疲劳／蠕变交互作用下塑木复合材料的断裂损伤
纤维增强复合材料的疲劳与断裂行为分析
纤维增强复合材料的疲劳与断裂行为分析引言：纤维增强复合材料由纤维和基质组成，并具有较高的强度和刚度。
然而，由于其特殊的结构，它们在使用过程中可能会遭受到疲劳和断裂的影响，降低其性能甚至导致失效。
因此，对纤维增强复合材料的疲劳和断裂行为进行深入分析具有重要的理论和实践意义。
1. 纤维增强复合材料的基本组成和结构纤维增强复合材料是一种由纤维和基质相互作用形成的材料。
其中，纤维起到增强作用，通常使用碳纤维、玻璃纤维或有机纤维等；而基质则起到固定纤维和传递载荷的作用，通常使用聚合物基质。
纤维与基质之间的粘结强度直接影响材料的性能。
2. 纤维增强复合材料的疲劳行为分析2.1 疲劳现象纤维增强复合材料在交变载荷作用下，会出现疲劳现象。
其主要表现为材料的延展性减小、刚度降低、载荷下移等。
2.2 疲劳寿命疲劳寿命是指材料在特定载荷作用下能够承受的循环次数。
它受到材料本身特性、应力水平和加载方式等多个因素的影响。
2.3 疲劳引起的损伤机制疲劳引起的损伤机制包括纤维断裂、界面剥离、基质开裂等。
这些损伤会导致材料的性能下降，并最终导致材料失效。
3. 纤维增强复合材料的断裂行为分析3.1 断裂韧性断裂韧性是指材料在受到外力作用下能够抵抗断裂的能力。
对于纤维增强复合材料，其断裂韧性往往比强度更重要，因为它能够反映材料在面对真实工况下的性能。
3.2 断裂模式纤维增强复合材料的断裂模式主要包括纤维断裂、纤维滑移、界面剥离和基质开裂等。
确定合适的断裂模式对于材料的设计和使用具有重要意义。
4. 疲劳与断裂行为分析方法4.1 实验方法通过设计合适的实验方案，可以对纤维增强复合材料的疲劳与断裂行为进行测试和观察，获得相关数据并做出分析和判断。
4.2 数值模拟方法利用数值模拟方法可以预测和研究纤维增强复合材料的疲劳与断裂行为。
通过建立合适的材料模型和加载条件，可以得到与实验相近甚至更为精确的结果，为进一步的研究和设计提供依据。
5. 应对纤维增强复合材料的疲劳与断裂挑战5.1 材料改性与优化通过改变纤维和基质材料的组合及性能，优化纤维增强复合材料的疲劳和断裂性能。
材料力学之材料疲劳分析算法：断裂力学模型：高温下的材料疲劳与断裂.Tex.header
材料力学之材料疲劳分析算法：断裂力学模型：高温下的材料疲劳与断裂1 材料力学之材料疲劳分析算法：断裂力学模型：高温下的材料疲劳与断裂1.1 绪论1.1.1 材料疲劳的基本概念材料疲劳是指材料在反复加载和卸载的循环应力作用下，即使应力低于材料的屈服强度，也会逐渐产生损伤，最终导致材料断裂的现象。
疲劳分析是材料力学中的一个重要分支，它研究材料在动态载荷下的性能和寿命，对于预测和防止工程结构的疲劳失效至关重要。
1.1.2 断裂力学的引入断裂力学是研究材料裂纹扩展和断裂行为的学科，它基于能量平衡原理，通过计算裂纹尖端的应力强度因子（SIF）和材料的断裂韧性，来预测裂纹的稳定性及其扩展路径。
在材料疲劳分析中，断裂力学模型可以用来评估疲劳裂纹的扩展速率，从而预测材料在特定载荷条件下的寿命。
1.1.3 高温对材料性能的影响高温环境对材料的性能有显著影响，主要体现在材料的强度、塑性、韧性以及疲劳寿命的降低。
高温下，材料的微观结构会发生变化，如晶粒长大、相变等，这些变化会直接影响材料的力学性能。
此外，高温还会加速裂纹的扩展，使得材料的疲劳寿命大大缩短。
因此，在高温环境下进行材料疲劳分析时，必须考虑温度对材料性能的影响。
1.2 材料疲劳分析算法1.2.1 断裂力学模型在高温下的应用在高温条件下，断裂力学模型需要进行适当的修正，以考虑温度对材料断裂韧性的影响。
一种常用的方法是使用温度依赖的断裂韧性数据，通过插值或拟合技术，将断裂韧性与温度的关系表达为函数形式。
例如，可以使用Arrhenius方程来描述断裂韧性随温度的变化规律。
1.2.1.1 示例代码：使用Arrhenius方程拟合断裂韧性数据1.2.2 高温下的疲劳裂纹扩展算法高温下的疲劳裂纹扩展算法通常基于Paris公式进行修正，以考虑温度对裂纹扩展速率的影响。
修正后的Paris公式可以表示为：da/dN=C(T)ΔK m其中，da/dN是裂纹扩展速率，ΔK是应力强度因子范围，C(T)和m是与温度相关的材料常数。
材料的疲劳损伤与断裂
Lower flange at A-A
40 years of service life: 21224040=230,400 cycles of bending moment WL/4.
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工程中的疲劳现象
Case 2: rotating shaft with overhung flywheel
Service conditions: Load W, constant Shaft rotates at 250 rev/min, 8hr/day, 300 days/yr
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工程中的疲劳现象
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工程中的疲劳现象
二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂
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工程中的疲劳现象
2005.4.25, 上午9：20, 日本兵库县尼崎 市列车脱轨：死亡106人，伤400人
1998.6.3，德国埃舍德小镇，高速列 车脱轨：101人死亡，200人受伤，88
人重伤
预防疲劳失效！是轨道交通的核心科技问题之一
2. Goodman提出 了考虑平均应力 影响的简单理论。
3. Bauschinger提 出了应力-应变滞 后回线的概念。
1829
1839
1860
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1890
疲劳的发展历史
1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究， 发展了旋转弯曲疲劳试验，. S-N曲线及疲劳极限概念。
疲劳的发展历史
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疲劳损伤的微观机制
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疲劳损伤的微观机制
Cyclic Slip - initial arrangements
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Cyclic Hardening
疲劳损伤的微观机制
Surface relief
Shear cracks formation
材料的疲劳与断裂行为研究
材料的疲劳与断裂行为研究疲劳与断裂行为是材料科学与工程领域的重要研究方向之一。
疲劳是材料在循环加载下的损伤和失效过程，而断裂是在承受外力作用下材料的破裂过程。
研究材料的疲劳与断裂行为对于制定合理的材料设计和工程应用具有重要意义。
1. 引言材料的疲劳与断裂行为是由内在的微观结构和外部环境因素共同决定的。
了解材料的疲劳断裂机制以及其对材料性能和使用寿命的影响，对于材料的可靠性和安全性具有重要意义。
2. 材料疲劳行为研究2.1 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是研究材料疲劳行为的重要方法。
通过建立疲劳寿命预测模型，可以评估材料在不同循环载荷下的寿命。
常用的疲劳寿命预测方法包括应力寿命曲线和损伤累积规律等。
2.2 循环载荷下的损伤行为在循环载荷下，材料内部会产生损伤积累，导致疲劳失效。
损伤行为的研究有助于了解材料的疲劳机制。
常见的损伤行为包括微裂纹扩展、晶界滑移等。
3. 材料断裂行为研究3.1 断裂力学理论断裂力学理论是研究材料断裂行为的重要工具。
通过断裂力学理论的应用，可以预测材料在受力下的断裂行为，并对材料的断裂强度进行评估。
3.2 断裂韧性的研究断裂韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。
通过研究材料的断裂韧性，可以评估材料在应力集中区域的抗裂纹扩展能力。
常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验等。
4. 材料的疲劳与断裂行为相互关系研究疲劳和断裂行为之间存在着密切的相互关系。
材料的疲劳行为会影响其断裂行为，而材料的断裂行为又会影响其疲劳寿命。
因此，研究材料的疲劳与断裂行为之间的相互关系，对于理解材料的整体性能和应用具有重要意义。
5. 结论疲劳与断裂行为是材料科学与工程中的重要研究方向。
通过研究材料的疲劳与断裂行为，可以为材料设计和工程应用提供有价值的参考。
未来的研究中，需要进一步深入研究材料的疲劳与断裂机制，提高材料的疲劳强度和断裂韧性，以满足不同工程领域对材料性能的需求。
参考文献：[1] Smith J, Zhang Y. Fatigue crack growth prediction[J]. International Journal of Fatigue, 1990,12(2):159-169.[2] Rice J R. A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks[J]. Journal of Applied Mechanics, 1968,35(2):379-386.[3] Lawn B R. Fracture of brittle solids[M]. Cambridge University Press, 1993.。
探究木塑复合材料的力学性能
第１６期 收稿日期：２０１８－０５－２５作者简介：陈 康（１９９７—），安徽天长人，在读本科生，研究方向：材料科学与工程。
探究木塑复合材料的力学性能陈 康，李亚儒（南京林业大学理学院，江苏南京 ２１００３７）摘要：适合的木粉填充量、粒径大小有利于提升木塑材料的综合性能；合适基体树脂的选择也有较大影响；加工工艺的类型决定材料的质地、密度，影响材料强度；原料的改性处理也是提升木塑材料的重要途径。
阐述了提升木塑材料力学性能的微观作用机理，举出了现阶段主要的科研成果，总结了木塑材料发展的不足，并做出了展望。
关键词：木塑复合材料；木粉；基体塑料；加工工艺；助剂中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＱ３２７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１８）１６－０１３７－０２ 木塑复合材料，简称ＷＰＣ，是由热塑性塑料作为基体材料，植物纤维作为增强材料复合而成的一种聚合物基复合材料。
作为木塑复合材料的热塑性基体塑料主要包括：ＰＰ、ＰＥ、ＰＶＣ、ＰＳ等，木粉通常采用杨木粉、桉木粉、竹粉等。
现阶段木塑复合材料的制备工艺主要是挤出成型和模压成型，将木粉与塑料经高速混合机混合均匀后，加入挤出机中（通常使用双螺杆挤出机），熔融共混后从特定形状的出料口挤出成型，或者直接将物料熔融共混后注入磨具中压制成型，最后根据需要可以对成型的木塑复合材料进行加工处理。
木塑复合材料现已应用于包装、建筑、园林庭院、汽车内饰等领域，但是木塑复合材料的力学性能不高及耐水性能差一直限制其更加广泛的使用，科研人员也致力于开发新型的高强木塑复合材料。
本文主要从木粉粒径、木粉填充量、基体塑料种类、加工工艺和原料前处理展开，探究木塑复合材料的力学性能特点，并介绍改性研究的发展现状。
１ 木粉粒径、填充量对材料力学性能的影响强度反映了材料抵抗破坏的能力，往往是复合材料增强改性的研究重点。
影响木塑复合材料拉伸强度、弯曲强度等力学性能的主要因素有植物纤维种类、含量、粒径分布，基体塑料的种类，助剂的使用，成型工艺等。
沥青混合料疲劳_蠕变交互作用损伤模型
中 国 公 路 学 报
China J ournal of H ig hw ay and T ransport
Vol .24 No .4 July 2011
文章编号 :1001-7372(2011)04-0015-06
沥青混合料疲劳-蠕变交互作用损伤模型
复数模量 E ＊全面反映了沥青混合料在周期应力加
载下的动态性质[ 11] , 可以用来定义沥青混合料疲劳
失效过程中的损伤变量 。
2 沥青混合料损伤变量
运用损伤力学的方法研究疲劳问题时 , 需要定
义合适的损伤变量 , 为了描述蠕变损伤和疲劳损伤
共同作用下导致材料疲劳失效的过程 , 利用第 1 节 得出的复数模量 E ＊ , 求出沥青混合料损伤变量 。
破坏状况 , 得到了沥青混合料疲劳寿命预测方程 , 却 没有选择合适的损伤变量来描述损伤的发展过程 。 运用损伤力学从理论上探讨材料的疲劳-蠕变交互 作用机理 , 目前多集中于金属材料研究中[ 8-9] , 对于 沥青混合料 , 刘立新[ 10] 虽然认为材料总的疲劳损伤 由蠕变损伤和疲劳损伤两部分构成 , 但是仅分别给 出了蠕变损伤和疲劳损伤的表达式 , 并未得到两者 综合作用时的损伤表达式 。笔者认为在蠕变损伤和 疲劳损伤综合作用下 , 沥青混合料内部的微裂缝 、微 裂纹逐渐累积并最终导致结构失效 , 因此本文中运 用损伤力学的方法 , 考虑沥青混合料的蠕变性质 , 选 择了一种可以描述蠕变和疲劳效应共同作用的损伤 变量 , 建立了沥青混合料疲劳与蠕变综合作用下的 损伤模型和疲劳寿命预估模型 。
(1 0) (1 1)
故
Q =1 -
E＊ N E＊
(1 2)
蠕变-疲劳耦合模型
蠕变-疲劳耦合模型
蠕变-疲劳耦合模型是一种用于描述材料在高温和高应力环境下的蠕变和疲劳损伤耦合行为的模型。
蠕变是材料在高温下由于长时间持续加载而引起的变形现象，而疲劳是由于反复加载引起的材料损伤现象。
蠕变-疲劳耦合模型主要包括两个方面的耦合效应：蠕变对疲劳寿命的影响和疲劳对蠕变行为的影响。
具体来说，蠕变对疲劳寿命的影响是指在蠕变加载下，材料的疲劳寿命会减少。
这是因为蠕变加载导致材料的微观结构发生改变，使其更容易发生裂纹和断裂。
另一方面，疲劳对蠕变行为的影响是指在疲劳加载下，材料的蠕变变形速率会增加。
这是因为疲劳加载引起的塑性变形会促进材料的蠕变变形。
蠕变-疲劳耦合模型通常基于实验数据和经验公式进行建立。
其中，蠕变模型可以使用蠕变本构方程来描述材料的蠕变行为，疲劳模型可以使用疲劳寿命模型来描述材料的疲劳寿命。
在建立蠕变-疲劳耦合模型时，需要考虑多种加载条件和材料性能参数，如温度、应力水平、加载频率等。
蠕变-疲劳耦合模型的应用可以用于预测材料在高温和高应力环境下的蠕变和疲劳行为，从而指导工程设计和材料选择。
这对于保证工程结构的安全性和可靠性具有重要意义。
复合材料渐进损伤退化本构模型
复合材料渐进损伤退化本构模型随着工程领域的不断发展和复杂化，使用复合材料的应用范围越来越广泛。
由于复合材料具有高强度、高刚度和轻质化的优点，因此在航空航天、汽车、船舶和民用工程等领域得到广泛应用。
然而，复合材料在使用过程中往往会受到各种外部载荷的作用，导致材料内部的损伤逐渐积累和发展。
对于这种渐进损伤退化的行为，建立本构模型能够更好地描述材料的力学性能，并有效预测材料的寿命。
1. 复合材料的渐进损伤退化行为复合材料的渐进损伤退化行为是指材料在长期受载作用下逐渐累积损伤并导致力学性能的退化。
这种行为在复材料的结构设计和寿命预测中具有重要意义。
复合材料的渐进损伤退化行为主要包括疲劳、开裂、层间剥离、纤维断裂等多种损伤模式。
这些损伤模式的发展会导致材料强度和刚度的下降，最终影响材料的使用性能和寿命。
2. 复合材料的本构模型复合材料的本构模型是描述材料力学性能的数学模型，能够通过一定的数学方程和参数来描述材料的应力-应变关系。
传统的本构模型多是基于线性弹性理论建立的，无法很好地描述复合材料的损伤退化行为。
针对复合材料的渐进损伤退化行为，需要建立能够描述损伤发展过程的非线性本构模型。
3. 渐进损伤退化本构模型的建立为了更好地描述复合材料的渐进损伤退化行为，研究人员提出了许多渐进损伤退化本构模型。
这些模型主要基于断裂力学、塑性损伤理论、细观本构理论等原理建立，并结合了材料的微观结构和损伤机理。
常见的渐进损伤退化本构模型包括本构关系修正法、能量释放率法、损伤张量法、微裂纹模型等。
这些模型能够有效地描述复合材料在渐进损伤过程中的力学行为，并为材料的寿命预测提供更准确的方法。
4. 渐进损伤退化本构模型的应用渐进损伤退化本构模型在复合材料的结构设计和寿命预测中具有重要应用价值。
通过建立适合复合材料损伤特性的本构模型，可以更准确地预测材料的寿命和使用性能。
在工程实践中，这些本构模型还可以用于分析复合材料结构在不同载荷下的损伤演化和寿命预测，为材料的设计和改进提供重要参考依据。
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（ ． 京 林 业 大 学 ，江 苏 南 京 ２０ ３ ； ． 京 聚 锋 新 材 料 有 限 公 司 ，江 苏 南 京 ２０４ ） １南 １０ ７ ２ 南 １０２ 摘 要 ：塑 木 复 合 材 料 在 动 态 载 荷 作 用 下 ，其 断 裂 损 伤 并 非 纯 疲 劳 或 纯 蠕 变 作 用 的 结 果 。 利 用 交 变 载 荷 的 试 验 方 法 ，研 究 了在 疲 劳／ 变 交 互 作 用 下 塑 木 复 合 材 料 的断 裂 损 伤 行 为 。结 果 表 明 ，在 交 变 载荷 为 破 坏 载 荷 的 ８ ％和 ６ ％ 蠕 ０ ０ 时 ，其疲 劳／ 变 断 裂 曲线 为 三 段 式 曲线 ，即 瞬 时 弹 性 变 形 阶段 、延 迟 弹 性 变 形 阶 段 和 加 速 断 裂 阶段 ； 在 交 变 载 荷 为 蠕
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塑 料 工 业
ＣＨＩ ＮＡ Ｌ ｓ ＣＳ Ｉ Ｐ ＴＩ ＮＤＵＳ ＴＲＹ
第 ３ ５卷 第 ２期 ２０ ０ ７年 ２月
疲 劳 ／ 变 交 互作 用 下塑 木 复 合 材 料 的断 裂损 伤 蠕
胡焱 清 。李 大纲 。李 玲 。吴正 元 。丁建 生
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破 坏 载 荷 的 ４ ％时 ，３ ０ ８ｈ内其 疲 劳／ 变 曲 线 为 两 段 式 曲 线 。随 着 最 大 载 荷 保 持 时 间 的增 加 ，塑 木 复 合 材 料 进 人 延 迟 蠕
弹 性 变形 阶段 越 晚 ，弯 曲 挠 度 增 加 越 快 ，断 裂寿 命 降低 。 关 键 词 ：塑 木 复 合 材 料 ；疲 劳 ；蠕 变 ；断 裂 ；损 伤 中 图 分 类 号 ：Ｔ ３ １２ Ｑ ２ ． 文献 标 识 码 ：Ｂ 文章 编 号 ： １ ５ ７０ （０７ ２ Ｏ４—０ ０ —５７ ２０ ）０ —０４ ０ ３
ｔ ｅｏｍａ ｉｎ ｓａ ｅ ｅａ ｅ ｌｓｉ ｅｏ ｍａｉｎ ｓａ ｅａ ｄ ａ ｃ ｌｒ ｔｄ ｆａ ｔ ｒ ｔｇ ｉ ｄ ｆｒ ｔ ｔ ｇ ，ｄ ｌｙ ｄ ｅａ ｔ ｄ ｆｒ ｔ ｔ ｇ ｎ ｃ ｅｅ ｅ ｒ ｃｕ ｅｓａ ｅ；ｗｈ ｎ ｔ ｅａ ｍａｉｇ ｌ ｄ Ｗａ ｃ ｏ ｃ ｏ ａ ｅ ｈ ｈｅ ｔｎ ｓ ａ ｏ ４ ０％ ｏ ｈ ａ ｇ ｉ ｇ ｌａ ｓ ｈ ｒ ｃｕ ｅｃ ｒ ｅ ｆｆｔ ｅ ｒ ｅ ａ ｏｅ ｏｎ ｗｏ ｓａ ｅ ｉｈ ｎ ３ ｈ ｅｄｅａ ｅ ｆｔ ｅ ｄ ｍａ ｎ ｏ ｄ ，ｔ ｅｆａ ｔ ｒ ｕ ｓｏ ｉ ／ｃｅ ｐ ｈ ｄ ｆｒ ｇ ｉ ｇｔ ｔ ｓｗ ｔ ｉ ８ ｈ．Ｔ ｌｙ ｖ ａｇ ｕ ｇ ｄ