压缩试验
-在测量径向弹性模量 E时r 也采用外压法。这时利用外压P对
紧贴在刚性芯模上的短圆筒加压。
Er
ph
R
1
zr
rz
管状试样试验
:在圆筒外表面测
得的圆周应变
-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。
加载方式有内压和外压两种。 可进行的试验有:轴向拉伸、轴向压缩和剪切等。 所加载荷:可单一种或耦合方式。如:轴向拉伸和压缩加扭转;
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。
内压和外压加载试验
-管子的内压和外压加
载试验,用于长丝缠绕
制件的质量控制和材料
的力学性能研究(主要
是周向弹性模量 E 和
轴向强度
[ 25/ 90]层板压缩破坏表面呈现层裂 [ 45/ 0 / 45/ 90 ]T300增强复合材料端口形貌
[ 30]/29层0 板压缩破坏表面纤维断裂
侧向形貌,900层横向裂缝,层间组阻挡裂纹扩 展
[ 25]/层90板受压分层纤维断裂及其留在
基体中的烙印
[ 30 /]9T层0 板破坏表面
若 a13 a,23 在整个横截面上不均匀地分布着应力 x 以及在
纵截面上相应有应力 r
和
;当测定强度
i(e z
)u时,必须
考虑 x 和 是稳定的。
-各向 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 向和管子轴线严格同向时)没有径向应力和周向应力。
ASTM推荐的标准(mm)
硼纤维复合材料
l
b
139.7 6.35
碳纤维复合材料
139.7 6.35
玻璃纤维复合材料 139.7 6.35
试样的标距长度:25.4
h
1.5 : 2.0 1.5 : 3.0 3.2 : 4.0
变截面试样
-变截面试样的 形状和尺寸取决 于试验的目的。
•消除应力集中
-如高模量纤维 聚合物复合材料, 通常采用标距段 很明显的试样, 以保证试样的破 坏发生在标距段。
-测定强度时,应选择板状或变截面试样;
-测定模量时,应选择圆截面或夹层梁试样;
杆和板状试样的制备 与尺寸
•在弹性对称主轴方向 上切取;
•宽度和厚度上对称于 试样纵轴;
•保证破坏发生在标距 段;
•夹头的选择要谨慎;
在选择试样尺寸时,要考虑正应力 中,标距长度要不失稳。
y
和剪切应力
xy 的应力集
可测得的常数:
iu x
;
eu x
E
i x
;
E
eu x
z
-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。
•该种等效办法只能有条件使用。
原因:
①因为二者的制造方法不同;
②管状件制造时,很难保证纤维含量和铺层角度恒定;
•对棱柱试件纵向加载时发现, 支撑面的纵向和横向应变大 大的超过了试件标距段的应 变。这样其相应的应力可能 超过了试件本身的横向强度 而导致提早破坏。
-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。
1/ 1 0.4k2 k-试样几何形状和各向异性的参数
第二个区域中,环发生压缩破坏。 第三个区域(厚壁环)中,要考虑边界条件,不仅要考虑 也要考虑 r 三个区域的边界取决于材料的各项异性。
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,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 h0 时,临界应力等于:
-对开盘式加载试验主要用于定性评价 不同材料的弹性和强度性能。
P
R
h
P
测定性能: E ,
测量数据: P, i ,ij
几何尺寸: R / h,b, h
可测定 曲线的 线性段
除对开盘式加载方式外,还有柔性圆环和液压式加载方式。 加载的方法同拉伸时相同。
P
P
P
R
R
P
P
柔性圆环式加载
pD 2h
E
pD
2h
-承受内压的厚壁管的周向应力和径向应力可由(La-me) 公式确定:
pR2 R02 Ri2
1
R02 r2
r
pRi2 R02 Ri2
1
R02 r2
式中 Ri , R0, r 试样的内径、外径和先用半径
当 r Ri 周向应力和径向应力最大
纤维初始波纹度;分布不均等。
2)中模量( Em=200 : 700MPa)
横向破裂-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 局部破坏造成。此时的临界载荷要以 发生局部破坏的材料的性能来确定。
3)高模量(Em 2000MPa)
压缩破坏(纤维受450角剪切)-而增 强纤维无任何局部屈曲。
1
r
0.916E
h Ri
2
k
h0 Ri
1
2
式 k 4.77 /(E Ri )
中 -格里菲斯提出的比破坏能
Ri 环的那半径
环状试样内表面分层
由剥离造成的分层可分为两种:①对于螺旋缠绕的试样,可 能会使缠绕开始松散;②对于圆周叠层的试样,可能会出现 逐层剥离现象。
③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。
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7层和13层碳纤维复合材料的叠层顺序 不同所致。
材料和加载方式
7层碳纤维复合材料 拉伸 压缩 13层碳纤维复合材料 拉伸 压缩
复合材料的压缩试验
板样试件的压缩
-沿着纤维增强方向的压缩试验是普遍采取
的试验方式,其重要性等同于拉伸试验。
P
与板样试件拉伸的关系
一般情况下,等同于纤维聚合物复合材料在 弹性对称主轴方向进行拉伸试验的所有基本 关系,但要考虑变形方向。
纤维聚合物复合材料的拉伸与压缩试验性
质的差别比各向同性材料大。
P
压缩试验的特性-注意点
h
h 液压式加载
对于环状试样在外压下进行压缩试验时,如何正确选择 h / R 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 间的关系有三个定义明显的区域。 第一个区域(薄壁环)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:
p r p*r
式中:p*r 3E I / R3--环轴线的单位长度上的临界压力
Celanese
夹具
具对 加试 工件 精厚 度度 要有 求限 高制
及 夹
联合加载
防止屈曲和失稳的方法
环状试样的压缩
-对于弹性模量 E 的测定与环状试件
拉伸相同。环的截面内除有压缩应力外, 还有弯曲应力。
弯曲应力大小取决于:
①材料的力学性能;②试样相对尺寸; ③夹具结构
•如用对开盘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 压缩载荷时,有偏心效应存在。
应变速率的影响
静强度受应变速率的影响较大;而压 缩弹性模量和断裂伸长对应变速率不 敏感;
试样的形状和尺寸
-与拉伸试验相比,更依赖于 试件的形状和尺寸。 •在实际试验中,应避免使用 尺寸过小的试件。 原因: ①变形难以测准; ②标距段小,应变均匀度不够; ③支撑面的挤压和变形约束效 应难以消除 ④加工困难并导致尺寸效应
1、与材料弹性对称主轴成不同角度的各向异性性能、层间应力 和受压时结构对称效应。
2、加载方式和材料结构所决定的特性。
变形特点
一般情况下, 曲线是非线性
的. 然而,如玻璃、硼、碳纤维等刚 性纤维增强的复合材料,沿纤维方 向加载时,应力-应变图从加载开 始到破坏前实际上都是线性的。有 时,也能观察到同拉伸试验相同的 断裂特性。
-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,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-取决于材料:
①增强纤维方式;
②材料组分的力学性能
③试验的相对尺寸
视基体的模量不同主要破坏模式有3
1)低模量( Em 15 : 25MPa)
局部屈曲-制作中的变化因素。如:
[ 45/ 0]/碳布45压缩破坏断口
•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。
-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,层间应力、表面层开裂、 总体失稳、端面破坏或垂直层片开 裂等,因此必须仔细观察-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性。
解释:
1)若破坏前出现断裂,则是由于 部分增强纤维的失稳。
2)若在较小载荷下,从 曲
线上出现断裂,则可能是试件本身 及安装不正确或变形受到了约束。
•当垂直于纤维铺层方向加 载时,呈现出非线性,其 程度取决于聚合物基体的 性能。
•纤维与基体粘接不牢时, 这时材料远没达到最大载 荷,随着粘接界面的破坏 而开始破坏。