《工程材料力学性能第2版 教学课件 ppt 作者 束德林 11第十一章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料力学性能第2版 教学课件 ppt 作者 束德林 11第十一章（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、复合材料的力学性能,第十一章,复合材料作为一种新型材料，近几十年以来获得了迅速发展，特别是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， 复合材料性能的基本特点是各向异性、可设计性，这些特性以及它们所引起的特殊力学行为与均质各向同性材料是不同的。因此，我们必须学习有关复合材料的理论，了解其力学行为的基本特征。,11.1 复合材料的定义和性能特点,11.2 单向复合材料的力学性能,11.3 短纤维复合材料的力学性能,11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳,11.1 复合料的定义和性能特点,11.1.1复合材料的定义和分类,11.1.2复合材料的性能特点,11.1.1复合材料的
2、定义和分类,定义 复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。 分类 (1)按增强体分类 分为连续纤维复合材料、非连续纤维复合材料、颗粒复合材料、层合板复合材料等。 (2)按基体分类 分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料。 (3)按用途分类 分为结构复合材料、功能复合材料。,11.1.2复合材料的性能特点,性能特点 (1)高比强度、比模量 复合材料的突出优点是比强度和比模量(强度、模量与密度之比)高。 (2)各向异性 纤维增强的各向异性复合材料在弹性常数、热膨胀系数、强度等方面具有明显。 (3)抗疲劳性好 金属材料的疲劳破坏是没有明显预兆的突发性破
3、坏，而纤维复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹扩展。 (4)减振性能好 构件的自振频率除了与其本身结构有关外，还与材料比模量的平方根成正比。 (5)可设计性强 通过改变纤维、基体的种类及相对含量，纤维集合形式及排布方式等可满足复合材料结构与性能的设计要求。,11.2 单向复合材料的力学性能,11.2.1单向复合材料的弹性性能,11.2.2单向复合材料强度,连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，叫做单向连续纤维增强复合材料。典型单向复合材料铺层如图112、图113所示。一般来说，单向铺层呈现正交各向异性，并有三个对称平面：平行于纤维的方向通常叫做纵向(1轴)；垂直于纤维方向叫横向（在2-3平
4、面中的任意一个方向）。在纵向上铺层性能不同于其它两个方向（2、3），而在横向上（2、3）材料性能近似相等。,11.2.1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纵向弹性模量时，将复合材料看成两种弹性体并联 简化成有一定规则形状和分布的模型，如图114所示。,则复合材料所受的平均拉伸应力为:,(11-5),根据等应变假设 :,所以：,(11-),(二)横向弹性模量,横向弹性模量计算比纵向弹性模量计算复杂得多，准确性也差。计算单向纤维复合材料横向弹性模量的模型有两种： I型，串联型 ； 型，即为并联模型(图115)。,根据串联模型(图116)，在载荷 作用下，复合材料的横向伸
5、长等于 LcT纤维和基体的横向伸长之和 即：,根据虎克定律，复合材料横向应力为：,（11-8）,（11-9）,根据假设：,所以：,并联模型与推导纵向弹性模量时所用模型相，故有：,复合材料的切变模量也有两种模型：模型I是纤维和基体轴向串联模型，模是纤维和基体轴向并联模型，即纤维被基体包围，在扭矩的作用下纤维和基体产生相同切应变，但切应力不同，故模型为等应变模型。图117即为两种模型示意图。,(三)切变模量,根据模型I(图117a)，圆筒在扭矩的作用下产生切应变，变形前圆筒的母 线为oa，变形后为oa，a点的周向位移为纤维与基体位移之和，即,(1118),在弹性变形时,(1120),11.2.2单
6、向复合材料强度,(一)纵向抗拉强度,在第1阶段，纤维和基体都处于弹性变形状态，复合材料也处于弹性变形状态 ,且c f m 可得到：,纤维与基体承担载荷之比为：,当复合材料进入变形第阶段时，纤维仍处于弹性状态，但基体己 产生塑性变形，此时复合材料应力为：,（二)纵向抗压强度,在拉压型失稳模型中，复合材料的纵向抗压强度为 ：,在剪切失稳模型中，复合材料的纵向抗压强度为：,11.3 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，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短纤维复合材料的力学性能比连续纤维复合材料的更为复杂，因此本节只介绍单向(定向)短纤维复合
7、材料的弹性模量和强度。,11.3.1 基体与纤维间的应力传递,11.3.2 短纤维复合材料的弹性模量,11.3.3 短纤维复合材料的强度,11.3.1 基体与纤维间的应力传递,当载荷作用在复合材料上时，纤维并不直接受力。载荷作用在基体材料上，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，纤维末端的传递作用可以忽略不计，纤维可以看成是连续的。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起来，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。为了清晰了解短纤维复合材料的力学性能，必须研究应力传递的机理。,纤维应力沿z方向的增长率与界面上的切应力成
8、正比。经积分求得距离纤维末端z的纤维应力为:,该式表明，纤维受到的拉应力随z线性增加，z称为载荷传递长度。因为作用在纤维上的拉应力是切应力由端部向中部积累的结果，所以端部拉应力最小，中部（z=l/2,l为纤维长度）最大，因此有：,积分量是通过纤维应力对长度作图之曲线下的面积。对图1116所示的应力分布而言，有：,11.3.2 短纤维复合材料的弹性模量,假设纤维与机体粘接牢固，纤维的长度和直径相同；不屈服Halpin-tsai给出了单向短纤维复合材料（图11-17）的弹性模量计算公式：,11.3.3 短纤维复合材料的强度,单向短纤维复合材料的纵向强度可按混合定律计算，但应用纤维平均应力代替式(1
9、139)中纤维的抗拉强度，即,11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳,11.4.1 复合材料的断裂 11.4.2 复合材料的冲击性能 11.4.3 复合材料的疲劳性能,11.4.1 复合材料的断裂,复合材料是一种新型结构材料，在应用中不可避免地承受冲击载荷的作用。如同金属材料一样，应了解复合材料的冲击性能，以便发展既有优越拉伸性能又有良好冲击性能的新型复合材料。,(一) 复合材料冲击性能特点,影响复合材料冲击性能的因素较多，在材料参数中，最重要的是纤维方向与界面强度。 1纤维方向的影响 对两种铺层的玻璃纤维环氧树脂复合材料进行了研究。一种铺层结构为09009900，它的主要铺层为0铺层，只在接近
10、表面层有两层90铺层，可称作准单向层合板；另一种铺层结构为(090)30(090)3t，为正交铺层层合板。两个体系都包含13层。试样外表层纤维与试样纵轴分别呈0、15、45、75、90角，此角度称为纤维的方位角在所有情况下施加的载荷都垂直层合板平面，如图1121所示。,图11 22给出了这两种铺层结构的层合板在不同方位角下的冲击能变化情况。单向层合板冲击能的最低值约出现在60时，这是由于0和90铺层综合作用的结果。由于同样的原因，正交铺层层合板冲击能的最低值大约出现在45时。图1122还表明，在试样尺寸和落锤高度相同的条件下，除0正交铺层吸收的冲击能均比 单向铺层的高(而在0时，单向铺层吸收的
11、能量较多)。,图1123,11.4.3 复合材料的疲劳性能,(一) 复合材料疲劳性能的特点 复合材料与金属材料等一些各向同性材料有完全不同的疲劳机理。对大多数各向同性材料，在受交变载荷作用时，往往出现一个单一的疲劳主裂纹并控制其最终的疲劳破坏； 对于纤维复合材料，往往在高应力区出现 较大规模的损伤，如界面脱胶、基体开裂、分层和纤维断裂等，这些损伤还会相互影响和组合，表现出非常复杂的疲劳破坏行为，很少出现由单一裂纹控制的破坏机理。总的来说，复合材料的抗疲劳破坏性能比金属材料好得多。,图1124,图1125,图1126,Hofer等研究了基体与纤维界面粘结强度对复合材料疲劳强度的影响。他们用沃兰A、A1100与S550有机硅烷偶联剂处理的玻璃布与未处理的玻璃布相比较。在干燥环境里未处理的玻璃纤维增强复合材料疲劳强度最高，但它也是受潮湿环境影响最严重的一个。当在潮湿环境中试验时，所有试验材料都呈相似的抗疲劳性能，要用试验表明各种表面处理的影响是困难的，这是因为铺层结构和应力状态的缘故。当出现以纤维断裂为主的层合板破坏时，界面强度的影响就不重要了。,
