复合材料拉伸试验研究

复合材料拉伸试验研究

关键字：复合材料破坏模式应力—应变曲线铺层方向

摘要

复合材料力学性能对材料的研究以及对材料的选用非常关键，本试验旨在测定复合材料的拉伸强度以及材料弹性常数。针对不同的试件进行实验，得出破坏模式以及应力—应变曲线的影响的因素，进行定性分析。经过实验以及理论知识的推导可知铺层的方向、加载速度以及固定试件时的拧矩对拉伸强度及材料弹性常数都有影响。

目录

1、引言

2、仿真和实验

2.1、实验材料

2.2、实验仪器

2.3、实验步骤

3、实验结果和讨论

3.1、破坏模式

3.2、应力—应变曲线

4、结论

1、引言

由两种或两钟以上不同性质、不同形态的原材料通过复合工艺组合形成的多相固体材料称为复合材料。通常将复合材料中比较连续的一相称为基体；其他被基体所包容的相，称为增强相（或增强材料）。增强相与基体之间的交接面称为界面。

复合材料的性能不同于其组分材料，它往往保持了原材料的某些特点，而通过形成复合材料又可获得强度、刚度、韧性、硬度、耐磨、重量、寿命、耐高温或抗腐蚀等经过改善的性能。通过控制和调节原材料的种类、形态、含量、配置以及复合工艺等因素，可以获得不同性能的复合材料，因此，复合材料是一类可以根据使用条件的要求对性能进行设计的新颖材料。

本文设计了复合材料的单向拉伸实验，用来研究其单向拉伸性能。

2、仿真和实验

2.1、实验材料

本试样按纤维增强塑料性能试验方法相关国家标准GB1446-83，

GB/T3354-1999制备。实验试样不少于三个，图1、表1示出了拉伸性能试样及试样尺寸。

图1 拉伸性能试样

试样1 2 3宽（mm）

44.12

44.12

49.20

厚（mm）

4.48

4.68

5.12

截面面积(2)

206.48

206.48

251.90

铝板到孔距离（mm）

92.10

92.10

85.70

表1 试样尺寸

纤维增强塑料复合材料共20铺层：其中C1-1、C1-2试件0°铺层占50% ，90°铺层占10% ，±45°铺层占40% 。C3-1试件0°铺层占60% ，90°铺层占10% ，±45°铺层占30% 。

2.2、实验仪器

实验仪器为WDW3100电子万能材料实验机，如图2，实验中选取加载速度

5mm/min；电子游标卡尺，如图3，精确到0.02mm；电阻应变仪。

图2 WDW3100电子万能材料实验机

图3 电子游标卡尺

2.3、实验步骤

（a ）检查式样外观，如有孔边缘劈丝和分层，应予作废。

（b ）将试样编号，测量试样孔径、宽度和厚度。测量精度为0.02mm 。 （c ）夹持试样，使试样的纵轴与试验机的加载轴保持平行并队中。

（d ）以3mm / min 的加载速度连续加载至试样破坏，记录破坏荷载和试样破坏的最大位移。

3、实验结果和讨论

3.1、破坏模式

图4 拉伸结果

试件拉伸结果如图4所示。试件由三种复合材料铺层，即0º，90º，±45º三种单层复合材料铺层组成，共20层，但各个试件三种复合材料组成百分比不同。试件C-1、C-2组成百分比为0º：50%；90º：10%；±45º：40%。试件C3-1组成百分比为0º：60%；90º：10%；±45º：30%。三种试件的破坏均为纯挤压破坏，是一种偏安全的破坏形式，这是因为有45º铺层，抑制了剪切破坏。

3.2、应力—应变曲线

（a ）拉伸强度按下式计算：

h

b P

⨯=b σ

式中：σ——拉伸强度，Mpa ； b P ——最大荷载，N ； b ——试样宽度，mm ； h ——试样厚度，mm 。

(b) 拉伸弹性模量按下式计算：

310-⨯∆⨯∆=

l

h b Pl

E 式中：E ——弹性模量，GPa ；

P ∆——荷载-变形曲线上初始直线段的荷载增量，N ； l ——引伸计标距长度，mm ；

l ∆——与P ∆对应的标距l 内的变形增量，mm 。

图5 试件C1-1负荷-位移曲线

图6 试件C1-2负荷-位移曲线

图7 试件C3-1负荷-位移曲线

实验试样各力学参量计算结果见下表表2。

表2

注：试样1、3拧矩为4，试样2拧矩为6。

4、结论

复合材料破坏模式主要是由于增强叠层形式、各组成的材料的力学性能及组分间的作用，工艺缺陷、以及试样尺寸所决定。

本实验中的试件只由0°和90°铺层组成时，试件的破坏模式为挤压剪切破坏，由于剪切以及平行于铺层方向的拉力使得铺层的滑移剥落，而导致材料开始破坏；当试件中除了0°和90°铺层外，还存在±45°的铺层时，试件的破坏模式为纯挤压破坏，是一种偏安全的破坏形式，这是因为有45º铺层，抑制了剪切破坏。

复合材料的应力—应变曲线取决于铺层方式，单向纤维增强复合材料的应力—应变曲线在破坏前是线性的；3个方向的铺层都存在时纤维增强复合材料的应力—应变曲线是由两条或多条斜率不同的直线组成。实际测量时，测得的应力—应变曲线无线性段，只能测定正切或正割时的弹性模量。

当计算材料的剪切模量时，要考虑泊松比的影响，而在拉伸条件下，纤维增强复合材料的泊松比并非不变值，而是随着荷载的增加而减小的，有时还会出现负的波松比。波松比的符号取决于增强纤维的铺设方向和顺序，计算时找到实验仪器上对应的横向与纵向变形即可。