復(fù)合材料的強韌化PPT課件

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強韌化 5.1復(fù)合材料的強度,分析復(fù)合材料破環(huán)行為的兩種表達方式 作為引起材料的變形、損傷程度及最終破壞的載荷的函數(shù) 描述為復(fù)合材料發(fā)生應(yīng)變時內(nèi)部所吸收的能量。（韌性）,纖維與基體的斷裂 基體的開裂 基體的切變,5.1.1 長纖維復(fù)合材料的斷裂模式,纖維的斷裂應(yīng)變大于基體的斷裂應(yīng)變,纖維的斷裂應(yīng)變小于基體的斷裂應(yīng)變,,,與纖維平行的載荷 最初的斷裂通常發(fā)生在最弱處 應(yīng)力值增加 發(fā)生材料全體的斷裂 兩個類型 累積損傷模型 纖維斷裂傳播模型,與纖維平行的應(yīng)力σ1在裂紋附近增長較快,在裂紋的傳播方向上也存在顯著的橫向應(yīng)力,,纖維與基體的剛性比越大，應(yīng)力集中越嚴(yán)重； 界面剪切強度接近0時，應(yīng)力集中可以忽略不計； 相鄰纖維之間的距離增大（纖維的體積分數(shù)減少），則應(yīng)力集中會減輕。,環(huán)氧樹脂/碳纖維 界面強度較大 產(chǎn)生大的應(yīng)力集中 呈現(xiàn)出貫通大的纖維束的傾向,聚酯/玻璃,聚酯/Kevlar纖維 連接較弱，發(fā)生了大范圍的纖維拔出,有害的環(huán)境，沿裂紋進行浸透，纖維強度顯著下降,橫向拉伸斷裂,強度及應(yīng)變都顯著降低 局部應(yīng)力 纖維對橫向強度沒有貢獻,對于橫向載荷，泊松比有下降的傾向,,剪切斷裂,壓縮斷裂,,5.1.2 受到非軸向載荷的單層板的斷裂,1） 最大應(yīng)力學(xué)說 在單純的最大應(yīng)力學(xué)說中，假定與纖維平行或垂直的應(yīng)力達到某一極限值時，發(fā)生斷裂。,,,其他的斷裂學(xué)說,在組合應(yīng)力，特別是對疊層板的各個層片施加平面應(yīng)力的條件下，對長纖維復(fù)合材料的斷裂進行了各種預(yù)測。Rowlands于1985年發(fā)表了對該方法的展望。大部分方法都是基于對金屬展開的屈服標(biāo)準(zhǔn)的采用。最為一般的是Tresca與Mises的屈服標(biāo)準(zhǔn)。Tresca的標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于達到最大剪切應(yīng)力的極限值時發(fā)生的屈服,實驗數(shù)據(jù),5.1.3 疊層板的強度,層間應(yīng)力,末端效應(yīng),5.1.4 受到內(nèi)壓的圓管的破損,5.2. 復(fù)合材料的韌性,受到負荷的材料所吸收的能量與應(yīng)力同等重要 韌性優(yōu)異的材料在斷裂時需要大的能量 在受到?jīng)_擊等多種負荷的情況下，材料是吸收一定的能量而斷裂 在很多情況下，決定材料性能的是斷裂韌性。,5.2.1 斷裂機理基本概念,材料的斷裂是由于裂紋周圍積蓄的能量隨裂紋的擴展而釋放所發(fā)生。 如果能量不能達到平衡，則裂紋不擴展。 裂紋先端的高應(yīng)力與裂紋傳播的能量不能取得平衡時，裂紋不發(fā)生擴展。 在一般的金屬材料中，由于晶粒界上滑移高頻率地發(fā)生，所以顯示出高的斷裂韌性。,,,臨界長度,能量釋放率,,完全的開口模式（KII=0）中，φ=0；完全的剪切模式（KI=0）中，φ=90。,以應(yīng)力或能量基礎(chǔ)的裂紋變形,以裂紋先端的應(yīng)力為焦點。指出在受到與纖維平行的負荷的復(fù)合材料中，裂紋接近纖維時，在裂紋的先端產(chǎn)生橫向應(yīng)力，這樣的應(yīng)力使界面開口，使來自纖維插入部的裂紋鈍化，或者發(fā)生使裂紋變形的傾斜。 能量基礎(chǔ)的裂紋變形的標(biāo)準(zhǔn)。一個模塊中產(chǎn)生的裂紋，隨著裂紋的增大而向另一模塊擴展。所以可以推測，通過施加為了使裂紋擴展的負荷，能夠使裂紋在該過程中貫通到另一模塊，或者是發(fā)生沿著界面的變形。,,5.2.2 對斷裂能量的貢獻,通常的工業(yè)材料中要求優(yōu)異的斷裂韌性。關(guān)于斷裂韌性，對于復(fù)合材料有利的是促進材料內(nèi)對能量的吸收的機制。而且，理解對該能量吸收的控制機理也是十分主要的。,提高斷裂韌性,使強化材料分布均勻，限制顆?；蚶w維的尺寸，改善成形工序。優(yōu)異的界面強度的提高。 非金屬基體，對于基體的能量吸收，雖然是有限的范圍，但是，強韌化的機理還是有很大意義的。 塑料基復(fù)合材料的韌性的改善，其基本想法也是使用其韌性高于基體的強化材料。,基體的變形,金屬基體一般在裂紋附近產(chǎn)生大的滑移，所以具有高的斷裂韌性。但是高分子材料（特別是熱固性樹脂）與陶瓷的斷裂韌性一般較低。 復(fù)合材料的斷裂中基體的變形，與同一材料非強化狀態(tài)下的變形相比，有很大的不同。 基體的變形會受到很多約束，在剛性高的纖維周圍的基體，不能進行自由的變形，負荷的傳遞的不同。 裂紋附近的應(yīng)力是三維應(yīng)力場，阻礙基體伴隨著變形的塑性流動。 橫向的拉伸應(yīng)力，阻礙了塑性流動，卻在材料中產(chǎn)生了空洞，反而容易斷裂。,纖維的斷裂,復(fù)合材料的的斷裂中纖維的斷裂是其基本形式。 斷裂能量中纖維斷裂所占的比例很小。 有機體系纖維的斷裂能量也較大。例如KevlarTM纖維。 金屬纖維的斷裂能量比無機纖維要大，強化混凝土中鋼筋的體積比雖然較低，但仍然能夠得到好的效果， 在復(fù)合材料中，如果不能充分利用纖維的性能，提高韌性是比較困難的。,界面剝離,在復(fù)合材料的斷裂過程中常常發(fā)生。 裂紋向著與纖維排列方向相垂直的方向擴展，裂紋在到達界面時，可能會在界面產(chǎn)生剝離。 界面剝離是由橫向載荷或剪切載荷所產(chǎn)生的。,摩擦滑動與纖維的拔出抵抗,通常的纖維強化復(fù)合材料的斷裂能量，是在界面上的摩擦滑動而進行。斷裂的能量吸收會因界面的粗糙度、接觸壓力或滑動距離而不同。,微小結(jié)構(gòu)的效果,為控制復(fù)合材料的斷裂能量，有改變纖維的長度、纖維的方向、進而改變界面特性等多種方法。關(guān)于纖維的方向的效果，有以下所示的研究結(jié)果。,,a）定向疊層材料,b）金屬基復(fù)合材料,界面特性的控制,5.2.3 準(zhǔn)臨界裂紋的擴展,在裂紋擴展過程中，在能量釋放速率低于臨界值時，會發(fā)生急劇的斷裂。 兩種情況。 第一，如果負荷由某種方法而變動，則在裂紋先端的局部，僅發(fā)生少量的裂紋擴展。 第二，裂紋先端浸入腐蝕液的部分韌性下降。,疲勞,對于金屬基復(fù)合材料，疲勞斷裂是重要的研究課題。對于疲勞的分析，一般是進行關(guān)于重復(fù)負荷中最大載荷與最小載荷之間的應(yīng)力擴大系數(shù)的差ΔK進行研究。最初發(fā)生斷裂的最大值Kmax，是由循環(huán)放出的能量與ΔK相關(guān)而求出。所以，以負荷應(yīng)力的大小ΔK作為表示值而使用應(yīng)力比R（Kmim/ Kmax）。裂紋擴展的抵抗。,,玻璃纖維強化的塑料復(fù)合材料的最大應(yīng)力振幅與斷裂重復(fù)次數(shù),（a）金屬基復(fù)合材料。優(yōu)異的疲勞特性，表現(xiàn)在定向強化復(fù)合材料的纖維方向施加負荷應(yīng)力時。 （b）根據(jù)纖維不同方向上計算的對于各個斷裂重復(fù)次數(shù)Nf的負荷應(yīng)力。,應(yīng)力腐蝕裂紋,應(yīng)力腐蝕所產(chǎn)生的裂紋，是由于腐蝕液浸入了斷面先端，從而促進了準(zhǔn)臨界裂紋的生長而造成的。材料的局部韌性下降的微觀機理，因材料的種類及環(huán)境條件而變化。 例如，在鋁基材料中，在包含水分及鹽分的空氣中，疲勞裂紋會以通常的5～10倍的速度擴展。對于塑料基復(fù)合材料，基體的行為因液體的存在而敏感地變化。,5.3 陶瓷基復(fù)合材料的韌化 5.3.1 韌化的分類與特征,屏蔽機理,在裂紋尖端施加應(yīng)力，產(chǎn)生與原材料不同特性的區(qū)域，使應(yīng)力集中緩和的機理稱為屏蔽機理(Shielding Mechanism)或裂紋屏蔽機理(Crack Shielding Mechanism)。它在陶瓷基復(fù)合材料的強韌化中起著重要的作用。其主要特征是基體和纖維的臨界應(yīng)力強度因子經(jīng)復(fù)合化后雖然都沒有變化，但作為復(fù)合材料的整體，臨界應(yīng)力強度因子卻發(fā)生了變化。它是可以使臨界應(yīng)力強度因子和斷裂能量同時增大的有效手段。,屏蔽機理,①強化相直接承受力，產(chǎn)生屏蔽效果 可得到現(xiàn)狀下最大的韌化。適合于纖維、顆粒等多種強化材料。對于連續(xù)纖維強化的玻璃和陶瓷材料，獲得了35Mpa m1/2的斷裂韌性值。而且宏觀斷裂過程是積累性，而不是災(zāi)難性斷裂。因此可以得到單體陶瓷所不具備的斷裂機理。該機理用于晶須或短纖維時效果較差，但可以減小使用連續(xù)纖維時的各向異性。,屏蔽機理,②強化相不直接承受力，但影響斷裂過程中的相互作用 在激活區(qū)(Zone Wake)殘留的微裂紋或ZrO2相變等引起的殘余壓應(yīng)力的作用帶來的韌化。該機理所得到的最大韌化約為10 MPa m1/2。在使用短纖維強化時，如果能避免缺陷，則可以大幅度提高強度。,非屏蔽機理,非屏蔽機理主要是利用裂紋與材料間的相互作用而消耗額外的能量，因此對應(yīng)力強度因子的貢獻很小，主要是使斷裂能量提高。這種相互作用可以使裂紋發(fā)生彎曲或偏轉(zhuǎn)，與直進模式相比路徑變得復(fù)雜?？赡馨l(fā)生主裂紋以外的斷裂方式，所以與單體基體相比所需能量增大。,5.3.2 相變及微裂紋韌化,在屏蔽韌化機理中，相變及微裂紋韌化是主要的兩類。二者的共同點在于都是在主裂紋附近產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成體積膨脹，從而達到韌化的目的。,應(yīng)力-應(yīng)變曲線,假定由于相變或微裂紋引起的體積膨脹使平均法線應(yīng)力由起始值到達飽和值，此時平均應(yīng)力(=?11+?22+?33)與體積膨脹應(yīng)變(=?11+?22+?33)的關(guān)系,應(yīng)力-應(yīng)變曲線,平均應(yīng)力和平均應(yīng)變的關(guān)系可由下式所定(2)。 O-A ： ?ij=2G?ij +B A-B ： ?ij=2G??ij +B?(-e* ) (4.2) B-C ： ?ij=2G??ij +B?(- e*s ) ?ij 式中G為剪切彈性模量，B為體積彈性模量，上標(biāo)“?”、“?”表示A-B和C-D間的物理量， e*為膨脹應(yīng)變，e*s為B點的飽和膨脹應(yīng)變。,膨脹應(yīng)變與韌化,應(yīng)力隨距裂紋距離的接近而增大，且在尖端附近形成馬氏體相變或發(fā)生微裂紋的區(qū)域（稱為相變區(qū)，Process Zone 或 Frontal Process Zone）。該區(qū)域隨荷重的增加而擴展。裂紋擴展，在兩側(cè)留下幾乎一定寬度的殘留膨脹應(yīng)變區(qū)(b)。該區(qū)域的膨脹應(yīng)變e*ij在陶瓷的韌化中起著重要的作用。,,膨脹應(yīng)變與韌化,上述相變區(qū)的尺寸與試樣整體相比很小，其外側(cè)應(yīng)力分布可以可以用線性彈性論近似。 式中K?為由負荷所決定的應(yīng)力強度因子，r為距裂紋尖端的距離，fij(?)為形狀系數(shù)，由裂紋形狀和加載方式所決定。,,膨脹應(yīng)變與韌化,另一方面，相變區(qū)的內(nèi)側(cè)，由于膨脹應(yīng)變的逐漸發(fā)生使應(yīng)力分布散亂。但在距裂紋尖端很近的地方e*達到飽和，其應(yīng)力分布可以用線性彈性論近似。 式中KC為受膨脹應(yīng)變影響的裂紋尖端的應(yīng)力強度因子。它與K?有不同的值，相當(dāng)于式4.1中的Ktip。。當(dāng)KC達到臨界值KCIC時，斷裂發(fā)生。e*的效果可用?KC表達。 ?KC = K? - KC 即由屏蔽機理K?隨荷重而增加，此為表觀現(xiàn)象。而實際的斷裂過程則由KC所支配。所以?KC 越大，表示韌化效果越好。,,膨脹應(yīng)變與韌化,關(guān)于膨脹應(yīng)變對?KC 的影響效果，由兩種定量解析的模型。Meeking等的應(yīng)力理論和Budiansky等的能量理論。兩種模型從力學(xué)上講是等價的(4)，但從不同的出發(fā)點論述了韌化。它們對于理解韌化的機理都是有用的。,相變韌化,氧化鋯的馬氏體相變可以產(chǎn)生約5%的體積膨脹和約16%的剪切變形，其中的剪切變形可以由產(chǎn)生攣晶等方式抵消，從宏觀上看，能夠起到韌化效果的主要是體積變形膨脹。由韌化的能量模型可知 式中U(x2)為應(yīng)變能量密度，H為相變區(qū)寬度，為平均應(yīng)力，為飽和膨脹應(yīng)變，E為彈性模量，?為泊松比,,相變韌化,另一方面，假定相變區(qū)無限延伸，則由韌化的應(yīng)力理論模型，可得 由Budiansky可知，式4-8為膨脹系數(shù)很小時式4-6取極限所得。式4-7與式4-8的數(shù)值解的差別僅0.3%。 式4-6～式4-8中計算?Kc時需要H的值，通常H可由無膨脹應(yīng)變時的應(yīng)力分布來估算。,,,,相變韌化,由此可以求得H在x2方向的最大值。 將上式代入，得 式中?為支配韌化的無量綱參數(shù)，定義為 這樣，?Kc與 成反比。由式4-10可知， 越小，H越大，韌化效果也大。,,,,,,,微裂紋韌化,主裂紋擴展時，其尖端部高應(yīng)力區(qū)域很容易產(chǎn)生微裂紋。微裂紋是產(chǎn)生膨脹應(yīng)變的機理之一。這主要是由于在微裂紋產(chǎn)生之前，存在有局部的拉伸殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力 (a)發(fā)生在彈性模量與線膨脹系數(shù)各向異性的多晶體中，相鄰晶粒的主軸方向不同(8)。(b)是發(fā)生在顆粒增強復(fù)合材料中，顆粒的膨脹系數(shù)比基體大的場合,微裂紋韌化,無論哪種場合，燒結(jié)時從高溫到室溫的冷卻過程中，由于熱膨脹系數(shù)的差引起錯配并產(chǎn)生殘余應(yīng)力。前者發(fā)生在晶粒界、后者發(fā)生在顆粒與基體的界面。還有一種機理適用于象氧化鋯一樣引起膨脹應(yīng)變的顆粒增強復(fù)合材料,微裂紋韌化,微裂紋韌化與相變韌化不同，在微裂紋發(fā)生時伴隨著彈性模量（Ec ?Ec’）和應(yīng)力強度因子（Kcc ? Kcc”）的變化。所以即使僅發(fā)生不伴隨相變區(qū)的前沿區(qū)，也可以由屏蔽機理達到韌化。設(shè)Vc為微裂紋的體積分數(shù)，則應(yīng)力強度因子的變化為 由能量理論，裂紋擴展開始時的應(yīng)力強度因子為,,,微裂紋韌化,實際上微裂紋的成長具有復(fù)雜的多樣性，要找出在何種情況下出現(xiàn)什么樣的微裂紋的規(guī)律十分困難，因此也難以對er*和B”進行解析。當(dāng)然，使用特殊的模型還是可以對解析極限嘗試，例如Hutchinson的解析，(a)適用于薄圓盤狀的微裂紋，(b)適用于由引起相變的顆粒形成的微裂紋。,微裂紋韌化,從以上的討論雖然可以得出在wake區(qū)開口微裂紋越多，韌化效果也越好的結(jié)論。但是實際上可以想象到，當(dāng)微裂紋密度過高、尺寸過大時，會對材料產(chǎn)生不良影響。而現(xiàn)狀是尚未進行對含有這種惡化因素的解析。因此本節(jié)的討論應(yīng)限定在微裂紋密度非常低、尺寸非常小的范圍。,5.3.3 裂紋偏轉(zhuǎn),裂紋偏轉(zhuǎn)是指裂紋在材料中呈鋸齒狀的擴展現(xiàn)象。復(fù)合材料中裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)的主要原因有：基體與強化相彈性模量的差異、界面效應(yīng)或熱錯配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的影響，特別是內(nèi)應(yīng)力的不均勻性和界面等與裂紋的相互作用。在主裂紋尖端產(chǎn)生微裂紋時，微裂紋會與主應(yīng)力軸垂直，隨后微裂紋間又可能形成連接。在這種場合，斷裂后可以觀察到裂紋的偏轉(zhuǎn)，并使強度和斷裂韌性發(fā)生變化。,裂紋偏轉(zhuǎn),裂紋在材料中呈鋸齒狀擴展的模式，可以分為傾轉(zhuǎn)模式（titl mode）和扭轉(zhuǎn)模式（twist mode）兩類,裂紋偏轉(zhuǎn)裂紋偏轉(zhuǎn)使斷裂韌性提高的原因主要是由于裂紋以鋸齒狀擴展時表面積的增多。在這種場合下，裂紋偏轉(zhuǎn)的角度是一個重要的參數(shù)。,考慮(a)中A0?B0?C0的路徑，即使經(jīng)過A0? A1?C1?C0的鋸齒狀或者是象(b)一樣經(jīng)過更為復(fù)雜的路徑，其表面積時相同的。裂紋偏轉(zhuǎn)引起韌化的主要原因在于隨著路徑變?yōu)殇忼X狀，實際的表面積增加。同時伴隨著裂紋的擴展尖端應(yīng)力場分布變化，而從微觀上講斷裂已成為混合模式。,裂紋偏轉(zhuǎn),關(guān)于復(fù)合材料中裂紋的偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)aber與Evans進行了理論分析和實驗研究。在該理論中假定在復(fù)合材料中擴展的裂紋，接近強化相時會形成圖4-14所示的裂紋扭轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)。對于不連續(xù)纖維、薄片和顆粒不同形狀的強化相，設(shè)定各自的裂紋路徑。由此路徑求出裂紋擴展時平均能量釋放率。,,裂紋偏轉(zhuǎn),使用上述理論計算出的隨強化材料體積分數(shù)的變化。可以看出，對應(yīng)同一體積分數(shù)Vf，強化相的形狀效果如下 不連續(xù)纖維>板片狀>球狀,裂紋偏轉(zhuǎn),該理論假定裂紋不向強化相中擴展，而且也未考慮界面強度等因素。但是有研究表明，即使時裂紋向第二相擴展，也會產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)，使斷裂韌性提高。 除Faber之外，對裂紋偏轉(zhuǎn)進行理論分析的還有Kageyama、Chou等人，他們假定在proces zone發(fā)生納米級的微裂紋，由此產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)。采用分配位錯法（Distributed Dislocation Method）對斷裂韌性做了解析。 裂紋偏轉(zhuǎn)不僅具有強化相相當(dāng)?shù)某叽纾疫€可能具有宏觀（1～2mm）的周期性。此時應(yīng)力強度因子也會隨裂紋偏轉(zhuǎn)的周期而產(chǎn)生重復(fù)增大和減小的現(xiàn)象。而且這種周期增減性不僅發(fā)生在短纖維復(fù)合材料中，在連續(xù)纖維復(fù)合材料中也得到了證實。,5.3.4 裂紋彎曲,裂紋彎曲是指當(dāng)裂紋擴展時由于強化相的阻礙使得尖端路徑彎曲，從而使測得的斷裂韌性值提高的機理。裂紋彎曲機理使由Large首先提出了基本思想，隨后由Evans將Large的理論向二維發(fā)展，從而奠定了現(xiàn)在的理論基礎(chǔ)。在該理論中，假定由于第二相的存在使在材料中擴展的裂紋尖端由直線變成曲線是韌化的根本所在。其解析方法與金屬中存在有夾雜時對位錯的作用相同。該機理多在第二相與基體結(jié)合強的場合觀察到。在顆粒強化玻璃、纖維強化玻璃等玻璃基復(fù)合材料中發(fā)表了較多的觀察結(jié)果。,