材料力學性能復合材料的力學性能 材料力學性能 講義PPT課件

5/22/20221 20世紀60年代以來，航天、航空、電子、汽車等高技術領域的迅速發(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構件的性能要求和工況條件，選擇兩種或兩種以上化學、物理性質不同的材料，按一定的方式、比例、分布組合成復合材料，使其具有單一材料所無法達到的特殊性能或綜合性能。 復合材料性能的基本特點是各向異性、可設計性，這些特性以及所引起的特殊力學性能與均質各向同性材料是不同的。 因此，需要學習了解有關復合材料的理論、力學行為的基本特征。第1頁/共60頁5/22/20222第一節(jié) 復合材料的定義和性能特點 一、復合材料的定義與分類 定義：由兩種或兩種以上異質、異形、異性的材料復合成的新型材料。 其組分材料雖然保持相對獨立性，但復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：復合材料中的連續(xù)相，主要構成相 增強體：分布于基體中的一種或幾種不連續(xù)相，不連續(xù)相的強度、硬度比連續(xù)相高。增強體以獨立的形態(tài)分布于基體中，二者之間存在相界面，增強體可是纖維、顆粒狀填料等。本章討論的是作為結構材料使用的纖維復合材料，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、晶須等為增強體，以金屬、陶瓷、聚合物為基體的先進復合材料。第3頁/共60頁5/22/20224復合材料的分類 （1）按增強體分類： 連續(xù)纖維復合材料 非連續(xù)纖維復合材料 顆粒復合材料 層合板復合材料 （2）按基體分類： 聚合物基復合材料 金屬基復合材料 無機非金屬基復合材料 （3）按用途分類： 結構復合材料 功能復合材料第4頁/共60頁5/22/20225二、復合材料的特點 復合材料取決于基體和增強體的特性、含量、分布等。 (1) 高比強度、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 纖維增強復合材料在彈性常數、熱膨脹系數、強度等方面具有明顯的各向異性。 通過鋪層設計的復合材料，可能出現各種形式和不同程度的各向異性。 各向異性這一特性使復合材料的力學行為復雜化，但也可以作為一種優(yōu)點在設計時加以利用。如果采用合理的鋪層可在不同的方向分別滿足設計要求，能明顯減輕重量和更好的發(fā)揮結構的性能。(3) 抗疲勞性好n金屬、陶瓷材料的疲勞破壞是沒有明顯預兆的突發(fā)性破壞，而纖維復合材料中纖維和基體的界面能阻止裂紋擴展，所以纖維復合材料疲勞破壞總是從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開始，逐漸擴展到結合面上，破壞前沒有明顯預兆。第7頁/共60頁5/22/20228 構件的自身頻率除了與本身結構有關外，還與材料比模量的平方成正比。 纖維復合材料的比模量大，因而它的自振頻率很高，在加載速率下不容易出現因共振而快速斷裂的現象。 同時復合材料中存在大量纖維，與基體的界面，由于界面對振動有反射和吸收作用，所以復合材料的振動阻尼強，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合材料結構和性能的設計要求。n復合材料的高比強度、高模量的特點，是由于這種材料受力時高強度、高模量的增強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) 可設計性強第8頁/共60頁5/22/20229第9頁/共60頁5/22/202210第二節(jié) 單向復合材料的力學性能 連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排列的復合材料，稱為單向連續(xù)纖維增強復合材料。第10頁/共60頁5/22/202211n單向復合材料的強度和鋼度都隨方向而改變，有五個特征強度：n（1）縱向抗拉強度、（2）縱向抗壓強度、n（3）橫向抗拉強度、（4）橫向抗壓強度、n（5）面內抗剪強度。n有四個特征彈性常數：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、單向復合材料的彈性性能 （一）縱向彈性模量 在計算單向復合材料的縱向彈性模量時，將復合材料看成是兩種彈性體并聯，并簡化成有一定規(guī)則形狀和分布的模型。 假設：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、基體和復合材料有相同的拉伸應變，基體將拉伸力F通過界面完全傳遞給纖維。第12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 實際上，由于纖維有屈曲、排列不整齊、界面結合強度小等原因，使實驗值與計算值有一定差異，所以工程上常加一個修正系數K，則有：第15頁/共60頁5/22/202216（二）橫向彈性模量 計算單向纖維復合材料橫向彈性模量的模型有兩種： I型：纖維含量少，纖維與基體的串聯模型，此時纖維與基體具有相同的應力，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，可以認為這部分變形與基體一致，纖維與基體有相同的應變，即為并聯模型：第16頁/共60頁5/22/202217根據串聯模型，復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 根據假設 ，有： 同理，并聯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，獨立時的橫向彈性模量，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模型，在扭矩作用下，圓筒受純剪切應力，纖維與基體切應力相同，但因切變模量不同，切應變不同，所以為等應力模型。 模型II：纖維與基體軸向并聯模型，即纖維被基體包圍，在扭矩作用下纖維與基體產生相同切應變，但切應力不同，所以為等應變模型。第20頁/共60頁5/22/202221根據纖維與基體軸向串聯模型所得到的切變模量：根據纖維與基體軸向并聯模型所得到的切變模量：第21頁/共60頁5/22/202222（四）泊松比 單向復合材料的正交各向異性，決定了材料在縱、橫兩個方向呈現的泊松效應不同，所以有兩個泊松比。 縱向泊松比：當單向復合材料沿纖維方向受到拉伸時，在橫向產生收縮，其橫向應變與縱向應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：當沿垂直于纖維方向彈性拉伸時，其縱向應變與橫向應變之比：第24頁/共60頁5/22/202225二、單向復合材料的強度n（一）縱向抗拉強度n玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維增強的熱固性樹脂基復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合材料，包含第II階段；n脆性纖維增強復合材料，觀察不到第III階段，而韌性纖維復合材料有第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 復合材料進入變形第II階段時，纖維仍處于彈性狀態(tài)，但基體已產生塑性變形，此時復合材料的應力為： 由于載荷主要由纖維承擔，所以隨著變形的增加，纖維載荷增加較快，當達到纖維抗拉強度時，纖維破斷，此時基體不能支持整個復合材料載荷，復合材料隨之破壞。 以上公式應滿足兩個條件： (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，復合材料的抗拉強度才按此式計算：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，使基體產生橫向拉伸或壓縮應變； 當纖維間距離相當大，即纖維體積分數很小時，這種屈曲模式才可能發(fā)生。 （2）剪切型 纖維之間同向彎曲，基體主要產生剪切變形，這種屈曲模式較為常見。（二）縱向抗壓強度第31頁/共60頁5/22/202232復合材料沿纖維方向受壓時，可以認為纖維在基體內的承力形式像彈性桿。假設基體僅提供橫向支持，載荷由纖維均攤，復合材料的抗壓強度由纖維在基體內的微屈曲臨界應力控制。將單向纖維復合材料簡化成纖維和基體薄片相間粘接的縱向受壓桿件，當外載荷增至一定值后，纖維開始失穩(wěn)，產生屈曲。第32頁/共60頁5/22/202233第三節(jié) 短纖維復合材料的力學性能 單向連續(xù)纖維增強復合材料的一個顯著特點： 就是沿纖維方向有較高的強度和模量，但在垂直于纖維方向強度和模量較小。 如果一個零件的應力狀態(tài)可以精確地確定，就可用單向層坯設計制造層合板，使它與這個應力狀態(tài)完全匹配，這種情況下，單向復合材料具有優(yōu)越性。第33頁/共60頁5/22/202234 但是如果零件的應力狀態(tài)無法預測，或已經知道在各個方向上受力基本相同，雖然可用單向增強的層坯制成準各向同性的層板，但在每一層內，如在彎曲時受力最大的表面層內，在垂直纖維方向還是容易出現裂紋，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，是用隨機取向短纖維作為增強體，制造短纖維復合材料易使制造過程自動化，應用大批量生產中的模塑技術，如模壓法和注模法，可以高生產率制造出高精度的短纖維復合材料零件或結構件。第34頁/共60頁5/22/202235一、基體與纖維間的應力傳遞 載荷作用于復合材料上時，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。 當纖維長度比傳遞應力的界面區(qū)長度大很多時，纖維末端的傳遞作用可以忽略不計，纖維可看成是連續(xù)的。在短纖維復合材料情況下，纖維末端的應力傳遞作用變得顯著，已不能忽略不計，同時復合材料的力學性能與纖維長度密切相關。第35頁/共60頁5/22/202236 距離纖維末端z的纖維應力為： 由于纖維末端附近高的應力集中或基體屈服，使纖維末端與基體脫膠，一般 可忽略，則上式可改成： 如果切應力沿纖維長度的變化已知，則據上式就可以計算出數值。 實際上，切應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，中部拉應力也增大。當纖維中點的最大拉應力恰好等于纖維裂紋強度時，纖維長度稱為纖維的臨界長度lcr： llcr時，短纖維才會像長纖維一樣起增強作用。第37頁/共60頁5/22/202238二、短纖維復合材料的彈性模量 假設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、短纖維復合材料的強度 根據纖維長度不同，單向短纖維復合材料的抗拉強度有不同的表達式：第41頁/共60頁5/22/202242第42頁/共60頁5/22/202243第四節(jié) 復合材料的斷裂 一、復合材料的斷裂 復合材料受載，當裂紋尖端應力水平達到一定數值時，裂紋將向前擴展； 裂紋擴展時，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)擴展，直到最終產生宏觀斷裂。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) 接力破壞機理：當一根纖維斷裂引起鄰近纖維應力集中而過載，后者斷裂，依次類推，最終復合材料整體破壞。 (2) 脆性粘接斷裂機理：斷裂的纖維在其周圍基體中形成應力集中，使基體破壞，并最終導致材料整體破壞。 (3) 最弱環(huán)節(jié)機理：與基體粘接強的纖維的一旦斷裂，立即引起復合材料的整體破壞。第45頁/共60頁5/22/202246 是垂直于裂紋擴展方向的纖維，當其應變達到斷裂應變時發(fā)生的。在復合材料受載早期就有個別纖維產生這種損傷，隨著載荷增加，斷裂纖維數也增加。(1) 纖維斷裂n復合材料中，基體因強度低，所以在材料受載時先于纖維變形，到復合材料完全斷裂時，纖維周圍的基體也隨之斷裂。(2) 基體變形和開裂n若裂紋穿過基體擴展遇到纖維時，裂紋可能分叉，轉向平行于纖維方向擴展。裂紋可在基體內，也可沿界面擴展，取決于界面與基體的相對強度。如果界面結合較弱，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力集中因基體屈服而被松弛，使纖維斷裂裂紋在基體中擴展阻力增加，結果沿界面產生纖維拔出現象。 當斷裂纖維端部與材料斷裂橫截面的距離很?。ㄐ∮谂R界尺寸的一半），常出現纖維拔出損傷。(4) 纖維拔出n這是發(fā)生在層合板情況下的一種損傷。當裂紋穿過層合板的一個鋪層擴展時，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力很高，裂紋可能分枝出來，開始在平行于鋪層平面的界面上擴展，形成分層裂紋。(5) 分層裂紋第47頁/共60頁5/22/202248 （一）復合材料的沖擊性能特點： (1) 單向復合材料的應變速率敏感性因纖維種類不同而有所區(qū)別，而鋼的應變速率敏感性也因強度不同而有差異。 低模量玻璃纖維復合材料對應變速率變化敏感，當沖擊拉伸應變速率達到103s-1，其強度、塑性和韌性都比靜載荷時高； 高模量碳纖維復合材料的力學性能，對應變速率變化不敏感。二、復合材料的沖擊性能第48頁/共60頁5/22/202249 (2) 鋼的沖擊斷裂機理是穿晶解理或微孔聚集斷裂，復合材料的沖擊斷裂是各類損傷的積累或非積累破壞。 (3) 高彈性模量復合材料往往比低彈性模量復合材料的沖擊韌性差，如碳纖維-環(huán)氧復合材料與玻璃纖維-環(huán)氧復合材料的沖擊韌性。 前者以纖維斷裂為主要損傷模式，斷裂擴展能低，后者以纖維拔出和分層裂紋為損傷模式，斷裂擴展能高。第49頁/共60頁5/22/202250（二）影響復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度強烈地影響復合材料的破壞模式，從而影響材料的沖擊能。 對玻璃纖維-聚酯復合材料和玻璃纖維-環(huán)氧樹脂試驗表明，前者的界面強度可通過表面處理大幅度變化，而后者的界面即使未經過表面處理也能形成很強的粘接，所以界面強度變化較小。第52頁/共60頁5/22/202253 （一）復合材料的疲勞性能特點： 對大多數各向同性材料，在受交變載荷作用時，往往出現一個單一的疲勞主裂紋并控制最終的疲勞破壞。 對于纖維復合材料，往往在高應力區(qū)出現較大規(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，表現出復雜的疲勞破壞行為，而很少出現單一裂紋控制的破壞機理。三、復合材料的疲勞性能第53頁/共60頁5/22/202254（二）影響復合材料疲勞性能的因素： 1. 基體、增強纖維種類的影響偶聯劑：是一類具有兩不同性質官能團的物質，它們分子中的一部分官能團可與有機分子反應，另一部分官能團可與 無機物表面的吸附水反應，形成牢固的粘合。偶聯劑在復合材料中的作用在于它既能與增強材料表面的某些基團反應，又能與基體樹脂反應，從而增強了增強材料與樹脂之間粘合強度，提高了復合材料的性能。按偶聯劑的化學結構及組成分為有機鉻絡合物、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 帶缺口復合材料多向層合板，受靜載時會產生低應力脆性破壞，但在受疲勞載荷時，卻對缺口不敏感，這是它的一個明顯優(yōu)點，稱為“擬脆性”。3. 缺口的影響4. 界面性質的影響第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 材料科學與工程學院60感謝您的觀看。第60頁/共60頁