復(fù)合材料的斷裂和韌性

1、斷裂力學(xué)的形成 脆斷的發(fā)生破壞的機(jī)理： 往往由構(gòu)件的內(nèi)部缺陷導(dǎo)致（典型如裂紋的存在）。因在實(shí)際的 構(gòu)件中，理想的均勻連續(xù)材料是不存在的，都或多或少地存在不同類 型的缺陷，構(gòu)件在使用過程中，這些缺陷將逐步發(fā)展成微裂紋，在外 載荷的作用下，微裂紋的擴(kuò)展、融合最終導(dǎo)致了構(gòu)件的斷裂。 傳統(tǒng)強(qiáng)度理論把材料組織的不均勻性和實(shí)驗(yàn)測得的應(yīng)力不準(zhǔn)確性， 都包含在安全系數(shù)中，因此，導(dǎo)致安全系數(shù)的選擇或大或小。 因此，為了研究裂紋擴(kuò)展的規(guī)律，防止低應(yīng)力脆斷的發(fā)生，形成了一 門嶄新的學(xué)科斷裂力學(xué)。 斷裂力學(xué)的概念： 它是以構(gòu)件內(nèi)存在缺陷為前提，建立符合客觀情況的理論和試驗(yàn)方法。 它的任務(wù)不僅研究裂紋擴(kuò)展的規(guī)律性，還通

2、過分析裂紋周圍的應(yīng)力和 應(yīng)變以及測試帶有裂紋的試件的力學(xué)性質(zhì)，建立了斷裂的判據(jù)。 斷裂力學(xué)的形成 斷裂力學(xué)的可以解決的問題： 可以解決構(gòu)件的選材，確定構(gòu)件的 允許最大初始裂紋尺寸； 估計構(gòu)件的疲勞壽命； 估計構(gòu)件的剩余強(qiáng)度和檢修周期等， 從而保證構(gòu)件的安全使用。 斷裂韌性的解釋： 臨界應(yīng)力（試件拉斷時的名義應(yīng) 力） 構(gòu)件斷裂時的臨界應(yīng)力 與裂紋深 度（或長度）a的平方根的乘機(jī)為 一常數(shù)K。 0 aK a 0 0 玻璃上的表面裂紋 0 斷裂韌性 K是對同一材料是一常數(shù)，它表示材料本身所固有的物理性質(zhì)。 若裂紋尺寸一定時，可知，K值越大，裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力 就越高。 因此，常數(shù)K表示了材料阻止裂紋

3、擴(kuò)展的能力，可以看成是材料抵抗材料 脆性破壞能力的一個斷裂韌性參量。 0 復(fù)合材料失效的結(jié)構(gòu)因素 復(fù)合材料的多相結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定其具有良好的斷裂韌性； 材料變形時，一定程度上的損傷并不會削弱其承載能力，只 有損傷超過臨界水平后，裂紋的擴(kuò)展才將導(dǎo)致破壞的發(fā)生。材 料變形時，微觀及宏觀層上弱界面的存在會抑制裂紋的增長。 控制裂紋擴(kuò)展的因素很多，不僅取決于各組元的特性，還取決 于其相互作用的方式（如：鋪層方式、貧富脂區(qū)、缺陷幾何尺 寸等），其中主要是纖維與基體界面的不連續(xù)性。 斷裂力學(xué)的研究方法 1920年，基于應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度因子K和相應(yīng)的基于能 量的應(yīng)變能釋放率G，Griffith建立了含裂紋固體斷裂

4、 Griffith模型；從而為現(xiàn)代斷裂力學(xué)在復(fù)合材料中的應(yīng) 用打下基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，后人研究發(fā)現(xiàn)，斷裂能或 斷裂功功與斷裂過程具有明確的關(guān)系，由它可以不同 材料的性能，而且有助于推斷材料/工藝參數(shù)對特定復(fù) 合材料的行為可能產(chǎn)生的影響；斷裂能的思想又導(dǎo)致 了裂紋阻力曲線（R曲線）概念的發(fā)展。 平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測定 y x z o p p z y x o p p y x z o p p I型（張開型） II型裂紋（滑開型） III型裂紋（撕開型） Griffith的三種破壞模型的三種破壞模型 復(fù)合材料的斷裂過程 s 考慮簡單的Griffith平面裂紋模型，認(rèn)為裂紋擴(kuò)展不可逆。 裂紋增長導(dǎo)致

5、整個系統(tǒng)（試驗(yàn)機(jī)試樣）彈性能的凈變化用于 提供產(chǎn)生新表面的能量 和激發(fā)促使裂紋增長的其他變形 或破壞機(jī)制的能量 F 基體效應(yīng)基體效應(yīng)： 金屬或熱塑性材料等非脆性基體中加入高體積份數(shù)的剛性、 脆性纖維時，由于塑性約束而導(dǎo)致基體中產(chǎn)生三軸向拉應(yīng)力 分量，使基體有效韌性降低（如水泥、金屬陶瓷等） 軟質(zhì)基體中加入低體積分?jǐn)?shù)的剛性粒子或纖維后由于基體剛 性提高，基體產(chǎn)生臨界初始裂紋所需的應(yīng)力提高，因此基體 有效韌性增加 1. 低韌性基體中加入纖維或粒子后由于在添加物附近裂紋增長 緩慢，基體的有效韌性提高。（如脆性塑料依賴于裂紋的開 裂速度、并于裂紋表面粗糙度有關(guān)） 纖維效應(yīng)纖維效應(yīng)： 玻璃纖維、碳纖維和

6、硼纖維等具有較高破壞強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變， 這些纖維的本征斷裂能很低，其破壞形式主要由缺陷分布的統(tǒng) 計性質(zhì)決定。 纖維纖維/基體的簡單加合效應(yīng)：基體的簡單加合效應(yīng)： 對金屬增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料的研究表明；復(fù)合材料的比斷裂 能可通過混合律對各組元斷裂能求和： ()() (1)() FcFmfFff VV 該式假定剛性更強(qiáng)的纖維使基體塑性變形的范圍局限在 裂紋附近。 復(fù)合效應(yīng)對韌性的影響復(fù)合效應(yīng)對韌性的影響 對于簡單情況，估算基體合纖維的變形所需的相應(yīng)能量就可以 為宏觀韌性提供合理的模型（如混合律模型），然而在實(shí)際的 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性合各向異性使斷裂 過程非常復(fù)雜，微觀斷裂會最終導(dǎo)

7、致破壞，但微觀斷裂結(jié)合在 一起卻能使斷裂能提高。與金屬不同，大部分高性能復(fù)合材料 不存在加工硬化問題，即使是破壞過程是漸進(jìn)的，達(dá)到峰值載 荷后某一組元的承載能力也會非常迅速下降，但破壞過程仍能 吸收很多能量，所以此類復(fù)合材料適合于吸收能量比承載能力 更重要的場合。 線性（非韌） 非線性（較韌） 后斷裂（整體） 不同脆性/韌性行為的應(yīng)力應(yīng)變曲線 單向復(fù)合材料中的單向復(fù)合材料中的累積累積損傷和失效損傷和失效 復(fù)合材料應(yīng)力軸 纖維拉伸應(yīng)力 未斷裂纖維 剪切應(yīng)力 斷裂纖維周圍應(yīng)力擾動斷裂纖維周圍應(yīng)力擾動 斷裂纖維 當(dāng)某一給定纖維上弱點(diǎn)處的局 部應(yīng)力水平達(dá)到其失效應(yīng)力時， 纖維將發(fā)生斷裂，所承受的載 荷

8、將會轉(zhuǎn)移到相鄰的集體中。 但在遠(yuǎn)離纖維斷點(diǎn)處纖維仍將 承擔(dān)分配的全部載荷。 在臨近斷點(diǎn)的纖維上應(yīng)力將發(fā) 生擾動，但不會引起鄰近纖維 到斷裂程度。 隨著載荷的繼續(xù)增加，其它纖 維將陸續(xù)發(fā)生斷裂。 單絲的破壞不會嚴(yán)重影響整個 復(fù)合材料的承載能力。 研究導(dǎo)致復(fù)合材料失效的纖維隨機(jī)斷裂的模型復(fù)合材料研究導(dǎo)致復(fù)合材料失效的纖維隨機(jī)斷裂的模型復(fù)合材料 纖維復(fù)合材料中裂紋增長階段纖維復(fù)合材料中裂紋增長階段 12345 為便于研究各種微觀增韌機(jī)制，可考慮一個集體中正在接近一單根纖維模型。 1、首先，由于纖維剛度高，使基體開裂無法進(jìn)一步擴(kuò)大； 2、其次，纖維強(qiáng)度高，不會被集中在基體裂紋尖端的應(yīng)力所拉斷，因此纖維

9、可 有效 地阻止裂紋擴(kuò)展（如2） 3、若作用在纖維/基體界面的局部剪應(yīng)力足夠高而使纖維局部脫粘，裂紋會進(jìn)一 步開裂； 4、脫粘后，纖維彈性延伸，隨后基體相對于纖維發(fā)生滑移的過程中裂紋進(jìn)一步 張開（如3），所有這些過程都需要能量；裂紋可能繞過大量纖維而不使纖維斷 裂，對于給定的纖維/基體/界面體系可以達(dá)到一種平衡狀態(tài)，其中穩(wěn)定數(shù)量的橋 聯(lián)纖維繼續(xù)承受部分載荷，這種橋聯(lián)是一種更進(jìn)步的增韌機(jī)制； 5、裂紋擴(kuò)展時對裂紋抵抗能力增長的程度通常成為“R曲線行為”，它受限還是 擴(kuò)展取決于材料。處于橋聯(lián)中的纖維上的載荷會不斷增加而將纖維拉斷（如5） 6、加載過程中，纖維由于泊松比收縮而發(fā)生脫粘的長度上與基體脫

10、離，其長度 取決于界面結(jié)合的強(qiáng)度，當(dāng)纖維在距開裂平面較遠(yuǎn)處斷開時，儲存的彈性能得到 釋放，纖維與基體重新接觸。 ms基體屈服應(yīng)力； *基體中應(yīng)變量為fu時的應(yīng)力； * *基體應(yīng)變量Lu時的應(yīng)力； Lu復(fù)合材料縱向抗拉強(qiáng)度； fs纖維屈服應(yīng)力； fu纖維斷裂應(yīng)變； fu復(fù)合材料斷裂應(yīng)變 以上過程從纖維/基體/復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線中也可看出 可以看出， 復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線處于纖維和基體的應(yīng)力應(yīng)變曲 線之間。 復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的位置取決于纖維的體積分 數(shù)。 如果纖維的體積分?jǐn)?shù)越高，復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線越接 近纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線； 反之，當(dāng)基體體積分?jǐn)?shù)高時，復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線則接 近基體

11、的應(yīng)力應(yīng)變曲線。 平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測試 一般可認(rèn)為裂紋頂端的塑性區(qū)域非常微小，從而可用線彈性力學(xué)來分析裂紋 的行為。裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變場皆可由一個參量K來表征，它標(biāo)志著裂紋 尖端區(qū)域應(yīng)力場強(qiáng)弱程度，成為應(yīng)力強(qiáng)度因子。 x y 2 I y K x 2a 2 2 3 cos1 sinsin 2222 3 cos1 sinsin 2222 3 sincoscos 2222 .cos(1)(1)sin (1)222 .sin2(1)cos (1)222 I x I y I x I I I K r K r K r Kr u Kr v Ka 平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測定 從上式可看出，KI是所

12、有應(yīng)力分量和位移分量一個公有的關(guān)鍵因子，其它參量 對已知材料已知點(diǎn)來說都是定值。 因此，在裂紋尖端附近區(qū)域的整個應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變場的強(qiáng)度程度，僅僅取決于和 各應(yīng)力分量、位移分量呈線性關(guān)系的單一參量KI，所以KI是裂紋尖端附近區(qū)域 應(yīng)力場強(qiáng)弱程度的度量，成為應(yīng)力強(qiáng)度因子。它是名義應(yīng)力 和裂紋幾何 參量a的函數(shù)。 當(dāng) 時，應(yīng)力分量將趨于無窮大。實(shí)際上，裂紋頂端處應(yīng)力不可能無限增長， 當(dāng)?shù)竭_(dá)測量屈服應(yīng)力時，即在裂紋尖端附近形成一個微小的屈服區(qū)，所以無法 直接用裂紋尖端處的應(yīng)力大小來作裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的判據(jù)。 根據(jù)材料脆性斷裂的統(tǒng)計強(qiáng)度理論的觀點(diǎn)，構(gòu)件最大應(yīng)力區(qū)中足夠大體積內(nèi)的應(yīng)力 都達(dá)到了材料特定的臨界

13、值時，即發(fā)生脆性斷裂。 , ,rE和 0r 平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測定 因此，應(yīng)力強(qiáng)度因子可以用來作為構(gòu)件脆性斷裂的判據(jù)，即， 式中，KIC是對應(yīng)于構(gòu)件在靜載荷作用下裂紋開始失穩(wěn)擴(kuò)展時的KI值，即KI的臨 界值，它是材料在三向拉伸狀態(tài)下的裂紋擴(kuò)展力，稱為材料的平面應(yīng)變斷 裂韌性。 但二者的物理意義不同但二者的物理意義不同 IIC KK 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 壓縮破壞壓縮破壞 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 壓縮破壞壓縮破壞 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 三點(diǎn)彎曲三點(diǎn)彎曲 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 三點(diǎn)彎曲破壞三點(diǎn)彎曲破壞 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 四點(diǎn)彎曲四

14、點(diǎn)彎曲 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 壓縮測試壓縮測試 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 壓縮測試壓縮測試 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 DCB a=12.750mm, NASAASTM 50mm L=80200mm, B=2030mm,h=310mm 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 DCB測試 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 ENF a=1550mm, L=70200mm, B=1525mm, h=36mm 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 ENF測試 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 混合測試 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試

15、 夾芯板DCB測試 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 蜂窩夾芯板DCB測試 能量釋放率（斷裂韌性）的實(shí)驗(yàn)方法 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 SLB 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 界面單元界面單元 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 界面單元應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系界面單元應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展 復(fù)合材料性能測試復(fù)合材料性能測試 裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展 斷裂力學(xué)的應(yīng)用 斷裂力學(xué)被普遍認(rèn)為是表征宏觀均質(zhì)和各向同性材料（如金屬 和合金）韌性的一個非常有用的理論。然而由于纖維增強(qiáng)復(fù)合 材料的內(nèi)在結(jié)構(gòu)的特殊性（非均質(zhì)、各向異性等），使得早期 研究者認(rèn)為斷裂力學(xué)應(yīng)用具有局限性，主要表現(xiàn)在： 1、使用相同的試驗(yàn)方法（如臨界應(yīng)力強(qiáng)度和柔度測量）表征復(fù) 合材料韌性是否可行； 2、斷裂力學(xué)的基本方程能否修改使其使用于非均質(zhì)和各向異性 體系； 3、初始裂紋的幾何形狀、載荷和材料方向在多大程度上控制裂 紋擴(kuò)展（當(dāng)它以適當(dāng)方式發(fā)生時） 4、發(fā)展能夠預(yù)測復(fù)合材料行為的技術(shù)需要哪些理論和實(shí)驗(yàn)研究。 在具體復(fù)合材料中的應(yīng)用 復(fù)合材料應(yīng)用斷裂力學(xué)的實(shí)質(zhì)是在材料含 有缺口、缺陷或其它大于纖維直徑的設(shè)計 特征的情況下，尋求一個只與材料宏觀行 為有關(guān)的斷裂準(zhǔn)則。 由于若界面結(jié)合可