浅谈复合材料的强度与断裂

文章介绍了复合材料的基本定义、包含内容及对其研究的重要性;列举了复合材料领域目前常用的几种强度理论,并对其进行了比较分析;叙述了复合材料的断裂行为和破坏过程,对其断裂和破坏的原因进行了分析讨论;扼要阐述了复合材料组份性能、破坏特征和强度之间的联系;对复合材料研究的特点做了总结和展望;从而促进了这类材料的进一步推广应用。

引言

复合是产生新材料的一种手段。复合材料是由基体材料和增强材料两部分组成,可以发挥各组成材料的优点,避其弱点,有时还可形成单一材料本身所没有的性能。现代复合材料包括三大块:金属基复合材料(MMC),陶瓷基复合材料(CMC)和树脂基复合材料(PMC)。它们可作结构材料、功能材料或结构和功能一体化的材料。现代复合材料区别于传统的复合材料,它是借助于不同的纤维、不同的基体、不同的复合方法和适当的工艺界面进行合理的控制,而获得低密度、高强度、耐高温、耐磨、抗蚀、抗辐射等优异性能的新型复合材料。现代复合材料最根本的思想不是要1+1=2,而是要1+1>2。由于复合材料的构成特点,因此一般具有非均质性,其力学性能也具有了新的特点:(1)明显的各向异性;(2)不均匀性和一定程度上的不连续性;(3)各种模量和各种强度的不均衡性;(4)几何非线性和材料非线性。

这种自身的特殊性和力学行为的复杂性,也决定了它的强度和断裂与其它材料的明显不同。因此深入分析研究复合材料强度与断裂的关系, 将会进一步推动复合材料作为工程材料的应用范围和前景。

本文主要讨论总结了复合材料的强度、断裂行为、破坏特征及其影响因素。

1 复合材料的强度理论

从Jenkins在1920提出适用于正交各向异性材料的最大应力判据[4] 算起,复合材料强度理论研究也有80多年的历史。尤其自20世纪60年代复合材料在航空航天领域得到大量应用以来,复合材料的破坏分析与强度理论研究更是引起了学术与工程界广泛关注。鉴于复合材料通常都是各向异性材料,强度和弹性模量都是方向的函数,它在复杂应力状态下的破坏规律与应力作用的方向和正负有关,因此它比各向同性材料的强度问题要复杂得多。

单向层板是复合材料的基本构成单元, 可作为正交各向异性材料来处理。以单向纤维增强复合材料和单向层板结构材料为例,迄今为止,在通过试验观察破坏现象而提出某种强度假设的基础上,已经建立了最大应力理论、最大应变理论、Tsai—Hill理论、Tsai—wu张量理论、Hoffman理论、单剪理论、双剪理论、Bogetti理论、Puck理论、Cuntze理论……等一系列有关各向异性材料的强度理论。各种理论的应用频率如图1。

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1.1 最大应变理论及最大应力理论

最大应力理论认为,不论什么应力状态, 当单向层合板主轴方向的任何一个应力分量达到基本强度时, 材料失效。最大应变理论认为不论什么应力状态, 当单向层合板主轴方向的任何一个应变分量达到基本强度所对应的极限应变值时, 材料失效。最大应变准则和最大应力准则都是一阶准则;当考虑到应力或应变的二次项,或者应力与应变的相互作用项的影响情况时则产生了二阶强度准则,强度准则中还有高阶准则。最大应变能理论(适用于脆性材料),最大剪切应变能准则(适用于延性材料)都是二阶准则。

对于复合材料,其延性和脆性在各个方向是有很大的差别的,复合材料的剪切强度、拉伸强度和压缩强度之间的相对大小也是有差别的。剪切强度有很多时候比拉伸和压缩强度要低,尤其对于单向复合材料,因此有较大的可能出现剪切破坏,引起的是剪裂,而不是剪切屈服。通常对于复合材料剪应力可以产生两种形式的破坏,对于典型的延性材料和以延性为主的材料,剪应力可产生屈服,出现很大的塑性变形。而对于典型的脆性和以脆性为主的材料,剪应力可以产生剪裂,几乎没有塑性变形。对于复合材料而言对于复合材料的强度准则问题,二阶准则一般更适用些,因为一阶准则没有考虑应力的耦合作用,高阶准则过于麻烦,需要考虑的参数比较多,而且系数很难通过实验测试,另外应力比应变更容易测试,所以最大应力准则更精确。

1.2 Tsai—Hill 理论及Tsai—wu 张量理论

sai—Hill理论[10]中Hill把Mises的屈服准则:

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1.3 其他强度理论

在国外应用较广的还有Puck理论和Cuntze理论等,Puck理论是基于单层板受双轴应力破坏的大量实验研究结果发展而成。而Cuntze理论的许多重要特色都源自于Puck理论.分

析、考虑了5种破坏机理,对单向复合材料的3个(轴向一横向、横向一剪切以及轴向一剪切)

破坏强度谱的预报与Puck的预报很相似。与Puck理论不同的是,Cuntze理论假设不同破坏机理之间彼此可能会相互关联。

另外,在 Tsai-Wu强度理论的基础上,王震鸣[14]提出了改进的Tsai-Wu强度理论,改进的方法是在4个象限采用4条不同的椭圆曲线,组成一个封闭的强度曲线;在8个应力空间区域采用8片不同的椭圆曲面,组成一个封闭的强度曲面。它与蔡一吴准则在4个象限或8个应力空间区域,都采用同一条曲线或同一片曲面的情况相比是复杂了些,但精度却大幅度提高了。

但由于以上这些理论都是“现象学”的,因此它们没有一个统一的理论框架并带有一定的局限性和盲目性。周筑宝在文献中,在非线性非平衡态的条件下,证明了“任何耗能过程都将在与其相应的约束条件下,以最小耗能的方式进行”的结论,并把它命名为最小耗能原理。接着周筑宝,卢楚芬遵循最小耗能原理的观点出发,提出了一种建立强度理论的新思路。这种新思路实际上是认为一切材料的屈服或破坏,总是从其最薄弱之处以其最容易发生屈服或破坏的方式发生和进行,并以此思路导出了在复合材料中具有普遍性和代表性的正交各向异性线弹性材料的强度准则。

然而强度理论应用情况尚有待于进一步的实践来说明, 各种理论适用范围的讨论更有待于复合材料技术的进一步发展。最近英国的工程和自然科学研究委员会和机械工程师协会联合组织完成了一个针对纤维增强复合材料本构与强度理论研究现状的研讨会,这次研讨会被国外称为“破坏分析奥运会”。可见由于复合材料和单一材料很多性质发生了本质的变化,所以需要寻求一些新的理论来真正地描述复合材料的强度准则。

然而强度理论应用情况尚有待于进一步的实践来说明, 各种理论适用范围的讨论更有待于复合材料技术的进一步发展。最近英国的工程和自然科学研究委员会和机械工程师协会联合组织完成了一个针对纤维增强复合材料本构与强度理论研究现状的研讨会,这次研讨会被国外称为“破坏分析奥运会”。可见由于复合材料和单一材料很多性质发生了本质的变化,所以需要寻求一些新的理论来真正地描述复合材料的强度准则。

2 复合材料的断裂及破坏过程

从七十年代起, 国内外力学工作者开始研究复合材料的断裂力学及其破坏过程,并取得了许多研究成果。从众多的研究文献和试验报告中可以看到:由于复合材料具有各向异性,裂纹非相似扩展等优点,因此它的断裂形式和破坏有其不少独特的地方。

2.1 复合材料的断裂力学分析

对于金属材料的断裂来讲. 特别是高强度材料. 按照Griffitb理论—— 物体释放的弹性能完垒转化为裂纹扩展能(新界面所需的表面能)。而复合材料能量变化与这个理想模型相差甚远, 其断裂时释放的能量包括脱胶、分层, 纤维断裂和粘弹性所消耗的能量,从断口形貌分析到断裂机理认识远远还不像金属材料那样清楚。带裂纹体复合材料在外界垂直于裂纹方向的力作用下, 裂纹扩展并不像金属材料那样,扩展按原始方向,有一条主裂纹导致最后断裂, 复合材料的断裂过程并不是瞬间的, 而是一个非常复杂的过程,且受组份性能的影响,它的裂纹扩展,可能沿纤维、行层间、也可能剪断纤维, 在强度最弱、缺陷最多的界面或基体中扩展。断裂力学的研究方法是把材料内部缺陷简化为一个或有限个宏观裂纹, 研究其尖端附近的应力、应变以及位移场, 并确定其扩展及失稳条件。从承受载荷的总体性能而言,复合材料可看作是正交各向异性弹性体。S.Parhizgar专门研究了应用线弹性断裂力学的条件。他认为各向异性材料应用线弹性断裂力学的主要偏差在于: (1)复合材料裂纹扩展不沿原始裂纹方向, 而往往沿纤维方向; (2)在外界载荷均匀加载下, 复合材料的裂纹尖端位移是混合型的;(3)裂纹尖端应力是材料性能和纤维方向的函数。

复合材料断裂的研究结果, 一般归结为两个主要范畴的其中之一, 即:(1)含有已知长度的内部或表面缺陷的均匀各向异性线弹性材料的连续介质力学分析。(2)在单向纤维复合材料中, 裂纹尖端区域的微观力学研究的半经验分析。连续介质力学方法完全忽略了复合材料固有不均匀性以及不均匀性影响裂纹扩展的基本路经。这种方法仅考虑到材料对载荷所起的各向异性响应后, 对一般线弹性断裂力学稍作推广。微观力学法主要是通过研究基本材料性质来揭示复合材料断裂机理,如,根据纤维从基体材料中脱粘、拔出和基体材料中的非弹性变形和断裂等情况推导出裂纹扩展进程中耗散的能量值。

2.2 复合材料的破坏过程和机理

一般金属材料的破坏形式取决于应力条件(受力条件)与材料性质(材料的特性与强度)。复合材料的破坏, 可以认为是由材料中固有的小块陷而诱发 这些缺陷可以是基体中的裂缝,也可以是界面的脱胶等。基体中的一些缺陷可导致复合材料间的基体屈服和撕裂,将会在材料基体界面处引起应力集中。由于复合材料自身的构成特点,用一个或有限个裂纹来建立损伤区的破坏模型是很困难的, 因而一般来说, 研究复合材料的破坏过程和机理, 采用损伤力学分析更为有效。复合材料任何形式的破坏与结构突变,如基体开裂、纤维断裂、快速脱粘都会引起能量以弹性波的形式从源点开始向各个方向传播,形成弹性应力波损耗,即发生声发射现象,复合材料的断裂和基体起裂可由声发射谱的振幅来判定。

强度理论研究材料破坏的原因,针对不同的破坏形式、材料性质和应力条件,学术界提出相应的强度理论,但各种强度理论并不要求对任何材料、破坏形式和应力条件都适用,而只要求它适用工程上某些特定破坏情况。目前工程上应用较多的均是文章第一部分所提到的那些宏观力学强度理论。然而对于复合材料的破坏问题的研究,细观、微观理论也有着重要的作用,吴德隆对损伤问题进行分析时采用了微观力学方法,将典型的复合材料破坏缺陷处理为边值问题,得出其内部应力场和应变场的分布,并用断裂力学应变能理论,确定破坏区域萌生和扩展的临界条件,杨卫提出利用界面断裂力学和有限元法数值模拟纤维增强复合材料的细观破坏过程,研究各种主要破坏模式之间的相互转变和影响,指出以断裂能和混合度表示的界面性能是控制复合材料损伤过程的主要细观参数。周储伟等还用细观计算力学的方法分析了金属基复合材料多重损伤与强度的关系。

综上所述,复合材料的细观理论是对宏观理论的有利的补充,它们将共同为复合材料的破坏和强度问题研究奠定重要的基础。

3 结论

复合材料的强度、断裂形式和破坏过程和三者密切相关, 伴随着纤维复合材料在航天、航空、汽车等方面的日益广泛应用,对复合材料破坏、断裂力学的研究将越来越重要,只有真正掌握了复合材料客观存在的断裂机理和破坏过程,寻求到复合材料的最优设计,使材料的各个方面的性能真正的得以发挥,才能更大效益地展现复合材料在工业、民用和国防领域的作用。

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