復(fù)合材料力學(xué)性能表征

1、復(fù)合材料力學(xué)性能表征（characterization of mechanical properties of composites)力學(xué)性能包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切、沖擊、硬度、疲勞等，這些數(shù)據(jù)的取得必須嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件為：溫度23±2，相對(duì)濕度4555%，試樣數(shù)量每項(xiàng)試驗(yàn)不少于5個(gè)。此檢測(cè)方法適用于樹(shù)脂基復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能可參考此方法進(jìn)行.拉伸 拉伸試驗(yàn)是對(duì)尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)的試樣，在規(guī)定的試驗(yàn)速度下沿縱軸方向施加拉伸載荷,直至其破壞。通過(guò)拉伸試驗(yàn)可獲得如下材料的性能指標(biāo)：式中P為最大載荷，N;b，h分別為試樣的寬度和厚度，mm.式中L為試樣破壞時(shí)標(biāo)距L

2、0內(nèi)的伸長(zhǎng)量,mm;L0為拉伸試樣的測(cè)量標(biāo)距，mm。拉伸彈性模量Et式中P為載荷一形變曲線上初始直線段的載荷增量，N；L為與P相對(duì)應(yīng)的標(biāo)距L0內(nèi)的變形增量，mm.由于復(fù)合材料的各向異性，特別是用單向預(yù)浸帶做的復(fù)合材料通常同時(shí)測(cè)以下項(xiàng)目：L：纖維方向的拉伸強(qiáng)度；T:纖維方向的拉伸強(qiáng)度;EL：纖維方向的拉伸模量；ET：纖維方向的拉伸模量.應(yīng)力應(yīng)變曲線記錄拉伸過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律的曲線,用于求取材料的力學(xué)參數(shù)和分析材料拉伸破壞的機(jī)制.壓縮 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣的兩端施加均勻的、連續(xù)的軸向靜壓加載荷，直至試樣破壞，以獲得有關(guān)壓縮性能的參數(shù)，若壓縮試驗(yàn)中試樣破壞或達(dá)最大載荷時(shí)的壓縮應(yīng)力為P（N），試樣橫截面積為

3、F（mm2),則壓縮強(qiáng)度c為：由壓縮試驗(yàn)中應(yīng)力-應(yīng)變曲線上初始直線段的斜率,即應(yīng)力與應(yīng)變之比，可求出壓縮彈性模量（MPa）.由于復(fù)合材料的各向異性，特別是用單向預(yù)浸帶做的復(fù)合材料通常同時(shí)測(cè)L：纖維方向的壓縮強(qiáng)度;T：纖維方向的壓縮強(qiáng)度；EL：纖維方向的壓縮模量；ET：上纖維方向的壓縮模量.彎曲復(fù)合材料在彎曲試驗(yàn)中受力狀態(tài)比較復(fù)雜，拉、壓、剪、擠壓等力同時(shí)對(duì)試樣作用，因而對(duì)成型工藝配方，試驗(yàn)條件等因素的敏感性較大.用彎曲試驗(yàn)作為篩選試驗(yàn)是簡(jiǎn)單易行的方法。復(fù)合材料的彎曲試驗(yàn)一般采用三點(diǎn)加載簡(jiǎn)支梁法,即將標(biāo)準(zhǔn)試樣放在兩支點(diǎn)上,在中間施加載荷，使試樣變形直至破壞。材料的彎曲強(qiáng)度 f為: 式中P為破壞載

4、荷，N(或撓度為1。5倍試樣厚度時(shí)的載荷）;l為跨度，mm;b,h分別為試樣的寬度和厚度,mm.彎曲彈性模量Ef是指比例極限內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，可按下式計(jì)算:式中P為載荷，N(或撓度曲線上使直線段產(chǎn)生彎曲的載荷增量）;f為與P對(duì)應(yīng)的試樣跨距中點(diǎn)處的撓度增量。剪切 復(fù)合材料的特點(diǎn)之一是層間剪切強(qiáng)度低,并且層問(wèn)剪切形式復(fù)雜，因此剪切試驗(yàn)對(duì)于復(fù)合材料的質(zhì)量控制特別重要。層問(wèn)剪切強(qiáng)度測(cè)試方法有直接剪切法和短梁彎曲法等。（1）直接剪切法。試樣的形式和尺寸如圖,對(duì)試樣的A、C面以一定的加載速度施加剪切，直至試樣破壞。試樣破壞時(shí)單位面積上所承受的載荷值為層間剪切強(qiáng)度s。式中Pb為破壞載荷，N；b，h分別為受

5、剪面的寬度和高度，mm.(2）短梁彎曲法.本方法用來(lái)測(cè)定單向纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料平板的層間剪切強(qiáng)度，采用短梁三點(diǎn)彎曲法。試樣厚度h=25mm，寬度b=6.0mm±0。5mm，跨度l=5h，試樣長(zhǎng)度L=1+10mm.層間剪切強(qiáng)度s。按下式計(jì)算：式中P為試樣破壞時(shí)的最大載荷，N。（3）縱橫剪切試驗(yàn)。由層板理論可以導(dǎo)出，用±45°s對(duì)稱(chēng)層板進(jìn)行軸向拉伸所獲得的應(yīng)力一應(yīng)變曲線能夠表達(dá)0°鋪層層板的剪切應(yīng)力一應(yīng)變曲線。這種測(cè)定0°層板剪切性能的方法，稱(chēng)為縱橫剪切試驗(yàn)。該法與公認(rèn)的薄壁圓筒扭轉(zhuǎn)剪切相比,方法簡(jiǎn)單易行、省時(shí)省料,兩者測(cè)定結(jié)果一致性較好，所測(cè)得

6、的剪切強(qiáng)度和剪切模量,可以作為層板設(shè)計(jì)參量.式中為縱橫剪切強(qiáng)度，MPa；Pb為試樣破壞時(shí)的最大破壞載荷，N;b為試樣寬度，mm;h為試樣厚度，mm。式中GLT為縱橫剪切彈性模量，GPa；P為載荷一應(yīng)變曲線直線段上選取的載荷增量，N;x為與P相對(duì)應(yīng)的試樣軸向應(yīng)變?cè)隽?；y為與P相對(duì)應(yīng)的試樣軸線垂直方向的應(yīng)變?cè)隽?沖擊 沖擊試驗(yàn)是用來(lái)衡量復(fù)合材料在經(jīng)受高速?zèng)_擊狀態(tài)下的韌性或抗斷裂能力的試驗(yàn)方法,一般用簡(jiǎn)支梁擺錘沖擊試驗(yàn)測(cè)定.標(biāo)準(zhǔn)試樣的中部開(kāi)有V形缺口，以使試樣受沖擊時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中而呈現(xiàn)脆性斷裂.若試樣沖斷所耗的功為A（J），則沖擊韌性aK：式中b為試樣缺口處寬度,m；h為試樣缺口下厚度,m。除簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)外，沖擊試驗(yàn)還有懸臂梁沖擊試驗(yàn),落球式?jīng)_擊試驗(yàn)，高速拉伸沖擊試驗(yàn)等。硬度 材料的硬度表示抵抗其他硬物壓入的能力,通過(guò)硬度的測(cè)量可間接了解其他力學(xué)性能，如磨耗、拉伸強(qiáng)度等，還可作為估計(jì)復(fù)合材料中基質(zhì)固化程度的依據(jù),硬度測(cè)試操作方便、迅速、不損壞試樣、可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，所以硬度作為質(zhì)量檢驗(yàn)和工藝指標(biāo)而獲得廣泛應(yīng)用.硬度測(cè)試有布氏硬度、洛氏硬度、巴氏硬度、邵氏硬度等.在復(fù)合材料中應(yīng)用最廣的為巴氏硬度。巴氏硬度是一種壓痕硬度，它以特定壓頭在標(biāo)準(zhǔn)彈簧作用下壓入試樣，以壓痕深淺來(lái)表征試樣的硬度。巴氏硬度計(jì)有3種型號(hào)，