复合材料的力学性能

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。
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。
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。
第四节 单向复合材料的破坏模式
一、纵向拉伸破坏
• 单向复合材料的破坏起源于材料中固有的缺 陷。这些缺陷可以是破损的纤维、基体中的 裂纹以及界面脱胶等。如图，单向复合材料 在纤维方向受到拉伸载荷作用时，至少有三 种破坏模式，即①脆性断裂；②伴有纤维拔 出的脆性断裂；③伴有纤维拔出、界面基体 剪切或脱胶破坏的脆性断裂。
第四节 单向复合材料的破坏模式
• 单向复合材料的破坏模式除与纤维和基体的 种类有关外，还受材料内部向种缺陷及损伤 的影响。例如，气泡、空隙、贫或富胶、夹 杂物、不正确的纤维取向等制造缺陷。划伤、 擦伤、边缘损伤、冲击引起的分层、脱胶等 使用损伤以及冰冻/环境损伤，对复合材料的 破坏模式也有一定作用。因此，用复合理论 预测的复合材料性能往往与试验值不符。以 下简要介绍在不同载荷条件下单向复合材料 的断裂模式（fracture model）。
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。
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。
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在有切口的试样中，切口周围容易产生复合 应力和出现应力集中。疲劳加载时，试样内 部的损伤使得缺口周围的应力重新分配，所 以很难用无切口闭幕式样的疲劳强度估算切 口试样的疲劳强度。但是，大多数复合材料 层合板的疲劳数据表明，切口（圆孔或裂纹） 对疲劳强度的影响并不显著。复合材料切口 试样良好的抗疲劳性主要是由于损伤缓和了 切口尖端附近的应力集中。
第四节 单向复合材料的破坏模式
• 纤维拔出和纤维脱胶两种破坏的区别在于当 基体裂纹不能横断纤维而扩展时，发生纤维 脱胶，纤维拔出则是由于纤维断裂的裂纹不 能扩展到韧性基体中所致。通常，伴随着纤 维拔出的同时，基体发生伸长变形，这种现 象在纤维脱胶中是不存在的。
第四节 单向复合材料的破坏模式
• 纤维体积含量对复合材料的断裂模式也有很大 影响。以单向玻璃纤维复合材料为例，当纤维 含量较低（Vf<40%）时，主要发生脆性破坏； 纤维含量适中（40<Vf<65%））时，破坏模式 常表现为伴有纤维拔出的脆性断裂；如果纤维 含量较高，则多出现伴有纤维拔出和脱胶或基 体剪切破坏的脆性断裂。碳纤维复合材料常出 现类似图中（a）和（b）模式的破坏。
第四节 单向复合材料的破坏模式
三、横向拉伸破坏
• 单向复合材料在横向即垂直于纤维方向受 拉时，在基体和界面上会产生应力集中。 因此受横向拉伸载荷作用时单向复合材料 的破坏起源于基体或界面的拉伸破坏。在 某些场合，也有可能出现因纤维横向拉伸 性能差异而导致复合材料破坏。
第四节 单向复合材料的破坏模式
• 简言之，纤维复合材料的破坏是一个非 常复杂的过程，它既依赖于材料本身的 性质，也受外界因素的影响。各类复合 材料的破坏行为差别很大，不可能用简 单的模式完整地概括之。复合材料的破 坏行为一直是理论研究和工程实际所关 注的重要课题，在此方面已有许多研究 成果直。
• 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。
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
• 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。
第 六 章
纤维复合材料的力学行为
第三节 纤维复合材料的疲劳行为பைடு நூலகம்
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 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。
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。
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
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。
第四节 单向复合材料的破坏模式
• 沿纤维方向的拉伸和压缩试验、垂直于 纤维方向的拉伸和压缩试验以及面内剪 切试验是单向复合材料的5个基本力学 试验。一般而言，在纤维方向拉压及垂 直于纤维方向拉伸试验中，应力-应变 关系多呈线性，而在垂直于纤维方向压 缩及纵横方向剪切试验中应力-应变关 系则表现出非线性特征。
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。
• 通常发生横向拉伸破坏的模式有两种： ①基体拉伸破坏；②脱胶或纤维横向 断裂。如图（ a）为单向复合材料横 向拉伸破坏模式示意图。
第四节 单向复合材料的破坏模式
四、横向压缩破坏
• 单向复合材料横向受压时，因基体发生 剪切而破坏如图（b）。同时还可能发生 部分脱胶及纤维破断现象，所以其破坏 模式可以分成两种：基体剪切破坏和基 体剪切破坏的同时伴随脱胶或纤维横向 破碎。
• 在这种情况下，材料的破坏是以纤维从基体 中拔出的形式发生，而不是纤维在复合材料 断裂平面的断裂。破坏时如果裂纹平行于纤 维扩展（脱胶裂纹），则纤维会与基体脱胶， 纤维与基体之间的粘附作用遭到破坏。如果 复合材料的纤维强而界面弱，就容易发生这 种脱胶现象。脱胶裂纹可以在纤维与基体的 界面上或在邻近基体中扩展，主要取决于它 们的相对强度。
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 湿度和温度不仅影响材料的固有强度，也 影响材料的应力状态。升高温度或湿度， 常常会降低受基体影响较大的铺层横向强 度和剪切强度，因而也使得剩余强度下降。 吸湿还会降低聚合物基体的玻璃化转变温 度，影响玻璃纤维的耐腐蚀性。试验表明， 低温对复合材料疲劳寿命的影响几乎可以 忽略，而室温下湿度对碳纤维复合材料疲 劳寿命的影响亦很小。
第四节 单向复合材料的破坏模式
二、纵向压缩破坏
• 如前所述，单向复合材料纵向即沿纤 维方向受压时，增强纤维发生屈曲。 若复合材料中纤维含量很低，甚至当 基体应力在其弹性范围内，也能使纤 维发生微屈曲。
第四节 单向复合材料的破坏模式
• 但对于纤维体积含量较高如Vf>40%时，纤维微 屈曲常常出现于基体屈曲、基体微裂和部分脱 胶之后，所以单向复合材料的纵向受压破坏将 始于复合材料的横向列裂或破坏，或者说，泊 松效应引起的横向拉伸应变可能超过复合材料 横向变形能力的极限，致使界面上产生裂纹。 如图为单向复合材料纵向压缩破坏模式的示意 图。图中，（a）横向拉伸破坏；（b）纤维发 生屈曲，而基体仍是弹性的或者处于屈服状态； （c）剪切破坏。
第四节 单向复合材料的破坏模式
• 依据纤维与基体之间的界面状态和载荷由基 体向纤维传递的机理，纤维间基体的剪切破 坏和部分脱胶可能同时发生，也有可能分别 独立发生。在脆性或短纤维与韧性基体构成 的复合材料中会出现纤维拔出的现象，因而 阻止了基体裂纹的扩展，这一裂纹可能参与 邻近其它纤维的断裂。
第四节 单向复合材料的破坏模式
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。
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。
第四节 单向复合材料的破坏模式
五、面内剪切破坏
• 在沿纤维方向和垂直于纤维方向的平面 内受到剪切作用时，单向复合材料的破 坏一般是由于基体剪切、部分脱胶等引 起的。因而破坏模式包括：①基体剪切 破坏；②基体剪切破坏并伴有脱胶；③ 脱胶。如图为面内剪切破坏模式的示意 图。
第四节 单向复合材料的破坏模式
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
• 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。