復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)PPT

1、復(fù)合材料拉伸實(shí)驗(yàn)復(fù)合材料拉伸實(shí)驗(yàn) 一、一、板狀試件的拉伸板狀試件的拉伸 單向拉伸是復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)應(yīng)用單向拉伸是復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)應(yīng)用最廣最廣，研究最多的一種方法。前蘇、美、，研究最多的一種方法。前蘇、美、 德、英各自的標(biāo)準(zhǔn)加入德、英各自的標(biāo)準(zhǔn)加入iso后，我國參照后，我國參照iso也建立了自己的國標(biāo)（也建立了自己的國標(biāo)（gb）。）。 拉伸時的難點(diǎn)拉伸時的難點(diǎn)： 在整個標(biāo)距段難以建立均勻的應(yīng)力狀態(tài)。在整個標(biāo)距段難以建立均勻的應(yīng)力狀態(tài)。 由于測量彈性常數(shù)和斷裂強(qiáng)度對試件所受的應(yīng)力狀態(tài)要求不同；根據(jù)圣維南原理，由于測量彈性常數(shù)和斷裂強(qiáng)度對試件所受的應(yīng)力狀態(tài)要求不同；根據(jù)圣維南原理， 各向異性

2、材料的表現(xiàn)最為突出；同傳統(tǒng)的材料相比，試件的端部效應(yīng)更為明顯。各向異性材料的表現(xiàn)最為突出；同傳統(tǒng)的材料相比，試件的端部效應(yīng)更為明顯。 為了即避免邊界效應(yīng)的影響，又能較為準(zhǔn)確測定剛度，勢必增加試件的長度，但為了即避免邊界效應(yīng)的影響，又能較為準(zhǔn)確測定剛度，勢必增加試件的長度，但 同時可能帶來破壞模式的改變。因此，必須保證試件的數(shù)量和尺寸不同的試件。同時可能帶來破壞模式的改變。因此，必須保證試件的數(shù)量和尺寸不同的試件。 測定強(qiáng)度時常見的誤差：測定強(qiáng)度時常見的誤差： 處理試驗(yàn)結(jié)果所用的數(shù)學(xué)公式與試件破壞形式不適應(yīng)；處理試驗(yàn)結(jié)果所用的數(shù)學(xué)公式與試件破壞形式不適應(yīng)； 原因：實(shí)際測量時，往往因縱向?qū)娱g分離、

3、剪切或標(biāo)距外破壞、卡具內(nèi)破壞的發(fā)生原因：實(shí)際測量時，往往因縱向?qū)娱g分離、剪切或標(biāo)距外破壞、卡具內(nèi)破壞的發(fā)生 而造成。而造成。 解決辦法：解決辦法：加緊形式、對中、防滑加緊形式、對中、防滑。 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線 纖維聚合物復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線取決于：纖維聚合物復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線取決于： 1、增強(qiáng)相和鋪層方式；、增強(qiáng)相和鋪層方式； 2、增強(qiáng)相與基體的相互作用；、增強(qiáng)相與基體的相互作用； 3、對中問題；、對中問題； 4、試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)環(huán)境 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 單向單向玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線在材料破壞前是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線在材料破壞前是線性線性的；的；

4、 正交正交增強(qiáng)的、增強(qiáng)的、非編織非編織的玻璃纖維復(fù)合材料和玻璃布材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線是的玻璃纖維復(fù)合材料和玻璃布材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線是 由兩條或多條斜率由兩條或多條斜率不同的直線不同的直線組成。組成。 折點(diǎn)存在原因：折點(diǎn)存在原因： 1、材料的局部破壞為主要原因；、材料的局部破壞為主要原因； 2、設(shè)備的不完善；、設(shè)備的不完善； （ ） strain stress x y z 關(guān)于泊松比關(guān)于泊松比 問題與難點(diǎn)：問題與難點(diǎn)： 在拉伸條件下，纖維聚合物復(fù)合材料的泊松比并非不變值，而是隨著載荷的增加在拉伸條件下，纖維聚合物復(fù)合材料的泊松比并非不變值，而是隨著載荷的增加 而減小，有時會出現(xiàn)而減小，有時

5、會出現(xiàn)負(fù)的泊松比負(fù)的泊松比。 分析其主要原因：泊松比的符號取決于增強(qiáng)纖維的分析其主要原因：泊松比的符號取決于增強(qiáng)纖維的鋪設(shè)方向和順序鋪設(shè)方向和順序，反映在邊緣，反映在邊緣 效應(yīng)上。因此，對增強(qiáng)纖維的橫向相對應(yīng)變進(jìn)行測量時困難；效應(yīng)上。因此，對增強(qiáng)纖維的橫向相對應(yīng)變進(jìn)行測量時困難； 解決辦法：解決辦法： 取取厚與寬相同厚與寬相同的承均質(zhì)疊層的試樣上測定泊松比，且由單向材料的試樣測量，并的承均質(zhì)疊層的試樣上測定泊松比，且由單向材料的試樣測量，并 加載水平給予說明。加載水平給予說明。 測量值及計算公式測量值及計算公式 ：橫截面上的正應(yīng)力，當(dāng)試件加載的破壞時，既是最大正應(yīng)力載荷時：橫截面上的正應(yīng)力，當(dāng)

6、試件加載的破壞時，既是最大正應(yīng)力載荷時： 材料發(fā)生破壞，材料發(fā)生破壞， 既是該材料的破壞強(qiáng)度既是該材料的破壞強(qiáng)度 。 縱向應(yīng)變：縱向應(yīng)變： 標(biāo)距長度的增量標(biāo)距長度的增量 x p s x x t x t x l l 1 lll 彈性模量的確定彈性模量的確定： 實(shí)際測量時，若測得的應(yīng)力應(yīng)變曲線實(shí)際測量時，若測得的應(yīng)力應(yīng)變曲線無線性段無線性段，只能測定，只能測定正切正切或或正割正割時時 的彈性模量。的彈性模量。 泊松比的確定：泊松比的確定： 1 1 . iii x x ii xx plp e sls : i p i x ： 載 荷 增 量 ； s : 試 樣 標(biāo) 距 的 橫 截 面 積 ； l :

7、引 伸 計 的 跨 度 ； l : l 的 變 形 ； 電 阻 應(yīng) 變 片 測 定 的 應(yīng) 變 ； , i i yi z yxzx ii xx i tlt i tll ll ll : : tt lt ll ll 試樣在基長 上的橫向變形； 試樣在基長 上的縱向變形； / ii lllttt llll式中： 和可直接用電阻應(yīng)變片測量； 破壞模式破壞模式 纖維聚合物的破壞模式主要是由于增強(qiáng)纖維聚合物的破壞模式主要是由于增強(qiáng)疊層形式疊層形式、各組分各組分的材料的力學(xué)的材料的力學(xué) 性能及組分間的作用，工藝性能及組分間的作用，工藝缺陷缺陷（空隙、纖維波紋度等）、以及試樣（空隙、纖維波紋度等）、以及試樣尺

8、寸尺寸 所決定。所決定。 幾種破壞模式：幾種破壞模式： 沿纖維增強(qiáng)方向加載的單向復(fù)合材料，通常因增強(qiáng)沿纖維增強(qiáng)方向加載的單向復(fù)合材料，通常因增強(qiáng)纖維斷裂纖維斷裂而破壞；而破壞； 纖維含量低的材料，纖維含量低的材料，聚合物聚合物基體在增強(qiáng)纖維斷裂之前破壞；基體在增強(qiáng)纖維斷裂之前破壞； 單向纖維復(fù)合材料上的載荷與纖維方向有夾角時，破壞隨角度而變化；單向纖維復(fù)合材料上的載荷與纖維方向有夾角時，破壞隨角度而變化； 1、小角度時，由于剪切以及平行于增強(qiáng)纖維方向的聚合物、小角度時，由于剪切以及平行于增強(qiáng)纖維方向的聚合物基體剝離基體剝離，而是，而是 材料開始破壞；材料開始破壞； 2、角度加大時，由于拉應(yīng)力起

9、著主要作用，極端情況下，因聚合物基體、角度加大時，由于拉應(yīng)力起著主要作用，極端情況下，因聚合物基體橫橫 向斷裂向斷裂而破壞；而破壞； ! 只有仔細(xì)觀察、記錄、分析被測試件破壞模式，才能提煉只有仔細(xì)觀察、記錄、分析被測試件破壞模式，才能提煉 出反映出反映真實(shí)物理客觀事實(shí)真實(shí)物理客觀事實(shí)的理論模型，才能真正指導(dǎo)材料的設(shè)的理論模型，才能真正指導(dǎo)材料的設(shè) 計、和優(yōu)化出完美的材料。計、和優(yōu)化出完美的材料。 加載條件加載條件 根據(jù)試驗(yàn)的目的有選擇加載。根據(jù)試驗(yàn)的目的有選擇加載。 彈性常數(shù)的彈性常數(shù)的 測定：測定： 先加載到預(yù)期靜強(qiáng)度的先加載到預(yù)期靜強(qiáng)度的1020，然后，降低到靜強(qiáng)度，然后，降低到靜強(qiáng)度 的

10、的5之后再開之后再開 始加載。始加載。 破壞強(qiáng)度的測定：破壞強(qiáng)度的測定： 可直接加載到破壞為止，但加載速率要恒定?？芍苯蛹虞d到破壞為止，但加載速率要恒定。若不恒定呢？若不恒定呢？ 彈性模量和泊松比的測定：彈性模量和泊松比的測定： 對試樣要加載幾次（至少對試樣要加載幾次（至少3次），若數(shù)據(jù)很分散，就加載次），若數(shù)據(jù)很分散，就加載610次，但應(yīng)次，但應(yīng) 力不要超力不要超 過應(yīng)力應(yīng)變曲線上的拐點(diǎn)的水平。過應(yīng)力應(yīng)變曲線上的拐點(diǎn)的水平。 加載速率的選擇：加載速率的選擇： 可查閱相關(guān)手冊或國標(biāo)?？刹殚喯嚓P(guān)手冊或國標(biāo)。 試樣的形狀和尺寸試樣的形狀和尺寸 一般要求：一般要求： 參考標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合卡具類型。參考標(biāo)準(zhǔn)

11、，結(jié)合卡具類型。 盡量保證標(biāo)距段的應(yīng)力均勻；盡量保證標(biāo)距段的應(yīng)力均勻； 保證在標(biāo)距段破壞，以確保保證在標(biāo)距段破壞，以確保 試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性。 根據(jù)試驗(yàn)的目的不同根據(jù)試驗(yàn)的目的不同 選擇不同形狀、尺寸的選擇不同形狀、尺寸的 試件。試件。 要測定彈性常數(shù)該選要測定彈性常數(shù)該選 哪一種呢哪一種呢？ 強(qiáng)度呢強(qiáng)度呢？ 板樣試件的加載板樣試件的加載 各向異性桿的變形特征各向異性桿的變形特征 對于各向異性材料，受軸向拉伸的桿不僅沿加載方向延伸，沿橫向收對于各向異性材料，受軸向拉伸的桿不僅沿加載方向延伸，沿橫向收 縮，而且在所有平行于坐標(biāo)平面的面上受剪。與各向同性材料相反?？s，而且在所有平行于坐

12、標(biāo)平面的面上受剪。與各向同性材料相反。 在約束變形條件下，出在約束變形條件下，出 拉伸應(yīng)力外，還產(chǎn)生彎曲拉伸應(yīng)力外，還產(chǎn)生彎曲 力和剪切力，從而導(dǎo)致變力和剪切力，從而導(dǎo)致變 形不均勻。形不均勻。 此時，彎曲和剪切的影此時，彎曲和剪切的影 響不僅取決于被測試材料響不僅取決于被測試材料 的彈性常數(shù)，而且取決于的彈性常數(shù)，而且取決于 試樣的長寬比。試樣的長寬比。 拉伸應(yīng)力的傳遞拉伸應(yīng)力的傳遞 通常采用自鎖楔式夾頭中的試樣加載。通常采用自鎖楔式夾頭中的試樣加載。 保證試件在夾頭中加緊的條件：保證試件在夾頭中加緊的條件： p：載荷；：載荷； f：一個側(cè)面的摩擦力；：一個側(cè)面的摩擦力； f可由下式確定：可

13、由下式確定： 1 2 fp 2() pf fpf tg f 復(fù)合材料同楔形面間摩擦系數(shù)； 楔形夾鉗的斜角； 夾頭斜面上滾動摩擦的折算角； 正壓的傳遞強(qiáng)度系數(shù) 接頭片接頭片 改進(jìn)后的夾具改進(jìn)后的夾具 正交各向異性復(fù)合材料的彈性常數(shù)的測定正交各向異性復(fù)合材料的彈性常數(shù)的測定 一、方法一、方法 采用采用兩組兩組試樣試驗(yàn)測定彈性常數(shù)。各向彈性常數(shù)的準(zhǔn)確測定，對分析解決平試樣試驗(yàn)測定彈性常數(shù)。各向彈性常數(shù)的準(zhǔn)確測定，對分析解決平 面問面問 題至關(guān)重要。題至關(guān)重要。 二、試樣的制備二、試樣的制備 常簡化為采用對常簡化為采用對x軸成軸成 角和角和 角（角（ ）切取的兩組試樣進(jìn)行簡單的）切取的兩組試樣進(jìn)行簡單

14、的 加載試驗(yàn)。加載試驗(yàn)。 三、可直接測得參量三、可直接測得參量 1 2 o 12 90 12 12 12 ，：縱向應(yīng)變； ，：橫向應(yīng)變； ，：相應(yīng)應(yīng)力； 各向彈性常數(shù)的導(dǎo)出各向彈性常數(shù)的導(dǎo)出 12 12 12 12 12 22 12 21 1221 21 21 21 121212 21 21 21 12 21 0 012 1 4()() (1)(1) 1 41 2121 1 (21)21 1 x y xy l pl p ttp p qq epp lplp epp ttppp pqq lplp gpp tptp pp t pt p epp 1 1 1 1 1 1 2 11 2 11 , , si

15、n, sin 2 l t p q 2 2 2 2 2 2 2 22 2 22 ; ; sin; sin 2; l t p q 式中： 如果試件尺寸可固定測量如果試件尺寸可固定測量z方向上電阻應(yīng)變片，則可測得主要彈性常數(shù)方向上電阻應(yīng)變片，則可測得主要彈性常數(shù) 可算出：可算出： 式中：式中： 1323zxxxyy a ea e 和 11 2 21 13 21 121 23 21 ; 11 ; z pz p az pp zpzp a pp 1 1 1 ,z 2 2 2 z 通常選用通常選用 進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行試驗(yàn)。 層間拉伸強(qiáng)度層間拉伸強(qiáng)度 試件選擇試件選擇：試件為：試件為板式板式和和環(huán)式環(huán)式兩種。兩種

16、。 板式試件拉伸時，要避免應(yīng)力集中。板式試件拉伸時，要避免應(yīng)力集中。 0 1 0 2 0 45 板式拉伸試件示意圖板式拉伸試件示意圖 圓形拉伸試件示意圖圓形拉伸試件示意圖 環(huán)狀試件的拉伸環(huán)狀試件的拉伸 對開式拉力盤拉伸法（對開式拉力盤拉伸法（nol） 是美國是美國1955年發(fā)明用以評定纖維粗紗表面化學(xué)處理方法對玻璃纖維復(fù)合材料年發(fā)明用以評定纖維粗紗表面化學(xué)處理方法對玻璃纖維復(fù)合材料 強(qiáng)度的影響，目前，強(qiáng)度的影響，目前，nol圓環(huán)主要用于測定彈性模量、圓周拉伸強(qiáng)度和剪切圓環(huán)主要用于測定彈性模量、圓周拉伸強(qiáng)度和剪切 模量，現(xiàn)已納入模量，現(xiàn)已納入astm標(biāo)準(zhǔn)，并已被世界各國所采用。標(biāo)準(zhǔn)，并已被世界各

17、國所采用。 p p p p p a b c 試件環(huán)主要采用試件環(huán)主要采用纏繞法纏繞法和機(jī)械和機(jī)械加工法加工法制備制備 naval ordnance lab. 試件的尺寸：試件的尺寸：astm標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了經(jīng)機(jī)械加工的圓環(huán)的尺寸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了經(jīng)機(jī)械加工的圓環(huán)的尺寸 圓環(huán)試件卡具圓環(huán)試件卡具 簡化改進(jìn)后的圓環(huán)試件卡具簡化改進(jìn)后的圓環(huán)試件卡具 石墨潤滑劑石墨潤滑劑 液壓式驅(qū)動卡具液壓式驅(qū)動卡具 對彈性模量對彈性模量e的測定，有幾種測量變形的方法。最簡單的方法是測量兩的測定，有幾種測量變形的方法。最簡單的方法是測量兩 個半盤間的間隙量（個半盤間的間隙量（a類似類似）。）。 22 pd e bhu b h d

18、up 環(huán)試件寬度； 環(huán)試件厚度； 環(huán)的平均直徑； 載荷增加時，兩半盤間距的變化量； 兩個半盤間的初始距離一定要?。ㄒ髢擅嫒娼佑|），因隨著兩個半盤間的初始距離一定要?。ㄒ髢擅嫒娼佑|），因隨著 兩個半盤之間的間隙出現(xiàn)，試樣的相應(yīng)部分不僅會被拉直，而且還兩個半盤之間的間隙出現(xiàn)，試樣的相應(yīng)部分不僅會被拉直，而且還 會有偏轉(zhuǎn)（如會有偏轉(zhuǎn)（如a型）簡化改進(jìn)后的卡具就考慮了這一點(diǎn)。型）簡化改進(jìn)后的卡具就考慮了這一點(diǎn)。 由于試件同拉力盤不能完全接觸，而且，由于摩擦的影響，以及由于試件同拉力盤不能完全接觸，而且，由于摩擦的影響，以及 拉力盤分開處的試件局部變形的因素的存在，所以環(huán)的圓周應(yīng)變分拉力盤分開處

19、的試件局部變形的因素的存在，所以環(huán)的圓周應(yīng)變分 布是不均勻的。布是不均勻的。 驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：環(huán)試件圓周應(yīng)變、應(yīng)力分布驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：環(huán)試件圓周應(yīng)變、應(yīng)力分布 不均勻不均勻; 從而確定了電阻應(yīng)變片粘貼的有效位從而確定了電阻應(yīng)變片粘貼的有效位 置；置； 此時，彈性模量由下式確定此時，彈性模量由下式確定: 1 2 p e bh p 載荷； 電阻應(yīng)變片測得的應(yīng)變平均值（4個） 圓周彈性模量圓周彈性模量 也可由于也可由于長環(huán)試件長環(huán)試件的測定（的測定（b）,此時，電阻應(yīng)變此時，電阻應(yīng)變 片應(yīng)貼在直線部位。片應(yīng)貼在直線部位。 e 強(qiáng)度測量：強(qiáng)度測量： 2 t p bh 然而，當(dāng)然而，當(dāng) 時，試件破壞的層間剪應(yīng)力時，試件破壞的層間剪應(yīng)力 可能超過材料可能超過材料 的極限值。由于彎曲的結(jié)果，內(nèi)層受載，而外層載荷不足。的極限值。由于彎曲的結(jié)果，內(nèi)層受載，而外層載荷不足。 t 纖維環(huán)氧復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料的內(nèi)表面（接觸面）相對纖維環(huán)氧復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料的內(nèi)表面（接觸面）相對 圓周應(yīng)力圓周應(yīng)力 的變化曲線。的變化曲線。 / m 可看出：可看出：圓周應(yīng)力的分布與試樣材料的關(guān)系很