• 短纤维的增强作用不如连续纤维有效, 因此短纤维的f’比连续纤维的高。 3.颗粒增强金属基复合材料的强度• 强化机制是弥散强化• 复合材料破坏从颗粒界面开始, 表现为界面破坏或颗粒脱落• 切应力导致颗粒破坏, 引起材料变型 • 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。7.3.1疲劳性能及其影响因素7.3复合材料的疲劳 单向复合材料及铝合金的S-N曲线1-Kevlar-49/环氧; 2-硼纤维/环氧; 3-S玻璃纤维/环氧; 4-2023-T3铝合金; 5-E玻璃纤维/环氧 不同铺层结构玻璃纤维层合板的S-N曲线1-无纺单向; 2-无纺偏轴±5° ; 3-无纺85%单向;4正交铺层(50/50) ; 5-181玻璃布; 6-随机玻璃短纤维 图7-2复合材料与金属材料的疲劳性能 • 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。 • 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。 • 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。 1. 平均应力或应力比的影响 thKR=0.8 0 -1lgda/dN∆lg( K)∆R>0的情况 thKR=0.8 0 -1lgda/dN∆lg( K)∆低速率区, R↑, ∆Kth↓。 但是, 在高温或腐蚀环境下, 频率及波形对da/dN的影响显著增大, 是不容忽视的。2. 加载频率的影响 腐蚀介质作用下, 裂纹可在低于K1C时发生扩展。试件加载到K1, 置于腐蚀介质中。 记录裂纹开始扩展的时间tf。 (da/dN)CF与∆K的关系如图, 可分为三类:加载频率越低, 腐蚀过程越充分, (da/dN)CF越快。2) 腐蚀疲劳裂纹扩展速率 (da/dt)CF(1-R)KcthCFK∆da/dNKAA类 ;(∆K)thCF<<∆Kth腐蚀使(da/dN)CF普遍加快, 如铝合金在淡水中。B1scc∆da/dN(1-R)KK(1-R)KcB类: KmaxK1scc, 腐蚀使da/dN)CF↑↑。马氏体镍在干氢中.1scc∆da/dN(1-R)KKC(1-R)KcC类:AB混合型如高强钢在盐水中。 • 在有切口的试样中, 切口周围容易产生复合应力和出现应力集中。 疲劳加载时, 试样内部的损伤使得缺口周围的应力重新分配, 所以很难用无切口闭幕式样的疲劳强度估算切口试样的疲劳强度。 但是, 大多数复合材料层合板的疲劳数据表明, 切口(圆孔或裂纹) 对疲劳强度的影响并不显著。 复合材料切口试样良好的抗疲劳性主要是由于损伤缓和了 切口尖端附近的应力集中。 • 湿度和温度不仅影响材料的固有强度, 也影响材料的应力状态。 升高温度或湿度, 常常会降低受基体影响较大的铺层横向强度和剪切强度, 因而也使得剩余强度下降。 吸湿还会降低聚合物基体的玻璃化转变温度, 影响玻璃纤维的耐腐蚀性。 试验表明, 低温对复合材料疲劳寿命的影响几乎可以忽略, 而室温下湿度对碳纤维复合材料疲劳寿命的影响亦很小。 给定a,给定∆σ, a↑,∆σ↑, da/dN ↑;da/dN ↑。讨论张开型 (I型) 裂纹。a>>rp, LEFM力学可用。