材料力学第13章非金属材料的力学性能简介

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1、第13章　非金属材料的力学性能简介第13章非金属材料的力学性能简介13.1复合材料的力学性能13.2聚合物的力学性能13.3陶瓷材料的力学性能13.1复合材料的力学性能13.1.1引言结构复合材料是用人工办法将高强度、高模量纤维与韧性基体材料结合起来而形成的新型结构材料。由于复合材料的比强度、比刚度、耐热性、减震性和抗疲劳性都远远优于作为基体的原材料，近年来愈来愈多地受到人们的重视。复合材料有着与其他工程材料力学性能的共同点，也有其自身的许多特点。本节主要介绍单向复合材料的力学性能及其特点。1．对单向连续纤维复合材料的基本假设连续纤维在基体中呈同向平行等距排列的复合材料叫单向连

2、续纤维增强复合材料。考虑如图13－1所示的单向无纬铺层的复合材料，从细观角度可将它看做两种材料构成的非均匀材料。其中，纤维方向称为纵向，该方向的力学性能最强，与纤维垂直的方向称为横向，分别记作L向和T向，或者用“1”和“2”表示。为方便地预测这种复合材料的基本力学性能，可先作出如下基本假设：　　（1）各组分材料都是均匀的，纤维平行等距地排列，其性质分布与直径也是均匀的。　　（2）各组分材料都是连续的，且单向复合材料也是连续的，即认为纤维与基体结合良好。因此当受力时，在与纤维相同方向上各组分的应变相等。　　（3）各相在复合状态下，其性能与未复合前相同。基体和纤维是各向同

3、性的。　　（4）加载前，组分材料和单向复合材料无应力；加载后纤维与基体间不产生横向应力。图13－12.代表性体元根据上述假设，单向复合材料宏观上是均匀的，因此可取一单元体进行研究。这种单元体的选取，应当小得足以表示出细观材料的组成结构，而又必须大得足以能代表单向复合材料体内的全部特性。这样的单元体经适当简化后称为代表性体元。在代表性体元中，对于单向复合材料而言，其应力应变在宏观上是均匀的，而从细观角度来说，因为由两种不同的材料构成，所以应力应变又是不均匀的。利用代表性体元各组分材料应力－应变关系所反映的弹性性能和强度，可建立起单向连续纤维增强复合材料应力－应变关系所反映的弹性性

4、能和强度。根据这一思路，分析复合材料的弹性性能和强度。由图13－1所示的复合材料，可取如图13－2(a)所示的单元体，即取一根纤维嵌入基体薄片中的形式。将纤维简化为矩形，且与单元体中基体的宽度相同，并取宽为l，单元体中纤维的厚度tfb与基体厚度tm之比正好等于单向复合材料中纤维体积含量与基体体积含量之比。单元体长度是任意的，为方便取单位长度(见图13－2(b))。把这样的正方体体积元作为代表性体元。图13－213.1.2复合材料的纵向力学性能1.纵向弹性模量设在代表性体元的纤维方向(L向)上，作用在复合材料上的力为PL，细观上则分别由纤维和基体来承受PL，即(13－1)Pfb和Pm

5、分别表示纤维和基体承受的载荷。当用应力表示时，则有(13－2)式中，σL、σfb和σm分别表示作用在复合材料、纤维和基体上的应力；AL、Afb和Am分别表示复合材料、纤维和基体的横截面积。各组分所占的体积分数为因此(13－4)由基本假设（2）可知(13－5)式中εL、εfb和εm分别代表复合材料、纤维和基体的应变。若应力－应变均遵循胡克定律，则(13－6)式中EL、Efb和Em分别代表复合材料、纤维和基体的弹性模量。将式(13－5)、式(13－6)代入式(13－4)，得(13－7)式（13－4）和式（13－7）表明，纤维和基体对复合材料的力学性能所作的贡献与它们的体积分数成正比，这

6、种关系称为混合定则(RuleofMixtures)。显然，Vfb+Vm=1，式(13－7)还可以进一步改写为(13－8)当施加拉伸载荷时，按式(13－7)预测的值与实验结果接近；而为压缩载荷时，按式(13－7)预测的值偏离实验结果较大。例如：碳纤维／环氧树脂复合材料，Efb＝180GPa，Vfb=0.548,Em=3GPa时算得EL=100GPa，拉伸实测值为103.9GPa，与预测值较接近，而压缩实测为84.5GPa，与预测值差别较大。2.纵向应力－应变曲线图13－3同时绘出了纤维、基体和复合材料的纵向应力－应变曲线。　　可以看出，复合材料的应力－应变曲线在纤维和基体的应力

7、－应变曲线之间。复合材料应力－应变曲线的位置取决于纤维和基体的力学性能，同时也取决于纤维的体积分数。纤维的体积分数越高，复合材料应力－应变曲线越接近纤维的应力－应变曲线；反之，当基体体积分数较高时，复合材料应力－应变曲线则接近基体的应力－应变曲线。图13－3复合材料的应力－应变曲线按其变形和断裂过程，可分为四个阶段：①纤维和基体的变形都是弹性的；②纤维的变形仍是弹性的，但基体的变形是非弹性的；③纤维和基体两者的变形都是非弹性的；④纤维断裂，进而复合材料断裂。　　第1