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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 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。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 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。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 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 。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 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。
行为称为疲劳，它记述了材料经受周期应
力或应变时的失效过程。如图所示，通常 可用S-N曲线描述材料疲劳失效的特征。 其中S是对材料施加的恒定应力，N是施加 应力的周期次数，当应力很高时，达失效 的周期次数N很小；当应力较低而失效的 周期次数N无限大时，应力的上限值称为 疲劳极限。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 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。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 湿度和温度不仅影响材料的固有强度，也影响材料的应力状 态。升高温度或湿度，常常会降低受基体影响较大的铺层横 向强度和剪切强度，因而也使得剩余强度下降。吸湿还会降 低聚合物基体的玻璃化转变温度，影响玻璃纤维的耐腐蚀性 。试验表明，低温对复合材料疲劳寿命的影响几乎可以忽略 ，而室温下湿度对碳纤维复合材料疲劳寿命的影响亦很小。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 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，无纺材料在抗疲劳性方面优于编 织材料。
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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。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 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。
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第六章 纤维复合材料的力学行为
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
一、复合材料的疲劳பைடு நூலகம்伤
• 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。
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第四节 单向复合材料的破坏模式
• 沿纤维方向的拉伸和压缩试验、垂直于 纤维方向的拉伸和压缩试验以及面内剪 切试验是单向复合材料的5个基本力学 试验。一般而言，在纤维方向拉压及垂 直于纤维方向拉伸试验中，应力-应变关 系多呈线性，而在垂直于纤维方向压缩 及纵横方向剪切试验中应力-应变关系则 表现出非线性特征。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在有切口的试样中，切口周围容易产生复合应力和出现应力 集中。疲劳加载时，试样内部的损伤使得缺口周围的应力重 新分配，所以很难用无切口闭幕式样的疲劳强度估算切口试 样的疲劳强度。但是，大多数复合材料层合板的疲劳数据表 明，切口（圆孔或裂纹）对疲劳强度的影响并不显著。复合 材料切口试样良好的抗疲劳性主要是由于损伤缓和了切口尖 端附近的应力集中。
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第四节 单向复合材料的破坏模式
• 单向复合材料的破坏模式除与纤维和基体的种类有关外，还受 材料内部向种缺陷及损伤的影响。例如，气泡、空隙、贫或富 胶、夹杂物、不正确的纤维取向等制造缺陷。划伤、擦伤、边 缘损伤、冲击引起的分层、脱胶等使用损伤以及冰冻/环境损 伤，对复合材料的破坏模式也有一定作用。因此，用复合理论 预测的复合材料性能往往与试验值不符。以下简要介绍在不同 载荷条件下单向复合材料的断裂模式（fracture model）。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 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。
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第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 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。