文档介绍：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
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。
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
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。
一、复合材料的疲劳损伤
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
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。
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
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