材料壓縮試驗(yàn)精品課件

1、材料壓縮試驗(yàn)第1頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四變形特點(diǎn)一般情況下, 曲線是非線性的. 然而,如玻璃、硼、碳纖維等剛性纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，沿纖維方向加載時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變圖從加載開始到破壞前實(shí)際上都是線性的。有時(shí)，也能觀察到同拉伸試驗(yàn)相同的斷裂特性。解釋：1）若破壞前出現(xiàn)斷裂，則是由于部分增強(qiáng)纖維的失穩(wěn)。2）若在較小載荷下，從 曲線上出現(xiàn)斷裂，則可能是試件本身及安裝不正確或變形受到了約束。第2頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四當(dāng)垂直于纖維鋪層方向加載時(shí)，呈現(xiàn)出非線性，其程度取決于聚合物基體的性能。纖維與基體粘接不牢時(shí)，這時(shí)材料遠(yuǎn)沒達(dá)到最大載荷，隨著粘接界面的

2、破壞而開始破壞。對棱柱試件縱向加載時(shí)發(fā)現(xiàn)，支撐面的縱向和橫向應(yīng)變大大的超過了試件標(biāo)距段的應(yīng)變。這樣其相應(yīng)的應(yīng)力可能超過了試件本身的橫向強(qiáng)度而導(dǎo)致提早破壞。第3頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四由于強(qiáng)度的各向異性的敏感性，高強(qiáng)度的單性復(fù)合材料對應(yīng)力集中特別敏感。如：對短試件而言，應(yīng)變場不均勻，可造成拉伸、壓縮彈性模量差別明顯，這不是試件本身的原因，而是加工誤差和尺寸選擇不正確所致。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，至少有一個(gè)支撐面相對與試驗(yàn)縱軸保持靜止，因此，具有非對稱性增強(qiáng)纖維疊層的試件不易進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。破壞模式-取決于材料：增強(qiáng)纖維方式；材料組分的力學(xué)性能試驗(yàn)的相對尺寸第4頁，共35頁，

3、2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四視基體的模量不同主要破壞模式有31)低模量（）局部屈曲制作中的變化因素。如：纖維初始波紋度；分布不均等。2）中模量（）橫向破裂材料組分泊松比的差別；試樣全場范圍內(nèi)不均勻；也有可能是局部破壞造成。此時(shí)的臨界載荷要以發(fā)生局部破壞的材料的性能來確定。3）高模量（）壓縮破壞（纖維受450角剪切）而增強(qiáng)纖維無任何局部屈曲。第5頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四T300增強(qiáng)復(fù)合材料端口形貌 層板壓縮破壞表面呈現(xiàn)層裂第6頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四 2層板壓縮破壞表面纖維斷裂 側(cè)向形貌，900層橫向裂縫，層間組阻擋裂紋擴(kuò)展

4、 第7頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四 層板受壓分層纖維斷裂及其留在基體中的烙印 T層板破壞表面 第8頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四 碳布壓縮破壞斷口 第9頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四載荷垂直于增強(qiáng)纖維方向，復(fù)合材料常由于在同基體剪切強(qiáng)度相當(dāng)?shù)膽?yīng)力下失穩(wěn)而破壞，此時(shí)試樣破碎成棱柱塊。實(shí)際試驗(yàn)過程中，可能是以上多種破壞模式的耦合，常是線性與非線性行為，層間應(yīng)力、表面層開裂、總體失穩(wěn)、端面破壞或垂直層片開裂等，因此必須仔細(xì)觀察分析記錄試件的破壞模式，未指明破壞模式的復(fù)合材料試驗(yàn)結(jié)果無可比性。應(yīng)變速率的影響靜強(qiáng)度受應(yīng)變速率的影響

5、較大；而壓縮彈性模量和斷裂伸長對應(yīng)變速率不敏感；第10頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四 試樣的形狀和尺寸與拉伸試驗(yàn)相比，更依賴于試件的形狀和尺寸。在實(shí)際試驗(yàn)中，應(yīng)避免使用尺寸過小的試件。原因：變形難以測準(zhǔn)；標(biāo)距段小，應(yīng)變均勻度不夠；支撐面的擠壓和變形約束效 應(yīng)難以消除加工困難并導(dǎo)致尺寸效應(yīng)第11頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四測定強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)選擇板狀或變截面試樣；測定模量時(shí)，應(yīng)選擇圓截面或夾層梁試樣；桿和板狀試樣的制備與尺寸在彈性對稱主軸方向上切??；寬度和厚度上對稱于試樣縱軸；保證破壞發(fā)生在標(biāo)距段；夾頭的選擇要謹(jǐn)慎；第12頁，共35頁，2022年，5月

6、20日，4點(diǎn)8分，星期四在選擇試樣尺寸時(shí)，要考慮正應(yīng)力 和剪切應(yīng)力的應(yīng)力集中，標(biāo)距長度要不失穩(wěn)。 139.76.351.5 2.0139.76.351.5 3.0139.76.353.2 4.0ASTM推薦的標(biāo)準(zhǔn)(mm)硼纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料試樣的標(biāo)距長度：25.4第13頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四變截面試樣變截面試樣的形狀和尺寸取決于試驗(yàn)的目的。消除應(yīng)力集中如高模量纖維聚合物復(fù)合材料，通常采用標(biāo)距段很明顯的試樣，以保證試樣的破壞發(fā)生在標(biāo)距段。優(yōu)點(diǎn)是有明確的標(biāo)距段；缺點(diǎn)是加工難；第14頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四圓截面試

7、樣用來測定某些易于加工的單向復(fù)合材料，如：碳纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和彈性模量的測定。試驗(yàn)表明：同矩形試件相比，數(shù)據(jù)離散度小，但強(qiáng)度絕對值大。為防止端面壓碎，要采用專門設(shè)計(jì)的保護(hù)端頭套。端頭套的尺寸第15頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四試樣標(biāo)距段的尺寸的選擇標(biāo)距段均勻的應(yīng)力狀態(tài)；無失穩(wěn)現(xiàn)象；應(yīng)變片定位好；長度、寬度及鋪層數(shù)對壓縮強(qiáng)度的影響第16頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四標(biāo)距的長度對壓縮臨界載荷的影響第17頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四加載方式試件端面施加軸向力試件側(cè)面施加切向力二者疊加試件加工及安裝精度要求高第18頁，共3

8、5頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四試驗(yàn)表明：無論加工有多仔細(xì)，也不可能使試件與端頭套底端完全接觸。薄片試件對加載條件更為敏感。試件端面施加軸向力第19頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四試件側(cè)面施加切向力需要特殊夾具Celanese夾具對試件厚度有限制及夾具加工精度要求高第20頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四聯(lián)合加載第21頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四防止屈曲和失穩(wěn)的方法第22頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四環(huán)狀試樣的壓縮對于彈性模量 的測定與環(huán)狀試件拉伸相同。環(huán)的截面內(nèi)除有壓縮應(yīng)力外，還有彎曲應(yīng)

9、力。彎曲應(yīng)力大小取決于：材料的力學(xué)性能；試樣相對尺寸；夾具結(jié)構(gòu)如用對開盤作環(huán)狀試件拉伸相同，在距間隙處環(huán)的應(yīng)力最大。主要原因是施加壓縮載荷時(shí)，有偏心效應(yīng)存在。對開盤式加載試驗(yàn)主要用于定性評價(jià)不同材料的彈性和強(qiáng)度性能。PPRh測定性能：測量數(shù)據(jù)：幾何尺寸：可測定 曲線的線性段第23頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四第24頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四除對開盤式加載方式外，還有柔性圓環(huán)和液壓式加載方式。加載的方法同拉伸時(shí)相同。RhPPPPPhR柔性圓環(huán)式加載液壓式加載第25頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四對于環(huán)狀試樣在外壓下進(jìn)行壓縮

10、試驗(yàn)時(shí)，如何正確選擇 是主要問題。在實(shí)際壓縮試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)考慮破壞壓力和相對厚度間的關(guān)系有三個(gè)定義明顯的區(qū)域。第一個(gè)區(qū)域(薄壁環(huán))中，由于失穩(wěn)而喪失承載能力。此時(shí)，失穩(wěn)的臨界壓力可由下式計(jì)算：式中：環(huán)軸線的單位長度上的臨界壓力試樣幾何形狀和各向異性的參數(shù)第二個(gè)區(qū)域中，環(huán)發(fā)生壓縮破壞。第三個(gè)區(qū)域（厚壁環(huán)）中，要考慮邊界條件，不僅要考慮 也要考慮 三個(gè)區(qū)域的邊界取決于材料的各項(xiàng)異性。第26頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四當(dāng)外力加載時(shí)，由于內(nèi)層的剝離，要正確計(jì)算壓縮強(qiáng)度通常非常困難。當(dāng)內(nèi)層片保持為環(huán)狀時(shí)的能量與同一層片剝離和失穩(wěn)后的能量之差，高于內(nèi)層片的結(jié)合能量時(shí)，內(nèi)層片發(fā)生剝離并

11、隨后失穩(wěn)。當(dāng)層片厚度為 時(shí)，臨界應(yīng)力等于：環(huán)狀試樣內(nèi)表面分層式中格里菲斯提出的比破壞能環(huán)的那半徑第27頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四由剝離造成的分層可分為兩種：對于螺旋纏繞的試樣，可能會使纏繞開始松散；對于圓周疊層的試樣，可能會出現(xiàn)逐層剝離現(xiàn)象。在測量徑向彈性模量 時(shí)也采用外壓法。這時(shí)利用外壓P對緊貼在剛性芯模上的短圓筒加壓。：在圓筒外表面測得的圓周應(yīng)變管狀試樣試驗(yàn)用于評定具有各種纖維疊層形式的絲束纏繞材料的力學(xué)性能。加載方式有內(nèi)壓和外壓兩種?？蛇M(jìn)行的試驗(yàn)有：軸向拉伸、軸向壓縮和剪切等。所加載荷：可單一種或耦合方式。如：軸向拉伸和壓縮加扭轉(zhuǎn)；第28頁，共35頁，2022

12、年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四可測得的常數(shù)：管狀試驗(yàn)主要用來評價(jià)各種增強(qiáng)纖維疊層形式的復(fù)合材料的力學(xué)性能，為了方便，常將管狀式樣看成沒有邊界效應(yīng)的無限寬的平板試樣。該種等效辦法只能有條件使用。原因：因?yàn)槎叩闹圃旆椒ú煌?；管狀件制造時(shí)，很難保證纖維含量和鋪層角度恒定；在各向異性體中，應(yīng)力張量和應(yīng)變張量的軸只是在個(gè)別情況下吻合，而受單向拉伸和壓縮時(shí)，管狀試件上的應(yīng)力狀態(tài)不能簡單的等同于板狀試件。第29頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四材料和加載方式板狀試件管狀試件板狀試件管狀試件7層碳纖維復(fù)合材料拉伸壓縮13層碳纖維復(fù)合材料拉伸壓縮13813121711730.334.54

13、9.044.8下列表中的差別，不僅是由于試件的制造方法不同，而且也是由于厚度不同以及7層和13層碳纖維復(fù)合材料的疊層順序不同所致。28116529520855.854.557.257.9第30頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四用均質(zhì)、各向異性材料制成定長的圓筒，受軸向載荷時(shí)，在材料的各向異性軸同其幾何軸重合的情況下，可由公式計(jì)算。（略）若 ，在整個(gè)橫截面上不均勻地分布著應(yīng)力 以及在縱截面上相應(yīng)有應(yīng)力 和 ；當(dāng)測定強(qiáng)度 時(shí)，必須考慮 和 是穩(wěn)定的。各向 異性管受拉壓時(shí)，只有管狀試件橫截面同材料的橫向異性平面重合（如單向復(fù)合材料管狀試件，其纖維方向和管子軸線嚴(yán)格同向時(shí)）沒有徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力。管狀試件軸向壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)：因變形集中在端部表面附近，出現(xiàn)總體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)，端面開裂和擠壓。因而，必須增加試樣的相對厚度，但同時(shí)確為保證應(yīng)力狀態(tài)均勻性增加了困難。第31頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四第32頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期四內(nèi)壓和外壓加載試驗(yàn)管子的內(nèi)壓和外壓加載試驗(yàn)，用于長絲纏繞制件的質(zhì)量控制和材料的力學(xué)性能研究（主要是周向彈性模量 和軸向強(qiáng)度 ）管中應(yīng)力狀態(tài)的均勻與否取決于材料的各向異性 和比值 第33頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，