压缩试验

－在测量径向弹性模量 E时r 也采用外压法。这时利用外压P对
紧贴在刚性芯模上的短圆筒加压。
Er

ph
R
1

zr
rz

管状试样试验
：在圆筒外表面测
得的圆周应变
－用于评定具有各种纤维叠层形式的丝束缠绕材料的力学性能。
加载方式有内压和外压两种。 可进行的试验有：轴向拉伸、轴向压缩和剪切等。 所加载荷：可单一种或耦合方式。如：轴向拉伸和压缩加扭转；
管状试件轴向压缩试验的特点：
－因变形集中在端部表面附近，出现总体失稳或局部失稳， 端面开裂和挤压。因而，必须增加试样的相对厚度，但同 时确为保证应力状态均匀性增加了困难。
内压和外压加载试验
－管子的内压和外压加
载试验，用于长丝缠绕
制件的质量控制和材料
的力学性能研究（主要
是周向弹性模量 E 和
轴向强度
[ 25/ 90]层板压缩破坏表面呈现层裂 [ 45/ 0 / 45/ 90 ]T300增强复合材料端口形貌
[ 30]/29层0 板压缩破坏表面纤维断裂
侧向形貌，900层横向裂缝，层间组阻挡裂纹扩 展
[ 25]/层90板受压分层纤维断裂及其留在
基体中的烙印
[ 30 /]9T层0 板破坏表面
若 a13 a，23 在整个横截面上不均匀地分布着应力 x 以及在
纵截面上相应有应力 r
和

；当测定强度

i(e z
)u时，必须
考虑 x 和 是稳定的。
－各向 异性管受拉－压时，只有管状试件横截面同材料的 横向异性平面重合（如单向复合材料管状试件，其纤维方 向和管子轴线严格同向时）没有径向应力和周向应力。
ASTM推荐的标准(mm)
硼纤维复合材料
l
b
139.7 6.35
碳纤维复合材料
139.7 6.35
玻璃纤维复合材料 139.7 6.35
试样的标距长度：25.4
h
1.5 : 2.0 1.5 : 3.0 3.2 : 4.0
变截面试样
－变截面试样的 形状和尺寸取决 于试验的目的。
•消除应力集中
－如高模量纤维 聚合物复合材料， 通常采用标距段 很明显的试样， 以保证试样的破 坏发生在标距段。
－测定强度时，应选择板状或变截面试样；
－测定模量时，应选择圆截面或夹层梁试样；
杆和板状试样的制备 与尺寸
•在弹性对称主轴方向 上切取；
•宽度和厚度上对称于 试样纵轴；
•保证破坏发生在标距 段；
•夹头的选择要谨慎；
在选择试样尺寸时，要考虑正应力 中，标距长度要不失稳。
y
和剪切应力
xy 的应力集
可测得的常数：
iu x
;
eu x
E
i x
;
E
eu x
z
－管状试验主要用来评价各种增强纤维叠层形式的复合材料的 力学性能，为了方便，常将管状式样看成没有边界效应的无限 宽的平板试样。
•该种等效办法只能有条件使用。
原因：
①因为二者的制造方法不同；
②管状件制造时，很难保证纤维含量和铺层角度恒定；
•对棱柱试件纵向加载时发现， 支撑面的纵向和横向应变大 大的超过了试件标距段的应 变。这样其相应的应力可能 超过了试件本身的横向强度 而导致提早破坏。
－由于强度的各向异性的敏感性，高强度的单性复合材料 对应力集中特别敏感。如：对短试件而言，应变场不均匀， 可造成拉伸、压缩弹性模量差别明显，这不是试件本身的 原因，而是加工误差和尺寸选择不正确所致。
1/ 1 0.4k2 k－试样几何形状和各向异性的参数
第二个区域中，环发生压缩破坏。 第三个区域（厚壁环）中，要考虑边界条件，不仅要考虑 也要考虑 r 三个区域的边界取决于材料的各项异性。
当外力加载时，由于内层的剥离，要正确计算压缩强度通常 非常困难。
－当内层片保持为环状时的能量与同一层片剥离和失稳后的 能量之差，高于内层片的结合能量时，内层片发生剥离并随 后失稳。当层片厚度为 h0 时，临界应力等于：
－对开盘式加载试验主要用于定性评价 不同材料的弹性和强度性能。
P
R
h
P
测定性能： E ,
测量数据： P, i ,ij
几何尺寸： R / h,b, h
可测定 曲线的 线性段
除对开盘式加载方式外，还有柔性圆环和液压式加载方式。 加载的方法同拉伸时相同。
P
P
P
R
R
P
P
柔性圆环式加载

pD 2h
E

pD
2h
－承受内压的厚壁管的周向应力和径向应力可由（La－me） 公式确定：


pR2 R02 Ri2
1
R02 r2

r

pRi2 R02 Ri2
1
R02 r2

式中 Ri , R0, r 试样的内径、外径和先用半径
当 r Ri 周向应力和径向应力最大
纤维初始波纹度；分布不均等。
2）中模量（ Em＝200 : 700MPa）
横向破裂－材料组分泊松比的差别； 试样全场范围内不均匀；也有可能是 局部破坏造成。此时的临界载荷要以 发生局部破坏的材料的性能来确定。
3）高模量（Em 2000MPa）
压缩破坏（纤维受450角剪切）－而增 强纤维无任何局部屈曲。
1
r
0.916E

h Ri
2

k

h0 Ri
1


2


式 k 4.77 /(E Ri )
中 －格里菲斯提出的比破坏能
Ri 环的那半径
环状试样内表面分层
由剥离造成的分层可分为两种：①对于螺旋缠绕的试样，可 能会使缠绕开始松散；②对于圆周叠层的试样，可能会出现 逐层剥离现象。
③在各向异性体中，应力张量和应变张量的轴只是在个别情况 下吻合，而受单向拉伸和压缩时，管状试件上的应力状态不能 简单的等同于板状试件。
下列表中的差别，不仅是由于试件的制造方法不同，而且也 是由于厚度不同以及7层和13层碳纤维复合材料的叠层顺序 不同所致。
材料和加载方式
7层碳纤维复合材料 拉伸 压缩 13层碳纤维复合材料 拉伸 压缩
复合材料的压缩试验
板样试件的压缩
－沿着纤维增强方向的压缩试验是普遍采取
的试验方式，其重要性等同于拉伸试验。
P
与板样试件拉伸的关系
一般情况下，等同于纤维聚合物复合材料在 弹性对称主轴方向进行拉伸试验的所有基本 关系，但要考虑变形方向。
纤维聚合物复合材料的拉伸与压缩试验性
质的差别比各向同性材料大。
P
压缩试验的特性－注意点
h
h 液压式加载
对于环状试样在外压下进行压缩试验时，如何正确选择 h / R 是主要问题。在实际压缩试验时，应考虑破坏压力和相对厚度 间的关系有三个定义明显的区域。 第一个区域(薄壁环)中，由于失稳而丧失承载能力。此时， 失稳的临界压力可由下式计算：
p r p*r
式中：p*r 3E I / R3－－环轴线的单位长度上的临界压力
Celanese
夹具
具对 加试 工件 精厚 度度 要有 求限 高制
及 夹
联合加载
防止屈曲和失稳的方法
环状试样的压缩
－对于弹性模量 E 的测定与环状试件
拉伸相同。环的截面内除有压缩应力外， 还有弯曲应力。
弯曲应力大小取决于：
①材料的力学性能；②试样相对尺寸； ③夹具结构
•如用对开盘作环状试件拉伸相同，在距 间隙处环的应力最大。主要原因是施加 压缩载荷时，有偏心效应存在。
应变速率的影响
静强度受应变速率的影响较大；而压 缩弹性模量和断裂伸长对应变速率不 敏感；
试样的形状和尺寸
－与拉伸试验相比，更依赖于 试件的形状和尺寸。 •在实际试验中，应避免使用 尺寸过小的试件。 原因： ①变形难以测准； ②标距段小，应变均匀度不够； ③支撑面的挤压和变形约束效 应难以消除 ④加工困难并导致尺寸效应
1、与材料弹性对称主轴成不同角度的各向异性性能、层间应力 和受压时结构对称效应。
2、加载方式和材料结构所决定的特性。
变形特点
一般情况下, 曲线是非线性
的. 然而,如玻璃、硼、碳纤维等刚 性纤维增强的复合材料，沿纤维方 向加载时，应力－应变图从加载开 始到破坏前实际上都是线性的。有 时，也能观察到同拉伸试验相同的 断裂特性。
－在实际试验过程中，至少有一个支撑面相对与试验纵轴 保持静止，因此，具有非对称性增强纤维叠层的试件不易 进行压缩试验。
破坏模式-取决于材料：
①增强纤维方式；
②材料组分的力学性能
③试验的相对尺寸
视基体的模量不同主要破坏模式有3
1)低模量（ Em 15 : 25MPa）
局部屈曲－制作中的变化因素。如：
[ 45/ 0]/碳布45压缩破坏断口
•载荷垂直于增强纤维方向，复合材料常由于在同基体 剪切强度相当的应力下失稳而破坏，此时试样破碎成 棱柱块。
－实际试验过程中，可能是以上多 种破坏模式的耦合，常是线性与非 线性行为，层间应力、表面层开裂、 总体失稳、端面破坏或垂直层片开 裂等，因此必须仔细观察－分析－ 记录试件的破坏模式，未指明破坏 模式的复合材料试验结果无可比性。
解释：
1）若破坏前出现断裂，则是由于 部分增强纤维的失稳。
2）若在较小载荷下，从 曲
线上出现断裂，则可能是试件本身 及安装不正确或变形受到了约束。
•当垂直于纤维铺层方向加 载时，呈现出非线性，其 程度取决于聚合物基体的 性能。
•纤维与基体粘接不牢时， 这时材料远没达到最大载 荷，随着粘接界面的破坏 而开始破坏。