第六章 纤维复合材料的力学性能2

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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 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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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 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。

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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 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 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 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 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。

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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

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 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 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 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。