复合材料的力学性能复合材料的力学性能第三节纤维复合材料的疲劳行为但实际上不可能在长时间内无限制地试验下去，一般当N达到107次而不发生疲劳失效时应力的上限值就定义为疲劳极限，或称作条件疲劳极限。疲劳失效一般指构件已不能再按原来要求的功能继续使用，并伴随产生热，机械强度降低、损伤直至断裂等，如高分子材料产生银纹使强度和透明降低就是一种失效的表现。在实际使用过程中，构件或制品常常在比屈服强度低得多的应力下发生失效，这种现象多与材料在加工过程中存在的某些缺陷，如气泡、裂纹、杂质和局部应力集中等有关。对纤维复合材料在交变载荷作用下的损伤与破坏行为作出正确的评价，是复合材料结构设计与应用中必须要考虑的问题。在复合材料疲劳过程中，一般不出现主裂纹扩展现象，其损伤机理非常复杂，难以用简单的数学模型加以描述，因此对疲劳行为的检测是十分重要的。然而，由于复合材料的非均质各向异性以及层合结构等增大了疲劳试验的难度。目前，复合材料疲劳损伤的测试主要有显微镜直接观察、声性射、X-射线衍射及红外热像技术等无损检验方法。以下简要介绍纤维复合材料疲劳损伤的特点以及影响疲劳性能的因素。在交变载荷作用下，可以观察到各向同性金属材料中明显的单一主裂纹有规律的扩展现象，这一主裂纹控制着最终的疲劳破坏。对于纤维复合材料，往往在高应力挖掘区出现较大的疲劳破坏，如界面脱胶、基体开裂、分层和纤维断裂等，表面出非常疲劳破坏行为，很少出现由单一裂纹控制的破坏机理。如图所示，各向异性纤维复合材料的抗疲劳损伤性能比传统金属材料好得多。在疲劳过程中，尽管复合材料初始损伤或缺陷的尺寸比金属大，但多种损伤形式和增强纤维的牵制作用使复合材料呈现出良好的断裂韧性和低的缺口敏感性，因此损伤寿命长于金属材料，具有较大的临界损伤尺寸。单向复合材料在纤维方向有很好的抗疲劳性，这是由于在单向复合材料中载荷主要靠纤维传递，而通常纤维具有良好的抗疲劳性。在实际受力结构中，普遍使用的是复合材料层合板。由于各个铺层方向不同，沿载荷方向的一些铺层会比另外一些铺层薄弱。在比层合板最终破坏早得多的时候，在薄弱铺层中会出现损伤迹象，如基体产生裂纹或龟裂、纤维与基体间的界面破坏、纤维断裂以及铺层之间分层等。如图为单向复合材料正轴拉伸时几种疲劳损伤的示意图。拉伸疲劳时，首先在基体内出现分散的横向裂纹（a）；在纤维断裂处裂纹发生局部扩展，并诱发界面破坏（b）；纤维断裂引起界面脱胶（c）以及促使基体裂纹扩展（d）；大规模基体裂纹扩展还会出现纤维桥接（e）以及多种疲劳损伤组合的形式（f）地。在正交（0°/90°）层合复合材料中，横向层（90）与纵向层（0°）的强度和模量相差很大。通常，在交变载荷作用下，横向层将首先出现裂纹，并往往同时伴随界面脱前和基体开裂及分层。分层是因横向与纵向两层的泊松比不同引起层间剪切应力和层间正应力所致。裂纹出现后，裂纹附近横向层内的纵向正应力为零，而离裂纹稍远处应力较大。随着裂纹进一步发展，横向层在纵向正应力较大的区域继续产生新的横向裂纹，使裂纹密度逐渐趋于饱和。此时，横向层失去了承载能力，仅依靠界面将其与纵向层粘结在一起。但是，横向层对纵向层泊松变形的抑制作用又诱发了纵向层中的纵横向裂纹，出现了纵横裂纹交叉现象。同时，由于纤维性能的离散性，若干随机分布的纤维首先断裂。在疲劳破坏的后期，复合材料内部出现较多的纤维断裂群。最后，在损伤最为密集的区域发生局部损伤加剧化，导致层合板破坏。用S-N曲线来描述复合材料的疲劳行为时，一般是以试样完全破坏作为失效基准。复合材料的S-N曲线受各种材料的、试验的因素影响。例如，材料方面的因素有组分材料的性能、铺层方向及顺序、增强纤维的体积含量和界面结构等，试验方面的因素如载荷形式、平均应力和切口、频率、环境条件等。如图所示，用高模量纤维如硼纤维、Kevlar纤维或碳纤维等增强的复合材料，当在纤维方向试验时，复合材料显示出极好的抗疲劳性。图中R为最小应力与最大应力的比值。虽然高模量单向复合材料横向拉伸疲劳行为与玻璃纤维复合材料相差无几，但其纵向抗疲劳性能要好得多。当复合材料在纤维方向承受疲劳载荷时，高模量纤维可使基体产生较小的应变。单向复合材料的拉伸强度在纤维方向是最大的，因此能承受较高的拉伸疲劳载荷。然而，与多向层合板相比，单向复合材料的疲劳特性并不是最佳的。横向强度低以及不良的试验条件等容易引起复合材料沿纤维方向发生纵向开裂。如果增加一些90°方向的铺层，可以避免纵向开裂。如图为不同结构形式层合板的S-N曲线。可见，加入适量90°铺层或采用±5°对称铺层结构的层合板较单向层合板的拉伸疲劳特性能有所改进。等量的0°和90°铺层构成的正交铺层层合板的疲劳强度明显高于玻璃布铺层层合板。由于无纺材料中纤维处于平行和舒直状态，不象编织物中纤维那样弯曲，所以一般而言，无纺