复合材料的力学性能
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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
行为称为疲劳，它记述了材料经受周期应
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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
• 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
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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
• 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
• 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
• 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
• 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
• 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
• 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。
• 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
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
• 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
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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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
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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
• 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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二、影响复合材料疲劳性能的因素
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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
• 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
• 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
• 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
• 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
• 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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• 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。
• 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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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
• 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
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。