第9章复合材料其他力学性能

但是复合材料至今
没有确认具有这一性质，
所以循环数N＝ 107所对
应的最大应力S 条件疲劳极限。
最
大
作
为
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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。
金属材料则不同，一旦出现裂纹，很快就断裂了； 复合材料疲劳过程早期就出现损伤，但扩展慢，直到 疲劳寿命的90％才迅速断裂，最终破坏可事先判明， 所以复合材料的破损安全性极好。
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③ 金属材料存在疲劳极限， 即经受107循环仍不破坏 就可承受无限次循环也 不会破坏，把S-N曲线上 N＝ 107时所对应的最大 应力S最大叫做疲劳极限。
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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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。 1）复合材料的持久强度
持久强度－材料长时期在静载荷作用下，保持一定时间 不破坏，所能承受的最大静载荷。 耐持久性－材料长时期在一定的静载荷作用下，保持不 破坏所能经受的最大时间。
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50%
①复合材料的持久强度要比短期载荷作用下的强度低得多。
②复合材料的持久强度主要取决于基体材料，所以影响复合材料持久 强度的因素，主要是指对基体材料的影响因素。
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2
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。
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复合材料的破坏可以认为是从材料中固有的小缺 陷发源的。例如，有缺陷的纤维，基体与纤维界面处 的缺陷和界面不良反应物等。在形成的裂纹尖端及其 附近，有可能以发生纤维断裂、基体变形和开裂、纤 维与基体分离（纤维脱粘）、纤维拔出等模式破坏。 现分述如下。
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表9-2 几种玻璃钢在静弯曲载荷作用下的持久强度参数
玻璃刚品种
聚酯玻璃钢 环氧玻璃钢 酚醛玻璃钢 有机硅玻璃钢
静弯曲强度/MPa
持久强度/原强度
短时试验
350~430
经1000h载荷作 用
230~280
65%
450~520 280~330 62%~64%
540~580
330
57%~62%
220
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纤维复合材料中裂纹尖模型
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分别讨论各种破坏机理。
1） 纤维破坏 纤维断裂发生在其应变达到断裂应变时。
由于脆性纤维具有低的断裂应变，只产生少量变形， 因而吸收能量低。
碳纤维复合材料的冲击性能低，玻璃钢和凯芙拉的冲击 性能好。
虽然纤维是使复合材料具有高强度的主要原因，但纤 维断裂仅占总能量吸收的很小比例。但应当记住，纤维 的存在非常显著地影响破坏模式，从而也影响了总冲击 能。
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3）影响复合材料冲击性能的因素
讨论了复合材料的能量吸收机理之后，就不难理解 材料性质对冲击性能的影响了，因为纤维性质不同、 基体韧性不同，界面强度不同会导致不同的破坏模式， 从而大大地影响复合材料的冲击性能。
提高复合材料冲击韧性的途径有：基体增韧、合适的 界面强度、采用混杂纤维复合材料。
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9.1.2 复合材料的疲劳性能
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2）基体变形和开裂
基体破坏吸收的总能量包括基体变形能和开裂产 生的新表面能。
基体变形所吸收的能量:正比于单位体积的基体变 形到破坏所做的功。
基体开裂所吸收的能量：正比于裂纹产生的新表 面面积
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3）纤维脱胶
在断裂过程中由于裂纹平行于纤维扩展（脱 胶裂纹），则纤维与基体材料分离。在这个过程中， 纤维与基体间的化学键与次价键的黏附均被破坏，同 时形成新表面。当纤维强而界面弱时，就发生这种开 裂。
第9章复合材料其他力学性能
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2）能量吸收机理和破坏模式
在这里讨论的各种能量吸收机理和破坏模式 不只是适用冲击破坏，而是具有普遍意义。
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.
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பைடு நூலகம்
纤维脱胶和纤维拔出两种模式间的差别：当基体裂 纹不能横断纤维而扩展时，发生纤维脱胶；纤维拔出是起 始于纤维破坏的裂纹没有能力扩展到韧性基体中去的结果。 纤维拔出通常伴随有基体的伸长变形，而这种变形在纤维 脱胶中是不存在的，
共同点：破坏都发生在纤维基体界面，都显著地提高 断裂能。
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5）分层裂纹
降低界面强度可使大范围脱胶或分层，从而增加冲 击能。
所以弱界面的拉伸强度比较低，但冲击强度比较高。
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4）纤维拔出
当脆性的或不连续的纤维嵌于韧性基体 中时，会发生纤维拔出。
纤维断裂在其本身的薄弱横截面上，这个 截面不一定与复合材料断裂面重合。纤维断裂 在基体中引起的应力集中因基体屈服而得到缓 和，因此阻止了基体裂纹。在这种情况下，断 裂以纤维从基体中拔出的破坏方式进行。
裂纹在扩展中穿过层合板的一个铺层，当裂 纹尖端达到相邻铺层的纤维时，可能受到抑制。 因为邻近裂纹尖的基体中的剪应力很高，裂纹可 能分支出来，开始在平行于铺层的界面上扩展。 这样的裂纹叫做分层裂纹。存在这样的裂纹，吸 收的断裂能就高。
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上述断裂模式，因复合材料或试验条件的不 同，而在复合材料的断裂时出现其中一种或几种， 它们所占比例及对断裂的影响也各不相同，有的 模式的影响可能是很小的。通常总是有几种断裂 模式同时存在。
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②在实际应用中，复合材料往往以多向层板形式使用， 以适应结构里的多向应力需要。
由于层板里的各层的强度不同，在疲劳过程的早 期就开始出现横向裂纹损伤。随着循环数的增加，裂 纹的长度和数量也相应增加，还会出现分层、界面脱 胶、纤维断裂或屈曲等损伤形式。这样损伤的出现， 占疲劳寿命的较大部分，并不影响材料或结构的安全 使用。