复合材料力学性能表征(教学资料)

复合材料力学性能表征(characterization of mechanical properties of composites)
力学性能包括拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击、硬度、疲劳等，这些数据的取得必须严格遵照标准。

试验的标准环境条件为：温度23℃±2℃，相对湿度45％～55％，试样数量每项试验不少于5个。

此检测方法适用于树脂基复合材料，金属基复合材料力学性能可参考此方法进行。

拉伸拉伸试验是对尺寸符合标准的试样，在规定的试验速度下沿纵轴方向施加拉伸载荷，直至其破坏。

通过拉伸试验可获得如下材料的性能指标：
式中P为最大载荷，N；b，h分别为试样的宽度和厚度，mm。

式中△L为试样破坏时标距L0内的伸长量，mm；L0为拉伸试样的测量标距，mm。

拉伸弹性模量Et
式中△P为载荷一形变曲线上初始直线段的载荷增量，N；△L为与△P相对应的标距L0内的变形增量，mm。

由于复合材料的各向异性，特别是用单向预浸带做的复合材料通常同时测以下项目：
σL：∥纤维方向的拉伸强度；
σT：⊥纤维方向的拉伸强度；
EL：∥纤维方向的拉伸模量；
ET：⊥纤维方向的拉伸模量。

应力-应变曲线记录拉伸过程中应力-应变变化规律的曲线，用于求取材料的力学参数和分析材料拉伸破坏的机制。

压缩对标准试样的两端施加均匀的、连续的轴向静压加载荷，直至试样破坏，以获得有关压缩性能的参数，若压缩试验中试样破坏或达最大载荷时的压缩应力为P(N)，试样横截面积为F(mm2)，则压缩强度σc为：
由压缩试验中应力-应变曲线上初始直线段的斜率，即应力与应变之比，可求出压缩弹性模量(MPa)。

由于复合材料的各向异性，特别是用单向预浸带做的复合材料通常同时测
σL：∥纤维方向的压缩强度；
σT：⊥纤维方向的压缩强度；
EL：∥纤维方向的压缩模量；
ET：上纤维方向的压缩模量。

弯曲复合材料在弯曲试验中受力状态比较复杂，拉、压、剪、挤压等力同时对试样作用，因而对成型工艺配方，试验条件等因素的敏感性较大。

用弯曲试验作为筛选试验是简单易行的方法。

复合材料的弯曲试验一般采用三点加载简支梁法，即将标准试样放在两支点上，在中间施加载荷，使试样变形直至破坏。

材料的弯曲强度σ f为：
式中P为破坏载荷，N(或挠度为1.5倍试样厚度时的载荷)；l为跨度，mm；b，h分别为试样的宽度和厚度，mm。

弯曲弹性模量Ef是指比例极限内应力与应变的比值，可按下式计算：
式中△P为载荷，N(或挠度曲线上使直线段产生弯曲的载荷增量)；△f为与△P对应的试样跨距中点处的挠度增量。

剪切复合材料的特点之一是层间剪切强度低，并且层问剪切形式复杂，因此剪切试验对于复合材料的质量控制特别重要。

层问剪切强度测试方法有直接剪切法和短梁弯曲法等。

(1)直接剪切法。

试样的形式和尺寸如图，对试样的A、C面以一定的加载速度施加剪切，直至试样破坏。

试样破坏时单位面积上所承受的载荷值为层间剪切强度τs。

式中Pb为破坏载荷，N；b，h分别为受剪面的宽度和高度，mm。

(2)短梁弯曲法。

本方法用来测定单向纤维增强树脂复合材料平板的层间剪切强度，采用短梁三点弯曲法。

试样厚度h=2～5mm，宽度b=6.0mm±0.5mm，跨度l=5h，试样长度
L=1+10mm。

层间剪切强度τs。

按下式计算：
式中P为试样破坏时的最大载荷，N。

(3)纵横剪切试验。

由层板理论可以导出，用[±45°]s对称层板进行轴向拉伸所获得的应力一应变曲线能够表达0°铺层层板的剪切应力一应变曲线。

这种测定0°层板剪切性能的方法，称为纵横剪切试验。

该法与公认的薄壁圆筒扭转剪切相比，方法简单易行、省时省料，两者测定结果一致性较好，所测得的剪切强度和剪切模量，可以作为层板设计参量。

式中为纵横剪切强度，MPa；Pb为试样破坏时的最大破坏载荷，N；b为试样宽度，mm；h为试样厚度，mm。

式中GLT为纵横剪切弹性模量，GPa；△P为载荷一应变曲线直线段上选取的载荷增量，N；△εx为与△P相对应的试样轴向应变增量；△εy为与△P相对应的试样轴线垂直方向的应变增量。

冲击冲击试验是用来衡量复合材料在经受高速冲击状态下的韧性或抗断裂能力的试验方法，一般用简支梁摆锤冲击试验测定。

标准试样的中部开有V形缺口，以使试样受冲击时产生应力集中而呈现脆性断裂。

若试样冲断所耗的功为A(J)，则冲击韧性aK：
式中b为试样缺口处宽度，m；h为试样缺口下厚度，m。

除简支梁冲击试验外，冲击试验还有悬臂梁冲击试验，落球式冲击试验，高速拉伸冲击试验等。

硬度材料的硬度表示抵抗其他硬物压入的能力，通过硬度的测量可间接了解其他力学性能，如磨耗、拉伸强度等，还可作为估计复合材料中基质固化程度的依据，硬度测试操作方便、迅速、不损坏试样、可现场进行，所以硬度作为质量检验和工艺指标而获得广泛应用。

硬度测试有布氏硬度、洛氏硬度、巴氏硬度、邵氏硬度等。

在复合材料中应用最广的为巴氏硬度。

巴氏硬度是一种压痕硬度，它以特定压头在标准弹簧作用下压入试样，以压痕深浅来表征试样的硬度。

巴氏硬度计有3种型号，其中GYZJ934—1和HBa—1适用于复合材料。

硬度计的指示仪表盘有100分度，每一分度相当于压入0.0076mm深度，压痕深度为0.76mm时表头读数为零；压痕深度为零时，表头读数为100。

表头读数越高表示材料越硬。