复合材料的力学性能ppt
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第6章 复合材料细观力学PPT
物理关系
G , G , G Ⅱ
12
12 12 f 12
f 12 f m12
m12 m
于是
GⅡ 12
Gf
f
Gm m
6.3.3 植村-山胁的经验公式
E1 EⅠ1 E1Ⅱ
E2 (1 c)EⅠ2 cEⅡ2
1 (1 c)Ⅰ1 c1Ⅱ
2
E2 E1
1
G12 (1 c)GⅠ12 cG1Ⅱ2
(3)泊松比
I 1
,
I 2
当正轴σ1方向受力作用时，纵向泊 松比的定义为
I 1
2 1
单元的横向变形量Δb为 b b 2 b1I 1
从细观来看，单元的横向变形量应等于纤维与基 体的横向变形量之和,即
bbf 2 bm2 bff 2 bmm2 bfff1bmmm1
3
因为
1 f 1 m1
所以
E f 1 Em f 3(1 f )
（拉压 型）
Xc
Gm 1 f
（剪切 型）
7
练习题
• 用材料力学方法证明单向纤维复合材料中纤维所承受
载荷Pf与纵向总裁荷P之比为
Pf 1/(1 Em m )
P
Ef f
• 已知某纤维Xft=2000MPa,Ef1=90GPa,基体树脂 Xmt=220MPa,Em=3.5GPa.若基体的延伸率大于纤维，试 求由以上基体和纤维制得的复合材料单向板的临界纤
X ft
X mt
X ft
Em Ef1
vfmin称为纤维控制的最小体积含量
6.4.2 纵向压缩强度Xc
拉压型微屈曲引起破坏的纵向压缩强度
X c 2 f
E f Em f 3(1 f )
复合材料的性能PPT课件
第28页/共38页
3. 复合材料的疲劳性能
疲劳的概念：低于静态强度极限条件下的动载荷（交变载荷）作用，经过不同时间（ 或次数）都会破坏失效。 疲劳过程—→内部损伤（或疲劳裂纹）—→内部损伤累积至一定程度—→材料突然破坏失 效
四种疲劳损伤：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂 疲劳S-N曲线见图4-121，4-122，4-123，复合材料的疲劳性能一般高于基体的疲劳性 能。
第14页/共38页
6-2-2 复合材料的力学性能（mechanical propSeecrtitoines15o.5f
composites)
1.单向板的强度与模量（strength and modulus of an aligned fiber-reinforced composites)
第15页/共38页
C = m(1Vf) + fVf CC = Cm(1Vf) + CfVf
第5页/共38页
(2) 几何尺寸效应 复合材料性能不仅与各组元分量有关，还强烈依赖于增加相的几何形状、尺寸、排布
与分布状态。 复合材料中纤维上受力状态和界面受力状态，随纤维的长径比变化而变化，见图4-106
、4-107，表4-40。 临界长度lc和临界长径比lc/d的概念见书P419-420，表4-41
第6页/共38页
第7页/共38页
不同材料的 lc
第8页/共38页
第9页/共38页
纳米量子尺寸效应：固体物理研究表明，固体颗粒尺寸减少到某
一临界值时（一般为0.1m或100nm），颗粒的某些性质（如光、电、磁、 热、化学特性等）会发生质的变化，呈现与物体宏观状态下差异很大的特性 。具有显著的量子尺寸效应。
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3. 复合材料的疲劳性能
疲劳的概念：低于静态强度极限条件下的动载荷（交变载荷）作用，经过不同时间（ 或次数）都会破坏失效。 疲劳过程—→内部损伤（或疲劳裂纹）—→内部损伤累积至一定程度—→材料突然破坏失 效
四种疲劳损伤：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂 疲劳S-N曲线见图4-121，4-122，4-123，复合材料的疲劳性能一般高于基体的疲劳性 能。
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6-2-2 复合材料的力学性能（mechanical propSeecrtitoines15o.5f
composites)
1.单向板的强度与模量（strength and modulus of an aligned fiber-reinforced composites)
第15页/共38页
C = m(1Vf) + fVf CC = Cm(1Vf) + CfVf
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(2) 几何尺寸效应 复合材料性能不仅与各组元分量有关，还强烈依赖于增加相的几何形状、尺寸、排布
与分布状态。 复合材料中纤维上受力状态和界面受力状态，随纤维的长径比变化而变化，见图4-106
、4-107，表4-40。 临界长度lc和临界长径比lc/d的概念见书P419-420，表4-41
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不同材料的 lc
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纳米量子尺寸效应：固体物理研究表明，固体颗粒尺寸减少到某
一临界值时（一般为0.1m或100nm），颗粒的某些性质（如光、电、磁、 热、化学特性等）会发生质的变化，呈现与物体宏观状态下差异很大的特性 。具有显著的量子尺寸效应。
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复合材料ppt
疲劳性能与寿命预测
疲劳性能
复合材料的疲劳性能是指它们在周期性载荷下的抗断裂能力 。通过优化材料组合和结构设计，可以显著提高复合材料的 疲劳性能。例如，使用高强度纤维和优化基体树脂可以显著 提高复合材料的疲劳性能。
寿命预测
通过实验测试和分析，可以预测复合材料的使用寿命。这些 测试包括疲劳测试、环境因素测试和物理测试等。通过这些 测试和分析，可以评估复合材料在不同条件下的使用寿命， 并提供设计建议以延长其使用寿命。
复合材料ppt
2023-10-30
目录
• 复合材料概述 • 复合材料的力学性能 • 复合材料的热学性能 • 复合材料的应用领域 • 复合材料的未来发展趋势 • 复合材料的相关研究与文献综述
01
复合材料概述
定义与分类
复合材料定义
由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合成的新型材料 。
复合材料分类
根据组合成分的性质和比例，复合材料可分为金属基复合材料、非金属基复 合材料和纳米复合材料等。
复合材料的性能特点
性能可设计性
可以根据使用要求设计复合材料的性能，如强度、刚度、耐腐 蚀性等。
性能优势
可以发挥不同材料的优点，实现单一材料无法达到的性能。
性能可调整性
可以通过调整各组分材料的比例和制备工艺来调整复合材料的 性能。
连接器
复合材料也被用于制造连接器，如USB连接器等。
电池外壳
复合材料还可以用于制造电池的外壳，如锂离子电池的外壳等。
05
复合材料的未来发展趋势
高性能复合材料的研发
01
研发具有更高强度、韧性和耐 高温性能的高性能复合材料， 以满足现代工程和工业制造的 需求。
02
复合材料力学性能ppt课件
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
.
8
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
应变硬化
E D A
D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力. -应变曲线（玻璃态）
20
2.2 高分子材料的力学性能
.
21
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
扭转
F
.
17
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
.
电子万能材料试验机
18
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
.
19
复合材料的力学性能
小
一、本章重点
结
• 轴向拉压基本变形的受力及变形形式；
• 截面法求轴力的过程及轴力图画法； • 轴向拉压横截面及斜截面上的应力计算； • 正应力与剪应力、线应变与剪应变； • 剪应力互等定理与纯剪切应力状态；
•思考题
• 试总结应力的特点，并分析内力与应 力的关系；
• 试区别变形与应变的概念；
• 试总结E、G、EA的含义并区分；
• 试分析轴向拉压斜截面上的应力：正 应力最大时，剪应力如何；剪应力最 大时，正应力如何；
§18-1 一、失效方式
概
述
构件或系统失去它们应有的功能。 1．失效： 2．失效方式取决于材料的种类、加载方式、构件所处的 应力状态和工作环境等。 主要表现为： 强度失效、刚度失效、以及失稳、屈曲 失效、疲劳失效、蠕变与松弛失效。 1)强度失效方式：屈服与断裂； 2)刚度失效方式：构件产生过量的弹性变形； 3)屈曲失效方式： 构件平衡构形突然转变引起的失效； 4)疲劳失效方式： 由交变应力作用引起构件的突然断裂。
第十八章 复合材料的力学性能
• §18-1 概 述 • §18-2 复合材料的性能特点
• §18-3 单层复合材料的弹性模量
• §18-4 纤维增加效应及拉伸强度预测 • §18-5 单层纤维复合材料的应力应变关系 • §18-6 单层复合材料的耦合效应及铺层设计 • §18-7 单层复合材料失效判据及设计准则 • 小 结
第七章复合材料力学性能的复合规律ppt课件
u m
（常见情况）
①当 Vf 较低时
单层板中纤维断裂（图7.11（d））而附加到基体 上的额外载荷不足以使基体开裂，而可以全部承受， 此时复合材料的强度为：
1u
muVm
u m
1Vf
②当 Vf 较高时 纤维断裂时，转移载荷大。
u 1
m
u f
m
Vf
1.0 0
u 1
uf Vf
m (1Vf )
1 Vm V f
或
E2 Em E f
E2
EmV f
EmE f E f (1 V f )
⑶单向板的主泊松比ν12
复合材料的主泊松比——是指在轴向外加应力时横 向应变与纵向应变的比值。
横向收缩，纵向伸长
主泊松比
12
2 1
1 —纵向应变
2 —横向应变
横向变形增量 W为：
W W f Wm
W
12
W
1
W f
f
VfW
1
Wm
m
VmW
1
121W V f f 1W Vm m1W
12 V f f Vm m
⑷单层板的面内剪切模量G12
假定纤维和基体所承受的剪切应力相等，并假 定复合材料的剪切特性是线性的，总剪切变量为D。
试样的剪切特性： f m
若试样宽度为W，则有剪切应变：
u 主要依赖于
1
u m
在纤维断裂前先发生
基体断裂，于是所有载荷转移到纤维上。
树脂破坏时（和破坏后）： m 0
刚破坏时： f f
纯树脂破坏时：
u 1
u m
纯纤维破坏时： u 1
u f
当V f 很小时，纤维不能承受这些载荷而破坏，故有：
复合材料力学ppt课件
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7
（3）复合材料结构力学 它借助现有均匀各向同性材料结构力学的分 析方法，对各种形状的结构元件如板、壳等 进行力学分析，其中有层合板和壳结构的弯 曲、屈曲与振动问题以及疲劳、断裂、损伤 、开孔强度等问题。
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8
4复合材料的优点和缺点
复合材料的优点
(1)比强度高。
(2)比模量高。
示对称，“±”号表示两层正负角交错。
40/5 90/0 0 0/0 0/90/0 405 还可表示为 405 /900 /0 0s ，s表示
铺层上下对称。
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5
3复合材料的力学分析方法 （1）细观力学 它以纤维和基体作为基本单元，把纤维和基 体分别看成是各向同性的均匀材料(有的纤维 属横观各向同性材料)，根据材料纤维的几何 形状和布置形式、纤维和基体的力学性能、 纤维和基体之间的相互作用(有时应考虑纤维 和基体之间界面的作用)等条件来分析复合材 料的宏观物理力学性能。
21
四 单层复合材料的宏观力学分析 1 平面应力下单层复合材料的应力一应变关系 可近似认为 3 0 ， ，这就定义 23 431 50 了平面 应力状态，对正交各向异性材料，平面应力状态下 应力应变关系为
(3.1)
其中，
S 11
1 E1
S 22
1 E2
S 66
1 G12
S12E121E212
主方向应变分量间关系为
反过来有
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26
（3）任意方向上的应力一应变关系 在正交各向异性材料巾，平面应力状态主方向有下 列应力应变关系式
(3.4)
现应用式(3.3)和式(3.4)可得出偏轴向应力-应变 关系：
现用 Q 表示 T1Q(T1) ，则在x-y坐标中应力应变关系 可表示为
复合材料力学ppt
yx
y
yz
zx zy z
变形分析
物质坐标和空间坐标 应变张量的定义 微小应变张量的几何解释 主应变和应变主轴 应变协调方程
几何方程
x
u , x
yz
y
v , y
zx
z
w z
,
xy
w y
v z
;
u z
w ; x
v x
u y
.
x
yx
zx
xy y zy
x z
– 美国国防部委托国家科学研究院发表的面向21世纪国 防需求的材料研究报告指出
• 复合材料包括三要素：
• 基体材料 • 增强相 • 复合方式界面结合形式
• 复合材料的分类
– 按增强剂形状不同;可分为颗粒 连续纤维 短纤维 弥散晶须 层状 骨架或网状 编织体增强复合材料 等
– 按照基体材料的不同;复合材料包括聚合物基复合 材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳/碳复合 材料等
y z
z
变形协调方程
2 x y 2
2 y x 2
2 xy xy
2 y z 2
2 z y 2
2 yz yz
2 z x 2
2 x z 2
2 xz zx
x
xz y
xy z
yz x
2 2x yz
y
xy z
yz x
zx y
2 2y zx
z
yz x
zx y
xy z
2 2z xy
物理方程— 本构关系 Hooke 定理
on S :
s
u u*
v v*
w w*
• 第三类基本问题
– 在弹性体的一部分表面上都给定了外力;在 其余的表面上给定了位移;要求确定弹性体 内部及表面任意一点的应力和位移
材料力学性能 第十一章 复合材料的力学性能 材料力学性能 讲义 课件 ppt
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。
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。
10/2/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
13
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。
10/2/2020
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22
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：
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23
（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。
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。
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3
复合材料的续纤维复合材料
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：
材料力学性能
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第十一章 复合材料的力学性能
10/2/2020
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。
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。
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13
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。
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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：
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23
（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。
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。
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复合材料的续纤维复合材料
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：
材料力学性能
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第十一章 复合材料的力学性能
10/2/2020
复合材料力学-ppt课件
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研究方法
如何将多夹杂问题转化为单夹杂问题进行求解是细观 力学的核心问题。对这个问题求解作不同的假设形成了许 多细观力学的近似方法。
成熟的细观力学方法
1、稀疏方法； 2、Mori-Tanaka法（背应力法）； 3、自洽法（自相似理论）； 4、广义自洽法； 5、Eshelby等效夹杂理论； 6、微分法； 7、Hashin变分原理求解上下限方法
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感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
. 第 5 页 总 18 页
一、稀疏解法
. 第 6 页 总 18 页
二、自洽法
. 第 7 页 总 18 页
三、广义自洽法
. 第 8 页 总 18 页
四、Mori-Tannka方法
. 第 9 页 总 18 页
五、 Eshelby等效夹杂理论
. 第 10 页 总 18 页
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复合材料力学细观力学研究方法
. 第 1 页 总 18 页
. 第 2 页 总 18 页
. 第 3 页 总 18 页
引言
建立复合材料的宏观性质与相材料微结构参数的关系是实现复合材 料设计乃至进一步优化的关键。细观力学的重要任务就是根据复合材料 的组成与内部细观结构预测复合材料的宏观性能。近年米，由于计算机 性能的快速提高。可以方便地进行高性能计算，满足细观力学精细网格 和大量运算的要求。应用细观尺度的有限元网格模拟宏观材料微结构组 成，为建立细观力学和宏观材料之间的联系提供了一条途径。
六、微分法
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七、 Hashin变分原理求解上下限方法
研究方法
如何将多夹杂问题转化为单夹杂问题进行求解是细观 力学的核心问题。对这个问题求解作不同的假设形成了许 多细观力学的近似方法。
成熟的细观力学方法
1、稀疏方法； 2、Mori-Tanaka法（背应力法）； 3、自洽法（自相似理论）； 4、广义自洽法； 5、Eshelby等效夹杂理论； 6、微分法； 7、Hashin变分原理求解上下限方法
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一、稀疏解法
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二、自洽法
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三、广义自洽法
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四、Mori-Tannka方法
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五、 Eshelby等效夹杂理论
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复合材料力学细观力学研究方法
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引言
建立复合材料的宏观性质与相材料微结构参数的关系是实现复合材 料设计乃至进一步优化的关键。细观力学的重要任务就是根据复合材料 的组成与内部细观结构预测复合材料的宏观性能。近年米，由于计算机 性能的快速提高。可以方便地进行高性能计算，满足细观力学精细网格 和大量运算的要求。应用细观尺度的有限元网格模拟宏观材料微结构组 成，为建立细观力学和宏观材料之间的联系提供了一条途径。
六、微分法
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七、 Hashin变分原理求解上下限方法
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-
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
一、复合材料的疲劳损伤
• 在交变载荷作用下，可以观察到各向同性金 属材料中明显的单一主裂纹有规律的扩展现 象，这一主裂纹控制着最终的疲劳破坏。对 于纤维复合材料，往往在高应力挖掘区出现 较大的疲劳破坏，如界面脱胶、基体开裂、 分层和纤维断裂等，表面出非常疲劳破坏行 为，很少出现由单一裂纹控制的破坏机理。
-
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在正交（0°/90°）层合复合材料中，横向 层（90）与纵向层（0°）的强度和模量相 差很大。通常，在交变载荷作用下，横向 层将首先出现裂纹，并往往同时伴随界面 脱前和基体开裂及分层。分层是因横向与 纵向两层的泊松比不同引起层间剪切应力 和层间正应力所致。裂纹出现后，裂纹附 近横向层内的纵向正应力为零，而离裂纹 稍远处应力较大。
-
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
但实际上不可能在长时间内无限制地试验 下去，一般当N达到107次而不发生疲劳失 效时应力的上限值就定义为疲劳极限，或 称作条件疲劳极限。
疲劳失效一般指构件已不能再按原来要求 的功能继续使用，并伴随产生热，机械强 度降低、损伤直至断裂等，如高分子材料 产生银纹使强度和透明降低就是一种失效 的表现。
-
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 单向复合材料的拉伸强度在纤维方向是最 大的，因此能承受较高的拉伸疲劳载荷。 然而，与多向层合板相比，单向复合材料 的疲劳特性并不是最佳的。横向强度低以 及不良的试验条件等容易引起复合材料沿 纤维方向发生纵向开裂。如果增加一些 90°方向的铺层，可以避免纵向开裂。
-
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在实际使用过程中，构件或制品常常在比 屈服强度低得多的应力下发生失效，这种 现象多与材料在加工过程中存在的某些缺 陷，如气泡、裂纹、杂质和局部应力集中 等有关。对纤维复合材料在交变载荷作用 下的损伤与破坏行为作出正确的评价，是 复合材料结构设计与应用中必须要考虑的 问题。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 如图所示，用高模量纤维如硼纤维、Kevlar 纤维或碳纤维等增强的复合材料，当在纤维 方向试验时，复合材料显示出极好的抗疲劳 性。图中R为最小应力与最大应力的比值。 虽然高模量单向复合材料横向拉伸疲劳行为 与玻璃纤维复合材料相差无几，但其纵向抗 疲劳性能要好得多。当复合材料在纤维方向 承受疲劳载荷时，高模量纤维可使基体产生 较小的应变。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 单向复合材料在纤维方向有很好的抗疲劳 性，这是由于在单向复合材料中载荷主要 靠纤维传递，而通常纤维具有良好的抗疲 劳性。在实际受力结构中，普遍使用的是 复合材料层合板。由于各个铺层方向不同， 沿载荷方向的一些铺层会比另外一些铺层 薄弱。在比层合板最终破坏早得多的时候， 在薄弱铺层中会出现损伤迹象，如基体产 生裂纹或龟裂、纤维与基体间的界面破坏、 纤维断裂以及铺层之间分层等。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 随着裂纹进一步发展，横向层在纵向 正应力较大的区域继续产生新的横向 裂纹，使裂纹密度逐渐趋于饱和。此 时，横向层失去了承载能力，仅依靠 界面将其与纵向层粘结在一起。但是， 横向层对纵向层泊松变形的抑制作用 又诱发了纵向层中的纵横向裂纹，出 现了纵横裂纹交叉现象。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 同时，由于纤维性能的离散性，若干随 机分布的纤维首先断裂。在疲劳破坏的 后期，复合材料内部出现较多的纤维断 裂群。最后，在损伤最为密集的区域发 生局部损伤加剧化，导致层合板破坏。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
二、影响复合材料疲劳性能的因素
• 用S-N曲线来描述复合材料的疲劳行为时， 一般是以试样完全破坏作为失效基准。复合 材料的S-N曲线受各种材料的、试验的因素 影响。例如，材料方面的因素有组分材料的 性能、铺层方向及顺序、增强纤维的体积含 量和界面结构等，试验方面的因素如载荷形 式、平均应力和切口、频率、环境条件等。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 如图为单向复合材料正轴拉伸时几种疲劳损 伤的示意图。拉伸疲劳时，首先在基体内出 现分散的横向裂纹（a）；在纤维断裂处裂 纹发生局部扩展，并诱发界面破坏（b）； 纤维断裂引起界面脱胶（c）以及促使基体 裂纹扩展（d）；大规模基体裂纹扩展还会 出现纤维桥接（e）以及多种疲劳损伤组合 的形式（f）地。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 如图为不同结构形式层合板的S-N曲线。可 见，加入适量90°铺层或采用±5°对称铺 层结构的层合板较单向层合板的拉伸疲劳 特性能有所改进。等量的0°和90°铺层构 成的正交铺层层合板的疲劳强度明显高于 玻璃布铺层层合板。由于无纺材料中纤维 处于平行和舒直状态，不象编织物中纤维 那样弯曲，所以一般而言，无纺材料在抗 疲劳性方三节 纤维复合材料的疲劳行为
在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏 行为称为疲劳，它记述了材料经受周期应 力或应变时的失效过程。如图所示，通常 可用S-N曲线描述材料疲劳失效的特征。其 中S是对材料施加的恒定应力，N是施加应 力的周期次数，当应力很高时，达失效的 周期次数N很小；当应力较低而失效的周 期次数N无限大时，应力的上限值称为疲 劳极限。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 如图所示，各向异性纤维复合材料的抗疲 劳损伤性能比传统金属材料好得多。在疲 劳过程中，尽管复合材料初始损伤或缺陷 的尺寸比金属大，但多种损伤形式和增强 纤维的牵制作用使复合材料呈现出良好的 断裂韧性和低的缺口敏感性，因此损伤寿 命长于金属材料，具有较大的临界损伤尺 寸。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在复合材料疲劳过程中，一般不出现主裂 纹扩展现象，其损伤机理非常复杂，难以 用简单的数学模型加以描述，因此对疲劳 行为的检测是十分重要的。然而，由于复 合材料的非均质各向异性以及层合结构等 增大了疲劳试验的难度。目前，复合材料 疲劳损伤的测试主要有显微镜直接观察、 声性射、X-射线衍射及红外热像技术等无 损检验方法。以下简要介绍纤维复合材料 疲劳损伤的特点以及影响疲劳性能的因素。
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
一、复合材料的疲劳损伤
• 在交变载荷作用下，可以观察到各向同性金 属材料中明显的单一主裂纹有规律的扩展现 象，这一主裂纹控制着最终的疲劳破坏。对 于纤维复合材料，往往在高应力挖掘区出现 较大的疲劳破坏，如界面脱胶、基体开裂、 分层和纤维断裂等，表面出非常疲劳破坏行 为，很少出现由单一裂纹控制的破坏机理。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在正交（0°/90°）层合复合材料中，横向 层（90）与纵向层（0°）的强度和模量相 差很大。通常，在交变载荷作用下，横向 层将首先出现裂纹，并往往同时伴随界面 脱前和基体开裂及分层。分层是因横向与 纵向两层的泊松比不同引起层间剪切应力 和层间正应力所致。裂纹出现后，裂纹附 近横向层内的纵向正应力为零，而离裂纹 稍远处应力较大。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
但实际上不可能在长时间内无限制地试验 下去，一般当N达到107次而不发生疲劳失 效时应力的上限值就定义为疲劳极限，或 称作条件疲劳极限。
疲劳失效一般指构件已不能再按原来要求 的功能继续使用，并伴随产生热，机械强 度降低、损伤直至断裂等，如高分子材料 产生银纹使强度和透明降低就是一种失效 的表现。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 单向复合材料的拉伸强度在纤维方向是最 大的，因此能承受较高的拉伸疲劳载荷。 然而，与多向层合板相比，单向复合材料 的疲劳特性并不是最佳的。横向强度低以 及不良的试验条件等容易引起复合材料沿 纤维方向发生纵向开裂。如果增加一些 90°方向的铺层，可以避免纵向开裂。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在实际使用过程中，构件或制品常常在比 屈服强度低得多的应力下发生失效，这种 现象多与材料在加工过程中存在的某些缺 陷，如气泡、裂纹、杂质和局部应力集中 等有关。对纤维复合材料在交变载荷作用 下的损伤与破坏行为作出正确的评价，是 复合材料结构设计与应用中必须要考虑的 问题。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 如图所示，用高模量纤维如硼纤维、Kevlar 纤维或碳纤维等增强的复合材料，当在纤维 方向试验时，复合材料显示出极好的抗疲劳 性。图中R为最小应力与最大应力的比值。 虽然高模量单向复合材料横向拉伸疲劳行为 与玻璃纤维复合材料相差无几，但其纵向抗 疲劳性能要好得多。当复合材料在纤维方向 承受疲劳载荷时，高模量纤维可使基体产生 较小的应变。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 单向复合材料在纤维方向有很好的抗疲劳 性，这是由于在单向复合材料中载荷主要 靠纤维传递，而通常纤维具有良好的抗疲 劳性。在实际受力结构中，普遍使用的是 复合材料层合板。由于各个铺层方向不同， 沿载荷方向的一些铺层会比另外一些铺层 薄弱。在比层合板最终破坏早得多的时候， 在薄弱铺层中会出现损伤迹象，如基体产 生裂纹或龟裂、纤维与基体间的界面破坏、 纤维断裂以及铺层之间分层等。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 随着裂纹进一步发展，横向层在纵向 正应力较大的区域继续产生新的横向 裂纹，使裂纹密度逐渐趋于饱和。此 时，横向层失去了承载能力，仅依靠 界面将其与纵向层粘结在一起。但是， 横向层对纵向层泊松变形的抑制作用 又诱发了纵向层中的纵横向裂纹，出 现了纵横裂纹交叉现象。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 同时，由于纤维性能的离散性，若干随 机分布的纤维首先断裂。在疲劳破坏的 后期，复合材料内部出现较多的纤维断 裂群。最后，在损伤最为密集的区域发 生局部损伤加剧化，导致层合板破坏。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
二、影响复合材料疲劳性能的因素
• 用S-N曲线来描述复合材料的疲劳行为时， 一般是以试样完全破坏作为失效基准。复合 材料的S-N曲线受各种材料的、试验的因素 影响。例如，材料方面的因素有组分材料的 性能、铺层方向及顺序、增强纤维的体积含 量和界面结构等，试验方面的因素如载荷形 式、平均应力和切口、频率、环境条件等。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 如图为单向复合材料正轴拉伸时几种疲劳损 伤的示意图。拉伸疲劳时，首先在基体内出 现分散的横向裂纹（a）；在纤维断裂处裂 纹发生局部扩展，并诱发界面破坏（b）； 纤维断裂引起界面脱胶（c）以及促使基体 裂纹扩展（d）；大规模基体裂纹扩展还会 出现纤维桥接（e）以及多种疲劳损伤组合 的形式（f）地。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 如图为不同结构形式层合板的S-N曲线。可 见，加入适量90°铺层或采用±5°对称铺 层结构的层合板较单向层合板的拉伸疲劳 特性能有所改进。等量的0°和90°铺层构 成的正交铺层层合板的疲劳强度明显高于 玻璃布铺层层合板。由于无纺材料中纤维 处于平行和舒直状态，不象编织物中纤维 那样弯曲，所以一般而言，无纺材料在抗 疲劳性方三节 纤维复合材料的疲劳行为
在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏 行为称为疲劳，它记述了材料经受周期应 力或应变时的失效过程。如图所示，通常 可用S-N曲线描述材料疲劳失效的特征。其 中S是对材料施加的恒定应力，N是施加应 力的周期次数，当应力很高时，达失效的 周期次数N很小；当应力较低而失效的周 期次数N无限大时，应力的上限值称为疲 劳极限。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 如图所示，各向异性纤维复合材料的抗疲 劳损伤性能比传统金属材料好得多。在疲 劳过程中，尽管复合材料初始损伤或缺陷 的尺寸比金属大，但多种损伤形式和增强 纤维的牵制作用使复合材料呈现出良好的 断裂韧性和低的缺口敏感性，因此损伤寿 命长于金属材料，具有较大的临界损伤尺 寸。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在复合材料疲劳过程中，一般不出现主裂 纹扩展现象，其损伤机理非常复杂，难以 用简单的数学模型加以描述，因此对疲劳 行为的检测是十分重要的。然而，由于复 合材料的非均质各向异性以及层合结构等 增大了疲劳试验的难度。目前，复合材料 疲劳损伤的测试主要有显微镜直接观察、 声性射、X-射线衍射及红外热像技术等无 损检验方法。以下简要介绍纤维复合材料 疲劳损伤的特点以及影响疲劳性能的因素。