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湿热环境下复合材料的混合型层间断裂韧性

湿热环境下复合材料的混合型层间断裂韧性
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PP_PA6_APP_OMMT复合材料的湿热老化性能研究

PP/PA6/APP/OMMT复合材料的湿热老化性能研究 作者:陈雨玲, 伍玉娇, 蒙日亮, Chen Yuling, Wu Yujiao, Meng Riliang 作者单位:陈雨玲,伍玉娇,Chen Yuling,Wu Yujiao(贵州大学材料科学与冶金工程学院,贵阳 ,550003;贵州省材料技术创新基地,贵阳,550014), 蒙日亮,Meng Riliang(东风柳州汽车有 限公司,柳州,545000) 刊名: 工程塑料应用 英文刊名:ENGINEERING PLASTICS APPLICATION 年,卷(期):2010,38(10) 参考文献(14条) 1.王晓洁;梁国正;张炜湿热老化对高性能复合材料性能的影响[期刊论文]-固体火箭技术 2006(04) 2.马建忠聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料老化性能研究 2007 3.杨育农;胡行俊;龚浏澄塑料老化与防老化技术 2007 4.郭宝春;傅伟文;贾德民湿热老化对氰酸酯树脂/酚醛环氧树脂共混物结构与性能的影响[期刊论文]-复合材料学报 2002(03) 5.肇研;梁朝虎聚合物基复合材料自然老化寿命预测方法[期刊论文]-航空材料学报 2001(02) 6.田晶;田开谟;陈光烈碳复合材料壳体老化性能[期刊论文]-玻璃钢/复合材料 2001(06) 7.叶宏军;詹美珍;古尼耶夫T300/4211复合材料的使用寿命评估[期刊论文]-材料工程 1995(10) 8.Arun Pasricha Effect of physical aging and variable stress history on the strain response of polymeric composites 1997 9.Wang J Z Physical aging behavior of high-performance composites 1995(05) 10.过梅丽;肇研;许凤和先进聚合物基复合材料的老化研究 2000 11.赵海超;杨凤;张学全原位聚合制备聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料及其结构性能表征[期刊论文]-高分子材料科学与工程 2004(02) 12.Ma Jisheng;Qi Zongneng;Hu Youliang Synthesis and characterization of polypropylene/clay nanocomposites[外文期刊] 2001(14) 13.秦怀礼;张世民;阳明书聚酰胺6/蒙脱石纳米复合材料的紫外光老化[期刊论文]-高等学校化学学报 2004(01) 14.马继盛;漆宗能;张树范插层聚合制备聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料及其结构性能表征[期刊论文]-高等学校化学学报 2001(10) 本文链接:https://www.doczj.com/doc/6575599.html,/Periodical_gcslyy201010017.aspx

复合材料大作业

先进复合材料制造技术复合材料表面的金属化 姓名丁志兵

班级05021104 学号2011301263 复合材料表面的金属化 材料作为社会进步的物质基础和先导,在人类历史发展的过程中一直都是人类进步的里程碑。每一种新材料的发现和利用都会为社会生产力的提高以及人类生活品质的提升带来巨大的变化。同时,材料制造的水平也是衡量一个国家科学技术和经济发展的重要因素之一。 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的发展具有悠久的历史,自20 世界40 年代因航空工业发展的需要而发展出的玻璃纤维增强复合材料(也称玻璃钢),复合材料这一新材料的名称因此而进入人们的视线。复合材料的出现,使得材料科学的内容产生了极大的丰富,并且因其自身的广泛而优异的性能而得到快速的发展,人们将复合材料的出现视为人类进步发展的里程碑。科学家预言:“复合材料在21 世纪中将支撑着科学技术的进步和挑起经济实力的脊梁”,“21 世纪将是复合材料的时代”,“先进复合材料在21世纪中将在航空航天技术领域中发挥越来越重要的作用”。随着时代的进步和科技的发展,复合材料结构已经广泛应用于航空航天、船舶、车辆、建筑工程等多个领域,的确,21 世纪将是复合材料的时代,复合材料必将肩负着重要的责任。 树脂基复合材料以其质轻、高比强度、高比模量、热膨胀系数小、性能可设计性等一系列优点,已经成为国内外航天器结构部件的首选材料,广泛应用于各类卫星天线、相机结构组件、裕架、太阳能电池板等。在航天器中,用复合材料代替金属材料,在保持原有力学性能,甚至更高的同时,可有效减轻航天器的重量,节约发射成本。但是,由于特殊的空间使用环境和航天技术新的发展需求,树脂基复合材料面临以下的问题,严重影响了该类材料的进一步应用。 1)空间防护能力不足,制约航天器向长寿命方向发展。 航天器在空间运行过程中要经受严酷的空间环境考验。近地轨道以大量的原子氧、紫外环境为主。原子氧是一种很强的氧化剂,对树脂基体具有很强的腐蚀作用,当航天器以极高的速度在其中运行时,相当于将航天器浸泡于高温的氧原子气体中,裸露在外的树脂基复合材料结构件表面与其作用形成挥发性的氧化物;在地球同步轨道,空间辐射环境以带电高能粒子如电子,质子和紫外线等为主,带电粒子对卫星结构件的辐射损伤主要是通过以下两个作用方式:一是电离作用,即入射粒子的能量通过被照物质的原子电离而被吸收,另外一种是原子的位移作用,即被高能粒子中的原子位置移动而脱离原来所处的晶格位置,造成晶格缺陷。高能的质子和重粒子既能产生电离作用,又能产生位移作用。所有这些作用都会导致树脂基

断裂韧性

断裂韧性(fracture toughness) 带裂纹的金属材料及其构件抵抗裂纹开裂和扩展的能力。从20世纪50年代开始在欧文(G.R.Irwin)等的努力下,形成了线弹性断裂力学,随后又发展成弹塑性断裂力学。在用它们对断裂过程进行分析和不断完善实验技术的基础上, 逐步形成了平面应变断裂韧性K IC 、临界裂纹扩展能量释放率G IC 、临界裂纹顶端 张开位移δ IC 、临界J积分J IC 等断裂韧性参数。其中下标I表示I型即张开型裂 纹,下标c表示临界值。这些参数可通过实验测定,其值越高,材料的断裂韧性越好,裂纹越不易扩展。 断裂韧性参数 (1)平面应变断裂韧性K IC 。欧文分析平面问题的I型裂纹尖端区域的各个应 力分量中都有一个共同的因子K I ,其值决定着各应力分量的大小,故称为应力强 度因子。K IC =yσ(πa)1/2,式中σ为外加拉应力;a为裂纹长度,y为与裂纹形状、 加载方式和试件几何因素有关的无量纲系数。K I 增大到临界值K IC ,K I ≥K IC 时,裂 纹失稳扩展,迅速脆断。 (2)临界裂纹扩展能量释放率G IC 。裂纹扩展能量释放率G I =-(aμ/aA),式中 μ为弹性能,A为裂纹面积。平面应力条件下,G I=k I2/E;平面应变条件下, G I =(k I 2/E)(1-v2),式中E为弹性模量,v为泊松比。G I 是裂纹扩展的动力,G IC 增 大到临界值G。即G I ≥G IC 时,裂纹将失稳扩展。 (3)临界裂纹顶端张开位移δ C 。裂纹上、下表面在拉应力作用下,裂纹顶端 出现张开型的相对位移叫裂纹顶端张开位移δ,δ增大到临界值δ C ,裂纹开始扩展。 (4)临界J积分J IC 。弹塑性断裂力学中,一个与路径无关的能量线积分 叫做J积分。式中r为积分回路,由裂纹下边缘到上边缘,以逆时针方向为正,ds为弧元,ω为单位体积应变能,u为位移矢量,T是边界 条件决定的应力矢量。线弹性和弹塑性小应变条件下,I型裂纹的J积分J I =-B-1(a μ/aA),式中B为试样厚度,a为裂纹长度。J I增大到J IC临界值,m即当J I≥J IC 时,裂纹开始扩展。 断裂韧性参数还有动态断裂韧度K Id ,应力腐蚀临界强度因子K I scc 、疲劳裂 纹扩展速率da/dN(mm/周)等。各种参数中K Ic 应用最为普遍。 K Ic 的测定各国的测试标准基本上都参考美国ASTME399。中国是 GB4161—84。按GB7732—87金属板材表面裂纹断裂韧度K Ic 试验方法规定的标准试样是紧凑拉伸试样和弯曲试样的尺寸如图1所示。

大变形复合材料柔性梁静动特性的试验研究

第12卷 第1期1997年3月 实 验 力 学 JOU RNAL O F EXPER I M EN TAL M ECHAN I CS V o l.12 N o.1 M ar.1997 大变形复合材料柔性梁静、动特性的试验研究Ξ 向锦武 (北京航空航天大学,100083) 张呈林 赵 翔 王浩文 (南京航空航天大学,210016) 摘要 本文对两种铺层的复合材料柔性梁进行了静、动特性的试验研究,重点研究了挠度、结构耦合、梁的根部安装角等对变形、固有频率的影响。得出的结论有助于直升机旋翼桨叶的设计和发展,并且验证了大挠度复合材料柔性梁的分析模型。 关键词 大挠度,柔性梁,结构耦合。 1 引言 全复合材料无轴承旋翼(包括尾桨)的出现是直升机旋翼技术的重大突破,同时也提出了许多新问题。在大桨距工作状态下,无轴承旋翼的关键部件,浆根的纤维增强层合梁元件柔性梁常常处于大变形状态。对于复合材料层合梁,由于各向异性的影响,不同的铺层将产生不同的耦合关系。而结构耦合(拉-扭,弯-扭等)对旋翼动力学及气弹稳定性影响很大。目前在理论上已发展了一些分析方法,但都有其局限性[1]。本文为了发展和验证分析模型,对两种典型铺层的复合材料柔性梁在大变形下的静、动特性进行了试验研究,得出了一些有用的结论[2]。 2 试验方法 静力试验是在如图1所示的装置上完成的。梁试件通过过渡接头固定在刚性基础上,过渡接头可保证试件绕伸展方向转动,以获得不同的根部安装角。载荷作用在梁的端点。垂直位移W通过激光水准仪测量挂在测量点处的标尺的上下移动来获得,另两个方向的位移则通过测量点处悬挂的指针在水平位置的方格纸上指示的位置来测定。 动力学试验是在静力学试验装置略作变动的基础上完成的。如图2所示,在靠近根部50mm处安装一电磁激振器,通过一软弹簧与试件相连,然后激振器通过一个放大器与频率发生器连接,另外安置的加速度拾振器通过放大器与示波器连接。由于问题的复杂性,这里试 Ξ本文工作由航空科学基金资助  本文于1995年6月5日收到第1稿,1996年3月26日收到修改稿

湿热老化对纤维增强树脂基复合材料性能的影响及机理

湿热老化对纤维增强树脂基复合材料性能的影响及机理 发表时间:2018-12-28T15:09:37.890Z 来源:《防护工程》2018年第24期作者:徐晓明 [导读] 总结了纤维增强树脂基复合材料湿热条件下的吸湿行为及影响吸湿的因素;综述了湿热老化对复合材料耐热性能和力学性能的影响,分析了其作用机理。多数树脂基复合材料吸湿的初期阶段符合费克定律,吸湿会造成树脂基体的塑化、水解,产生裂纹以及纤维/树脂基体界面破坏,从而降低材料的性能。最后对纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究提出了几点建议。 徐晓明 航天长征睿特科技有限公司天津 300450 摘要:总结了纤维增强树脂基复合材料湿热条件下的吸湿行为及影响吸湿的因素;综述了湿热老化对复合材料耐热性能和力学性能的影响,分析了其作用机理。多数树脂基复合材料吸湿的初期阶段符合费克定律,吸湿会造成树脂基体的塑化、水解,产生裂纹以及纤维/树脂基体界面破坏,从而降低材料的性能。最后对纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究提出了几点建议。 关键词:纤维增强树脂基复合材料;湿热老化;机理 复合材料湿热老化行为的研究主要通过人工加速湿热老化方法来开展,在不改变材料老化机理的前提下,用湿热试验设备模拟产品在储存、运输和使用过程中可能遇到的湿热环境条件,以考核产品对湿热环境适应性,包括湿热老化箱内湿热试验和恒温水浸试验。目前世界各国对此方面的研究多侧重于复合材料吸湿特性和湿热环境对复合材料力学性能和耐热性能的影响及机理,为了给相关研究人员提供参考,作者对此进行了综述。 1湿热老化对复合材料耐热性能的影响 纤维增强树脂基复合材料的耐热性能通常用其玻璃化转变温度(Tg)来表征,其值可以通过动态热机械分析试验(DMA)测定,通过材料在等速升温过程中的弯曲振动,测定其模量、损耗因子随温度的变化曲线,曲线上损耗最大值对应的温度即为Tg。在湿热老化过程中,树脂基体中的某些分子运动单元受到抑制或者激活,这些变化可反映到Tg的变化上。Tg主要受树脂基体的影响,研究结果显示多数树脂基复合材料的Tg随湿热时间的延长而降低,初期下降较快,随着复合材料的吸湿量趋于饱和,Tg也趋于恒定值。 湿热老化导致复合材料耐热性能变化的原因主要包含两方面:温度引起的树脂后固化(化学变化);复合材料吸湿溶胀、增塑产生的物理变化。树脂后固化增大了复合材料的交联密度,会引起Tg提高。而复合材料的吸湿,会导致水分子与基体中的某些极性基团相互作用,破坏基体内部原有极性基团相互作用而形成的交联点。另外,水分子体积较小,易渗透扩散,使基体发生增塑效应,为链段运动提供更大的自由体积,降低了材料的Tg。后固化和吸湿两种因素对Tg的影响结果相互冲突,某段时间内,具体哪种因素起主要作用因材料体系和固化工艺而异。室温固化的材料体系对后固化较敏感,湿热条件下后固化速度较快,高温固化(固化温度高于湿热试验温度)的材料体系则对后固化敏感度较低。不同材料体系的吸湿速率也不同,极性亲水基团多的体系吸湿快,缩聚固化的体系易产生较多的微孔,吸湿也较快。吸湿较快的材料体系中,吸湿引起的Tg的降低可抵消因后固化导致的Tg的升高。所以,在两种相反因素作用下,不同复合材料的耐热性能变化趋势也不完全相同。 研究表明,以DMA谱图模量曲线中模量明显下降的起始点所对应的温度(Tgmod)来衡量复合材料的耐湿热性能是较为科学的,该温度可以认为是树脂基复合材料在承力条件下的极限使用温度。其研究结果显示,T300/5284环氧树脂复合材料的Tg值随湿热老化时间的变化规律与Tgmod的变化大不相同,虽然湿热老化12h和49.5h后其Tg变化甚微,但Tgmod却有明显的变化。 2湿热老化对复合材料力学性能的影响 纤维增强树脂基复合材料吸湿后,它的力学性能将随吸湿率的变化而变化。不同力学性能(拉伸、压缩、弯曲和剪切等)有不同的影响因素,控制它们的材料参数也不同,因此,湿热环境对复合材料不同力学性能的影响取决于控制该性能的材料参数受到湿热环境影响的情况。湿热环境对复合材料力学性能的影响主要是通过对树脂基体以及增强纤维与树脂粘接界面不同的破坏程度而实现的。 研究表明,通常情况下单向复合材料的轴向拉伸性能主要受增强纤维控制,而大部分增强纤维在湿热老化过程中几乎不发生变化,所以该复合材料的轴向拉伸性能也不受湿热环境的影响。而准各向同性的层合板和单向复合材料的横向以及压缩、弯曲和剪切性能主要受树脂基体以及基体与纤维之间的界面粘结强度共同控制,故随湿热环境对基体以及基体与纤维之间界面的破坏程度增大而有所下降;温度越高、湿度越大,这些力学性能下降愈大,当达到平衡吸湿率时下降到最低点,且平衡吸湿率越大,这些力学性能保留率越低,复合材料受湿热老化破坏越严重。 当湿热老化对纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响主要通过树脂基体以及基体/纤维界面而产生作用时,具体机理包括以下几个方面:①树脂基体吸水塑化软化导致模量显著下降,其支撑作用和传递载荷的能力减弱;②树脂基体吸水产生微裂纹以及裂纹扩展,导致基体强度降低;③基体树脂与增强纤维的吸湿膨胀,但热膨胀量不一致,基体裂纹扩展至纤维、吸湿破坏基体树脂/纤维粘结界面的化学键等造成处树脂/纤维界面破坏、脱粘。湿热环境不仅影响纤维增强树脂基复合材料的力学性能,也影响其破坏模式,具体是何种破坏模式取决于基体强度和纤维/基体界面强度。若后者大于前者,则基体首先被破坏;若后者小于前者,则发生界面破坏。常温干燥环境下,多数破坏是基体和界面的混合破坏,高温高湿环境下多为界面的破坏。 如文献[3]研究了连续玻璃纤维毡增强聚丙烯复合材料(GMT/PP)的界面状态与湿热稳定性关系,研究显示未经沸水浸泡,材料层间剪切断口的拨出纤维表面粘附有少量树脂,但经沸水浸泡后,纤维的表面变得光洁,未粘有树脂,呈现典型的界面破坏。 3结束语 随纤维增强树脂基复合材料技术的发展,其产品在高新科技、高端工业和国防领域的用途越来越广,用量也不断攀升,因此其老化问题得到人们的关注。目前对纤维增强树脂基复合材料湿热老化的研究普遍存在重复性,缺乏系统性,建议今后研究中注意:(1)目前有关复合材料的湿热老化问题的研究主要集中在纤维增强环氧树脂、双马来酰亚胺树脂和乙烯基树脂等复合材料,应加强开展纤维增强其它树脂基功能复合材料及结构功能一体化复合材料的湿热老化研究,如,纤维有机硅树脂耐热透波复合材料、纤维/酚醛

山大复合材料结构与性能复习题参考答案.doc

1、简述构成复合材料的元素及其作用 复合材料由两种以上组分以及他们之间的界面组成。即构成复合材料的元素包括基体相、增强相、界面相。 基体相作用:具有支撑和保护增强相的作用。在复合材料受外加载荷时,基体相一剪切变形的方式起向增强相分配和传递载荷的作用,提高塑性变 形能力。 增强和作用:能够强化基体和的材料称为增强体,增强体在复合材料中是分散相, 在复合材料承受外加载荷时增强相主要起到承载载荷的作用。 界面相作用:界面相是使基体相和增强相彼此相连的过渡层。界面相具有一定厚度,在化学成分和力学性质上与基体相和增强相有明显区别。在复 合材料受外加载荷时能够起到传递载荷的作用。 2、简述复合材料的基本特点 (1)复合材料的性能具有可设计性 材料性能的可设计性是指通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能。显然,复合材料中包含了诸多影响最终性能、可调节的因素,赋予了复合材料的性能可设计性以极大的自由度。 ⑵ 材料与构件制造的一致性 制造复合材料与制造构件往往是同步的,即复合材料与复合材料构架同时成型,在采用某种方法把增强体掺入基体成型复合材料的同时?,通常也就形成了复合材料的构件。 (3)叠加效应 叠加效应指的是依靠增强体与基体性能的登加,使复合材料获得一?种新的、独特而又优于个单元组分的性能,以实现预期的性能指标。 (4)复合材料的不足 复合材料的增强体和基体可供选择地范围有限;制备工艺复杂,性能存在波动、离散性;复合材料制品成本较高。

3、说明增强体在结构复合材料中的作用能够强化基体的材料称为增强体。增强体在复合材料中是分散相。复合材料中的增强体,按几何形状可分为颗 粒状、纤维状、薄片状和由纤维编制的三维立体结构。喑属性可分为有机增强体 和无机增强体。复合材料中最主要的增强体是纤维状的。对于结构复合材料,纤 维的主要作用是承载,纤维承受载荷的比例远大于基体;对于多功能复合材料, 纤维的主要作用是吸波、隐身、防热、耐磨、耐腐蚀和抗震等其中一种或多种, 同时为材料提供基本的结构性能;对于结构陶瓷复合材料,纤维的主要作用是增 加韧性。 4、说明纤维增强复合材料为何有最小纤维含量和最大纤维含量 在复合材料中,纤维体积含量是一个很重要的参数。纤维强度高,基体韧性好,若加入少量纤维,不仅起不到强化作用反而弱化,因为纤维在基体内相当于裂纹。所以存在最小纤维含量,即临界纤维含量。若纤维含量小于临界纤维量,则在受外载荷作用时,纤维首先断裂,同时基体会承受载荷,产生较大变形,是否断裂取决于基体强度。纤维量增加,强度下降。当纤维量大于临界纤维量时,纤维主要承受载荷。纤维量增加强度增加。总之,含量过低,不能充分发挥复合材料中增强材料的作用;含量过高,由于纤维和基体间不能形成一定厚度的界面过渡层, 无法承担基体对纤维的力传递,也不利于复合材料抗拉强度的提高。 5、如何设才计复合材料 材料设计是指根据对?材料性能的要求而进行的材料获得方法与工程途径的规划。复合材料设计是通过改变原材料体系、比例、配置和复合工艺类型及参数,来改变复合材料的性能,特别是是器有各向异性,从而适应在不同位置、不同方位和不同环境条件下的使用要求。复合材料的可设计性赋予了结构设计者更大的自由度,从而有可能设计出能够充分发掘与应用材料潜力的优化结构。复合材料制品的设计与研制步骤可以归纳如下: 1)通过论证明确对于材料的使用性能要求,确定设计目标 2)选择材料体系(增强体、基体) 3)确定组分比例、几何形态及增强体的配置 4)确定制备工艺方法及工艺参数

断裂韧性实验报告

断裂韧性测试实验报告 随着断裂力学的发展,相继提出了材料的IC K 、()阻力曲线J J R 、)(阻力曲线CTOD R δ等一些新的力学性能指标,弥补了常规试验方法的不足,为工程应用提供了可靠的断裂判据和设计依据。下面介绍下这几种方法的测试原理及试验方法。 1、三种断裂韧性参数的测试方法简介 1. 1 平面应变断裂韧度IC K 的测试 对于线弹性或小范围的I 型裂纹试样,裂纹尖端附近的应力应变状态完全由应力强度因子I K 所决定。I K 是外载荷P ,裂纹长度a 及试样几何形状的函数。在平面应变状态下,当P 和a 的某一组合使I K =IC K ,裂纹开始失稳扩展。I K 的临界值IC K 是一材料常数,称为平面应变断裂韧度。测试IC K 保持裂纹长度a 为定值,而令载荷逐渐增加使裂纹达到临界状态,将此时的C P 、a 代入所用试样的I K 表达式即可求得IC K 。 IC K 的试验步骤一般包括: (1) 试样的选择和准备(包括试样类型选择、试样尺寸确定、试样方位选择、试样加工及疲 劳预制裂纹等); (2) 断裂试验; (3) 试验结果的处理(包括裂纹长度a 的测量、条件临界荷载Q P 的确定、实验测试值Q K 的 计算及Q K 有效性的判断)。

1. 2 延性断裂韧度R J 的测试 J 积分延性断裂韧度是弹塑性裂纹试样受I 型载荷时,裂纹端点附近区域应力应变场强度力学参量J 积分的某些特征值。测试J 积分的根据是J 积分与形变功之间的关系: a B U J ??-= (1-1) 其中U 为外界对试样所作形变功,包括弹性功和塑性功两部分,a 为裂纹长度,B 为试样厚度。 J 积分测试有单试样法和多试验法之分,其中多试样法又分为柔度标定法和阻力曲线法。但无论是单试样法还是多试样柔度标定法,都须先确定启裂点,而困难正在于此。因此,我国GB2038-80标准中规定采用绘制R J 阻力曲线来确定金属材料的延性断裂韧度。这是一种多试样法,其优点是无须判定启裂点,且能达到较高的试验精度。这种方法能同时得到几个J 积分值,满足工程实际的不同需要。 所谓R J 阻力曲线,是指相应于某一裂纹真实扩展量的J 积分值与该真实裂纹扩展量的关系曲线。标准规定测定一条R J 阻力曲线至少需要5个有效试验点,故一般要58件试样。把按规定加工并预制裂纹的试样加载,记录?-P 曲线,并适当掌握停机点以使各试样产生不同的裂纹扩展量(但最大扩展量不超过0.5mm )。测试各试样裂纹扩展量a ?,计算相应的J 积分,对试验数据作回归处理得到R J 曲线。R J 阻力曲线的位置高低和斜率大小代表了材料对于启裂和亚临界扩展的抗力强弱。 R J 阻力曲线法测试步骤一般包括: (1) 试样准备

一种复合材料的明确的大变形理论公式

一种复合材料的明确的大变形理论公式 摘要 一种几何非线性的复合材料和由此产生的显式动力有限元算法的制定。建议制定假设,小的弹性和大的塑性变形,考虑使用映射成等价各向同性空间在每个时间步长,其中组合构成的方程的整合模型变量的张量的各向异性。内部变量的演化计算的辅助空间,同时考虑到材料的非线性变形,结果映射回真实应力空间。映射张量为每一个新的空间结构的更新,使加工一般各向异性材料的大应变下,可以加工多种复合材料使用的混合理论。复合材料的变形是出于每种物质的力学响应,并由此产生的模型允许一个完全非线性的分析,结合不同的材料模型,如在一种复合物质中,在其他弹塑性变形损坏下,三分之一的物质的仍保持弹性变形。 关键词: 复合;各向异性;混合理论;构成模型 1 引言 复合材料结构的应变和应力分析通常涉及使用平均材料的机械性能,或作为一个完全新的材料复合的研究。第一种方法是相当有效的,当所有材料弹性变形,以及不同阶段之间的相互作用是线性的并依赖其在复合材料的体积参与。在第二种方法中,加载下材料的变形没有得到复合物质的隔离性能,这意味着对表征的材料常数进行更多的测试时,例如,一个新的纤维方向或另一个阶段列入参考。作者采用不同的复合物质的联合变形考虑复合材料的变形。每种材料单独考虑,允许矩阵塑化,例如,独立的纤维。 另一个要强调的一点是,各向同性是一个例外而不是一种处理复合材料的规则。因此,必须对重大高效的大应变非线性有限元算法建立一个简单,全面和有效的各向异性模型。 本文作者使用各向异性材料的机械性能,定义了两个四阶张量,建立了一个真正的应力和应变的空间和虚构的,各向同性的,应力和应变空间之间的映射。作为弹塑性行为假定,选择在虚拟空间的屈服面,以履行凸性和不变性的先决条件,可用于各向同性率本构方程的数值积分的简单和久经验证的算法。类似的程序,可以用来研究材料的破坏或蠕变。该算法是实施明确动态代码SIMPACT[1],考虑允许接触,处理点球的方法。因为基础的方案是明确的,所以刚度矩阵的计算是没有必要的。根据复合材料混合理论[2],通过添加一个外循环在确定的左手边的动力学方程,并对不同物质衡量影响整体变形的程度,紧随其后的是代码集算法的分析。 在第2节给出一个简短的讨论混合理论,而在第3节给出建议的方法来处理各向异性材料的基础上。在第4节给出的各向异性模型验证和实施的主要步骤。 2 混合理论与算法的概要 大应变的实施制定认为,这样的应变梯度张量乘法分解为 (1) 其中F是应变梯度,Fe和Fp的弹性和塑性构成。应变在其弹性和塑料零件中通常在添加剂中分解,在原有的或变形的结构也如此假设,例如,Almansi 应变

断裂韧性KIC的测定

材料力学性能实验报告 姓名:刘玲班级:材料91 学号:09021004 成绩: 的测定 实验名称断裂韧性K IC 实验目的了解金属材料平面应变断裂韧性测试的一般原理和方法 实验设备 1.万能材料试验机一台(型号CSS-88100) 2.位移传感器及自动记录装置 3.游标卡尺一把 4.显微测试仪一台 5.三点弯曲试样四个 试样示意图

试样宏观断口示意图(韧断,脆断) 图1 20钢脆断 图2 40铬韧性断口

实验记录及Q P 的确定 表1 裂纹长度a 1a /mm 2a /mm 3a /mm 4a /mm 5a /mm a /mm 03 2.478 5.0085 5.5680 5.2430 3.1925 5.2432 09 2.757 3.9505 4.134 3.992 3.1790 4.0255 403 2.800 3.4065 3.7085 3.4915 2.9185 3.5355 407 1.986 2.6595 2.9970 2.5970 16810 2.7512 表2 试样各数据 试样编号 试样材料 屈服强度(MPa) 高度W(mm) 宽度B(mm) 03 40Cr800℃+ 100℃回火 1050 25.00 12.50 09 25.00 12.50 403 20#钢退火态 370 25.00 12.00 407 25.00 12.00 表3 各试样实验测得的Q P 值及max P 试样编号 Q P (N) max P (N) 03 13270.126 13270.126 09 26650.307 26650.307 403 407 14523.800 16479.500

断裂韧性基础

第六章 断裂韧性基础 第一节Griffith 断裂理论 第二节裂纹扩展的能量判据 能量释放率G 裂纹扩展单位面积时,系统所提供的弹性能量 U A ??是裂纹扩展的动力,此力叫裂纹扩展力或称为裂纹扩展时的能量释放率。以1G 表示(1表示Ⅰ型裂纹扩展)。G 与外加应力,试样尺寸和裂纹有关,而裂纹扩展的阻力为 2()s p γγ+,随 1,a G σ↑→↑→增大到某一临界值时,1G 能克服裂纹失稳扩展阻力,则裂纹使失稳扩 展而断裂,这个1G 的临界值它为1c G ,称为断裂韧性。表示材料组织裂纹试稳扩展时单位面积所消耗的能量。 平面应力下: 2 211,C c C a a G G E E σπσπ= = 平面应变下: 2 22211(1)(1),C c C a v v a G G E E σπσπ--== G 的单位1 2 MPa m - ?。 第三节 裂纹顶端的应力场 可看成线弹性体12005001000s s MPa MPa σσ?? =??=-??? 玻璃,陶瓷高强钢 的横截面中强钢低温下的中低强度钢 6.3.1三种断裂类型 ?? ??? 张开型断裂滑开型断裂撕开型断裂 最危险Ⅰ型 6.3.2Ⅰ型裂纹顶端的应力场 无限大平板中心含有一个长为2a 的穿透裂纹,受力如图 欧文(G 。R 。Irwin )等人对Ⅰ型裂纹尖端附近的应力应变进行了分析,提出应力应变场的

数字解析式,由此引出了应变场强度因子 1 K的概念。并建立了裂纹失稳扩展的K判据和断 裂韧性 1C K。 若用极坐标表达式表达,则有近似数字表达式: 当裂尖某点不确定,即,rθ一定后,应力大小均由1K决定———盈利强度因子1K 故 1 K大小反映了裂纹尖端应力场的强弱,取决于应力大小,裂纹尺寸。 6.3.3 应力场强度因子及判据 将上面应力场方程写成: () ij ij f σθ = 其中 1 K Y = Y:形状系数。对无限大板Y=1。 1 K: 1 2 MPa m- ? 1 1 1 , , a K K a a K σ σ σ ?↑→↑ ? ? ? ↑→↑ ?? 不变 是一个决定于和的复合物理量 不变 当此参量达到临界时,在裂纹尖端足够大的范围内,应力便会达到断裂强度,裂纹便沿着X 轴失稳扩展,从而使材料断裂。这个临界或失稳状态的 1 K值记为 1C K→断裂韧性。 1C K为平面应变的断裂韧性,表示在平面应变下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力,显然 1C K Y = 可见,材料的 1C K越高,则裂纹体的断裂应力或临界断裂尺寸就越大,表明难以断裂。因此1C K是材料抵抗断裂的能力 11 1 S C s C K K K σ σσ σ → ? ? ↑→ ? ? ↑→ ? ?→ ? 和力学参量,且和载荷,试样尺寸有关,和材料无关 当临界时,材料屈服 当K临界时,材料断裂 和材料的力学性能指标,且和材料成分,组织结构有关而和载荷及试样尺寸无关 断裂判据: c a 或 1C Y K ≥

断裂韧性试验

断裂韧性试验 创建时间:2008-08-02 test for fracture toughness 在线弹性断裂力学及弹塑性断裂力学基础上发展起来的一种评定材料韧性的力学试验方法(见断裂力学)。 20世纪以来,曾发生过多起容器、桥梁、舰船、飞机等脆断事故;事故分析查明,断裂大多起源于小裂纹。为解决金属脆断问题,美国在1958年组成ASTM断裂试验专门委员会,目的是建立有关测定材料断裂特性的试验方法。于1967年首次制定了用带疲劳裂纹的三点弯曲试样(图1 [两种常用断裂韧性试 样])测定高强度金属材料平面应变断裂韧性操作规程草案,并于1970年颁发了世界第一个断裂韧性试验标准ASTME399-70T。此后,断裂韧性试验受到世界各国的普遍重视并蓬勃发展。中国于1968年前后开始这方面的试验研究。 取样原则由于裂纹或类裂纹缺陷是导致工程结构断裂的主要原因,所以断裂韧性试验采用带尖锐裂纹的试样(图1[两种常用断

裂韧性试样]),用 直接观察或间接测量法连续监测裂纹的行为;如用夹式引伸计连续测量裂纹嘴张开位移随载荷的变化(图2[用夹式引伸计测裂纹嘴张开位移随载荷变化的曲线]随载荷变化的曲线" class=image>),以测定材料抗裂纹扩展的能力及裂纹在疲劳载荷或 应力腐蚀下的扩展速率;求得平面应变断裂韧度[ic]、动态断裂韧度[id]、裂纹临界张开位移,应力腐蚀临界强度因子[111-21] [kg2],疲劳裂纹扩展速率d/d(毫米/周)等断裂韧性参数。其中,角标Ⅰ代表张开型裂纹,或称Ⅰ型裂纹,角标c代表临界值。此外,尚有滑开型(Ⅱ型)裂纹,撕开型(Ⅲ型)裂纹(图3 [裂纹的扩展 类型示意图])。Ⅰ型裂纹最易引起脆断,所以目前断裂韧性试验多限于Ⅰ型加载。

断裂韧性的结果分布

断裂韧性 编辑词条参与讨论 所属分类:冶金术语化学各种化学名称机械机械工程机械零件金属加工 表征材料阻止裂纹扩展的能力,是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和温度一定的条件下,对某种材料而言它是一个常数。当裂纹尺寸一定时,材料的断裂韧性值愈大,其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大;当给定外力时,若材料的断裂韧性值愈高,其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。 目录 ?? 概述 ?? 规律与测试 ?? 论文 ?? 参考资料 断裂韧性-概述 构件经过大量变形后发生的断裂。主要特征是发生了明显的宏观塑性变形(不包括压缩失稳),如杆件的过量伸长或弯曲、容器的过量鼓胀。断口的尺寸(如直径、厚度)比原始尺寸也明显变化。韧性断裂的断口一般能寻见纤维区和剪唇区。断口尺度较大时还出现放射形及人字形山脊状花纹。形成纤维区断口的断裂机制一般是“微孔聚合”,在电子显微镜中呈韧窝状花样。韧性断裂一般由超载引起,而材料的塑性与韧性又很优良。纤维区一般是断裂源区。剪切唇总是在断口的边缘,并与构件的表面约成45°夹角,是在平面应力受力条件下发生剪切撕裂而形成的断口,剪切唇表面较光滑,断裂时的名义应力高于材料的屈服强度。 断裂韧性-规律与测试 随着概率断裂力学工程应用的逐步深入,材料断裂韧性分散性问题,已成为影响含缺陷结构概率安全评定的关键因素之一。合理解决材料断裂韧性分散性是一个十分复杂的问题。一方面巾于冶金过程等方面的偏差,造成材料断裂韧性的分散性;另一方面由于试样几何尺寸、裂纹长度测量等试验误差,亦会导致测试结果的不确定性,还有不同测试规范和标准对测试数据的处理也会导致测试结果的不

确定性。若缺陷位厂焊接部位,影响因素将更加复杂。除上述原因外,还会有诸如焊接上艺、焊材、以及不同操作人员及焊后热处理等因素导致断裂韧性测试结果分散性更加严重。尽管分析和解决其分散性问题如此复杂,十分困难,然而,在对含缺陷焊接结构(尤其是工业锅炉、压力容器和管道)进行安全评定时,重点就是焊接接头区而不是母材。如何处理断裂韧性的分散忭问题已成为工程界不可回避的问题,也是概率安全评定应解决的基本问题之—。 对材料断裂韧性分散性规律的研究,在理论和实践上均已取得较大进展。 Wallin分别根据Weibuli统计模型和微结构分析模型,推得基于断裂韧性尺I(单位:MN·m-3/2)失效准则的累积失效概率 并从理论上得到Kl服从形状参数m:为4的Weibull分布,同时指山m1不等于4是由厂测试数据不够而造成的,并且认为延性撕裂和材料非均匀性对分散性只具有较轻微的影响。这一理论建立在裂尖小范围有效体积基础上。 Slatcher将裂尖等效为多个单元的串联模型,推导出基寸:断裂韧性,J(单位:N/inlTl)失效准则的累积失效概率 式中,a=B中,B为试样宽度,中为常数;B=2。 这一理沦基于如下假设: 1)裂纹体能被分成若干单元,任一单元的失效意味着整体失效,各单元强度彼此独立且同分布。 2)第一个失效单元的应力和应变与裂尖应力场强度,J和该单元到裂尖的垂直距离r有关,仅由r/J确定。 3)第一千失效单元必须位于r和O定义的区域内(r,O为该单元的柱坐标)对任何O均有Jg(O)≤r≤Jh(O)。g(O)和h(O))为o的函数,分别为该区域的内、外界限。 由式(5.2)可知,理论上断裂韧性/服从形状参数为2的双参数威布尔分布。对充分小的试验数据集,式(5.2)比对数正态分布和威布尔分布能更好地描述断裂韧性的分布规律。 Neville提出了另一种描述断裂韧性分布的模型,该模型不用作任何假设和近似处理。由断裂韧性构成一个样本u,样本u中的子样ui由g2,J2或K1确定,g2,J2或K1分别由CTOD、JIC和Kic的测试数据计算得到。累积失效概率由如下双参数分布函数表达 式中,a,b为分布参数。 Neville将该模型分别对几组断裂韧性的测试数据进行厂分析,结果表明该模型应用方便,与实测数据分布吻合较好,并略偏保守。 Hauge和Thualow分别采用Weibull分布、Log—Normal分布、Slather模型以及Neville模型,对两组CTOD数据(86个母材和16个焊材)进行了统计分析,其主要结论如下: 1)两组CTOD数据并非服从形状参数为2的Weibull分布(或Slather模型);双参数Weibull分布、Log—Normal分布和Neville分布都适宜拟合这些数据。 2)90%置信限的中位期望值可较好地由I.og—Normal分布得到;对于只有三个子样时,能较好地等效于三个值十取最小值的方法;对大子样,Log—Normal 吻合更好。

金属的断裂韧性

第四章金属的断裂韧性 断裂是工程构件最危险的一种失效方式,尤其是脆性断裂,它是突然发生的破坏,断裂前没有明显的征兆,这就常常引起灾难性的破坏事故。自从四五十年代之后,脆性断裂的事故明显地增加。 1.强度储备法,许用应力,强度储备系数(安全系数) 按照传统力学设计,只要求工作应力σ小于许用应力[σ],即σ<[σ],就被认为是安全的了。而[σ],对塑性材料[σ]=σs/n,对脆性材料[σ]=σb/n,其中n为安全系数。经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。 2.低应力脆性断裂(低应力脆断):高强度机件及中低强度大型件。 3.裂纹体:传统力学是把材料看成均匀的,没有缺陷的,没有裂纹的理想固体,但是实际的工程材料,在制备、加工及使用过程中,都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。 4.人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的,当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时,就会突然破裂。因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题,断裂力学就应运而生。可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学,它给出了含裂纹体的断裂判据,并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性,用它来比较各种材料的抗断能力。断裂力学,建立了材料性质、裂纹尺寸和工作应力之间的关系。 5.断裂韧性,断裂韧度 §4.1 线弹性条件下的断裂韧性 断口分析表明,金属机件的低应力脆断断口没有宏观塑性变形痕迹,可以应用线弹性断裂力学。两种分析方法:(1)应力场强度分析方法;(2)能量分析方法。 一、裂纹扩展的基本形式 根据外加应力与裂纹扩展面间的取向关系,裂纹主要有三种基本形式: 张开型(I型),滑开型(II型)、撕开型(III型)。 二、应力场强度因子K I及断裂韧性K IC

断裂韧性实验报告

断裂韧性测试实验报告 随着断裂力学得发展,相继提出了材料得、、等一些新得力学性能指标,弥补了常规试验方法得不足,为工程应用提供了可靠得断裂判据与设计依据。下面介绍下这几种方法得测试原理及试验方法。 1、三种断裂韧性参数得测试方法简介 1、1平面应变断裂韧度得测试 对于线弹性或小范围得型裂纹试样,裂纹尖端附近得应力应变状态完全由应力强度因子所决定。就是外载荷,裂纹长度及试样几何形状得函数。在平面应变状态下,当与得某一组合使=,裂纹开始失稳扩展。得临界值就是一材料常数,称为平面应变断裂韧度。测试保持裂纹长度a为定值,而令载荷逐渐增加使裂纹达到临界状态,将此时得、代入所用试样得表达式即可求得。 得试验步骤一般包括: (1)试样得选择与准备(包括试样类型选择、试样尺寸确定、试样方位选择、试样加工及疲劳预制裂纹等); (2)断裂试验; (3)试验结果得处理(包括裂纹长度得测量、条件临界荷载得确定、实验测试值得计算及有效性得判断)。 1、2延性断裂韧度得测试 积分延性断裂韧度就是弹塑性裂纹试样受型载荷时,裂纹端点附近区域应力应变场强度力学参量积分得某些特征值。测试积分得根据就是积分与形变功之间得关系: (1-1) 其中为外界对试样所作形变功,包括弹性功与塑性功两部分,为裂纹长度,为试样厚度。

积分测试有单试样法与多试验法之分,其中多试样法又分为柔度标定法与阻力曲线法。但无论就是单试样法还就是多试样柔度标定法,都须先确定启裂点,而困难正在于此。因此,我国GB2038-80标准中规定采用绘制阻力曲线来确定金属材料得延性断裂韧度。这就是一种多试样法,其优点就是无须判定启裂点,且能达到较高得试验精度。这种方法能同时得到几个积分值,满足工程实际得不同需要。 所谓阻力曲线,就是指相应于某一裂纹真实扩展量得积分值与该真实裂纹扩展量得关系曲线。标准规定测定一条阻力曲线至少需要5个有效试验点,故一般要5 8件试样。把按规定加工并预制裂纹得试样加载,记录曲线,并适当掌握停机点以使各试样产生不同得裂纹扩展量(但最大扩展量不超过0、5mm)。测试各试样裂纹扩展量,计算相应得积分,对试验数据作回归处理得到曲线。阻力曲线得位置高低与斜率大小代表了材料对于启裂与亚临界扩展得抗力强弱。 阻力曲线法测试步骤一般包括: (1)试样准备 ①试样尺寸得选择原则: 1)平面应变条件:标准规定 (1-2)其中 2)积分有效性条件 一般,当不易估计时,可用求出得估计值 ②疲劳预制裂纹:

陶瓷材料断裂韧性的测定(优选材料)

实验陶瓷材料断裂韧性的测定 一、前言 脆性材料的破坏往往是破坏性的,即材料中裂纹一旦扩展到一定程度,就会立即达到失稳态,之后裂纹迅速扩展。材料的断裂韧性可以用来衡量它抵抗裂纹扩展的能力,亦即抵抗脆性破坏的能力。它是材料塑性优劣的一种体现,是材料的固有属性。裂纹扩展有三种形式:掰开型(I型)、错开型(II型)、撕开型(III型),其中掰开型是最为苛刻的一种形式,所以通常采用这种方式来测量材料的断裂韧性,此时的测量值称作K IC。在平面应变状态下材料K IC 值不受裂纹和几何形状的影响。因此,K IC值对了解陶瓷这一多裂纹材料的本质属性,具有非常重要的意义。 目前,断裂韧性的测试方法多种多样,如:单边切口梁法(SENB)、双扭法(DT)、山形切口劈裂法、压痕法、压痕断裂法等。其中,有些方法技术难度较高,不太容易实现大规模实用化;有些方法会出现较大测量误差,应用起来存在一定困难。相对而言,比较普遍采用的SENB法,该方法试样加工较简单,裂纹的引入也较容易。 本实验采用SENB法进行。但是,这种方法存在裂纹尖端钝化、预制裂纹宽度不易做得很窄等缺陷;另外,它适用于粗晶陶瓷材料,对细晶陶瓷其所测的K IC值偏大。 二、仪器 测试断裂韧性所需仪器如下: 1.材料实验机 对测试材料施加载荷,应保证一定的位移加载速度,国标规定断裂韧性测试加载速度为0.05mm/min。 2.内圆切割机 用于试样预制裂纹,金刚石锯片厚度不应超过0.20mm。 3.载荷输出记录仪 输出并记录材料破坏时的最大载荷,负荷示值相对误差不大于1。本实验在材料实验机上配置了量程为980N的称重传感器输出载荷,采用电子记录仪记录断裂载荷。 4.夹具 保证在规定的几何位置上对试样施加载荷,试样支座和压头在测试过程中不发生塑性变形,材料的弹性模量不低于200GPa。支座和压头应有与试样尺寸相配合的曲率半径,长度应大于试样的宽度,与试样接触部分的表面粗糙度R a(根据规定不大于1.6μm)。试样支座为两根二硅化钼发热体的小圆柱,置于底座两个凹槽上。压头固定在材料实验机的横梁上。 5.量具 测量试样的几何尺寸和预制裂纹深度,精度为0.0lmm,需使用游标卡尺和读数显微镜。 三、试样的要求 试样的形状是截面为矩形的长条,试样表面要经过磨平、抛光处理,对横截面垂直度有一定的要求,边棱应作倒角。在试样中部垂直引入裂纹,深度大约为试样高度的一半,宽度应小于0.2mm。试样尺寸比例为: c/W=0.4~0.6 L/W=4 B≈W/2 式中:c-裂纹深度;

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