材料力学性能第ppt课件

《材料力学性能第ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学性能第ppt课件（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,1,材料力学性能,裴立宅 材料科学与工程学院 Email: , ,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,2,第十一章 复合材料的力学性能,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,3,20世纪60年代以来，航天、航空、电子、汽车等高技术领域的迅速发展，对材料性能的要求日益提高，单一的金属、陶瓷、高分子材料已难以满足迅速增长的性能要求。 为了克服单一材料性能上的局限性，人们越来越多的根据构件的性能要求和工况条件，选择两种或两种以上化学、物理性质不同的材料，按一定的方式、比例、分布组合成复合材料，使其具有单一材料所无

2、法达到的特殊性能或综合性能。 复合材料性能的基本特点是各向异性、可设计性，这些特性以及所引起的特殊力学性能与均质各向同性材料是不同的。 因此，需要学习了解有关复合材料的理论、力学行为的基本特征。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,4,第一节 复合材料的定义和性能特点,一、复合材料的定义与分类 定义：由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合成的新型材料。 其组分材料虽然保持相对独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的简单叠加。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,5,基体：复合材料中的连续相，主要构成相 增强体：分布于基体中的一种或几种不连续相，不连续相的

3、强度、硬度比连续相高。增强体以独立的形态分布于基体中，二者之间存在相界面，增强体可是纤维、颗粒状填料等。,本章讨论的是作为结构材料使用的纤维复合材料，指以高性能的碳纤维、陶瓷纤维、芳纶（聚对苯二甲酰对苯二胺）纤维、晶须等为增强体，以金属、陶瓷、聚合物为基体的先进复合材料。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,6,复合材料的分类,（1）按增强体分类： 连续纤维复合材料 非连续纤维复合材料 颗粒复合材料 层合板复合材料 （2）按基体分类： 聚合物基复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料 （3）按用途分类： 结构复合材料 功能复合材料,4/23/2019,安徽工业大学 材料

4、科学与工程学院,7,二、复合材料的特点,复合材料取决于基体和增强体的特性、含量、分布等。 (1) 高比强度、比模量,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,8,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,9,(2) 各向异性,纤维增强复合材料在弹性常数、热膨胀系数、强度等方面具有明显的各向异性。 通过铺层设计的复合材料，可能出现各种形式和不同程度的各向异性。 各向异性这一特性使复合材料的力学行为复杂化，但也可以作为一种优点在设计时加以利用。如果采用合理的铺层可在不同的方向分别满足设计要求，能明显减轻重量和更好的发挥结构的性能。,(3) 抗疲劳性好,金属、陶瓷材料的疲劳破

5、坏是没有明显预兆的突发性破坏，而纤维复合材料中纤维和基体的界面能阻止裂纹扩展，所以纤维复合材料疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前没有明显预兆。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,10,构件的自身频率除了与本身结构有关外，还与材料比模量的平方成正比。 纤维复合材料的比模量大，因而它的自振频率很高，在加载速率下不容易出现因共振而快速断裂的现象。 同时复合材料中存在大量纤维，与基体的界面，由于界面对振动有反射和吸收作用，所以复合材料的振动阻尼强，即使激起振动也会很快衰减。,(4) 减振性能好,通过改变纤维、基体的种类和相对含量，纤维集合形式及排布方式等可

6、满足复合材料结构和性能的设计要求。 复合材料的高比强度、高模量的特点，是由于这种材料受力时高强度、高模量的增强纤维承受了大部分载荷，基体只是作为传递和分散载荷给纤维的媒介引起的。,(5) 可设计性强,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,11,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,12,第二节 单向复合材料的力学性能,连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，称为单向连续纤维增强复合材料。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,13,单向复合材料的强度和钢度都随方向而改变，有五个特征强度： （1）纵向抗拉强度、（2）纵向抗压强度、 （3）横向抗拉

7、强度、（4）横向抗压强度、 （5）面内抗剪强度。 有四个特征弹性常数： （1）纵向弹性模量、（2）横向弹性模量、 （3）主泊松比、（4）切变模量。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,14,一、单向复合材料的弹性性能,（一）纵向弹性模量 在计算单向复合材料的纵向弹性模量时，将复合材料看成是两种弹性体并联，并简化成有一定规则形状和分布的模型。 假设：纤维连续、均匀、平行排列于基体中，纤维与基体粘接牢固，且纤维、基体和复合材料有相同的拉伸应变，基体将拉伸力F通过界面完全传递给纤维。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,15,4/23/2019,安徽工业大学 材料

8、科学与工程学院,16,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,17,实际上，由于纤维有屈曲、排列不整齐、界面结合强度小等原因，使实验值与计算值有一定差异，所以工程上常加一个修正系数K，则有：,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,18,（二）横向弹性模量,计算单向纤维复合材料横向弹性模量的模型有两种： I型：纤维含量少，纤维与基体的串联模型，此时纤维与基体具有相同的应力，即： II型：纤维含量高，纤维呈束状分布于基体中，必然与基体紧密接触，其间有基体材料，但很薄，可以认为这部分变形与基体一致，纤维与基体有相同的应变，即为并联模型：,4/23/2019,安徽工业大学

9、 材料科学与工程学院,19,根据串联模型，复合材料的横向伸长等于纤维和基体的横向伸长之和：,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,20,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,21,根据假设 ，有： 同理，并联模型的纵向弹性模量的模型相同，所以：,是纤维全部分散、互不接触，独立时的横向弹性模量，是横向弹性模量的最小值； 是纤维全部接触、连通时的横向弹性模量，是横向弹性模量的最大值。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,22,（三）切变模量,模型I：纤维与基体轴向串联模型，在扭矩作用下，圆筒受纯剪切应力，纤维与基体切应力相同，但因切变模量不同，切应

10、变不同，所以为等应力模型。 模型II：纤维与基体轴向并联模型，即纤维被基体包围，在扭矩作用下纤维与基体产生相同切应变，但切应力不同，所以为等应变模型。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,23,根据纤维与基体轴向串联模型所得到的切变模量：,根据纤维与基体轴向并联模型所得到的切变模量：,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,24,（四）泊松比,单向复合材料的正交各向异性，决定了材料在纵、横两个方向呈现的泊松效应不同，所以有两个泊松比。 纵向泊松比：当单向复合材料沿纤维方向受到拉伸时，在横向产生收缩，其横向应变与纵向应变之比为纵向泊松比，即：,4/23/2019,

11、安徽工业大学 材料科学与工程学院,25,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,26,横向泊松比：当沿垂直于纤维方向弹性拉伸时，其纵向应变与横向应变之比：,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,27,二、单向复合材料的强度,（一）纵向抗拉强度 玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维增强的热固性树脂基复合材料的变形特性只有I、IV阶段； 金属基和热塑性树脂基复合材料，包含第II阶段； 脆性纤维增强复合材料，观察不到第III阶段，而韧性纤维复合材料有第III阶段。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,28,在第I阶段，纤维和基体都处于弹性变形状态，复合材

12、料也处于弹性变形状态，且,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,29,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,30,复合材料进入变形第II阶段时，纤维仍处于弹性状态，但基体已产生塑性变形，此时复合材料的应力为： 由于载荷主要由纤维承担，所以随着变形的增加，纤维载荷增加较快，当达到纤维抗拉强度时，纤维破断，此时基体不能支持整个复合材料载荷，复合材料随之破坏。 以上公式应满足两个条件： (1) 纤维受力过程中处于弹性变形状态； (2) 基体的断后伸长率大于纤维的断后伸长率。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,31,4/23/2019,安徽工业大学

13、材料科学与工程学院,32,如果VfVfmin时，复合材料的抗拉强度才按此式计算：,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,33,屈曲的形式有两种： （1）挤压型 纤维彼此间反向弯曲，使基体产生横向拉伸或压缩应变； 当纤维间距离相当大，即纤维体积分数很小时，这种屈曲模式才可能发生。 （2）剪切型 纤维之间同向弯曲，基体主要产生剪切变形，这种屈曲模式较为常见。,（二）纵向抗压强度,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,34,复合材料沿纤维方向受压时，可以认为纤维在基体内的承力形式像弹性杆。 假设基体仅提供横向支持，载荷由纤维均摊，复合材料的抗压强度由纤维在基体内的微屈

14、曲临界应力控制。 将单向纤维复合材料简化成纤维和基体薄片相间粘接的纵向受压杆件，当外载荷增至一定值后，纤维开始失稳，产生屈曲。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,35,第三节 短纤维复合材料的力学性能,单向连续纤维增强复合材料的一个显著特点： 就是沿纤维方向有较高的强度和模量，但在垂直于纤维方向强度和模量较小。 如果一个零件的应力状态可以精确地确定，就可用单向层坯设计制造层合板，使它与这个应力状态完全匹配，这种情况下，单向复合材料具有优越性。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,36,但是如果零件的应力状态无法预测，或已经知道在各个方向上受力基本相同，虽然

15、可用单向增强的层坯制成准各向同性的层板，但在每一层内，如在弯曲时受力最大的表面层内，在垂直纤维方向还是容易出现裂纹，所以在这种情况下，每一层最好是各向同性的。 而制造这种各向同性层坯的有效方法，是用随机取向短纤维作为增强体，制造短纤维复合材料易使制造过程自动化，应用大批量生产中的模塑技术，如模压法和注模法，可以高生产率制造出高精度的短纤维复合材料零件或结构件。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,37,一、基体与纤维间的应力传递,载荷作用于复合材料上时，纤维不直接受力，载荷作用于基体材料上，然后通过纤维与基体的界面传递到纤维。 当纤维长度比传递应力的界面区长度大很多时，纤维末

16、端的传递作用可以忽略不计，纤维可看成是连续的。在短纤维复合材料情况下，纤维末端的应力传递作用变得显著，已不能忽略不计，同时复合材料的力学性能与纤维长度密切相关。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,38,距离纤维末端z的纤维应力为： 由于纤维末端附近高的应力集中或基体屈服，使纤维末端与基体脱胶，一般 可忽略，则上式可改成： 如果切应力沿纤维长度的变化已知，则据上式就可以计算出数值。 实际上，切应力分布事先是未知的，只能作为整个解的一部分来求。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,39,随纤维长度增加，界面面积增大，中部拉应力也增大。当纤维中点的最大拉应力恰好等于纤维裂纹强度时，纤维长度称为纤维的临界长度lcr： llcr时，短纤维才会像长纤维一样起增强作用。,4/23/2019,安徽工业大学 材料科学与工程学院,40,二、短纤维复合材料的弹性模量,假设纤维与基体粘接牢固，纤维的长度和直径相同，不屈服，Halpin-Tsai给出了单向短纤维得合材料的弹性模