复合材料的疲劳性能特点
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8.1.1 复合材料的冲击性能
1）实验方法： 评价冲击性能的最普通的方法，是通过测量破坏一个标准式 样所需要的能量来确定冲击韧性。Charpy和Izod冲击试 验，针对各向同性的材料发展起来的，前者是简支梁加载， 后者是悬臂梁加载。实验冲击破坏以后，在刻度盘上可独处 摆锤能量损失，将他除以式样的截面积即为冲击韧性或冲击 强度。
在这种情况下，断裂以纤维从基体中拔出的破坏方 式进行，而不是纤维重新在复合材料断裂平面上断裂。
在这样一种情况中纤维拔出是存在的，即这些纤维 的断裂面与主裂纹面间的距离在一个很小的范围以内。
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纤维脱胶和纤维拔出两种模式间的差别：当基体裂纹 不能横断纤维而扩展时，发生纤维脱胶；纤维拔出是起始于 纤维破坏的裂纹没有能力扩展到韧性基体中去的结果。纤维 拔出通常伴随有基体的伸长变形，而这种变形在纤维脱胶中 是不存在的，
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2）能量吸收机理和破坏模式
脆性材料只产生少量变形，伴随着能量吸收也少。韧性 材料断裂过程产生大的塑性变形，吸收的能量也大。所以， 材料的总能量吸收能力（或韧性）能够靠增加分离过程中的 裂纹路径，或者增大材料的变形能力得到提高。
在复合材料中，可以用吸收能量多的组分代替吸收能量 少的组分来提高材料的韧性。
第8章 复合材料的其他力学性能
8.1 复合材料的冲击、疲劳、蠕变、环境影响、断裂及损伤
复合材料在实际应用中，往往存在冲击载荷、动载荷 等作用，存在蠕变、环境影响、损伤、断裂等问题。
影响复合材料的断裂、冲击和疲劳性能因素比金属材 料的更多，而且对它们的研究还很不够，本节将对其逐一 讨论。
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8.1.1 复合材料的冲击性能
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8.1.1 复合材料的冲击性能
这种实验结果得到的韧性数据只是在一定程度上的定性结果， 原因： （1）摆锤冲击是所造成的能量损失既包括材料损伤与断裂 所吸收的能量，还包括消耗的实验机上的能量损失、断裂碎 块的飞出功和声能等； （2）反映不出材料冲击破坏过程的损伤历程，给出的是一 个笼统的结果。不同材料，试样的断裂形式不同，可能会得 到相同的冲击强度，对于各向同性的材料，其破坏形式简单， 这两种冲击实验的方法还可以。对于复合材料，破坏现象复 杂，这两种产能供给实验不足以提供反映复合材料完整的冲 击特性的数据。
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2）基体变形和开裂
基体破坏吸收的总能量包括基体变形能和开裂产 生的新表面能。
基体变形所吸收的能量:正比于单位体积的基体变形 到破坏所做的功与形成单位裂纹表面积的基体体积的乘积。
基体开裂所吸收的能量：正比于裂纹产生的新表面能 和裂纹产生的新表面面积的乘积
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3）纤维脱胶
在断裂过程中由于裂纹平行于纤维扩展（脱胶裂纹）， 则纤维与基体材料分离。在这个过程中，纤维与基体间的 化学键与次价键的黏附均被破坏，同时形成新表面。当纤 维强而界面弱时，就发生这种开裂。如果脱胶范围大，则 断裂能明显增加。
降低界面强度可使大范围脱胶或分层，从而增加冲击 能。
所以弱界面的拉伸强度比较低，但冲击强度比较高。
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4）纤维拔出
当脆性的或不连续的纤维嵌于韧性基体中时，会发 生纤维拔出。
纤维断裂在其本身的薄弱横截面上，这个截面不一 定与复合材料断裂面重合。纤维断裂在基体中引起的应 力集中因基体屈服而得到缓和，因此阻止了基体裂纹， 而这一裂纹可能参加到其他纤维断裂中去。
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源自文库
2）能量吸收机理和破坏模式
在这里讨论的各种能量吸收机理和破坏模式不只是适用 冲击破坏，而是具有普遍意义。 吸收能量的机理有两种：
①形成新的表面；②材料变形. 破坏模式：当一个固体承受静载荷或冲击载荷时，材料变形 首先发生；如提供的能量足够大，裂纹可能产生并扩展；在 裂纹扩展过程中，裂纹前沿又总存在着材料变形。
1） 纤维破坏 纤维断裂发生在其应变达到断裂应变时。
由于脆性纤维具有低的断裂应变，只产生少量变形， 因而吸收能量低。
碳纤维复合材料的冲击性能低，玻璃钢和凯芙拉的冲击 性能好。
虽然纤维是使复合材料具有高强度的主要原因，但纤 维断裂仅占总能量吸收的很小比例。但应当记住，纤维 的存在非常显著地影响破坏模式，从而也影响了总冲击 能。
共同点：破坏都发生在纤维基体界面，都显著地提高断 裂能。
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5）分层裂纹
裂纹在扩展中穿过层合板的一个铺层，当裂纹尖端达 到相邻铺层的纤维时，可能受到抑制。这种裂纹抑制的过 程类似于基体裂纹在纤维基体界面上被抑制的情形。因为 邻近裂纹尖的基体中的剪应力很高，裂纹可能分支出来， 开始在平行于铺层的界面上扩展。这样的裂纹叫做分层裂 纹。存在这样的裂纹，吸收的断裂能就高。
上述断裂模式，因复合材料或试验条件的不同，而在 复合材料的断裂时出现其中一种或几种，它们所占比例及 对断裂的影响也各不相同，有的模式的影响可能是很小的。 通常总是有几种断裂模式同时存在。
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3）影响复合材料冲击性能的因素
讨论了复合材料的能量吸收机理之后，就不难理解 材料性质对冲击性能的影响了，因为纤维性质不同、 基体韧性不同，界面强度不同会导致不同的破坏模式， 从而大大地影响复合材料的冲击性能。
提高复合材料冲击韧性的途径有：基体增韧、合适 的界面强度、采用混杂纤维复合材料。
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8.1.2 复合材料的疲劳性能
复合材料在应用过程 中，由于承受变动载 荷或反复承受应力， 即使应力低于屈服强 度，也会导致裂纹萌 生和扩展，以至构件 材料断裂而失效，或 使其力学性质变坏。
复合材料的破坏可以认为是从材料中固有的小缺陷发 源的。例如，有缺陷的纤维，基体与纤维界面处的缺陷和 界面不良反应物等。在形成的裂纹尖端及其附近，有可能 以发生纤维断裂、基体变形和开裂、纤维与基体分离（纤 维脱粘）、纤维拔出等模式破坏。现分述如下。
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纤维复合材料中裂纹尖模型
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分别讨论各种破坏机理。
复合材料在应用中难免承受冲击载荷。有时候，即使很 小的冲击功也会严重降低复合材料的静态强度，影响构件的 可靠性；有时一个试图改进拉伸性能的措施同时会导致冲击 性能下降。因此很有必要了解复合材料的冲击性能和能量吸 收机理。
冲击载荷指以较高的速度施加到材料上的载荷，当材料 在承受冲击载荷时，瞬间冲击所引起的应力和变形比静载荷 时要大的多，因此，在制造这类材料时，就必须考虑到材料 的抵抗冲击载荷能力，即材料的冲击性能。
8.1.1 复合材料的冲击性能
1）实验方法： 评价冲击性能的最普通的方法，是通过测量破坏一个标准式 样所需要的能量来确定冲击韧性。Charpy和Izod冲击试 验，针对各向同性的材料发展起来的，前者是简支梁加载， 后者是悬臂梁加载。实验冲击破坏以后，在刻度盘上可独处 摆锤能量损失，将他除以式样的截面积即为冲击韧性或冲击 强度。
在这种情况下，断裂以纤维从基体中拔出的破坏方 式进行，而不是纤维重新在复合材料断裂平面上断裂。
在这样一种情况中纤维拔出是存在的，即这些纤维 的断裂面与主裂纹面间的距离在一个很小的范围以内。
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纤维脱胶和纤维拔出两种模式间的差别：当基体裂纹 不能横断纤维而扩展时，发生纤维脱胶；纤维拔出是起始于 纤维破坏的裂纹没有能力扩展到韧性基体中去的结果。纤维 拔出通常伴随有基体的伸长变形，而这种变形在纤维脱胶中 是不存在的，
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2）能量吸收机理和破坏模式
脆性材料只产生少量变形，伴随着能量吸收也少。韧性 材料断裂过程产生大的塑性变形，吸收的能量也大。所以， 材料的总能量吸收能力（或韧性）能够靠增加分离过程中的 裂纹路径，或者增大材料的变形能力得到提高。
在复合材料中，可以用吸收能量多的组分代替吸收能量 少的组分来提高材料的韧性。
第8章 复合材料的其他力学性能
8.1 复合材料的冲击、疲劳、蠕变、环境影响、断裂及损伤
复合材料在实际应用中，往往存在冲击载荷、动载荷 等作用，存在蠕变、环境影响、损伤、断裂等问题。
影响复合材料的断裂、冲击和疲劳性能因素比金属材 料的更多，而且对它们的研究还很不够，本节将对其逐一 讨论。
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8.1.1 复合材料的冲击性能
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8.1.1 复合材料的冲击性能
这种实验结果得到的韧性数据只是在一定程度上的定性结果， 原因： （1）摆锤冲击是所造成的能量损失既包括材料损伤与断裂 所吸收的能量，还包括消耗的实验机上的能量损失、断裂碎 块的飞出功和声能等； （2）反映不出材料冲击破坏过程的损伤历程，给出的是一 个笼统的结果。不同材料，试样的断裂形式不同，可能会得 到相同的冲击强度，对于各向同性的材料，其破坏形式简单， 这两种冲击实验的方法还可以。对于复合材料，破坏现象复 杂，这两种产能供给实验不足以提供反映复合材料完整的冲 击特性的数据。
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2）基体变形和开裂
基体破坏吸收的总能量包括基体变形能和开裂产 生的新表面能。
基体变形所吸收的能量:正比于单位体积的基体变形 到破坏所做的功与形成单位裂纹表面积的基体体积的乘积。
基体开裂所吸收的能量：正比于裂纹产生的新表面能 和裂纹产生的新表面面积的乘积
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3）纤维脱胶
在断裂过程中由于裂纹平行于纤维扩展（脱胶裂纹）， 则纤维与基体材料分离。在这个过程中，纤维与基体间的 化学键与次价键的黏附均被破坏，同时形成新表面。当纤 维强而界面弱时，就发生这种开裂。如果脱胶范围大，则 断裂能明显增加。
降低界面强度可使大范围脱胶或分层，从而增加冲击 能。
所以弱界面的拉伸强度比较低，但冲击强度比较高。
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4）纤维拔出
当脆性的或不连续的纤维嵌于韧性基体中时，会发 生纤维拔出。
纤维断裂在其本身的薄弱横截面上，这个截面不一 定与复合材料断裂面重合。纤维断裂在基体中引起的应 力集中因基体屈服而得到缓和，因此阻止了基体裂纹， 而这一裂纹可能参加到其他纤维断裂中去。
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源自文库
2）能量吸收机理和破坏模式
在这里讨论的各种能量吸收机理和破坏模式不只是适用 冲击破坏，而是具有普遍意义。 吸收能量的机理有两种：
①形成新的表面；②材料变形. 破坏模式：当一个固体承受静载荷或冲击载荷时，材料变形 首先发生；如提供的能量足够大，裂纹可能产生并扩展；在 裂纹扩展过程中，裂纹前沿又总存在着材料变形。
1） 纤维破坏 纤维断裂发生在其应变达到断裂应变时。
由于脆性纤维具有低的断裂应变，只产生少量变形， 因而吸收能量低。
碳纤维复合材料的冲击性能低，玻璃钢和凯芙拉的冲击 性能好。
虽然纤维是使复合材料具有高强度的主要原因，但纤 维断裂仅占总能量吸收的很小比例。但应当记住，纤维 的存在非常显著地影响破坏模式，从而也影响了总冲击 能。
共同点：破坏都发生在纤维基体界面，都显著地提高断 裂能。
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5）分层裂纹
裂纹在扩展中穿过层合板的一个铺层，当裂纹尖端达 到相邻铺层的纤维时，可能受到抑制。这种裂纹抑制的过 程类似于基体裂纹在纤维基体界面上被抑制的情形。因为 邻近裂纹尖的基体中的剪应力很高，裂纹可能分支出来， 开始在平行于铺层的界面上扩展。这样的裂纹叫做分层裂 纹。存在这样的裂纹，吸收的断裂能就高。
上述断裂模式，因复合材料或试验条件的不同，而在 复合材料的断裂时出现其中一种或几种，它们所占比例及 对断裂的影响也各不相同，有的模式的影响可能是很小的。 通常总是有几种断裂模式同时存在。
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3）影响复合材料冲击性能的因素
讨论了复合材料的能量吸收机理之后，就不难理解 材料性质对冲击性能的影响了，因为纤维性质不同、 基体韧性不同，界面强度不同会导致不同的破坏模式， 从而大大地影响复合材料的冲击性能。
提高复合材料冲击韧性的途径有：基体增韧、合适 的界面强度、采用混杂纤维复合材料。
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8.1.2 复合材料的疲劳性能
复合材料在应用过程 中，由于承受变动载 荷或反复承受应力， 即使应力低于屈服强 度，也会导致裂纹萌 生和扩展，以至构件 材料断裂而失效，或 使其力学性质变坏。
复合材料的破坏可以认为是从材料中固有的小缺陷发 源的。例如，有缺陷的纤维，基体与纤维界面处的缺陷和 界面不良反应物等。在形成的裂纹尖端及其附近，有可能 以发生纤维断裂、基体变形和开裂、纤维与基体分离（纤 维脱粘）、纤维拔出等模式破坏。现分述如下。
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纤维复合材料中裂纹尖模型
7
分别讨论各种破坏机理。
复合材料在应用中难免承受冲击载荷。有时候，即使很 小的冲击功也会严重降低复合材料的静态强度，影响构件的 可靠性；有时一个试图改进拉伸性能的措施同时会导致冲击 性能下降。因此很有必要了解复合材料的冲击性能和能量吸 收机理。
冲击载荷指以较高的速度施加到材料上的载荷，当材料 在承受冲击载荷时，瞬间冲击所引起的应力和变形比静载荷 时要大的多，因此，在制造这类材料时，就必须考虑到材料 的抵抗冲击载荷能力，即材料的冲击性能。