《复合材料学之》PPT课件

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1、复合材料学之二复合理论2.1复合强度理论2.2复合材料的相容性2.3基体与增强材料的润湿性2.1复合强度理论2.1.1分散强化原理（Vp=10~15%）分散强化复合材料是由细微硬质点与金属基体复合而成。作为增强剂的硬质点主要是金属氧化物、碳化物和硼化物等。分散强化原理：与析出强化机理相似，可用Orowan位错绕过机制说明。载荷主要由基体负担，分散硬质点阻碍基体中的位错运动，质点阻止位错运动能力越大，强化效果越好。在切应力的作用下，位错滑移，遇到硬质点位错线弯曲，位错弯曲部分曲率半径R为：式中：Gm－基体剪切模量b－柏氏矢量若质点间距为Dp，在剪应力的作用下，位错线曲率半径R＝Dp/2时，复

2、合材料产生塑性变形，此时剪应力为复合材料的屈服强度：位错的产生：当作是一空心圆筒沿滑移面切开，然后沿滑移方向推进b的距离，作用力由零逐渐增加到，因此平均的作用力为0.5。这样，单位长度位错的弹性能为：所以，位错的线张力即增加单位长度位错所需的功一般R＝100r0，所以当位错受切应力作用下，设曲率半径为R，位错受力平衡时，有：所以，有：当质点间距离为Dp时，基体剪切模量为Gm，时如果质点直径为d，体积分数为Vp，质点弥散且均匀分布，则：可得：因此：质点尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好，一般Vp=10~15%，d＝0.1~0.01um2.1.2颗粒增强原理颗粒增强复合材料是由尺寸较大（>1微

3、米）的坚硬颗粒与金属基体复合而成。载荷主要由基体承受，但颗粒也承受载荷并约束基体的变形。颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好。在外力作用下，基体内位错的滑移在基体－颗粒界面上受到阻止，并在颗粒上产生应力集中，其值：σσi由位错理论，应力集中因子为：得到：当应力集中达到颗粒断裂强度时，颗粒开始破坏，产生裂纹，引起复合材料变形，有：因此颗粒增强复合材料的屈服强度为：把质点直径、体积分数和质点间距的关系式代入得：因此：质点尺寸越小，体积分数越高，强度越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。在实际用的颗粒增强复合材料中，增强颗粒直径为1～50微米，体积分数为5～50％。颗粒增强分析应力分布应变分

4、布2.1.3纤维增强原理纤维增强复合材料是由连续纤维或不连续（短）纤维与金属基体复合而成。复合材料受力时，高强度、高模量的增强纤维承受大部分载荷，而基体主要作为媒介，传递和分散载荷。通常纤维增强复合材料的弹性模量和断裂强度与各组分性能关系如下：强度增强率：复合材料强度与基体强度之比，它表示复合材料的增强效果。分散强化的强度增强率：颗粒增强复合材料强度增强率：在分散强化和颗粒增强复合材料中，强度增强率与质点或颗粒体积分数、直径及其分布有关，一般说，质点越细，增强率F越大。分散强化时，质点尺寸在0.1~0.01微米时，F＝4～15。质点再细就容易形成固溶体如质点较大，在0.1~1微米时，F＝1～

5、3，增强效果不明显。因为质点尺寸在此范围内易产生应力集中，强度下降。纤维强化时的强度增强率：Al-CAl-SiO2Al-Al2O3Ag-Al2O3Cu-WAl-不锈钢2.1.4连续纤维增强复合材料得复合准则复合材料的弹性模量是由组成材料的特征、增强材料的取向和体积分数决定的。1）纵向弹性模量：假设增强纤维连续、均匀、平行排列于基体中，形成单向增强复合材料，纤维轴向为纵向（L），垂直于纤维轴向为横向（T）。在L方向受拉时，计算模型如下图所示。设L向拉力P，且纤维与基体界面牢固，变形时无相对滑动，即基体与纤维应变相同，基体将力通过界面完全传递给纤维，根据力平衡关系，有：P－载荷A－复合材料截面积

6、－基体体积分数因此复合材料流动应力为：当纤维与基体都在弹性变形时，由虎克定律：可以得到：因为：所以：随着纤维体积分数增加，单向增强复合材料的纵向弹性模量增加。颗粒增强效果模拟计算应力分布应变分布2）横向弹性模量：当纤维条件分数较小时，纤维和基体成串联，简化成模型1。当纤维含量较高时，纤维紧密接触，其间有基体但极薄，可认为这部分基体变形与纤维一致，就是说可以看成沿横向互相接触而连通，简化成并联模型2：当体积分数较小时，根据模型1，在横向载荷P作用下，复合材料的横向伸长量等于纤维横向伸长量与基体横向伸长量之和在弹性变形范围内，复合材料的横向流动应力为：即纤维受应力为：基体应力为：代入得：式中：根

7、据假设：代入得：当纤维含量较大时，纤维和基体之间发生胶联、摩擦等作用，纤维之间连通，增加了载荷传递部位，影响或阻止了横向变形，简化成模型2。结果：推导模型2得横向弹性模量2.1.5单向连续纤维增强复合材料得泊松比定义：纵向泊松比是单向连续纤维增强复合材料沿纤维方向弹性拉伸或压缩时，其横向应变与纵向应变之比的绝对值。设b为复合材料总宽度，为纤维总宽度，为基体总宽度。当沿纤维纵向受力时，纵向产生应变，横向应变，因