复合材料拉伸试验PPT

1、复合材料拉伸实验复合材料拉伸实验 一、一、板状试件的拉伸板状试件的拉伸 单向拉伸是复合材料力学性能试验应用单向拉伸是复合材料力学性能试验应用最广最广，研究最多的一种方法。前苏、美、，研究最多的一种方法。前苏、美、 德、英各自的标准加入德、英各自的标准加入iso后，我国参照后，我国参照iso也建立了自己的国标（也建立了自己的国标（gb）。）。 拉伸时的难点拉伸时的难点： 在整个标距段难以建立均匀的应力状态。在整个标距段难以建立均匀的应力状态。 由于测量弹性常数和断裂强度对试件所受的应力状态要求不同；根据圣维南原理，由于测量弹性常数和断裂强度对试件所受的应力状态要求不同；根据圣维南原理， 各向异性

2、材料的表现最为突出；同传统的材料相比，试件的端部效应更为明显。各向异性材料的表现最为突出；同传统的材料相比，试件的端部效应更为明显。 为了即避免边界效应的影响，又能较为准确测定刚度，势必增加试件的长度，但为了即避免边界效应的影响，又能较为准确测定刚度，势必增加试件的长度，但 同时可能带来破坏模式的改变。因此，必须保证试件的数量和尺寸不同的试件。同时可能带来破坏模式的改变。因此，必须保证试件的数量和尺寸不同的试件。 测定强度时常见的误差：测定强度时常见的误差： 处理试验结果所用的数学公式与试件破坏形式不适应；处理试验结果所用的数学公式与试件破坏形式不适应； 原因：实际测量时，往往因纵向层间分离、

3、剪切或标距外破坏、卡具内破坏的发生原因：实际测量时，往往因纵向层间分离、剪切或标距外破坏、卡具内破坏的发生 而造成。而造成。 解决办法：解决办法：加紧形式、对中、防滑加紧形式、对中、防滑。 应力应变曲线应力应变曲线 纤维聚合物复合材料的拉伸应力应变曲线取决于：纤维聚合物复合材料的拉伸应力应变曲线取决于： 1、增强相和铺层方式；、增强相和铺层方式； 2、增强相与基体的相互作用；、增强相与基体的相互作用； 3、对中问题；、对中问题； 4、试验环境、试验环境 试验发现：试验发现： 单向单向玻璃纤维增强复合材料的应力应变曲线在材料破坏前是玻璃纤维增强复合材料的应力应变曲线在材料破坏前是线性线性的；的；

4、 正交正交增强的、增强的、非编织非编织的玻璃纤维复合材料和玻璃布材料的应力应变关系曲线是的玻璃纤维复合材料和玻璃布材料的应力应变关系曲线是 由两条或多条斜率由两条或多条斜率不同的直线不同的直线组成。组成。 折点存在原因：折点存在原因： 1、材料的局部破坏为主要原因；、材料的局部破坏为主要原因； 2、设备的不完善；、设备的不完善； （ ） strain stress x y z 关于泊松比关于泊松比 问题与难点：问题与难点： 在拉伸条件下，纤维聚合物复合材料的泊松比并非不变值，而是随着载荷的增加在拉伸条件下，纤维聚合物复合材料的泊松比并非不变值，而是随着载荷的增加 而减小，有时会出现而减小，有时

5、会出现负的泊松比负的泊松比。 分析其主要原因：泊松比的符号取决于增强纤维的分析其主要原因：泊松比的符号取决于增强纤维的铺设方向和顺序铺设方向和顺序，反映在边缘，反映在边缘 效应上。因此，对增强纤维的横向相对应变进行测量时困难；效应上。因此，对增强纤维的横向相对应变进行测量时困难； 解决办法：解决办法： 取取厚与宽相同厚与宽相同的承均质叠层的试样上测定泊松比，且由单向材料的试样测量，并的承均质叠层的试样上测定泊松比，且由单向材料的试样测量，并 加载水平给予说明。加载水平给予说明。 测量值及计算公式测量值及计算公式 ：横截面上的正应力，当试件加载的破坏时，既是最大正应力载荷时：横截面上的正应力，当

6、试件加载的破坏时，既是最大正应力载荷时： 材料发生破坏，材料发生破坏， 既是该材料的破坏强度既是该材料的破坏强度 。 纵向应变：纵向应变： 标距长度的增量标距长度的增量 x p s x x t x t x l l 1 lll 弹性模量的确定弹性模量的确定： 实际测量时，若测得的应力应变曲线实际测量时，若测得的应力应变曲线无线性段无线性段，只能测定，只能测定正切正切或或正割正割时时 的弹性模量。的弹性模量。 泊松比的确定：泊松比的确定： 1 1 . iii x x ii xx plp e sls : i p i x ： 载 荷 增 量 ； s : 试 样 标 距 的 横 截 面 积 ； l :

7、引 伸 计 的 跨 度 ； l : l 的 变 形 ； 电 阻 应 变 片 测 定 的 应 变 ； , i i yi z yxzx ii xx i tlt i tll ll ll : : tt lt ll ll 试样在基长 上的横向变形； 试样在基长 上的纵向变形； / ii lllttt llll式中： 和可直接用电阻应变片测量； 破坏模式破坏模式 纤维聚合物的破坏模式主要是由于增强纤维聚合物的破坏模式主要是由于增强叠层形式叠层形式、各组分各组分的材料的力学的材料的力学 性能及组分间的作用，工艺性能及组分间的作用，工艺缺陷缺陷（空隙、纤维波纹度等）、以及试样（空隙、纤维波纹度等）、以及试样尺

8、寸尺寸 所决定。所决定。 几种破坏模式：几种破坏模式： 沿纤维增强方向加载的单向复合材料，通常因增强沿纤维增强方向加载的单向复合材料，通常因增强纤维断裂纤维断裂而破坏；而破坏； 纤维含量低的材料，纤维含量低的材料，聚合物聚合物基体在增强纤维断裂之前破坏；基体在增强纤维断裂之前破坏； 单向纤维复合材料上的载荷与纤维方向有夹角时，破坏随角度而变化；单向纤维复合材料上的载荷与纤维方向有夹角时，破坏随角度而变化； 1、小角度时，由于剪切以及平行于增强纤维方向的聚合物、小角度时，由于剪切以及平行于增强纤维方向的聚合物基体剥离基体剥离，而是，而是 材料开始破坏；材料开始破坏； 2、角度加大时，由于拉应力起

9、着主要作用，极端情况下，因聚合物基体、角度加大时，由于拉应力起着主要作用，极端情况下，因聚合物基体横横 向断裂向断裂而破坏；而破坏； ! 只有仔细观察、记录、分析被测试件破坏模式，才能提炼只有仔细观察、记录、分析被测试件破坏模式，才能提炼 出反映出反映真实物理客观事实真实物理客观事实的理论模型，才能真正指导材料的设的理论模型，才能真正指导材料的设 计、和优化出完美的材料。计、和优化出完美的材料。 加载条件加载条件 根据试验的目的有选择加载。根据试验的目的有选择加载。 弹性常数的弹性常数的 测定：测定： 先加载到预期静强度的先加载到预期静强度的1020，然后，降低到静强度，然后，降低到静强度 的

10、的5之后再开之后再开 始加载。始加载。 破坏强度的测定：破坏强度的测定： 可直接加载到破坏为止，但加载速率要恒定。可直接加载到破坏为止，但加载速率要恒定。若不恒定呢？若不恒定呢？ 弹性模量和泊松比的测定：弹性模量和泊松比的测定： 对试样要加载几次（至少对试样要加载几次（至少3次），若数据很分散，就加载次），若数据很分散，就加载610次，但应次，但应 力不要超力不要超 过应力应变曲线上的拐点的水平。过应力应变曲线上的拐点的水平。 加载速率的选择：加载速率的选择： 可查阅相关手册或国标。可查阅相关手册或国标。 试样的形状和尺寸试样的形状和尺寸 一般要求：一般要求： 参考标准，结合卡具类型。参考标准

11、，结合卡具类型。 尽量保证标距段的应力均匀；尽量保证标距段的应力均匀； 保证在标距段破坏，以确保保证在标距段破坏，以确保 试验数据有效性。试验数据有效性。 根据试验的目的不同根据试验的目的不同 选择不同形状、尺寸的选择不同形状、尺寸的 试件。试件。 要测定弹性常数该选要测定弹性常数该选 哪一种呢哪一种呢？ 强度呢强度呢？ 板样试件的加载板样试件的加载 各向异性杆的变形特征各向异性杆的变形特征 对于各向异性材料，受轴向拉伸的杆不仅沿加载方向延伸，沿横向收对于各向异性材料，受轴向拉伸的杆不仅沿加载方向延伸，沿横向收 缩，而且在所有平行于坐标平面的面上受剪。与各向同性材料相反。缩，而且在所有平行于坐

12、标平面的面上受剪。与各向同性材料相反。 在约束变形条件下，出在约束变形条件下，出 拉伸应力外，还产生弯曲拉伸应力外，还产生弯曲 力和剪切力，从而导致变力和剪切力，从而导致变 形不均匀。形不均匀。 此时，弯曲和剪切的影此时，弯曲和剪切的影 响不仅取决于被测试材料响不仅取决于被测试材料 的弹性常数，而且取决于的弹性常数，而且取决于 试样的长宽比。试样的长宽比。 拉伸应力的传递拉伸应力的传递 通常采用自锁楔式夹头中的试样加载。通常采用自锁楔式夹头中的试样加载。 保证试件在夹头中加紧的条件：保证试件在夹头中加紧的条件： p：载荷；：载荷； f：一个侧面的摩擦力；：一个侧面的摩擦力； f可由下式确定：可

13、由下式确定： 1 2 fp 2() pf fpf tg f 复合材料同楔形面间摩擦系数； 楔形夹钳的斜角； 夹头斜面上滚动摩擦的折算角； 正压的传递强度系数 接头片接头片 改进后的夹具改进后的夹具 正交各向异性复合材料的弹性常数的测定正交各向异性复合材料的弹性常数的测定 一、方法一、方法 采用采用两组两组试样试验测定弹性常数。各向弹性常数的准确测定，对分析解决平试样试验测定弹性常数。各向弹性常数的准确测定，对分析解决平 面问面问 题至关重要。题至关重要。 二、试样的制备二、试样的制备 常简化为采用对常简化为采用对x轴成轴成 角和角和 角（角（ ）切取的两组试样进行简单的）切取的两组试样进行简单

14、的 加载试验。加载试验。 三、可直接测得参量三、可直接测得参量 1 2 o 12 90 12 12 12 ，：纵向应变； ，：横向应变； ，：相应应力； 各向弹性常数的导出各向弹性常数的导出 12 12 12 12 12 22 12 21 1221 21 21 21 121212 21 21 21 12 21 0 012 1 4()() (1)(1) 1 41 2121 1 (21)21 1 x y xy l pl p ttp p qq epp lplp epp ttppp pqq lplp gpp tptp pp t pt p epp 1 1 1 1 1 1 2 11 2 11 , , si

15、n, sin 2 l t p q 2 2 2 2 2 2 2 22 2 22 ; ; sin; sin 2; l t p q 式中： 如果试件尺寸可固定测量如果试件尺寸可固定测量z方向上电阻应变片，则可测得主要弹性常数方向上电阻应变片，则可测得主要弹性常数 可算出：可算出： 式中：式中： 1323zxxxyy a ea e 和 11 2 21 13 21 121 23 21 ; 11 ; z pz p az pp zpzp a pp 1 1 1 ,z 2 2 2 z 通常选用通常选用 进行试验。进行试验。 层间拉伸强度层间拉伸强度 试件选择试件选择：试件为：试件为板式板式和和环式环式两种。两种

16、。 板式试件拉伸时，要避免应力集中。板式试件拉伸时，要避免应力集中。 0 1 0 2 0 45 板式拉伸试件示意图板式拉伸试件示意图 圆形拉伸试件示意图圆形拉伸试件示意图 环状试件的拉伸环状试件的拉伸 对开式拉力盘拉伸法（对开式拉力盘拉伸法（nol） 是美国是美国1955年发明用以评定纤维粗纱表面化学处理方法对玻璃纤维复合材料年发明用以评定纤维粗纱表面化学处理方法对玻璃纤维复合材料 强度的影响，目前，强度的影响，目前，nol圆环主要用于测定弹性模量、圆周拉伸强度和剪切圆环主要用于测定弹性模量、圆周拉伸强度和剪切 模量，现已纳入模量，现已纳入astm标准，并已被世界各国所采用。标准，并已被世界各

17、国所采用。 p p p p p a b c 试件环主要采用试件环主要采用缠绕法缠绕法和机械和机械加工法加工法制备制备 naval ordnance lab. 试件的尺寸：试件的尺寸：astm标准规定了经机械加工的圆环的尺寸标准规定了经机械加工的圆环的尺寸 圆环试件卡具圆环试件卡具 简化改进后的圆环试件卡具简化改进后的圆环试件卡具 石墨润滑剂石墨润滑剂 液压式驱动卡具液压式驱动卡具 对弹性模量对弹性模量e的测定，有几种测量变形的方法。最简单的方法是测量两的测定，有几种测量变形的方法。最简单的方法是测量两 个半盘间的间隙量（个半盘间的间隙量（a类似类似）。）。 22 pd e bhu b h d

18、up 环试件宽度； 环试件厚度； 环的平均直径； 载荷增加时，两半盘间距的变化量； 两个半盘间的初始距离一定要小（要求两面全面接触），因随着两个半盘间的初始距离一定要小（要求两面全面接触），因随着 两个半盘之间的间隙出现，试样的相应部分不仅会被拉直，而且还两个半盘之间的间隙出现，试样的相应部分不仅会被拉直，而且还 会有偏转（如会有偏转（如a型）简化改进后的卡具就考虑了这一点。型）简化改进后的卡具就考虑了这一点。 由于试件同拉力盘不能完全接触，而且，由于摩擦的影响，以及由于试件同拉力盘不能完全接触，而且，由于摩擦的影响，以及 拉力盘分开处的试件局部变形的因素的存在，所以环的圆周应变分拉力盘分开处

19、的试件局部变形的因素的存在，所以环的圆周应变分 布是不均匀的。布是不均匀的。 验证试验发现：环试件圆周应变、应力分布验证试验发现：环试件圆周应变、应力分布 不均匀不均匀; 从而确定了电阻应变片粘贴的有效位从而确定了电阻应变片粘贴的有效位 置；置； 此时，弹性模量由下式确定此时，弹性模量由下式确定: 1 2 p e bh p 载荷； 电阻应变片测得的应变平均值（4个） 圆周弹性模量圆周弹性模量 也可由于也可由于长环试件长环试件的测定（的测定（b）,此时，电阻应变此时，电阻应变 片应贴在直线部位。片应贴在直线部位。 e 强度测量：强度测量： 2 t p bh 然而，当然而，当 时，试件破坏的层间剪应力时，试件破坏的层间剪应力 可能超过材料可能超过材料 的极限值。由于弯曲的结果，内层受载，而外层载荷不足。的极限值。由于弯曲的结果，内层受载，而外层载荷不足。 t 纤维环氧复合材料和碳纤维复合材料的内表面（接触面）相对纤维环氧复合材料和碳纤维复合材料的内表面（接触面）相对 圆周应力圆周应力 的变化曲线。的变化曲线。 / m 可看出：可看出：圆周应力的分布与试样材料的关系很