复合材料学之二ppt课件

1、复合资料学之二复合实际2.1 复合强度实际2.2 复合资料的相容性复合资料的相容性2.3 基体与加强资料的润湿性2.1 复合强度实际 2.1.1分散强化原理Vp=1015%分散强化复合资料是由细微硬质点与金属基体复合而成。作为加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：与析出强化机理类似，可用Orowan位错绕过机制阐明。载荷主要由基体负担，分散硬质点妨碍基体中的位错运动，质点阻止位错运动才干越大，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柏氏矢量假设质点间距为Dp，在剪应力的作用下，位错线曲率半径

2、RDp/2时，复合资料产生塑性变形，此时剪应力为复合资料的屈服强度：pmyDbG/pmyDbG/2/bGRmpmyDbG/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的间隔，作用力由零逐渐添加到 ，因此平均的作用力为0.5 。这样，单位长度位错的弹性能为：pmyDbG/1220021ln22121),(2121RRbdrrbbdrbRRERRRRrb0)cos1 ()1 (220vvG)1 (20vG90020G122ln)1 (4)90(RRvGbE122ln4)0(RRGbE02ln4rRkGbE所以，位错的线张力即添加单位长度位错所需的功普通R100r0，所以02ln4

3、rRkGbT22GbT 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：当质点间间隔为Dp时，基体剪切模量为Gm，时 Rd0F1FTRdsTTdTF2sin21bdsbRdbRF2sin2001FF bdsRdsTRGbGbRbRbT22112DGbpmyDbG假设质点直径为d，体积分数为Vp，质点弥散且均匀分布，那么：可得：因此：质点尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好，普通Vp=1015%，d0.10.01um)1 ()/32(212pppVVdD)1 ()/32(/212ppmyVVdbG 2.1.2 颗粒加强原理 颗粒加强复合资料是由尺寸较大1微米的巩固颗粒与金属基

4、体复合而成。 载荷主要由基体接受，但颗粒也接受载荷并约束基体的变形。颗粒阻止基体位错运动的才干越大，加强效果越好。 在外力作用下，基体内位错的滑移在基体颗粒界面上遭到阻止，并在颗粒上产生应力集中， 其值：iin 由位错实际，应力集中因子为：得到：当应力集中到达颗粒断裂强度时，颗粒开场破坏，产生裂纹，引起复合资料变形，有：因此颗粒加强复合资料的屈服强度为：)/(bGDnmp)/(2bGDmpiCGbGDpmppi)/(2)/(CDbGGppmy)1 ()/32(212pppVVdD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，颗粒对复合资料的加强效果越

5、好。在实践用的颗粒加强复合资料中，加强颗粒直径为150微米，体积分数为550。CVdbVGGpppmy)1 (2321颗粒加强分析应力分布应变分布 2.1.3 纤维加强原理 纤维加强复合资料是由延续纤维或不延续短纤维与金属基体复合而成。复合资料受力时，高强度、高模量的加强纤维接受大部分载荷，而基体主要作为媒介，传送和分散载荷。 通常纤维加强复合资料的弹性模量和断裂强度与各组分性能关系如下：)1 (1fmffcVEVEkE)1 (2fmffcVVk强度加强率：复合资料强度与基体强度之比，它表示复合资料的加强效果。分散强化的强度加强率：颗粒加强复合资料强度加强率：在分散强化和颗粒加强复合资料中，强

6、度加强率与质点或颗粒体积分数、直径及其分布有关，普通说，质点越细，加强率F越大。分散强化时，质点尺寸在0.10.01微米时，F415。质点再细就容易构成固溶体如质点较大，在0.11微米时，F13，加强效果不明显。由于质点尺寸在此范围内易产生应力集中，强度下降。mppmmysVdVbGF)1 (2)3(21mpppmmypCVdbVGGF/)1 (2321纤维强化时的强度加强率：)1 (ffmfmcfVVkFAl-CAl-SiO2Al-Al2O3Ag-Al2O3Cu-WAl-不锈钢2.1.4延续纤维加强复合资料得复合准那么复合资料的弹性模量是由组成资料的特征、加强资料的取向和体积分数决议的。1

7、纵向弹性模量：假设加强纤维延续、均匀、平行陈列于基体中，构成单向加强复合资料，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，计算模型如以下图所示。设L向拉力P，且纤维与基体界面结实，变形时无相对滑动，即基体与纤维应变一样，基体将力经过界面完全传送给纤维，根据力平衡关系，有： P载荷 A复合资料截面积 基体体积分数mfAAAmmffAAPAAVffAAVmmmV 因此复合资料流动应力为： 当纤维与基体都在弹性变形时，由虎克定律： 可以得到： 由于： 所以： mmffLVV0LLE0fffEmmmEmmmfffLVEVEEmf)1 (fmffmmffLVEVEVEVEE随着纤维体积分数

8、添加，单向加强复合资料的纵向弹性模量添加。颗粒加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，纤维严密接触，其间有基体但极薄，可以为这部分基体变形与纤维一致，就是说可以看成沿横向相互接触而连通，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，复合资料的 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，复合资料的横向流动应力为： 即 纤维受应力为： 基体应力为：TlmTfTTlllTTTTTTllEE110fTfTfTfTfTfTllEEmTmTmTmTmTmTllEE10/TTT

9、TEllfTfTfTfTEll/mTmTmTmTEll/代入得：式中：根据假设：代入得：mTmTmTfTfTfTTTTElElEl10TfTfllV TmTmllV mTmmTfTffTTTEVEVE10mTfTT0mTmfTfTEVEVE11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，添加了载荷传送部位，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)1 (2fmTffTmmTffTTVEVEVEVEE2.1.5 单向延续纤维加强复合资料得泊松比 定义：纵向泊松比是单向延续纤维加强复合资料沿纤维方向弹性拉 伸或紧缩时，其横向应变与纵向应变之比的绝

10、对值。 设b为复合资料总宽度， 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 ， 因此有： 两边乘以b得：LTLfbmbLTLLTLLTbb假设纵向应变协调，纤维和基体应变相等，且等于复合资料纵向应变，即：所以有即：fmTbbbbffLfffTfbbbmmLmmmTmbbbffLfmmLmLLbbbfLmLLffmmLbbbfffmffmmLVVVV)1 (2.1.5单向纤维加强复合资料的剪切模量 模型1是纤维和基体轴向串联模型， 在扭矩的作用下，圆筒受纯剪应力， 纤维和基体剪应力一样，但因剪切 模量不同，剪应变不同，所以模型1 为等应力假设。在纤维含量较低时

11、假设圆筒在扭矩M的作用下产生剪应变 变形前圆筒的母线为oa，变形后为oa， a点周向位移为纤维和基体段位移之 和，即： 在弹性变形时，由虎克定律： mmfflllfffGmmmGmf由假设可知因此：mmffGVGVG11mmmfffVGVGG1mmmffflGlGlG1得：模型2是纤维与基体轴向并联，纤维被基包围，且假设纤维与基体结合良好，在扭矩的作用下，纤维与基体产生一样剪应变，但剪应力不同，所以模型2为等应变假设。 在扭矩得作用下，纤维与基体受力不等，在横截面上总扭矩用截面上平均切应力 表示：式中：A为复合资料截面积，R为复合资料半径同理：纤维受扭矩： 基体受扭矩：mfMMMaARMaff

12、fafRAMmmmamRAM假设模型2视为薄壁筒，而用虎克定律因此：由假设知：得：在实践工程中常用：式中C为分配系数，fmRRRmfAAA2GafffaGmmmaGmmmfffVGVGG2)1 (2fmffmmffVGVGVGVGGmf21)1 (CGGCG025. 04 . 0fVC2.1.6 单向延续纤维加强复合资料的强度1 单向延续纤维加强复合资料的纵向拉伸强度复合资料在纵向受拉时，由力平衡可知复合资料纵向平均应力为)1 (0fmffmmffLVVVV复合资料变形第一阶段，纤维和基体都是弹性变形，那么有因此：纤维接受载荷与基体接受载荷之比为：mf)1 (0fmmfffLVEVE)1 (/

13、)1 (/fmfffmmfffmfVEVEVEVEPP当Vf一定时， 比越大，纤维接受载荷越大，加强作用就越大。因此复合资料要采用高强度、高模量的加强纤维，而基体用低强度、低模量的资料，但基体韧性要好。当 值一定时， Vf值越大，纤维奉献越大。实际计算Vf最大可达0.9069，但实践Vf大于0.80时，复合资料的强度不但不随纤维含量的增大，反而下降。这是由于纤维太多，没有足够的基体去润湿和渗入纤维，呵斥纤维粘结不好，有空隙，因此强度不高。实践运用体积分数为0.30.6。mfEEmfEE 复合资料变形第二阶段:纤维的弹性模量大于基体，纤维依然弹性变 形，基体曾经屈服，即进入塑性变形。 由于载荷主

14、要由纤维承当，随变形添加，纤维载荷添加快，当到达 纤维破断强度 时，复合资料破坏，这时基体仍在塑性变形阶段。 mmffVV)()()(fF假设设纤维破断应变为 ，这基体拉伸应力为 ，复合资料的强度为：Fm)1 (fmffFmmffFFVVVV纤维临界体积分数和纤维最小体积分数：随纤维体积分数增大，纤维受载荷线性添加，基体载荷线性减少。当纤维体积分数到达 时，纤维接受的载荷与基体接受载荷相等。B点所对应的纤维体积分数为临界纤维体积分数，B点称为等破坏点，在B点，复合资料强度为fcrVmFFmFFmDCAE BOfcrVminfVfVFOC表示纤维受应力与纤维体积分数的关系DF表示基体强度与纤维体

15、积分数的关系)1 (fcrmfcrfFmFVV)/()(mfFmmFfcrV纤维的临界体积分数与纤维和基体强度有关，两者相差大时，较小，两者值较近时， 大。因此必需采用大体积分数，才干显示出纤维强化效果。当 很小时，即使纤维存在，复合资料也仅显示根本特征，无强化效果。线AC与DF的交点E所对应的纤维体积分数，为最小纤维体积分数。当 时，复合资料性能由基体决议；当 时，复合资料的破坏由纤维控制；在 以后，纤维才在复合资料性能中起主导作用。)/()(mfFmmFfcrVfcrVfcrVfV)/()(minfFmmFmmFfVminffVV minffVV crffVV 单向延续纤维加强复合资料的纵

16、向紧缩强度纵向受压时，主要问题是纤维和基体失稳：1纤维失稳：拉压失稳，纤维弯曲成正弦波形，产生反向失稳，由于纤维反向弯曲，在基体产生横向拉压变形，用能量法可以求得纤维失稳临界应力为：复合资料的紧缩强度为：2111 (3/2ffmffcrVEEV2111 (3/2ffmffcVEEVV 另一种为纤维剪切失稳： 由于纤维产生同向弯曲，基体产生剪切变形，纤维临界失稳应力为：)1 (/2ffmfcrVVG)1/(2fmcVG复合资料紧缩强度2 基体失稳从基体中取出一单元体，受纵向压力 ，见以下图，当压力达 时，基体剪切失稳，单元忽然倾倒，产生切应变 ，根据功能原理，力所做功等于单元体内变形能，即：因所

17、以得：由于切应变很小，因此：mcmcrdLdTdNGdLdNdTmmcr221)().()cos1 (cos)(dLdLdLdL221)cos1 (mmcrGmmcrcG2 非延续纤维加强复合资料得加强原理： 非延续纤维也叫短纤维，基体弹性变形和弹塑性变形时，短纤 维上得应力分布如以下图所示。载荷是基体经过界面传送给纤维的。 在一定界面强度下，纤维端部的切应力最大， 中部最小。而作用在纤维上的拉应力是切应力由端部向中部积累的结果。所以，端部拉应力最小，中部最大。随着纤维长度添加，界面面积增大，中部拉应力也增大。当纤维中点的最大拉应力恰好等于纤维破断强度时，纤维长度称为纤维的临界长度 。临界长度

18、与纤维直径之比为纤维临界纵横比cl复合资料的相容性复合资料的相容性：指在加工和运用过程中，复合资料中各组元之复合资料的相容性：指在加工和运用过程中，复合资料中各组元之间的相互配合程度。间的相互配合程度。复合资料的相容性包括：复合资料的相容性包括：1 物理相容：主要指在应力作用下和热变化时，资料性能和资料常物理相容：主要指在应力作用下和热变化时，资料性能和资料常数之间的关系。数之间的关系。1力学相容：主要指基体应有足够韧性和强度，能将外部载荷均力学相容：主要指基体应有足够韧性和强度，能将外部载荷均匀地传到加强物上，而不会产生明显地不延续景象。匀地传到加强物上，而不会产生明显地不延续景象。2热相容

19、：指基体和加强资料在热膨胀时相互配合地程度。热相容：指基体和加强资料在热膨胀时相互配合地程度。2化学相容性化学相容性1化学热力学相容：要求复合资料中两相热力学平衡，或者发生化学热力学相容：要求复合资料中两相热力学平衡，或者发生有害反响的化学动力学非常缓慢。化学相容也是基体与加强资料之有害反响的化学动力学非常缓慢。化学相容也是基体与加强资料之间化学反响问题，有的组分希望经过反响来促进基体和加强资料之间化学反响问题，有的组分希望经过反响来促进基体和加强资料之间的结合，有的那么希望防止某些反响以减少纤维损伤或在界面构间的结合，有的那么希望防止某些反响以减少纤维损伤或在界面构成硬脆相。成硬脆相。如如F

20、eAl2 动力学相容：即反响速度问题在界面部分表达。动力学相容：即反响速度问题在界面部分表达。基体与加强资料之间的相互作用类型1 基体与纤维不相互作用，也不互溶； 如AlB，在最正确工艺条件下，铝外表存在氧化膜维护基体与加强资料不反响。Cu不锈钢，AlSiC。2基体与纤维间不发生化学反响，但互溶。NiW , NiC.3基体与纤维间发生化学反响，在界面上消费化合物。如AlB，当铝外表氧化膜破坏，基体与加强资料反响，构成化合物。金属基体与加强资料的润湿性液体对固体的润湿性：就是液体在固体外表铺开的才干。假设固体外表能超越液体外表能，那么液体在固体外表上铺开，即液体润湿固体。润湿程度可用二者之间的接触角表示，平衡时：得：LVSLSV/ )(coscosLVSLSV 假设 ，液体不能润湿固体，假设 ，那么能 润湿固体。液体与固体之间的粘结程度可用粘着功来度量 粘着功W：指在固体真空界面和液体饱和蒸气界面构成单位面积固液相界面所需得功。 用接触角表示：阐明：固体与液体的外表能除耗费于构成固液界面所需能量外，多余部分转化为粘着功，粘着功