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。
复合材料的力学性能
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3
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。
4
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)
9
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
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。
复合材料力学性能
破坏模式：当一个固体承受静载荷或冲击载荷 时,材料变形首先发生；如提供的能量足够大,裂纹 可能产生并扩展；在裂纹扩展过程中,裂纹前沿又总 存在着材料变形.
吸收能量的机理有两种： ①形成新的表面；②材料变形.
3
可见,材料的总能量吸收能力或韧性能 够靠增加分离过程中的裂纹路径,或者增大 材料的变形能力得到提高.
复合材料在应用中难免承受冲击载荷.因 此很有必要了解复合材料的冲击性能和能量 吸收机理.
冲击载荷指以较高的速度施加到材料上的 载荷,当材料在承受冲击载荷时,瞬间冲击所引 起的应力和变形比静载荷时要大的多,因此,在 制造这类材料时,就必须考虑到材料的抵抗冲 击载荷能力,即材料的冲击性能.
2
2能量吸收机理和破坏模式
复合材料在应用过程 中,由于承受变动载荷 或反复承受应力,即使 应力低于屈服强度,也 会导致裂纹萌生和扩 展,以至构件材料断裂 而失效,或使其力学性 质变坏.
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1复合材料的疲劳性能特点
①单向连续纤维增强的复合材 料在纤维方向有卓越的抗疲劳 性.这是由于在单向复合材料 里,疲劳载荷主要是由和载荷 方向一致的纤维所承担的缘故.
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④ 温度生高会削弱基体材料性能,从而使复合材料的疲劳 寿命下降.
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2影响复合材料疲劳特性的因素
复合材料的疲劳特性要受到各种材料和试验参数的 影响,如基体材料类型、增强材料类型,纤维方向和铺层等 等.这里不再讨论.
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9.1.3 复合材料在长期静载荷作用下的力学性能
长期静载荷作用下的力学性能包括： 强度问题——持久强度； 变形问题——蠕变.
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3影响复合材料冲击性能的因素
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
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。
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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
• 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
• 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
• 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。
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
• 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
• 湿度和温度不仅影响材料的固有强度，也影响材料的应力状 态。升高温度或湿度，常常会降低受基体影响较大的铺层横 向强度和剪切强度，因而也使得剩余强度下降。吸湿还会降 低聚合物基体的玻璃化转变温度，影响玻璃纤维的耐腐蚀性 。试验表明，低温对复合材料疲劳寿命的影响几乎可以忽略 ，而室温下湿度对碳纤维复合材料疲劳寿命的影响亦很小。
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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面优于编 织材料。
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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
• 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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第六章 纤维复合材料的力学行为
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第三节 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
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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பைடு நூலகம்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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第四节 单向复合材料的破坏模式
• 沿纤维方向的拉伸和压缩试验、垂直于 纤维方向的拉伸和压缩试验以及面内剪 切试验是单向复合材料的5个基本力学 试验。一般而言，在纤维方向拉压及垂 直于纤维方向拉伸试验中，应力-应变关 系多呈线性，而在垂直于纤维方向压缩 及纵横方向剪切试验中应力-应变关系则 表现出非线性特征。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在有切口的试样中，切口周围容易产生复合应力和出现应力 集中。疲劳加载时，试样内部的损伤使得缺口周围的应力重 新分配，所以很难用无切口闭幕式样的疲劳强度估算切口试 样的疲劳强度。但是，大多数复合材料层合板的疲劳数据表 明，切口（圆孔或裂纹）对疲劳强度的影响并不显著。复合 材料切口试样良好的抗疲劳性主要是由于损伤缓和了切口尖 端附近的应力集中。
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第四节 单向复合材料的破坏模式
• 单向复合材料的破坏模式除与纤维和基体的种类有关外，还受 材料内部向种缺陷及损伤的影响。例如，气泡、空隙、贫或富 胶、夹杂物、不正确的纤维取向等制造缺陷。划伤、擦伤、边 缘损伤、冲击引起的分层、脱胶等使用损伤以及冰冻/环境损 伤，对复合材料的破坏模式也有一定作用。因此，用复合理论 预测的复合材料性能往往与试验值不符。以下简要介绍在不同 载荷条件下单向复合材料的断裂模式（fracture model）。
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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
• 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。