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1、材料压缩试验本讲稿第一页，共三十五页变形特点变形特点一般情况下一般情况下,曲线是曲线是非线性非线性的的.然然而而,如玻璃、硼、碳纤维等刚性纤维增强如玻璃、硼、碳纤维等刚性纤维增强的复合材料，的复合材料，沿纤维方向加载时沿纤维方向加载时，应力，应力应变图从加载开始到破坏前应变图从加载开始到破坏前实际上实际上都是线性都是线性的。有时，也能观察到同拉的。有时，也能观察到同拉伸试验相同的断裂特性。伸试验相同的断裂特性。解释：解释：1）若破坏前出现断裂，则是由于部分）若破坏前出现断裂，则是由于部分增强增强纤维的失稳纤维的失稳。2）若在较小载荷下，从）若在较小载荷下，从 曲线上曲线上出现断裂，则可能是试件
2、本身及安装出现断裂，则可能是试件本身及安装不正确或变形受到了不正确或变形受到了约束约束。本讲稿第二页，共三十五页当垂直于纤维铺层方向加载当垂直于纤维铺层方向加载时，呈现出非线性，其程度取时，呈现出非线性，其程度取决于聚合物决于聚合物基体的性能基体的性能。纤维与基体粘接不牢时，纤维与基体粘接不牢时，这这时材料远没达到最大载荷，时材料远没达到最大载荷，随着粘接界面的破坏而开始随着粘接界面的破坏而开始破坏。破坏。对棱柱试件纵向加载时发现，支对棱柱试件纵向加载时发现，支撑面的纵向和横向应变大大的超撑面的纵向和横向应变大大的超过了试件标距段的应变。这样其过了试件标距段的应变。这样其相应的应力可能超过了试
3、件本身相应的应力可能超过了试件本身的横向强度而导致提早破坏。的横向强度而导致提早破坏。本讲稿第三页，共三十五页由于强度的各向异性的敏感性，高强度的单性复合材料对应力集由于强度的各向异性的敏感性，高强度的单性复合材料对应力集中特别敏感。如：对短试件而言，应变场不均匀，可造成拉伸、压中特别敏感。如：对短试件而言，应变场不均匀，可造成拉伸、压缩弹性模量差别明显，这不是试件本身的原因，而是加工误差和尺缩弹性模量差别明显，这不是试件本身的原因，而是加工误差和尺寸选择不正确所致。寸选择不正确所致。在实际试验过程中，至少有一个支撑面相对与试验纵轴保持静在实际试验过程中，至少有一个支撑面相对与试验纵轴保持静止
4、，因此，具有非对称性增强纤维叠层的试件不易进行压缩试验。止，因此，具有非对称性增强纤维叠层的试件不易进行压缩试验。破坏模式破坏模式-取决于材料：取决于材料：增强纤维方式增强纤维方式；材料组分的力学性能材料组分的力学性能试验的相对尺寸试验的相对尺寸本讲稿第四页，共三十五页视基体的模量不同主要视基体的模量不同主要破坏模式破坏模式有有31)低模量（低模量（）局部屈曲局部屈曲制作中的变化因素。如：制作中的变化因素。如：纤维初始波纹度；分布不均等。纤维初始波纹度；分布不均等。2）中模量（中模量（）横向破裂横向破裂材料组分泊松比的差别；试样全材料组分泊松比的差别；试样全场范围内不均匀；也有可能是局部破坏造
5、成。场范围内不均匀；也有可能是局部破坏造成。此时的临界载荷要以发生局部破坏的材料的此时的临界载荷要以发生局部破坏的材料的性能来确定。性能来确定。3）高模量（高模量（）压缩破坏压缩破坏（纤维受纤维受450角剪切角剪切）而增强纤而增强纤维无任何局部屈曲。维无任何局部屈曲。本讲稿第五页，共三十五页 T300T300增强复合材料端口形貌增强复合材料端口形貌 层板压缩破坏表面呈现层裂层板压缩破坏表面呈现层裂本讲稿第六页，共三十五页 2 2层板压缩破坏表面纤维断裂层板压缩破坏表面纤维断裂 侧向形貌，侧向形貌，90900 0层横向裂缝，层间组阻挡裂纹扩展层横向裂缝，层间组阻挡裂纹扩展 本讲稿第七页，共三十五
6、页 层板受压分层纤维断裂及其留在基体层板受压分层纤维断裂及其留在基体中的烙印中的烙印 T T层板破坏表面层板破坏表面 本讲稿第八页，共三十五页 碳布压缩破坏断口碳布压缩破坏断口 本讲稿第九页，共三十五页载荷垂直于增强纤维方向，复合材料常由于在同基体剪切强载荷垂直于增强纤维方向，复合材料常由于在同基体剪切强度相当的应力下失稳而破坏，此时试样破碎成棱柱块。度相当的应力下失稳而破坏，此时试样破碎成棱柱块。实际试验过程中，可能是以上多种破实际试验过程中，可能是以上多种破坏模式的耦合，常是线性与非线性行为，坏模式的耦合，常是线性与非线性行为，层间应力、表面层开裂、总体失稳、端层间应力、表面层开裂、总体失
7、稳、端面破坏或垂直层片开裂等，因此必须面破坏或垂直层片开裂等，因此必须仔仔细观察分析记录试件的破坏模式，未细观察分析记录试件的破坏模式，未指明破坏模式的复合材料试验结果无可比指明破坏模式的复合材料试验结果无可比性性。应变速率的影响应变速率的影响静强度受应变速率的影响较大；而压缩弹性静强度受应变速率的影响较大；而压缩弹性模量和断裂伸长对应变速率不敏感；模量和断裂伸长对应变速率不敏感；本讲稿第十页，共三十五页 试样的形状和尺寸试样的形状和尺寸与拉伸试验相比，更依赖于与拉伸试验相比，更依赖于试件的形状和尺寸。试件的形状和尺寸。在实际试验中，应避免使用尺寸在实际试验中，应避免使用尺寸过小的试件。过小的
8、试件。原因：原因：变形难以测准；变形难以测准；标距段小，应变均匀度不够；标距段小，应变均匀度不够；支撑面的挤压和变形约束效支撑面的挤压和变形约束效 应难以消除应难以消除加工困难并导致尺寸效应加工困难并导致尺寸效应本讲稿第十一页，共三十五页测定测定强度强度时，应选择时，应选择板状板状或或变截面变截面试样；试样；测定测定模量模量时，应选择时，应选择圆截面圆截面或或夹层梁夹层梁试样；试样；杆和板状试样的制备与尺杆和板状试样的制备与尺寸寸在弹性对称主轴方向上在弹性对称主轴方向上切取；切取；宽度和厚度上对称于试宽度和厚度上对称于试样纵轴；样纵轴；保证破坏发生在标距段；保证破坏发生在标距段；夹头的选择要谨
9、慎；夹头的选择要谨慎；本讲稿第十二页，共三十五页在选择试样尺寸时，要考虑正应力在选择试样尺寸时，要考虑正应力 和剪切应力和剪切应力的应力集中，标的应力集中，标距长度要不失稳。距长度要不失稳。139.76.351.5 2.0139.76.351.5 3.0139.76.353.2 4.0ASTM推荐的标准推荐的标准(mm)硼纤维复合材料硼纤维复合材料碳纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料试样的标距长度：试样的标距长度：25.4本讲稿第十三页，共三十五页变截面试样变截面试样变截面试样的形变截面试样的形状和尺寸取决于试状和尺寸取决于试验的目的。验的目的。消除应力集中消除应力集中
10、如高模量纤维聚合如高模量纤维聚合物复合材料，通常采物复合材料，通常采用标距段很明显的试用标距段很明显的试样，以保证试样的破样，以保证试样的破坏发生在标距段。坏发生在标距段。优点是有明确的标优点是有明确的标距段；距段；缺点是加工难；缺点是加工难；本讲稿第十四页，共三十五页圆截面试样圆截面试样用来测定某些易于加工的单用来测定某些易于加工的单向复合材料，如：碳纤维复合向复合材料，如：碳纤维复合材料的压缩强度和弹性模量的材料的压缩强度和弹性模量的测定。测定。试验表明：同矩形试件相比，数试验表明：同矩形试件相比，数据离散度小，但强度绝对值大。据离散度小，但强度绝对值大。为防止端面压碎，要采用专门为防止端
11、面压碎，要采用专门设计的保护端头套。设计的保护端头套。端头套的尺寸端头套的尺寸本讲稿第十五页，共三十五页试样标距段的尺寸的选择试样标距段的尺寸的选择标距段均匀的应力状态；标距段均匀的应力状态；无失稳现象；无失稳现象；应变片定位好；应变片定位好；长度、宽度及铺层数对压缩长度、宽度及铺层数对压缩强度的影响强度的影响本讲稿第十六页，共三十五页标距的长度对压缩临界载荷的影响标距的长度对压缩临界载荷的影响本讲稿第十七页，共三十五页加载方式加载方式试件端面施加轴向力试件端面施加轴向力试件侧面施加切向力试件侧面施加切向力二者叠加二者叠加试件加工及安试件加工及安装精度要求高装精度要求高本讲稿第十八页，共三十五
12、页试验表明：试验表明：无论加工有多仔无论加工有多仔细，也不可能使细，也不可能使试件与端头套底试件与端头套底端完全接触。端完全接触。薄片试件对加载薄片试件对加载条件更为敏感。条件更为敏感。试件端面施加轴向力试件端面施加轴向力本讲稿第十九页，共三十五页试件侧面施加切向力需要特殊夹具试件侧面施加切向力需要特殊夹具CelaneseCelanese夹具夹具对对试试件件厚厚度度有有限限制制及及夹夹具具加加工工精精度度要要求求高高本讲稿第二十页，共三十五页联合加载联合加载本讲稿第二十一页，共三十五页防止屈曲和失稳的方法防止屈曲和失稳的方法本讲稿第二十二页，共三十五页环状试样的压缩环状试样的压缩对于弹性模量对
13、于弹性模量 的测定与环状试件拉伸的测定与环状试件拉伸相同。环的截面内除有压缩应力外，还有相同。环的截面内除有压缩应力外，还有弯曲应弯曲应力力。弯曲应力大小取决于：弯曲应力大小取决于：材料的力学性能；材料的力学性能；试样相对尺寸；试样相对尺寸；夹具结构夹具结构如用如用对开盘对开盘作环状试件拉伸相同，在距间作环状试件拉伸相同，在距间隙处环的应力最大。主要原因是施加压缩隙处环的应力最大。主要原因是施加压缩载荷时，有偏心效应存在。载荷时，有偏心效应存在。对开盘式加载试验主要用于对开盘式加载试验主要用于定性评价定性评价不同不同材料的弹性和强度性能。材料的弹性和强度性能。PPRh测定性能：测定性能：测量数
14、据：测量数据：几何尺寸：几何尺寸：可测定可测定 曲线的线性曲线的线性段段本讲稿第二十三页，共三十五页本讲稿第二十四页，共三十五页除对开盘式加载方式外，还有除对开盘式加载方式外，还有柔性圆环柔性圆环和和液压式液压式加载方式。加载方式。加载的方法同拉伸时相同。加载的方法同拉伸时相同。RhPPPPPhR柔性圆环式加载柔性圆环式加载液压式加载液压式加载本讲稿第二十五页，共三十五页对于环状试样在外压下进行压缩试验时，如何正确选择对于环状试样在外压下进行压缩试验时，如何正确选择 是是主要问题。在实际压缩试验时，应考虑破坏压力和相对厚度间的主要问题。在实际压缩试验时，应考虑破坏压力和相对厚度间的关系有三个定
15、义明显的区域。关系有三个定义明显的区域。第一个区域第一个区域(薄壁环薄壁环)中，由于失稳而丧失承载能力。此时，中，由于失稳而丧失承载能力。此时，失稳的临界压力可由下式计算：失稳的临界压力可由下式计算：式中：式中：环轴线的单位长度上的临界压力环轴线的单位长度上的临界压力试样几何形状和各向异性的参数试样几何形状和各向异性的参数第二个区域第二个区域中，环发生压缩破坏。中，环发生压缩破坏。第三个区域第三个区域（厚壁环厚壁环）中，要考虑边界条件，不仅要考虑）中，要考虑边界条件，不仅要考虑 也要考虑也要考虑 三个区域的边界取决于材料的各项异性。三个区域的边界取决于材料的各项异性。本讲稿第二十六页，共三十五
16、页当外力加载时，由于内层的剥离，要正确计算压缩强度通常非常困难。当外力加载时，由于内层的剥离，要正确计算压缩强度通常非常困难。当内层片保持为环状时的能量与同一层片剥离和失稳后的能量之差，当内层片保持为环状时的能量与同一层片剥离和失稳后的能量之差，高于内层片的结合能量时，内层片发生剥离并随后失稳。当层片厚度为高于内层片的结合能量时，内层片发生剥离并随后失稳。当层片厚度为 时，临界应力等于：时，临界应力等于：环状试样内表面分层环状试样内表面分层式中式中格里菲斯提出的比破坏能格里菲斯提出的比破坏能环的那半径环的那半径本讲稿第二十七页，共三十五页由剥离造成的分层可分为两种：由剥离造成的分层可分为两种：
17、对于螺旋缠绕的试样，可能会使对于螺旋缠绕的试样，可能会使缠绕开始松散；缠绕开始松散；对于圆周叠层的试样，可能会出现逐层剥离对于圆周叠层的试样，可能会出现逐层剥离现象。现象。在测量径向弹性模量在测量径向弹性模量 时也采用外压法。这时利用外压时也采用外压法。这时利用外压P P对对紧贴在刚性芯模上的短圆筒加压。紧贴在刚性芯模上的短圆筒加压。：在圆筒外表面测得的：在圆筒外表面测得的圆周应变圆周应变管状试样试验管状试样试验用于评定具有各种纤维叠层形式的丝束缠绕材料的力学性能。用于评定具有各种纤维叠层形式的丝束缠绕材料的力学性能。加载方式有加载方式有内压内压和和外压外压两种。两种。可进行的试验有：可进行的
18、试验有：轴向拉伸轴向拉伸、轴向压缩轴向压缩和和剪切剪切等。等。所加载荷：可单一种或耦合方式。如：轴向拉伸和压缩加扭转；所加载荷：可单一种或耦合方式。如：轴向拉伸和压缩加扭转；本讲稿第二十八页，共三十五页可测得的常数：可测得的常数：管状试验主要用来评价各种增强纤维叠层形式的复合材料的力学性管状试验主要用来评价各种增强纤维叠层形式的复合材料的力学性能，为了方便，常将管状式样看成没有边界效应的无限宽的平板试样。能，为了方便，常将管状式样看成没有边界效应的无限宽的平板试样。该种等效办法只能有条件使用。该种等效办法只能有条件使用。原因：原因：因为二者的制造方法不同；因为二者的制造方法不同；管状件制造时，
19、很难保证纤维含量和铺层角度恒定；管状件制造时，很难保证纤维含量和铺层角度恒定；在各向异性体中，应力张量和应变张量的轴只是在个别情况下吻合，而在各向异性体中，应力张量和应变张量的轴只是在个别情况下吻合，而受单向拉伸和压缩时，管状试件上的应力状态不能简单的等同于板状试件。受单向拉伸和压缩时，管状试件上的应力状态不能简单的等同于板状试件。本讲稿第二十九页，共三十五页材料和加载方式材料和加载方式板状试件板状试件管状试件管状试件板状试件板状试件管状试件管状试件7层碳纤维复合材料层碳纤维复合材料拉伸拉伸压缩压缩13层碳纤维复合材料层碳纤维复合材料拉伸拉伸压缩压缩13813121711730.334.549
20、.044.8下列表中的差别，不仅是由于试件的制造方法不同，而且也是由于厚下列表中的差别，不仅是由于试件的制造方法不同，而且也是由于厚度不同以及度不同以及7层和层和13层碳纤维复合材料的叠层顺序不同所致。层碳纤维复合材料的叠层顺序不同所致。28116529520855.854.557.257.9本讲稿第三十页，共三十五页用均质、各向异性材料制成定长的圆筒，受轴向载荷时，在材料的各向用均质、各向异性材料制成定长的圆筒，受轴向载荷时，在材料的各向异性轴同其几何轴重合的情况下，可由公式计算。（略）异性轴同其几何轴重合的情况下，可由公式计算。（略）若若 ，在整个横截面上不均匀地分布着应力，在整个横截面上
21、不均匀地分布着应力 以及在纵截以及在纵截面上相应有应力面上相应有应力 和和 ；当测定强度；当测定强度 时，必须考虑时，必须考虑 和和 是稳定的。是稳定的。各向各向 异性管受拉压时，只有管状试件横截面同材料的横异性管受拉压时，只有管状试件横截面同材料的横向异性平面重合（如单向复合材料管状试件，其纤维方向和管向异性平面重合（如单向复合材料管状试件，其纤维方向和管子轴线严格同向时）没有径向应力和周向应力。子轴线严格同向时）没有径向应力和周向应力。管状试件轴向压缩试验的特点：管状试件轴向压缩试验的特点：因变形集中在端部表面附近，出现总体失稳或局部失稳，端面开因变形集中在端部表面附近，出现总体失稳或局部
22、失稳，端面开裂和挤压。因而，必须增加试样的相对厚度，但同时确为保证应力裂和挤压。因而，必须增加试样的相对厚度，但同时确为保证应力状态均匀性增加了困难。状态均匀性增加了困难。本讲稿第三十一页，共三十五页本讲稿第三十二页，共三十五页内压和外压加载试验内压和外压加载试验管子的内压和外压加载试管子的内压和外压加载试验，用于长丝缠绕制件的质验，用于长丝缠绕制件的质量控制和材料的力学性能研量控制和材料的力学性能研究（主要是周向弹性模量究（主要是周向弹性模量 和轴向强度和轴向强度 ）管中应力状态的均匀与否管中应力状态的均匀与否取决于材料的各向异性取决于材料的各向异性 和比值和比值 本讲稿第三十三页，共三十五
23、页为保证试样在临界载荷破坏之为保证试样在临界载荷破坏之前的坚固性（在这种情况下整前的坚固性（在这种情况下整体性的破坏同材料拉伸图中出体性的破坏同材料拉伸图中出现折点有关），可在管内放入现折点有关），可在管内放入弹性袋或用嵌入式堵塞作为液弹性袋或用嵌入式堵塞作为液压系统的柱塞。压系统的柱塞。此时，薄壁管中的周向应力和弹性此时，薄壁管中的周向应力和弹性模量可由下式计算：模量可由下式计算：本讲稿第三十四页，共三十五页承受内压的厚壁管的周向应力和径向应力可由（承受内压的厚壁管的周向应力和径向应力可由（Lame）公式确定：公式确定：式中式中 试样的内径、外径和先用半径试样的内径、外径和先用半径当当 周向应力和径向应力最大周向应力和径向应力最大本讲稿第三十五页，共三十五页