復(fù)合材料的斷裂和韌性

復(fù)合材料的斷裂和韌性斷裂力學(xué)的形成斷裂力學(xué)的可以解決的問(wèn)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(jì)構(gòu)件的疲勞壽命；估計(jì)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?zhuān)号R界應(yīng)力（試件拉斷時(shí)的名義應(yīng)力）構(gòu)件斷裂時(shí)的臨界應(yīng)力與裂紋深度（或長(zhǎng)度）a的平方根的乘機(jī)為一常數(shù)K。玻璃上的表面裂紋斷裂韌性K是對(duì)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(shí)，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(gè)斷裂韌性參量。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(shí)，一定程度上的損傷并不會(huì)削弱其承載能力，只有損傷超過(guò)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(shí)，微觀及宏觀層上弱界面的存在會(huì)抑制裂紋的增長(zhǎng)?？刂屏鸭y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(guò)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(duì)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(cè)定Griffith的三種破壞模型復(fù)合材料的斷裂過(guò)程考慮簡(jiǎn)單的Griffith平面裂紋模型，認(rèn)為裂紋擴(kuò)展不可逆。裂紋增長(zhǎng)導(dǎo)致整個(gè)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(zhǎng)的其他變形或破壞機(jī)制的能量基體效應(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(shí)，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(zhǎng)緩慢，基體的有效韌性提高。（如脆性塑料依賴(lài)于裂紋的開(kāi)裂速度、并于裂紋表面粗糙度有關(guān)）纖維效應(yīng)：玻璃纖維、碳纖維和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(jì)性質(zhì)決定。纖維/基體的簡(jiǎn)單加合效應(yīng)：對(duì)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(guò)混合律對(duì)各組元斷裂能求和：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(duì)韌性的影響對(duì)于簡(jiǎn)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(guò)程非常復(fù)雜，微觀斷裂會(huì)最終導(dǎo)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(wèn)題，即使是破壞過(guò)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(huì)非常迅速下降，但破壞過(guò)程仍能吸收很多能量，所以此類(lèi)復(fù)合材料適合于吸收能量比承載能力更重要的場(chǎng)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)合材料中的累積損傷和失效復(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?chē)鷳?yīng)力擾動(dòng)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(shí)，纖維將發(fā)生斷裂，所承受的載荷將會(huì)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(dòng)，但不會(huì)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(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)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)合材料纖維復(fù)合材料中裂紋增長(zhǎng)階段12345為便于研究各種微觀增韌機(jī)制，可考慮一個(gè)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(kāi)裂無(wú)法進(jìn)一步擴(kuò)大；2、其次，纖維強(qiáng)度高，不會(huì)被集中在基體裂紋尖端的應(yīng)力所拉斷，因此纖維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(huì)進(jìn)一步開(kāi)裂；4、脫粘后，纖維彈性延伸，隨后基體相對(duì)于纖維發(fā)生滑移的過(guò)程中裂紋進(jìn)一步張開(kāi)（如3），所有這些過(guò)程都需要能量；裂紋可能繞過(guò)大量纖維而不使纖維斷裂，對(duì)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(shí)對(duì)裂紋抵抗能力增長(zhǎng)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(huì)不斷增加而將纖維拉斷（如5）6、加載過(guò)程中，纖維由于泊松比收縮而發(fā)生脫粘的長(zhǎng)度上與基體脫離，其長(zhǎng)度取決于界面結(jié)合的強(qiáng)度，當(dāng)纖維在距開(kāi)裂平面較遠(yuǎn)處斷開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)存的彈性能得到釋放，纖維與基體重新接觸。σms—基體屈服應(yīng)力；σ*—基體中應(yīng)變量為εfu時(shí)的應(yīng)力；σ**—基體應(yīng)變量εLu時(shí)的應(yīng)力；σLu—復(fù)合材料縱向抗拉強(qiáng)度；σfs—纖維屈服應(yīng)力；εfu—纖維斷裂應(yīng)變；εfu—復(fù)合材料斷裂應(yīng)變以上過(guò)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?jǐn)?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(shí)，復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線則接近基體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)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(lái)分析裂紋的行為。裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)皆可由一個(gè)參量K來(lái)表征，它標(biāo)志著裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度，成為應(yīng)力強(qiáng)度因子。平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定從上式可看出，KI是所有應(yīng)力分量和位移分量一個(gè)公有的關(guān)鍵因子，其它參量 對(duì)已知材料已知點(diǎn)來(lái)說(shuō)都是定值。因此，在裂紋尖端附近區(qū)域的整個(gè)應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)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(chǎng)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(shí)，應(yīng)力分量將趨于無(wú)窮大。實(shí)際上，裂紋頂端處應(yīng)力不可能無(wú)限增長(zhǎng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)測(cè)量屈服應(yīng)力時(shí)，即在裂紋尖端附近形成一個(gè)微小的屈服區(qū)，所以無(wú)法直接用裂紋尖端處的應(yīng)力大小來(lái)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(jì)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值時(shí)，即發(fā)生脆性斷裂。平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定因此，應(yīng)力強(qiáng)度因子可以用來(lái)作為構(gòu)件脆性斷裂的判據(jù)，即，式中，KIC是對(duì)應(yīng)于構(gòu)件在靜載荷作用下裂紋開(kāi)始失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)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(chēng)為材料的平面應(yīng)變斷裂韌性。但二者的物理意義不同復(fù)合材料性能測(cè)試壓縮破壞復(fù)合材料性能測(cè)試壓縮破壞復(fù)合材料性能測(cè)試三點(diǎn)彎曲復(fù)合材料性能測(cè)試三點(diǎn)彎曲破壞復(fù)合材料性能測(cè)試四點(diǎn)彎曲復(fù)合材料性能測(cè)試扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)復(fù)合材料性能測(cè)試壓縮測(cè)試復(fù)合材料性能測(cè)試壓縮測(cè)試復(fù)合材料性能測(cè)試DCBa=12.7~50mm,NASA\ASTM50mmL=80~200mm,B=20~30mm,h=3~10mm復(fù)合材料性能測(cè)試DCB測(cè)試復(fù)合材料性能測(cè)試ENFa=15~50mm,L=70~200mm,B=15~25mm,h=3~6mm復(fù)合材料性能測(cè)試ENF測(cè)試復(fù)合材料性能測(cè)試混合測(cè)試復(fù)合材料性能測(cè)試夾芯板DCB測(cè)試復(fù)合材料性能測(cè)試蜂窩夾芯板DCB測(cè)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(cè)試SLB復(fù)合材料性能測(cè)試界面單元復(fù)合材料性能測(cè)試裂紋尖端應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系復(fù)合材料性能測(cè)試界面單元應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系復(fù)合材料性能測(cè)試裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展復(fù)合材料性能測(cè)試裂紋穩(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(gè)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(cè)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(shí)）4、發(fā)展能夠預(yù)測(cè)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(jì)特征的情況下，尋求一個(gè)只與材料宏觀行為有關(guān)的斷裂準(zhǔn)則。由于若界面結(jié)合可以大幅度改變復(fù)合材料的斷裂行為，而且裂紋擴(kuò)展模式也似乎不符合斷裂力學(xué)應(yīng)用