45頁/共60頁5/22/202246 是垂直于裂紋擴(kuò)展方向的纖維，當(dāng)其應(yīng)變達(dá)到斷裂應(yīng)變時(shí)發(fā)生的。在復(fù)合材料受載早期就有個別纖維產(chǎn)生這種損傷，隨著載荷增加，斷裂纖維數(shù)也增加。(1) 纖維斷裂n復(fù)合材料中，基體因強(qiáng)度低，所以在材料受載時(shí)先于纖維變形，到復(fù)合材料完全斷裂時(shí)，纖維周圍的基體也隨之?dāng)嗔选?2) 基體變形和開裂n若裂紋穿過基體擴(kuò)展遇到纖維時(shí)，裂紋可能分叉，轉(zhuǎn)向平行于纖維

18、方向擴(kuò)展。裂紋可在基體內(nèi)，也可沿界面擴(kuò)展，取決于界面與基體的相對強(qiáng)度。如果界面結(jié)合較弱，就將使纖維與基體脫膠。(3) 纖維脫膠第46頁/共60頁5/22/202247 這種損傷也發(fā)生在纖維與基體的界面上，它是由于斷裂纖維在基體中引起的應(yīng)力集中因基體屈服而被松弛，使纖維斷裂裂紋在基體中擴(kuò)展阻力增加，結(jié)果沿界面產(chǎn)生纖維拔出現(xiàn)象。 當(dāng)斷裂纖維端部與材料斷裂橫截面的距離很小（小于臨界尺寸的一半），常出現(xiàn)纖維拔出損傷。(4) 纖維拔出n這是發(fā)生在層合板情況下的一種損傷。當(dāng)裂紋穿過層合板的一個鋪層擴(kuò)展時(shí)，其尖端遇到相鄰鋪層的纖維，可能受到阻滯。n但因與裂紋尖端相鄰的基體中切應(yīng)力很高，裂紋可能分枝出來，開始

19、在平行于鋪層平面的界面上擴(kuò)展，形成分層裂紋。(5) 分層裂紋第47頁/共60頁5/22/202248 （一）復(fù)合材料的沖擊性能特點(diǎn)： (1) 單向復(fù)合材料的應(yīng)變速率敏感性因纖維種類不同而有所區(qū)別，而鋼的應(yīng)變速率敏感性也因強(qiáng)度不同而有差異。 低模量玻璃纖維復(fù)合材料對應(yīng)變速率變化敏感，當(dāng)沖擊拉伸應(yīng)變速率達(dá)到103s-1，其強(qiáng)度、塑性和韌性都比靜載荷時(shí)高； 高模量碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，對應(yīng)變速率變化不敏感。二、復(fù)合材料的沖擊性能第48頁/共60頁5/22/202249 (2) 鋼的沖擊斷裂機(jī)理是穿晶解理或微孔聚集斷裂，復(fù)合材料的沖擊斷裂是各類損傷的積累或非積累破壞。 (3) 高彈性模量復(fù)合材料往

20、往比低彈性模量復(fù)合材料的沖擊韌性差，如碳纖維-環(huán)氧復(fù)合材料與玻璃纖維-環(huán)氧復(fù)合材料的沖擊韌性。 前者以纖維斷裂為主要損傷模式，斷裂擴(kuò)展能低，后者以纖維拔出和分層裂紋為損傷模式，斷裂擴(kuò)展能高。第49頁/共60頁5/22/202250（二）影響復(fù)合材料沖擊性能的因素 1. 纖維方向的影響第50頁/共60頁5/22/202251第51頁/共60頁5/22/2022522. 界面的影響 纖維與基體的界面強(qiáng)度強(qiáng)烈地影響復(fù)合材料的破壞模式，從而影響材料的沖擊能。 對玻璃纖維-聚酯復(fù)合材料和玻璃纖維-環(huán)氧樹脂試驗(yàn)表明，前者的界面強(qiáng)度可通過表面處理大幅度變化，而后者的界面即使未經(jīng)過表面處理也能形成很強(qiáng)的粘接，

21、所以界面強(qiáng)度變化較小。第52頁/共60頁5/22/202253 （一）復(fù)合材料的疲勞性能特點(diǎn)： 對大多數(shù)各向同性材料，在受交變載荷作用時(shí)，往往出現(xiàn)一個單一的疲勞主裂紋并控制最終的疲勞破壞。 對于纖維復(fù)合材料，往往在高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)較大規(guī)模的損傷，如界面開膠、基體開裂、分層和纖維斷裂等，這些損傷還會相互影響和組合，表現(xiàn)出復(fù)雜的疲勞破壞行為，而很少出現(xiàn)單一裂紋控制的破壞機(jī)理。三、復(fù)合材料的疲勞性能第53頁/共60頁5/22/202254（二）影響復(fù)合材料疲勞性能的因素： 1. 基體、增強(qiáng)纖維種類的影響偶聯(lián)劑：是一類具有兩不同性質(zhì)官能團(tuán)的物質(zhì)，它們分子中的一部分官能團(tuán)可與有機(jī)分子反應(yīng)，另一部分官能團(tuán)可與

22、 無機(jī)物表面的吸附水反應(yīng)，形成牢固的粘合。偶聯(lián)劑在復(fù)合材料中的作用在于它既能與增強(qiáng)材料表面的某些基團(tuán)反應(yīng)，又能與基體樹脂反應(yīng)，從而增強(qiáng)了增強(qiáng)材料與樹脂之間粘合強(qiáng)度，提高了復(fù)合材料的性能。按偶聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)及組成分為有機(jī)鉻絡(luò)合物、硅烷類、鈦酸酯類和鋁酸化合物四大類。 第54頁/共60頁5/22/202255第55頁/共60頁5/22/2022562. 纖維含量的影響第56頁/共60頁5/22/202257 帶缺口復(fù)合材料多向?qū)雍习澹莒o載時(shí)會產(chǎn)生低應(yīng)力脆性破壞，但在受疲勞載荷時(shí)，卻對缺口不敏感，這是它的一個明顯優(yōu)點(diǎn)，稱為“擬脆性”。3. 缺口的影響4. 界面性質(zhì)的影響第57頁/共60頁5/22/202258作業(yè) P228 1 2 5第58頁/共60頁5/22/202259第59頁/共60頁5/22/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院60感謝您的觀看。第60頁/共60頁