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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第十一章,復(fù)合材料的力學(xué)性能,11.1 復(fù)合材料概論,11.2 單向復(fù)合材料的力學(xué)性能,11.3 短纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能,11.4 復(fù)合材料的斷裂、沖擊和疲勞,1,第十一章 復(fù)合材料的力學(xué)性能 11.1 復(fù)合材料概論1,11.1 復(fù)合材料概論,一、定義和分類,1、定義,由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合,形成的新型材料。,2、分類,按基體分：金屬基復(fù)合材料；無機非金屬復(fù)合材,料；聚合物復(fù)合材料。按增強體分：連續(xù)纖維復(fù)合材料；短纖維復(fù)合材,料；顆粒復(fù)合材料；層合板復(fù)合材料。按用途分：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；
2、功能復(fù)合材料。,2,11.1 復(fù)合材料概論一、定義和分類1、定義由,二、材料復(fù)合的物理冶金基礎(chǔ),1、界面與界面反應(yīng),界面上反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)：相應(yīng)溫度下反應(yīng)的可能性；反應(yīng)常數(shù)；反應(yīng)速度常數(shù)。固溶與化合反應(yīng)：原子擴散，形成濃度不同的固溶體；新化合物。過渡層的出現(xiàn)：,2、強化理論,第二相強化、彌散強化；形變帶強化。斷裂及其機理：裂紋的萌生及擴展；斷裂。聚合強度的作用。,3,二、材料復(fù)合的物理冶金基礎(chǔ)3,三、復(fù)合材料的性能特點,1、高比強度、比彈性模量；2、各向異性；3、抗疲勞性能好；4、減振性能好；5、可設(shè)計性強。,4,三、復(fù)合材料的性能特點4,四、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理,1、層次結(jié)構(gòu),一次結(jié)構(gòu)（單層），不
3、產(chǎn)生新相；二次結(jié)構(gòu)（鋪層）有新相產(chǎn)生；能較好地過渡；三次結(jié)構(gòu)（多層）形成多個鋪層。,2、連續(xù)纖維與非連續(xù)纖維增強,連續(xù)纖維增強 方向性明顯，性能受纖維的粗細(xì)、數(shù)量、排列的影響。非連續(xù)纖維增強 纖維的長度與直徑之比L/d，提高剪切強度。,返回,5,四、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理5,11.2 單向復(fù)合材料的力學(xué)性能,一、單向復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)模型,1、定義,連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排列的復(fù)合材料，叫做單向連續(xù)纖維增強復(fù)合材料。,2、結(jié)構(gòu)模型,（圖）并聯(lián)模型 纖維與基體有相同的應(yīng)變 串聯(lián)模型 纖維與基體有相同的應(yīng)力。,6,11.2 單向復(fù)合材料的力學(xué)性能一、單向復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)模,3、力學(xué)性能特征值,五個特征強度
4、值 縱向抗拉強度，橫向抗拉強度，縱向抗壓強度，橫向抗壓強度，面內(nèi)抗剪強度。四個特征彈性常數(shù) 縱向彈性模量，橫向彈性模量，主泊松比，切變模量。復(fù)合材料的強度和彈性模量由復(fù)合材料的組分、材料的特性、增強體的取向、體積分?jǐn)?shù)決,定。,7,3、力學(xué)性能特征值 五個特征強度值 縱向,二、彈性性能,1、縱向彈性模量,（并聯(lián)）（加權(quán)和 ）E,cl,1=KE,f,V,f,+E,m,(1-V,f,)K工程修正值 V,f,纖維的體積分?jǐn)?shù),2、橫向彈性模量,（串聯(lián)）基于：,L,cT,=L,fT,+L,mT,應(yīng)力相同,8,二、彈性性能8,3、切變模量,（1）等應(yīng)力模型，等應(yīng)變模型（圖11-7）（與拉伸時的模型的定義正相
5、反）,（2）模量的推導(dǎo)以扭距MC為基礎(chǔ)。,9,3、切變模量9,4、泊松比,縱向泊松比,（式11-28）,橫向泊松比,（式11-34）,10,4、泊松比10,三、強度,1、拉伸強度,（1）曲線（圖11-11）,（2）拉伸變形的四個階段（圖11-9)a）纖維和基體都是彈性變形；b）纖維彈性變形，基體非彈性,變形；c）纖維與基體均為非彈性變形,（僅韌性纖維存在第三階段）d）纖維斷裂，隨之復(fù)合材料斷,裂。,11,三、強度11,（3）各階段的強度,I:,CL,=E,f,f,V,f,+E,m,(1-V,f,)（式11-36）纖維體積V,f,，在一定范圍內(nèi)，V,f,，,CL,，過多浸潤,不好，反而。,II：
6、,CL,()=,f,()V,f,+,m,()V,m,m,*基體應(yīng)變等于纖維斷裂應(yīng)變時的基體應(yīng)力。纖維增強作用，僅在復(fù)合材料的強度超過基體強度,時才有效?？梢酝茖?dǎo)出臨界纖維體積，V,fcr,（式11-41）,當(dāng)V,f,V,fmin,時 復(fù)合材料的抗拉強度,CLu,=,mu,(1-V,f,),12,（3）各階段的強度12,2、抗壓強度,基體在縱向壓縮中起重要作用。,基體給予纖維側(cè)向支持，使纖維不屈曲。,拉壓型和剪切型失穩(wěn)模型中，縱向抗壓強度分別為 式11-44和式11-45,“纖維的微彎曲和基體剪切失穩(wěn)是復(fù)合材料縱向壓縮的兩個主要破壞機理”。,返回,13,2、抗壓強度13,11.3 短纖維復(fù)合材料
7、的力學(xué)性能,該材料的應(yīng)用廣泛。力學(xué)性能比連續(xù)纖維的更為復(fù)雜。纖維末端的應(yīng)力傳遞作用不能忽略,一、基體與纖維間的應(yīng)力傳遞 拉伸狀態(tài),纖維的臨界長度L,cr,（中部的拉伸應(yīng)力最大）平均應(yīng)力約為最大應(yīng)力的95%。,14,11.3 短纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能 該材料的應(yīng)用廣,二、彈性模量,彈性模量計算公式(式11-61）（式11-62）（式11-63）,三、強度,按混合定律計算。,用纖維的平均應(yīng)力代替（11-39）中的纖維抗拉強度。,返回,15,二、彈性模量 彈性模量計算公式(式11-61）（式1,11.4 復(fù)合材料的斷裂、沖擊和疲勞,一、斷裂,1、損傷累積機理 裂紋萌生：缺陷處 擴展：2、非累積損傷機
8、理,接力破壞 脆性粘接斷裂機理 最薄弱環(huán)節(jié)破壞機理 3、復(fù)合材料的破壞形式 纖維斷裂 基體變形和開裂 纖維脫膠 纖維撥出 分層裂紋,16,11.4 復(fù)合材料的斷裂、沖擊和疲勞一、斷裂 1、損,二、沖擊性能,1、沖擊性能特點 ，沖擊性能 高模量碳纖維復(fù)合材料，對變化不敏感。高彈性模量比低彈性模量的沖擊韌性差。沖擊斷裂是各類損傷的累積或非累積破壞。,2、影響沖擊性能的因素 自身屬性，力學(xué)性能。纖維方向；鋪層結(jié)構(gòu)。界面的聚合強度。,17,二、沖擊性能17,三、疲勞性能,1、疲勞性能特點 疲勞性能好。復(fù)雜的疲勞破壞行為。損傷可被牽制。,2、影響因素 組分材料的性能（基體，增強纖維影響）；增強纖維的體積分?jǐn)?shù)（纖維含量）；界面性質(zhì)（包括缺口的影響）；載荷形式；,環(huán)境條件。,18,三、疲勞性能18,
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