复合材料的力学性能
复合材料的力学性能与结构设计
复合材料的力学性能与结构设计复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的材料，具有优异的力学性能和结构设计潜力。
在本文中，将探讨复合材料的力学性能以及如何进行结构设计。
一、复合材料的力学性能复合材料由于多种材料的组合，具有独特的力学性能。
以下将讨论复合材料在强度、刚度和韧性方面的性能。
1. 强度由于不同材料之间的协同作用，复合材料通常具有很高的强度。
这是由于各个组成材料的优点相互弥补，从而提高整体强度。
例如，纤维增强复合材料中的纤维可以提供很高的强度，而基体材料可以增加韧性。
2. 刚度复合材料具有很高的刚度，这是由于组成材料之间的相互作用。
纤维增强复合材料中的纤维可以提供很高的刚度，而基体材料可以提供弹性和柔韧性。
因此，复合材料在受力时可以保持其形状和结构的稳定性。
3. 韧性复合材料通常具有较高的韧性，这是由于材料的组合结构所致。
纤维增强复合材料中的纤维可以分散和吸收能量，从而提高材料的韧性。
相反，在单一材料中，这种能量分散效应很少出现。
二、复合材料的结构设计复合材料的结构设计是为了实现所需的力学性能和功能。
以下将介绍复合材料结构设计的关键因素。
1. 材料选择合理的材料选择是进行复合材料结构设计的关键因素。
不同材料具有不同的力学性能和化学特性，因此需要根据应用需求选择合适的材料组合。
例如，在需要高强度和刚度的应用中，可以选择纤维增强复合材料。
2. 界面控制复合材料中不同材料之间的界面是其力学性能的重要因素。
界面的控制可以通过界面处理和表面改性来实现。
例如，通过添加粘合剂或增加表面处理剂，可以增强纤维与基体之间的结合，提高界面的力学性能。
3. 结构设计结构设计是为了实现所需的功能和性能。
在复合材料结构设计中，需要考虑材料的排布方式、层压顺序和几何形状等因素。
通过合理设计复合材料的结构，可以充分发挥其力学性能，同时满足应用需求。
三、结论复合材料具有优异的力学性能和结构设计潜力。
通过合理选择材料、控制界面以及进行结构设计，可以充分发挥复合材料的力学性能。
复合材料的力学性能与应用
复合材料的力学性能与应用复合材料是由两种或以上不同种类的材料组成的材料，它具有优异的力学性能和应用前景。
由于其具有轻重比低、高强高刚性等特点，复合材料广泛用于工程结构、航空航天、运动装备、汽车制造等领域。
本文将从复合材料的基本概念入手，探讨其力学性能和应用。
一、复合材料的基本概念复合材料是由两种或以上不同种类的材料在力学基底上结合形成新材料，其强度和韧性优于单一材料。
因此，复合材料可以做到轻量化、高强化设计，体积比常规材料更小，但在负载作用下性能却更加优异。
复合材料的组成材料主要包括纤维材料和基体材料。
纤维材料可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，而基体材料可以是树脂、金属或陶瓷。
通常，长纤维材料在成型时各向异性的耐力和刚度非常好，而短纤维材料则能增加韧性和强度。
因此，选择不同的组合形式可以得到不同的力学性能和应用效果。
二、复合材料的力学性能从复合材料的力学性能入手，我们可以看到复合材料的优势和多样性。
1.强度在复合材料中，纤维材料的强度是起主导作用的，强度的大小与纤维的质量、方向有关。
通常，碳纤维等高性能纤维材料的强度比金属材料高出3~7倍，强度比玻璃材料高出10倍以上。
2.韧性与传统金属材料相比，复合材料具有更好的韧性。
在纤维材料的吸能过程中，纤维内部会发生韧性破裂，使其能够更多地吸收冲击能量。
同时，采用复合材料结构能够在一定程度上改善传统结构的弯曲、扭转和振动等方面的性能。
3.阻尼性复合材料具有低阻尼性，这意味着其结构的应变能迅速转换成机械能。
这种性能适用于需要快速响应的设备和结构。
4.耐腐蚀性许多复合材料都有很好的耐腐蚀性，这是由于它们的基体材料通常是树脂等材料。
因而，该种材料适用于需要良好耐腐蚀能力的结构件和设备。
5.温度稳定性有些复合材料可以在极具挑战性的高温条件下使用。
例如，一些碳纤维材料的熔点超过了2000°C，这使得它们可以在火箭发动机推力器等极端高温环境下使用。
三、复合材料的应用1.航空航天领域由于复合材料的轻量化和高强化的特点，它们在航空航天领域得到广泛应用。
复合材料力学性能
复合材料力学性能复合材料力学性能是指复合材料在力学加载下的行为和性能。
复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料组成的复合体，通常包括增强相和基体相。
增强相是由具有较高强度和刚度的材料制成，而基体相是由具有较高韧性和耐用性的材料制成。
复合材料的力学性能直接影响着其在各种应用领域的使用。
复合材料的力学性能包括强度、刚度、韧性和抗疲劳性等方面。
首先是强度。
强度是指材料在受到外界力作用下抵抗断裂或变形的能力。
复合材料通常具有较高的强度，特别是拉伸、压缩和弯曲强度。
这是因为增强相的存在使得复合材料能够承受更大的力。
同时，复合材料还具有较高的拉伸、剪切和压缩模量，这使得它们在应力下更加稳定。
其次是刚度。
刚度是指材料对应力产生相应应变的能力。
复合材料通常具有较高的刚度，这使得它们在应用中具有更好的稳定性和振动性能。
刚度取决于增强相的类型、层数和配比等因素。
然后是韧性。
韧性是指材料在受到外界力作用下承受变形和断裂的能力。
复合材料通常具有较高的韧性，这是由于其基体相的存在，基体相能够吸收能量并阻止裂纹的扩展。
韧性通常通过测量断裂韧性来评估。
最后是抗疲劳性。
抗疲劳性是指材料在经过长时间循环加载后仍然能保持其性能和强度的能力。
复合材料通常具有较好的抗疲劳性能，这是由于增强相的存在，增强相能够在应力加载下分散和吸收应力。
除了以上几个方面，复合材料的力学性能还受到其制备工艺、层数和组织结构等因素的影响。
制备工艺的不同会导致复合材料的性能有所差异。
层数的增加会提高复合材料的强度和刚度，但也会增加制备难度。
组织结构的优化能够提高复合材料的性能。
综上所述，复合材料具有强度、刚度、韧性和抗疲劳性等优良的力学性能。
这些性能的提高在很大程度上推动了复合材料在航空、汽车、建筑等领域的广泛应用。
随着材料科学和制备技术的进步，复合材料的力学性能还将不断得到改善和优化。
复合材料力学性能的研究
复合材料力学性能的研究复合材料是由两种或以上的材料组成的复合体，具有优异的力学强度和轻质化优势，广泛应用于汽车、航空、航天等领域。
然而，复合材料的力学性能研究一直以来都是一个热门的研究方向。
一、复合材料的组成复合材料的组成较复杂，第一种材料通常称为基质，第二种材料称为增强材料（纤维或颗粒），第三种称为填料。
其中最常见的基质材料为树脂，增强材料有碳纤维、玻璃纤维等。
填料主要用来填充空隙，在预制过程中保持形状。
二、复合材料的力学性能复合材料具有优异的力学性能，包括强度、硬度、韧性、蠕变等方面。
通常，强度是复合材料最突出的优点，这是由于增强材料的高强度和基质材料的高韧性共同作用的结果。
但是，复合材料由于材料变化的复杂性，其确切的力学性能参数往往难以量化，这增加了其性能评估的难度。
三、复合材料力学性能的研究方法针对复合材料的力学性能研究，主要有以下几种方法。
1.试验方法试验是研究复合材料力学性能的最主要方法之一，包括拉伸试验、弯曲试验、疲劳试验、冲击试验等。
通过试验，可以得出复合材料的强度和韧性等力学性能参数，并获得材料断口形态、疲劳裂纹扩展行为等信息。
2.数值模拟方法数值模拟方法可以通过有限元分析等手段，模拟复合材料受力及响应过程。
数值模拟方法可以提供与试验相同的结果，但是具有更高的计算精度和更广的适用范围。
3.微观力学建模方法微观力学建模方法利用分子力学理论和计算力学等技术探究复合材料的微观结构与力学性能的关系。
微观力学建模方法可以研究单个增强纤维或颗粒的力学性能，并且强调了复合材料性能与其微观结构的密切关系。
四、复合材料力学性能的应用由于复合材料具有优异的力学性能，因此在汽车、航空航天、医疗器械、体育用品等领域广泛应用。
例如，在航空航天领域，即将使用的“星际飞船”使用了大量的碳纤维增强复合材料，以减轻飞船重量，提高载荷和性能。
此外，复合材料的轻质化特点也为能源、环境等领域的应用提供了更广阔的展望。
第8章复合材料力学性能
➢强度高，拉伸强度为3.62GPa； ➢模量高于GF，为125GPa； ➢韧性好，断裂伸长率为2.5%； ➢缺点：表面惰性大，与树脂界面粘结性能差，抗压、抗
扭曲性能差。
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基体材料
① 基体材料选择三原则：
第一，基体材料本身力学性能较好，如有较高的内聚强 度、弹性模量；与增强纤维有相适应的断裂伸长率； 第二，对增强材料有较好的润湿能力和粘结力，保证良 好的界面粘结； 第三，工艺性优良，成型和固化方法与条件简单，固化 收缩率低。
Ⅱ型CF（高强型）： 强度＞3GPa； 模量为230~270GPa； 断裂伸长率为0.5~1%
联碳化合物公司P-140 型CF： 模量高达966GPa
东丽公司T1000型CF： 强度达到7.05GPa； 模量为295GPa；
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③ 芳纶的力学特性
➢以Kevlar-49为代表的芳纶是一种高模量有机纤维； ➢密度小（1.44g/cm3，GF为2.54g/cm3，T300为
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8.2.1 纵向拉伸性能 （1）纵向拉伸应力σL 、拉伸模量EL
单向纤维复合材料纵向拉伸加载示意图和单向板纵向拉伸 简化力学模型图如下： PL = Pf + Pm
Pf 、 Pm分别为纤维（fibre）和基体（matrix）承受的载荷
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当用应力表示
PL = Pf + Pm
σL AL = σf Af + σm Am
单向（纤维增强）复合材料 双向（正交纤维）复合材料 多向（纤维增强）复合材料 三向（正交纤维增强）复合材料 短纤维增强复合材料
4
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（1）单向（纤维增强）复合材料
第十四章复合材料力学性能_材料的宏微观力学性能
第十四章复合材料力学性能_材料的宏微观力学性能复合材料是由两种或多种不同的材料组成，具有独特的力学性能。
因为复合材料由不同材料组成，其宏微观力学性能由材料的组成、结构、形态以及其在应变、应力和温度条件下的变化所决定。
首先，复合材料的宏观性能包括强度、刚度、韧性和耐久性等。
强度是指材料抵抗外部力量破坏的能力，可以分为拉伸强度、压缩强度、剪切强度等。
刚度是指材料对应力的响应程度，可以通过弹性模量来表征。
韧性是指材料在断裂之前能够吸收的能量，可以通过断裂韧性来衡量。
耐久性是指材料在环境条件下长期使用所能保持的性能。
其次，复合材料的微观力学性能包括单根纤维或颗粒的力学性能，以及阵列结构和界面性能。
单根纤维或颗粒材料的力学性能取决于材料的成分、晶体结构、缺陷和纤维的方向。
纤维的方向对复合材料的拉伸、弯曲和剪切等性能有显著影响。
阵列结构是指纤维或颗粒的形态和分布，如纤维间距离、层厚度、纤维排布等。
界面性能是指纤维或颗粒与基体的界面结构以及其相互作用，影响着复合材料整体的性能。
另外，复合材料的力学性能还受到应变、应力和温度的影响。
应变是指物体受力后发生的形变程度，应力是物体单位面积上的力。
复合材料的应变和应力分布不均匀，因为不同材料的应变和应力响应不同，这会导致复合材料整体力学性能的非线性变化。
温度变化也会导致复合材料的线膨胀系数不同，从而对力学性能产生影响。
总体来说，对复合材料力学性能的研究需要考虑宏微观的因素，包括材料成分、结构、形态以及在应变、应力和温度条件下的变化。
这些因素的相互作用决定了复合材料的力学性能。
了解复合材料的力学性能对于材料设计和应用具有重要意义。
复合材料的力学性能分析
复合材料的力学性能分析复合材料是由两种或以上的不同材料在力学上结合形成的材料，具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等优良特性，被广泛应用于汽车、航空、航天、体育用品等领域。
然而，复合材料的力学性能与其组成材料、制备工艺、结构形式密切相关，需要经过细致的分析才能充分发挥其优势。
一、组成材料的力学性能分析复合材料由纤维和基体材料结合形成，其中纤维通常是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，基体材料通常是树脂、金属等。
因此，复合材料的力学性能与其组成材料密切相关。
1.纤维材料的力学性能纤维材料具有很高的强度和刚度，可以充分发挥复合材料的优势。
常用的纤维材料有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
其中，碳纤维的强度和刚度最高，但价格也最昂贵，适用于高端领域；玻璃纤维强度和刚度较低，价格相对便宜，适用于一般领域；芳纶纤维具有较高的温度和化学稳定性，适用于高温环境。
2.基体材料的力学性能基体材料主要起粘结纤维材料的作用，因此需要具有较好的强度和可塑性。
常用的基体材料有环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯等。
环氧树脂具有较好的成型性和高强度，适用于高端领域；酚醛树脂价格相对便宜，但强度和成型性较差，适用于一般领域；聚丙烯具有良好的化学稳定性和低密度，适用于航空、航天等领域。
二、制备工艺对力学性能的影响分析复合材料制备工艺是影响其力学性能的重要因素之一。
常用的制备工艺有手工层叠法、自动层叠机法、注塑成型法等。
1.手工层叠法手工层叠法是复合材料制备的最早方法之一，其优点是成本低，适用于小批量生产；缺点是生产效率低，工艺难以控制，制品质量不稳定，易产生接触、空气泡等缺陷。
2.自动层叠机法自动层叠机法是指利用专用机器进行自动化生产的方法，其优点是生产效率高，无人工干预，制品质量稳定；缺点是设备成本高，不适用于小批量生产，工艺仍需改进和控制。
3.注塑成型法注塑成型法是将熔融状态的树脂注入到预制的模具中，并在高温高压下形成制品的方法，其优点是最大程度地消除了接触缺陷、空气泡等缺陷，制品密实，精度高，产品性能稳定；缺点是成本高，需要专用模具，适用于大批量生产。
复合材料中的材料力学性能分析
复合材料中的材料力学性能分析复合材料是由两种或两种以上不同材料组合而成的新材料，其具有优异的力学性能，如高强度、高刚度、低密度等。
因此，对复合材料的力学性能进行分析，对于材料的设计、制备、应用等方面具有重要意义。
本文将从两个方面对复合材料中的材料力学性能进行分析：材料力学性能评价和材料力学性能分析方法。
一、材料力学性能评价材料力学性能评价是对复合材料力学性能进行定量评估和比较的过程。
常用的力学性能指标包括强度、弹性模量、断裂韧性、疲劳寿命等。
1. 强度：强度是材料抵抗外部载荷而产生破坏的能力。
在复合材料中，强度可以分为拉伸强度、压缩强度、剪切强度等。
通过力学试验，可以测定复合材料在不同载荷下的强度，并进行比较和评价。
2. 弹性模量：弹性模量反映了材料在受力时的变形能力。
对于复合材料来说，弹性模量通常通过静态拉伸试验中的应力-应变曲线来计算。
弹性模量高，表示材料具有较好的刚度特性。
3. 断裂韧性：断裂韧性是材料抵抗断裂的能力。
在复合材料中，断裂韧性的评价可以通过冲击试验或断裂韧性试验来进行。
断裂韧性高的材料具有抗冲击、抗断裂的能力。
4. 疲劳寿命：疲劳寿命是材料在交变载荷下能够承受的循环次数。
复合材料的疲劳寿命是指在特定应力水平下，材料能够进行多少次完全循环才会发生失效。
通过疲劳试验可以评估复合材料的疲劳性能。
二、材料力学性能分析方法要进行复合材料的力学性能分析，需要使用一些合适的试验方法和数值模拟技术，以下是常用的材料力学性能分析方法：1. 静态力学试验：静态力学试验是研究材料在静态加载下的力学性能的基本方法。
通过服从背景的应力-应变关系曲线可以获得弹性模量和屈服强度等性能参数。
2. 动态力学试验：动态力学试验是研究材料在动态加载下的力学性能的方法。
冲击试验和振动试验是常用的动态力学试验方法，可以评估复合材料在冲击或振动环境下的力学性能。
3. 数值模拟：数值模拟是通过计算方法来预测和分析材料力学性能的方法。
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三、复合材料的性能特点
1、高比强度、比弹性模量； 2、各向异性； 3、抗疲劳性能好； 4、减振性能好； 5、可设计性强。
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四、结构设计原理
1、层次结构 一次结构（单层），不产生新相； 二次结构（铺层）有新相产生；能较好地过 渡； 三次结构（多层）形成多个铺层。 2、连续纤维与非连续纤维增强 连续纤维增强 方向性明显，性能受纤维的 粗细、数量、排列的影响。 非连续纤维增强 纤维的长度与直径之比 L/d，提高剪切强度。 返回
1 Vf Vm I: 1 Gc G f Gm (式11 - 20) 上限 下限
II II： GC G f Vf G m Vm (式11 - 26) II 合 成：G c (1 c )G 1 CG c C (式11 - 27)
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4、泊松比υ
纵向泊松比
LT
横向泊松比
2
二、材料复合的物理冶金基础
1、界面与界面反应
界面上反应热力学与动力学： 相应温度下反应的可能性；反应常数；反应速度常数。 固溶与化合反应： 原子扩散，形成浓度不同的固溶体；新化合物。 过渡层的出现：
2、强化理论
第二相强化、弥散强化；形变带强化。 断裂及其机理： 裂纹的萌生及扩展；断裂。 聚合强度的作用。
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二、弹性模量
弹性模量计算公式(式11-61）（式11-62）（式11-63）
三、强度
按混合定律计算。 用纤维的平均应力代替（11-39）中的纤维抗拉强度。 返回
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§11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳
一、断裂
1、损伤累积机理 裂纹萌生：缺陷处 扩展： 2、非累积损伤机理 ①接力破坏 ②脆性粘接断裂机理 ③最薄弱环节破坏机理 3、复合材料的破坏形式 ①纤维断裂 ②基体变形和开裂 ③纤维脱胶 ④纤维拨出
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（3）各阶段的强度
I: σCL=EfεfVf+Em(1-Vf) （式11-36） 纤维体积Vf，在一定范围内，Vf↑，σCL↑，过多浸润 不好，反而↓。 II：σCL(ε)= σf (ε)Vf+σm(ε)Vm σm *—基体应变等于纤维断裂应变时的基体应力。 ∴纤维增强作用，仅在复合材料的强度超过基体强度 时才有效。 ∴可以推导出临界纤维体积，Vfcr
⑤分层裂纹
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二、冲击性能
1、冲击性能特点 ①υ↑，冲击性能↑ 高模量碳纤维复合材料，对υ变化不敏感。 ②高弹性模量比低弹性模量的冲击韧性差。 ③冲击断裂是各类损伤的累积或非累积破坏。 2、影响冲击性能的因素 ①自身属性，力学性能。 ②纤维方向；铺层结构。 ③界面的聚合强度。
ห้องสมุดไป่ตู้17
三、疲劳性能
1、疲劳性能特点 疲劳性能好。复杂的疲劳破坏行为。损伤可 被牵制。 2、影响因素 组分材料的性能（基体，增强纤维影响）； 增强纤维的体积分数（纤维含量）； 界面性质（包括缺口的影响）； 载荷形式； 环境条件。
“纤维的微弯曲和基体剪切失稳是复合材料
纵向压缩的两个主要破坏机理”。
返回
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§11.3 短纤维复合材料的力学性能
该材料的应用广泛。
力学性能比连续纤维的更为复杂。纤维末端的
应力传递作用不能忽略
一、基体与纤维间的应力传递 [拉伸状态]
纤维的临界长度Lcr（中部的拉伸应力最大） 平均应力约为最大应力的95%。
* mu m Vfcr * fu m
（式11-41）
∴当Vf<Vfmin时 复合材料的抗拉强度σCLu=σmu(1-Vf)
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2、抗压强度
基体在纵向压缩中起重要作用。
基体给予纤维侧向支持，使纤维不屈曲。
拉压型和剪切型失稳模型中，纵向抗压强度 分别为 式11-44和式11-45
第十一章
复合材料的力学性能
§11.1 复合材料概论 §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
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§11.1 复合材料概论
一、定义和分类
1、定义
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。
2、分类
按基体分：金属基复合材料；无机非金属复合材 料；聚合物复合材料。 按增强体分：连续纤维复合材料；短纤维复合材 料；颗粒复合材料；层合板复合材料。 按用途分：结构复合材料；功能复合材料。
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二、弹性性能
1、纵向弹性模量（并联）
（加权和 ） Ecl〃1=K[EfVf+Em(1-Vf)] K——工程修正值 Vf——纤维的体积分数
2、横向弹性模量
（串联） 基于： △LcT=△LfT+△LmT 应力相同
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3、切变模量 （1）等应力模型，等应变模型（图11-7） （与拉伸时的模型的定义正相反） （2）模量的推导 以扭距MC为基础。
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§11.2 单向复合材料的力学性能
一、单向复合材料及其结构模型
1、定义 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。 2、结构模型（图） ①并联模型 纤维与基体有相同的应变 ②串联模型 纤维与基体有相同的应力。
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3、力学性能特征值 ①五个特征强度值 纵向抗拉强度，横向抗 拉强度，纵向抗压强度，横向抗压强度，面内抗 剪强度。 ②四个特征弹性常数 纵向弹性模量，横向 弹性模量，主泊松比，切变模量。 ③复合材料的强度和弹性模量由复合材料的 组分、材料的特性、增强体的取向、体积分数决 定。
CT
CL
（式11-28）
LT
CL CT
（式11-34）
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三、强度
1、拉伸强度
（1）σ～ε曲线（图11-11） （2）拉伸变形的四个阶段（图 11-9) a）纤维和基体都是弹性变形； b）纤维弹性变形，基体非弹性 变形； c）纤维与基体均为非弹性变形 （仅韧性纤维存在第三阶段） d）纤维断裂，随之复合材料断 裂。