材料力學(xué)性能-第十一章-復(fù)合材料的力學(xué)性能-材料力學(xué)性能-講義-課件-ppt

1、5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院1材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能 5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院2第十一章第十一章 復(fù)合材料的力學(xué)性能復(fù)合材料的力學(xué)性能5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院3n20世紀(jì)世紀(jì)60年代以來，航天、航空、電子、汽車等高技術(shù)領(lǐng)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(duì)材料性能的要求日益提高，單一的金屬、域的迅速發(fā)展，對(duì)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(zhǎng)的性能要求。陶瓷、高分子材料已難以滿足迅速增長(zhǎng)的性能要求。n為了克服單一材料性能上的局限性，人們?cè)絹碓蕉嗟母鶕?jù)為了克服單一材料性能

2、上的局限性，人們?cè)絹碓蕉嗟母鶕?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)、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。合性能。n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。的。n因此，需要學(xué)習(xí)了解有關(guān)復(fù)合材料的理論、力學(xué)

3、行為的基因此，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。本特征。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院4第一節(jié)第一節(jié) 復(fù)合材料的定義和性能特點(diǎn)復(fù)合材料的定義和性能特點(diǎn)n一、復(fù)合材料的定義與分類一、復(fù)合材料的定義與分類n定義：定義：由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)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。合成的新型材料。n其組分材料雖然保持相對(duì)獨(dú)立性，但復(fù)合材料的性能其組分材料雖然保持相對(duì)獨(dú)立性，但復(fù)合材料的性能卻不是組分材料的簡(jiǎn)單疊加。卻不是組分材料的簡(jiǎn)單疊加。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院5n基體：基體：復(fù)合材料中的連續(xù)相，主要構(gòu)成

4、相復(fù)合材料中的連續(xù)相，主要構(gòu)成相n增強(qiáng)體：增強(qiáng)體：分布于基體中的一種或幾種不連續(xù)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、顆粒狀填料存在相界面，增強(qiáng)體可是纖維、顆粒狀填料等。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（的碳纖維、陶瓷纖維、芳綸（聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺）纖維、）纖維、晶須等為增強(qiáng)體，以金屬、陶瓷、聚合物為

5、基體的先進(jìn)復(fù)合材晶須等為增強(qiáng)體，以金屬、陶瓷、聚合物為基體的先進(jìn)復(fù)合材料。料。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院6復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類n（1）按增強(qiáng)體分類：）按增強(qiáng)體分類：n 連續(xù)纖維復(fù)合材料連續(xù)纖維復(fù)合材料n 非連續(xù)纖維復(fù)合材料非連續(xù)纖維復(fù)合材料n 顆粒復(fù)合材料顆粒復(fù)合材料n 層合板復(fù)合材料層合板復(fù)合材料n（2）按基體分類：）按基體分類：n 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料n 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料n 無機(jī)非金屬基復(fù)合材料無機(jī)非金屬基復(fù)合材料n（3）按用途分類：）按用途分類：n 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料n 功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料

6、科學(xué)與工程學(xué)院7二、復(fù)合材料的特點(diǎn)二、復(fù)合材料的特點(diǎn)n復(fù)合材料取決于基體和增強(qiáng)體的特性、含量、復(fù)合材料取決于基體和增強(qiáng)體的特性、含量、分布等。分布等。n(1) 高比強(qiáng)度、比模量高比強(qiáng)度、比模量5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院85/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院9(2) 各向異性各向異性n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。顯的各向異性。n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。異性。n各向異性這一特

7、性使復(fù)合材料的力學(xué)行為復(fù)雜化，但也可以作為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。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

8、維的薄弱環(huán)節(jié)開始，逐漸擴(kuò)展到結(jié)合面上，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。破壞前沒有明顯預(yù)兆。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院10n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。平方成正比。n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。速率下不容易出現(xiàn)因共振而快速斷裂的現(xiàn)象。n同時(shí)復(fù)合材料中存在大量纖維，與基體的界面，由于界面對(duì)同時(shí)復(fù)合材料中存在大量纖維，與基體的界面，

9、由于界面對(duì)振動(dòng)有反射和吸收作用，所以復(fù)合材料的振動(dòng)阻尼強(qiáng)，即使振動(dòng)有反射和吸收作用，所以復(fù)合材料的振動(dòng)阻尼強(qiáng)，即使激起振動(dòng)也會(huì)很快衰減。激起振動(dòng)也會(huì)很快衰減。(4) 減振性能好減振性能好n通過改變纖維、基體的種類和相對(duì)含量，纖維集合形式及排通過改變纖維、基體的種類和相對(duì)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。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

10、分散載荷給纖維的媒介引起的。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)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院115/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院12第二節(jié)第二節(jié) 單向復(fù)合材料的力學(xué)性能單向復(fù)合材料的力學(xué)性能n連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排列的復(fù)合材料，稱連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排列的復(fù)合材料，稱為為單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院13n單向復(fù)合材料的強(qiáng)度和鋼度都隨方向而改變，有單向復(fù)合材料的強(qiáng)度和鋼度都隨方向而改變，有五個(gè)特五個(gè)特征強(qiáng)度征強(qiáng)度：n（1）縱向抗拉強(qiáng)度、（）縱向抗拉強(qiáng)

11、度、（2）縱向抗壓強(qiáng)度、）縱向抗壓強(qiáng)度、n（3）橫向抗拉強(qiáng)度、（）橫向抗拉強(qiáng)度、（4）橫向抗壓強(qiáng)度、）橫向抗壓強(qiáng)度、n（5）面內(nèi)抗剪強(qiáng)度。）面內(nèi)抗剪強(qiáng)度。n有有四個(gè)特征彈性常數(shù)四個(gè)特征彈性常數(shù)：n（1）縱向彈性模量、（）縱向彈性模量、（2）橫向彈性模量、）橫向彈性模量、n（3）主泊松比、（）主泊松比、（4）切變模量。）切變模量。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院14一、單向復(fù)合材料的彈性性能一、單向復(fù)合材料的彈性性能n（一）縱向彈性模量（一）縱向彈性模量n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種彈性體并

12、聯(lián)并聯(lián)，并簡(jiǎn)化成有一定規(guī)則形狀和分布的模型。，并簡(jiǎn)化成有一定規(guī)則形狀和分布的模型。n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，基體將拉伸力伸力F通過界面完全傳遞給纖維。通過界面完全傳遞給纖維。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院155/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院165/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院17n實(shí)際上，由于纖維有屈曲、排列不整齊、界面結(jié)合強(qiáng)實(shí)際上，由于纖維有屈曲、排列不整齊、界

13、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(gè)修正系數(shù)程上常加一個(gè)修正系數(shù)K，則有：，則有：5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院18（二）橫向彈性模量（二）橫向彈性模量n計(jì)算單向纖維復(fù)合材料橫向彈性模量的模型有兩種：計(jì)算單向纖維復(fù)合材料橫向彈性模量的模型有兩種：nI型：型：纖維含量少，纖維與基體的串聯(lián)模型，此時(shí)纖纖維含量少，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：維與基體具有相同的應(yīng)力，即：nII型：型：纖維含量高，纖維呈束狀分布于基體中，必然纖維含量高，纖維呈束狀分布于基體中，必然與基體緊密接觸，其

14、間有基體材料，但很薄，可以認(rèn)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，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：即為并聯(lián)模型：5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院19根據(jù)串聯(lián)模型，復(fù)合材料的橫向伸長(zhǎng)等于纖維和基體的根據(jù)串聯(lián)模型，復(fù)合材料的橫向伸長(zhǎng)等于纖維和基體的橫向伸長(zhǎng)之和：橫向伸長(zhǎng)之和：5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院205/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院21n根據(jù)假設(shè)根據(jù)假設(shè) ，有：，有：n同理，并聯(lián)模型的縱向彈性模量的模型相同，同理，并聯(lián)模型的縱向彈性模量的模型相同，所以：所

15、以：n 是纖維全部分散、互不接觸，獨(dú)立時(shí)的橫向彈性模是纖維全部分散、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；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。彈性模量的最大值。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院22（三）切變模量（三）切變模量n模型模型I：纖維與基體軸向串聯(lián)模型，在扭矩作用下，圓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，所以為模量不同，切應(yīng)變不同，所以

16、為等應(yīng)力模型等應(yīng)力模型。n模型模型II：纖維與基體軸向并聯(lián)模型，即纖維被基體包圍，纖維與基體軸向并聯(lián)模型，即纖維被基體包圍，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，所以為不同，所以為等應(yīng)變模型等應(yīng)變模型。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院23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：根據(jù)纖維與基體軸向并聯(lián)模型所得到的切變模量：5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院24（四）泊松比（四）泊松比n單向復(fù)合材料的正交各向異性，決定

17、了材料在縱、單向復(fù)合材料的正交各向異性，決定了材料在縱、橫兩個(gè)方向呈現(xiàn)的泊松效應(yīng)不同，所以有兩個(gè)泊橫兩個(gè)方向呈現(xiàn)的泊松效應(yīng)不同，所以有兩個(gè)泊松比。松比。n縱向泊松比：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：之比為縱向泊松比，即：5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院255/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院26橫向泊松比：橫向泊松比：當(dāng)沿垂直于纖維方向彈性拉伸時(shí)，其縱向當(dāng)沿垂直于纖維方向彈性拉伸時(shí)，其縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變之比：應(yīng)變與橫向應(yīng)變

18、之比：5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院27二、單向復(fù)合材料的強(qiáng)度二、單向復(fù)合材料的強(qiáng)度n（一）縱向抗拉強(qiáng)度（一）縱向抗拉強(qiáng)度n玻璃纖維、碳纖維、硼纖玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維增強(qiáng)的熱固維、陶瓷纖維增強(qiáng)的熱固性樹脂基復(fù)合材料的變形性樹脂基復(fù)合材料的變形特性只有特性只有I、IV階段；階段；n金屬基和熱塑性樹脂基復(fù)金屬基和熱塑性樹脂基復(fù)合材料，包含第合材料，包含第II階段；階段；n脆性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，脆性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，觀察不到第觀察不到第III階段，而韌階段，而韌性纖維復(fù)合材料有第性纖維復(fù)合材料有第III階階段。段。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院28n

19、在第在第I階段，纖維和基體都處于彈性變形狀態(tài)，復(fù)合階段，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)，且材料也處于彈性變形狀態(tài)，且5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院295/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院30n復(fù)合材料進(jìn)入變形第復(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)，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：但基體已產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)復(fù)合材料的應(yīng)力為：n由于載荷主要由纖維承擔(dān)，所以隨著變形的增加，纖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，維載荷增加較快，當(dāng)達(dá)到纖維

20、抗拉強(qiáng)度時(shí)，纖維破斷，此時(shí)基體不能支持整個(gè)復(fù)合材料載荷，復(fù)合材料隨之此時(shí)基體不能支持整個(gè)復(fù)合材料載荷，復(fù)合材料隨之破壞。破壞。n以上公式應(yīng)滿足兩個(gè)條件：以上公式應(yīng)滿足兩個(gè)條件：n(1) 纖維受力過程中處于彈性變形狀態(tài)；纖維受力過程中處于彈性變形狀態(tài)；n(2) 基體的斷后伸長(zhǎng)率大于纖維的斷后伸長(zhǎng)率。基體的斷后伸長(zhǎng)率大于纖維的斷后伸長(zhǎng)率。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院315/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院32如果如果VfVfmin時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度才按此式計(jì)算：時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度才按此式計(jì)算：5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院33n屈曲的形式有

21、兩種：屈曲的形式有兩種：n（1）擠壓型）擠壓型n纖維彼此間反向彎曲，使纖維彼此間反向彎曲，使基體產(chǎn)生橫向拉伸或壓縮基體產(chǎn)生橫向拉伸或壓縮應(yīng)變；應(yīng)變；n當(dāng)纖維間距離相當(dāng)大，即當(dāng)纖維間距離相當(dāng)大，即纖維體積分?jǐn)?shù)很小時(shí)，這纖維體積分?jǐn)?shù)很小時(shí)，這種屈曲模式才可能發(fā)生。種屈曲模式才可能發(fā)生。n（2）剪切型）剪切型n纖維之間同向彎曲，基體纖維之間同向彎曲，基體主要產(chǎn)生剪切變形，這種主要產(chǎn)生剪切變形，這種屈曲模式較為常見。屈曲模式較為常見。（二）縱向抗壓強(qiáng)度（二）縱向抗壓強(qiáng)度5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院34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)的復(fù)合材料沿纖維方向受壓時(shí)，可以認(rèn)為

22、纖維在基體內(nèi)的承力形式像彈性桿。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。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(jiǎn)化成纖維和基體薄片相間粘接的將單向纖維復(fù)合材料簡(jiǎn)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)，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。產(chǎn)生屈曲。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院35第三節(jié)第三節(jié) 短纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能短纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能n單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一個(gè)

23、顯著特點(diǎn)：?jiǎn)蜗蜻B續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)：n就是沿纖維方向有較高的強(qiáng)度和模量，但在垂直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。于纖維方向強(qiáng)度和模量較小。n如果一個(gè)零件的應(yīng)力狀態(tài)可以精確地確定，就可如果一個(gè)零件的應(yīng)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(gè)應(yīng)力狀用單向?qū)优髟O(shè)計(jì)制造層合板，使它與這個(gè)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)態(tài)完全匹配，這種情況下，單向復(fù)合材料具有優(yōu)越性。越性。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院36n但是如果零件的應(yīng)力狀態(tài)無法預(yù)測(cè)，或已經(jīng)知道在各但是如果零件的應(yīng)力狀態(tài)無法預(yù)測(cè)，或已經(jīng)知道在各

24、個(gè)方向上受力基本相同，雖然可用單向增強(qiáng)的層坯制個(gè)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。紋，所以在這種情況下，每一層最好是各向同性的。n而制造這種各向同性層坯的有效方法，是用隨機(jī)取向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(dòng)化，應(yīng)用大批量生產(chǎn)中的模塑技術(shù)，如模壓法

25、程自動(dòng)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。材料零件或結(jié)構(gòu)件。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院37一、基體與纖維間的應(yīng)力傳遞一、基體與纖維間的應(yīng)力傳遞n載荷作用于復(fù)合材料上時(shí)，纖維不直接受力，載荷作用載荷作用于復(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。于基體材料上，然后通過纖維與基體的界面?zhèn)鬟f到纖維。n當(dāng)纖維長(zhǎng)度比傳遞應(yīng)力的界面區(qū)長(zhǎng)度大很多時(shí)，纖維末當(dāng)纖維長(zhǎng)度比傳遞應(yīng)力的界面區(qū)長(zhǎng)度大很多時(shí)，纖維末端的傳遞作用可以忽略不計(jì)，

26、纖維可看成是連續(xù)的。在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(zhǎng)度密切相關(guān)。維長(zhǎng)度密切相關(guān)。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院38n距離纖維末端距離纖維末端z的纖維應(yīng)力為：的纖維應(yīng)力為：n由于纖維末端附近高的應(yīng)力集中由于纖維末端附近高的應(yīng)力集中或基體屈服，使纖維末端與基體或基體屈服，使纖維末端與基體脫膠，一般脫膠，一般 可忽略，則上式可可忽略，則上式可改成：改成：n如果切應(yīng)力沿纖維

27、長(zhǎng)度的變化已如果切應(yīng)力沿纖維長(zhǎng)度的變化已知，則據(jù)上式就可以計(jì)算出數(shù)值。知，則據(jù)上式就可以計(jì)算出數(shù)值。n實(shí)際上，切應(yīng)力分布事先是未知實(shí)際上，切應(yīng)力分布事先是未知的，只能作為整個(gè)解的一部分來的，只能作為整個(gè)解的一部分來求。求。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院39n隨纖維長(zhǎng)度增加，界面面積增大，中部拉應(yīng)力也增大。隨纖維長(zhǎng)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)，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(zhǎng)度稱為纖維長(zhǎng)度稱為纖維的臨界長(zhǎng)度纖維的臨界長(zhǎng)度lcr：nllcr時(shí)，短纖維才會(huì)像長(zhǎng)纖維一樣起增強(qiáng)作用。時(shí)，短纖維才會(huì)像長(zhǎng)纖維一樣起

28、增強(qiáng)作用。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院40二、短纖維復(fù)合材料的彈性模量二、短纖維復(fù)合材料的彈性模量n假設(shè)纖維與基體粘接牢固，假設(shè)纖維與基體粘接牢固，纖維的長(zhǎng)度和直徑相同，不纖維的長(zhǎng)度和直徑相同，不屈服，屈服，Halpin-Tsai給出了單給出了單向短纖維得合材料的彈性模向短纖維得合材料的彈性模量的計(jì)算公式：量的計(jì)算公式：5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院415/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院425/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院43三、短纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度三、短纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度n根據(jù)纖維長(zhǎng)度不同，單向短纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度根據(jù)纖

29、維長(zhǎng)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：有不同的表達(dá)式：5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院445/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院45第四節(jié)第四節(jié) 復(fù)合材料的斷裂復(fù)合材料的斷裂n一、復(fù)合材料的斷裂一、復(fù)合材料的斷裂n復(fù)合材料受載，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)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)，裂紋力水平達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，裂紋將向前擴(kuò)展；將向前擴(kuò)展；n裂紋擴(kuò)展時(shí)，其尖端可能與附裂紋擴(kuò)展時(shí)，其尖端可能與附近各種已存在的損傷或新形成近各種已存在的損傷或新形成的損傷（如纖維斷裂、基體變的損傷（如纖維斷裂、基體變形和開裂、纖維與基體脫膠等）形和開裂、纖維與基體脫膠等）

30、相遇，使損傷區(qū)加大，裂紋繼相遇，使損傷區(qū)加大，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，直到最終產(chǎn)生宏觀斷續(xù)擴(kuò)展，直到最終產(chǎn)生宏觀斷裂。裂。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院465/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院47這種脆性斷裂共有三種類型：這種脆性斷裂共有三種類型：n(1) 接力破壞機(jī)理：接力破壞機(jī)理：當(dāng)一根纖維斷裂引起鄰近纖維應(yīng)當(dāng)一根纖維斷裂引起鄰近纖維應(yīng)力集中而過載，后者斷裂，依次類推，最終復(fù)合材力集中而過載，后者斷裂，依次類推，最終復(fù)合材料整體破壞。料整體破壞。n(2) 脆性粘接斷裂機(jī)理：脆性粘接斷裂機(jī)理：斷裂的纖維在其周圍基體中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

31、導(dǎo)致材料整體形成應(yīng)力集中，使基體破壞，并最終導(dǎo)致材料整體破壞。破壞。n(3) 最弱環(huán)節(jié)機(jī)理：最弱環(huán)節(jié)機(jī)理：與基體粘接強(qiáng)的纖維的一旦斷裂，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。立即引起復(fù)合材料的整體破壞。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院48n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。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(gè)別纖維產(chǎn)生這種損傷，隨著載荷增加，在復(fù)合材料受載早期就有個(gè)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。斷裂纖維數(shù)也增加。(1) 纖維斷裂纖維斷裂n復(fù)合材料中，基體因強(qiáng)度低，所以

32、在材料受載時(shí)先于纖維變形，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?。到?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，取決于界面與維方向擴(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(duì)強(qiáng)度。如果界面結(jié)合較弱，就將使纖維與基體脫膠?；w的相對(duì)強(qiáng)度。如果界面結(jié)合較弱，就將使纖維與基體脫膠。(3) 纖維脫膠纖維脫膠5/9/2022安徽工業(yè)

33、大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院49n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。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。n當(dāng)斷裂纖維端部與材料斷裂橫截面的距離很小（小于臨界尺寸的當(dāng)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(xiàn)纖維拔出損傷。一半），常出現(xiàn)纖維拔出損傷。(4) 纖維拔出纖維拔出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(gè)這

34、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(gè)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。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，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，開始在平行于鋪層平面的界面上擴(kuò)展，形成分層裂紋。開始在平行于鋪層平面的界面上擴(kuò)展，形成分層裂紋。(5) 分層裂紋分層裂紋5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院50n（一）復(fù)合材料的沖擊性能特點(diǎn)：（一）復(fù)合材料的沖擊性能特點(diǎn)：n(1) 單向復(fù)合材料的應(yīng)變速率敏感性因纖維種類不同單向復(fù)合材料的應(yīng)變速率敏感性因纖維種類不同

35、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。有差異。n低模量玻璃纖維復(fù)合材料對(duì)應(yīng)變速率變化敏感，當(dāng)沖低模量玻璃纖維復(fù)合材料對(duì)應(yīng)變速率變化敏感，當(dāng)沖擊拉伸應(yīng)變速率達(dá)到擊拉伸應(yīng)變速率達(dá)到103s-1，其強(qiáng)度、塑性和韌性都比，其強(qiáng)度、塑性和韌性都比靜載荷時(shí)高；靜載荷時(shí)高；n高模量碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，對(duì)應(yīng)變速率變化高模量碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，對(duì)應(yīng)變速率變化不敏感。不敏感。二、復(fù)合材料的沖擊性能二、復(fù)合材料的沖擊性能5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院51n(2) 鋼的沖擊斷裂機(jī)理是穿晶解理或微孔聚集斷裂，鋼的沖擊斷裂機(jī)理是穿

36、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。復(fù)合材料的沖擊斷裂是各類損傷的積累或非積累破壞。n(3) 高彈性模量復(fù)合材料往往比低彈性模量復(fù)合材料高彈性模量復(fù)合材料往往比低彈性模量復(fù)合材料的沖擊韌性差，如碳纖維的沖擊韌性差，如碳纖維-環(huán)氧復(fù)合材料與玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料與玻璃纖維-環(huán)氧復(fù)合材料的沖擊韌性。環(huán)氧復(fù)合材料的沖擊韌性。n前者以纖維斷裂為主要損傷模式，斷裂擴(kuò)展能低，后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。者以纖維拔出和分層裂紋為損傷模式，斷裂擴(kuò)展能高。5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院52（二）影響復(fù)合材料沖擊性能的因素（二）影響復(fù)合材料沖擊性能的因素n1. 纖維方向的影響纖維方向的影響5/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院535/9/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院542. 界面的影響界面的影響n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，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。從而影響材料的沖擊能。n對(duì)玻璃纖維對(duì)玻璃纖維-聚酯復(fù)合材料和玻璃纖維聚酯復(fù)合材料和玻璃纖維-環(huán)氧樹脂試驗(yàn)表明，環(huán)氧樹脂試驗(yàn)表明，前者的界面強(qiáng)度可通過