材料性能_ 材料的疲劳性能_7-4 疲劳抗力指标_
金属基复合材料的种类与性能
金属基复合材料的种类与性能 摘要：金属基复合材料科学是一门相对较新的材料科学，仅有40余年的发展历史。金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关，特备是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具有优良的综合性能，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速增长的性能要求。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。 关键词：金属；金属基复合材料；种类；性能特征；用途 1. 金属基复合材料的分类 1.1按增强体类型分 1.1.1颗粒增强复合材料 颗粒增强复合材料是指弥散的增强相以颗粒的形式存在，其颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1μm。 1.1.2层状复合材料 这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基材料中含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。片曾的间距是微观的，所以在正常比例下，材料按其结构组元看，可以认为是各向异性的和均匀的。 层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。因为增强物薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。 由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。 1.1.3纤维增强复合材料 金属基复合材料中的一维增强体根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须。长纤维又叫连续纤维，它对金属基体的增强方式可以以单项纤维、二维织物和三维织物存在，前者增强的复合材料表现出明显的各向异性特征，第二种材料在织物平面方向的力学性能与垂直该平面的方向不同，而后者的性能基本是个向同性的。连续纤维增强金属基复合材料是指以高性能的纤维为增强体，金属或他们的合金为基体制成的复合材料。纤维是承受载荷的，纤维的加入不但大大改变了材料的力学性能，而且也提高了耐温性能。 短纤维和晶须是比较随机均匀地分散在金属基体中，因而其性能在宏观上是各向同性的；在特殊条件下，短纤维也可以定向排列，如对材料进行二次加工（挤压）就可达到。 当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。 1.2按基体类型分 主要有铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。目前以铝基、镁基、钛基、镍基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。在这里主要介绍这几种材料 1.2.1铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用最广的一种。由于铝合金基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利条件。再制造铝基复合材料时通常并不是使用纯铝而是铝合金。这主要是由于铝合金具有更好的综合性能。
影响金属材料疲劳强度的八大因素
影响金属材料疲劳强度的八大因素 Via 常州精密钢管博客 影响金属材料疲劳强度的八大因素 材料的疲劳强度对各种外在因素和内在因素都极为敏感。外在因素包括零件的形状和尺寸、表面光洁度及使用条件等，内在因素包括材料本身的成分，组织状态、纯净度和残余应力等。这些因素的细微变化，均会造成材料疲劳性能的波动甚至大幅度变化。 各种因素对疲劳强度的影响是疲劳研究的重要方面，这种研究将为零件合理的结构设计、以及正确选择材料和合理制订各种冷热加工工艺提供依据，以保证零件具有高的疲劳性能。 应力集中的影响 常规所讲的疲劳强度，都是用精心加工的光滑试样测得的，然而，实际机械零件都不可避免地存在着不同形式的缺口，如台阶、键槽、螺纹和油孔等。这些缺口的存在造成应力集中，使缺口根部的最大实际应力远大于零件所承受的名义应力，零件的疲劳破坏往往从这里开始。 理论应力集中系数Kt ：在理想的弹性条件下，由弹性理论求得的，缺口根部的最大实际应力与名义应力的比值。 有效应力集中系数（或疲劳应力集中系数）Kf：光滑试样的疲劳极限σ-1与缺口试样疲劳极限σ-1n的比值。 有效应力集中系数不仅受构件尺寸和形状的影响，而且受材料的物理性质、加工、热处理等多种因素的影响。 有效应力集中系数随着缺口尖锐程度的增加而增加，但通常小于理论应力集中系数。 疲劳缺口敏感度系数q：疲劳缺口敏感度系数表示材料对疲劳缺口的敏感程度，由下式计算。 q的数据范围是0-1，q值越小，表征材料对缺口越不敏感。试验表明，q并非纯粹是材料常数，它仍然和缺口尺寸有关，只有当缺口半径大于一定值后，q值才基本与缺口无关，而且对于不同材料或处理状态，此半径值也不同。 尺寸因素的影响
复合材料总思考题及参考答案
复合材料概论总思考题 一．复合材料总论 1.什么是复合材料？复合材料的主要特点是什么？ ①复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 ②1）组元之间存在着明显的界面；2）优良特殊性能；3）可设计性；4)材料和结构的统一 2.复合材料的基本性能（优点）是什么？——请简答6个要点 （1）比强度，比模量高（2）良好的高温性能（3）良好的尺寸稳定性（4）良好的化学稳定性（5）良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性（6）良好的功能性能 3.复合材料是如何命名的？如何表述？举例说明。4种命名途径 ①根据增强材料和基体材料的名称来命名，如碳纤维环氧树脂复合材料 ②(1) 强调基体：酚醛树脂基复合材料（2）强调增强体：碳纤维复合材料 （3）基体与增强体并用：碳纤维增强环氧树脂复合材料（4）俗称：玻璃钢 4.常用不同种类的复合材料(PMC，MMC，CMC)各有何主要性能特点？ PMC MMC CMC（陶瓷基） 使用温度60~250℃400~600℃1000~1500℃ 材料硬度低高最高 强度较高较高较高 耐老化性能差中优 导热性能差好一般 耐化学腐蚀性能好差好 生产工艺难易程度成熟居中最复杂 生产成本最低居中最高 5.复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容？3个层次 答：1、一次结构：由集体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何和界面区的性能； 二次结构：由单层材料层复合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何三次结构：指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。 2、①单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能； ②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案作出合理安排，该层次决定层合板的性能； ③结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸。 6.试分析复合材料的应用及发展。 答：①20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后，纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料。至60年代，在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。 ②随着航空航天技术发展，对结构材料要求比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都好。针对不同需求，出现了高性能树脂基先进复合材料，标志在性能上区别于一般低性能的常用树脂基复合材料。以后又陆续出现金属基和陶瓷基先进复合材料。 ③经过60年代末期使用，树脂基高性能复合材料已用于制造军用飞机的承力结构，今年来又逐步进入其他工业领域。
纤维增强复合材料疲劳性能研究进展
纤维增强复合材料疲劳性能研究进展 宋磊磊李嘉禄 （天津工业大学复合材料研究所天津市和教育部共建先进纺织复合材料重点实验室天津 300160） 摘要：随着科技的发展，纤维增强复合材料作为一种新型材料越来越多的应用于众多领域。然而，纤维增强复合材料的疲劳性能对应用具有重要影响。本文根据近年来国内有关复合材料疲劳性能的研究和探索，综述了纤维增强复合材料疲劳性能的定义、机理以及影响因素，并提出了当前存在的一些问题。 关键词：纤维增强复合材料疲劳 1 前沿 随着科技的进步，很多工业特别是高新技术工业对材料的要求不断提高。复合材料由于比强度和刚度高、质量轻、耐磨性和耐腐蚀性好等优点，广泛应用于船舶、汽车、基础设施和航空航天等领域，以及文体用品、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械等方面。 在复合材料构件的使用过程中，由于应力和环境等因素的影响，会逐渐产生构件的损伤以至破坏，其主要破坏形式之一是疲劳损伤。疲劳损伤的产生、扩展与积累会加速材料的老化，造成材料耐环境性能严重下降以及强度与刚度的急剧损失，大大降低其使用寿命，甚至报废。为了使复合材料的应用更加广泛和深入，本文综述了近年来在纤维增强复合材料疲劳性能方面的研究。 2 复合材料疲劳性能及损伤机理 在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为称为疲劳，它记述了材料经受周期应变或应变时的失效过程。复合材料疲劳主要是指复合材料构件在交变荷载作用下的疲劳损伤机理、疲劳特性（强度、刚度随着时间变化规律及其破坏规律）、寿命预测及疲劳设计。 复合材料是非均质（在大尺度上）和各向异性的，它以整体的方式积累损伤，且失效并不总是由一个宏观裂纹的扩展导致。损伤积累的微观机构机理，包括纤维断裂基体开裂、脱粘、横向层开裂和分层等，这些机理有时独立发生，有时以互相作用的方式发生，而且材料参数和试验条件可能强烈影响其主要优势。多种损伤及其组合，使疲劳损伤扩展往往缺乏规律性，完全不像大多数金属材料那样能观察到明显的单一主裂纹扩展，复合材料不仅初始缺陷/损伤大，而且在疲劳破坏发生之前，疲劳损伤已有了相当大的扩展。 3 影响复合材料疲劳性能的主要因素 3.1 基体材料 Boller研究了基体材料对玻璃纤维增强复合材料疲劳性能的影响，研究证明，不同的基体材料具有完全不同的疲劳性能。一般情况下，疲劳性能最好的是环氧树脂。 很多复合材料的疲劳试验证明，基体和界面是薄弱环节。尽管树脂含量的变化在106次循
材料的疲劳性能
材料的疲劳性能一、疲劳破坏的变动应力 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随 1 /2； min） 2 应力； ②不对称循环：σm≠0，-1
④波动循环：σm>σa，0 ②疲劳破坏属于低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测显得十分重要和必要； ③疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织）十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）将降低材料的局部强度。二者综合更加速疲劳破坏 出现两个疲劳源。 （2）疲劳裂纹扩展区（亚临界扩展区）? 疲劳裂纹扩展区特征为断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。近疲劳源区贝纹线较细密（裂纹扩展较慢），远 1 疲劳分析 1.1 S-N法参数设置 1.1.1 FE Results/ResultSet: 1）VibrationOffset：只针对振动疲劳分析，在做振动疲劳时是否考虑预应力（需要在有限元结果文件中定义一单独工况输出）的影响。 2）IncludeTemperatures:是否读取有限元结果中温度变量（如果有限元结果中没有温度输出或者疲劳计算不考虑温度影响，设置为False）。 3）IncludeEquivalentPlasticStrain：是否读取有限元结果中等效塑形应变，一般适用于EN法，SN法设置为False即可。 4）IncludeDisplacements：是否把有限元模型上的节点位移写入Ncode计算的临时文件中，保持默认None 即可。 5）FERsults：对于大部分分析保持默认Standard即可，StateVariables只针对特殊分析（如复合材料分析等）。 1.1.2 FE Results/AnasysisGroup: 1）SelectionGroupType：定义疲劳分析对象的方法。 FEInput:只分析Ncode FEInput Glyph模块中当前显示的单元。如下图 Property：通过区分有限元结果中部件属性的不同来定义。 Material：通过区分有限元结果文件中材料不同来定义。 ElementSet：通过读取有限元结果文件定义的单元集来定义。 UserSet：用户自定义，一般是读取一个文本文件，此文件包含所有所分析单元的ID号。 2）GroupNames：分析组名称（与上一条配合使用）。 *：ALL。 举例，假如我们需要分析部件Property ID号为1、13 和25的三个部件，其中ID 1和13为壳，ID 25为实体。 我们需要在上一条中选择：Property，在GroupNames 中输入：SHELL_1,SHELL_13,SOLID_25 SHELL代表此部件为板壳结构后紧跟一下划线然后是此部件的属性ID号。各部件用，隔开。 3）MaterialAssignmentGroup：疲劳材料分配分组方法。保持默认SelectionGroup即可。 4）IgnoreZeroData:是否把有限元结果中或者历程文件中不存在数据的片段写入到Ncode临时计算文件中，设置为True可以忽略这些时间段，加快计算速度。 5）SolutionLocation:疲劳计算位置点选取。 Element：单元中心点 NodeOnElement：单元节点 AveragedNodeOnElement：平均后的单元节点 Spotweld或者SeamWeld只针对点焊或者缝焊等特殊情况，此处略过。 6）EntityDataType:分析变量。 Stress：分析对象为应力，一般由有限元软件计算得到的弹性应力。 LinearStrain：分析对象为线性应变，不考虑几何非线性及接触等。 ForceMoment：只针对焊点、焊缝等分析。 Displacement：只适用于焊缝分析。 Vibration：假如载荷谱输入为PSD或者扫频，此处选择Vibration。 StressAndStrain：此方法适用于EN法或者多轴EN法，一般来说用于直接读取有限元结果文件的塑形信息而不是通过弹塑性修正方法得到塑形信息的情况。 7）SurfaceNodeOnly:是否只计算部件表面的节点（疲劳中一般裂纹萌生都发生在部件的表面），针对实体部件此选项设置为True可以加快计算速度，对于钣金件是否设置此选项无差别。 8）ResolveToLocal:是否把表面节点的结果映射到局部坐标系中，设置为True可以加快计算速度。 9）ShellLayer：壳单元上下面 TopAndBottom：壳单元的上下表面都计算。 All：只针对复合材料。 10）StressGradients：应力梯度，如果要考虑应力梯度，设置为True。 11）MaterialOrientationTensor:材料方向张量，只针对复合材料分析，其它分析设置为False。 材料的疲劳性能 一、疲劳破坏的变动应力 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随机变动应力两种。 1、表征应力循环特征的参量有： ①最大循环应力：σmax； ②最小循环应力：σmin； ③平均应力：σm=（σmax+σmin）/2； ④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σmin，σa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2； ⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin/σmax。 2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为： ①对称循环：σm=（σmax+σmin）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力； ②不对称循环：σm≠0，-1 ③脉动循环：σm=σa>0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。σm=σa<0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力； ④波动循环：σm>σa，0 A fatigue damage model of composite materials Fuqiang Wu *,WeiXing Yao Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense-Advanced Design Technology of Flight Vehicle,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China a r t i c l e i n f o Article history: Available online 20February 2009Keywords:Composite Fatigue Accumulative damage Predicted life a b s t r a c t The mechanical properties of composite materials degrade progressively with the increasing of the num-ber of cyclic loadings.Based on the stiffness degradation rule of composites,a phenomenological fatigue damage model is presented in this paper,which contains two material parameters.They are proportional to the fatigue life of materials and inversely proportional to the fatigue loading level.Thirteen sets of experimental data of composite stiffness degradation were employed to verify the presented model,and the statistical results showed that this model is capable of describing the damage evolution of com-posite materials.The characteristics of damage development and accumulation of composite materials subjected to variable loading were studied in this paper.Four sets of two-level loading experimental data were cited to verify the damage model,and the results showed that the predicted life is in good agree-ment with the experimental ones. ó2009Elsevier Ltd.All rights reserved. 1.Introduction The damage evolution mechanism is one of the important fo-cuses of fatigue behavior investigation of composite materials and also is the foundation to predict fatigue life of composite struc-tures for engineering applications.As known,the fatigue damage and failure mechanism of composites is more complex than that of metals and four basic failure types will occurr in composites un-der cyclic loading,which are matrix cracking,interfacial debond-ing,delamination and ?ber breakage.Based on a great deal of experimental investigations,many damage models [1–8],which have been,respectively,de?ned by strength degradation,stiffness degradation and energy dissipation of composites,have been em-ployed to describe the damage development of materials in the re-cent decades.The cognition to damage evolution mechanism had been developed from linear model to nonlinear model.However,most models are just suited to a special composite and are not capable of ?tting others.To obtain the parameters of the models,a mass of fatigue experimental data is necessary.The fatigue dam-age mechanism of composites has not yet been recognized wholly.In this paper,the factors related to fatigue damage development of composites were analyzed and a phenomenological fatigue damage model de?ned by material stiffness degradation is de-scribed.Thirteen sets of experimental data were employed to ver-ify the model,and the results show that the model can describe the damage evolution of composite laminates under the different fati-gue loadings.And it is also veri?ed that the model can predict residual fatigue life of composite laminates quite well by four sets of two-level experimental data.2.Damage model Under cyclic stress or strain,the non-inverse structural change will occur in micro local ?eld in composite materials and these changes lead to fatigue damage of composites.With an increase in the number of loading cycles,the quantity of this change will in-crease and the damage will cumulate synchronously.The accumu-lation of damage leads to a change in the macroscopic mechanical properties of the composites,such as the degradation of strength or stiffness of the material.Based on the experimental investigation,Reifsnider [1]concluded that fatigue damage evolution is nonlin-ear in composite materials.During the initial period of fatigue life,many non-interactive cracks occur in the matrix.When the matrix crack density reaches saturation,the ?ber failure,interfacial deb-onding and delamination occur in the composites.Damage will rapidly develop and the material causes ‘‘sudden death”in the end period of fatigue life,as shown in Fig.1. To test the change in Young’s modulus of materials,the damage development of composite materials can be described by stiffness degradation of materials in fatigue behavior investigation.Based on this technique that spends less experimental time and cost,many nonlinear damage evolution models [8]were presented.And the models de?ned by stiffness degradation of composite lam-inates are widely investigated theoretically and experimentally and they fairly described the damage progress in the initial or/and middle period of the fatigue life.However,they are not capable of ?tting the damage progress in the whole period,as shown in 0142-1123/$-see front matter ó2009Elsevier Ltd.All rights reserved.doi:10.1016/j.ijfatigue.2009.02.027 *Corresponding author.Tel.:+862584892576.E-mail address:stonefuq@https://www.360docs.net/doc/2b17884928.html, (F.Wu). International Journal of Fatigue 32(2010) 134–138 Contents lists available at ScienceDirect International Journal of Fatigue journal homepage:w w w.e l s e v i e r.c o m/l o c a t e /i j f a t i g u e 材料的疲劳性能 一.本章的教学目的与要求 本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。 二．教学重点与难点 1. 疲劳破坏的一般规律（重点） 2．金属材料疲劳破坏机理（难点） 3. 疲劳抗力指标（重点） 4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点） 5热疲劳（难点） 三．主要外语词汇 疲劳强度：fatigue strength 断口：fracture 过载持久值：overload of lasting value 疲劳缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue 四. 参考文献 1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，2009 2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995 3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996 4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994 5.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，1991 6.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81 五．授课内容 材料的疲劳性能 A system office room [HUA 16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688] 材料的疲劳性能 一、疲劳破坏的变动应力 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随机变动应力两种。 1、表征应力循环特征的参量有： ①最大循环应力：0?: ②最小循环应力：0血； ③平均应力：0 F （ o远+0血）/2； ④应力幅o &或应力范围A o : △ o二o ?-0込，o a= A o /2= （o远-o血）/2； ⑤应力比（或称循环应力特征系数）："0血/。远。 2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为： ①对称循环：0尸（。込+o血）/2二0, r-1,大多数旋转轴类零件承受此类应力； ②不对称循环：o.HO, -l ④波动循环：o?Oa, 0 一.本章的教学目的与要求 本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。 二．教学重点与难点 1. 疲劳破坏的一般规律（重点） 2．金属材料疲劳破坏机理（难点） 3. 疲劳抗力指标（重点） 4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点） 5热疲劳（难点） 三．主要外语词汇 疲劳强度：fatigue strength 断口：fracture 过载持久值：overload of lasting value 疲劳缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue 四. 参考文献 1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，2009 2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995 3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996 4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994 5.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，1991 6.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81 五．授课内容 力学性能是材料最重要的性能。树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点，用于承力结构的树脂基复合材料利用的是它的这种优良的力学性能，而利用各种物理、化学和生物功能的功能复合材料，在制造和使用过程中，也必须考虑其力学性能，以保证产品的质量和使用寿命。 1、树脂基复合材料的刚度 树脂基复合材料的刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占的体积分数决定。树脂基复合材料的力学研究表明，对于宏观均匀的树脂基复合材料，弹性特性复合是一种混合效应，表现为各种形式的混合律，它是组分材料刚性在某种意义上的平均，界面缺陷对它作用不是明显。 由于制造工艺、随机因素的影响，在实际复合材料中不可避免地存在各种不均匀性和不连续性，残余应力、空隙、裂纹、界面结合不完善等都会影响到材料的弹性性能。此外，纤维（粒子）的外形、规整性、分布均匀性也会影响材料的弹性性能。但总体而言，树脂基复合材料的刚度是相材料稳定的宏观反映。 对于树脂基复合材料的层合结构，基于单层的不同材质和性能及铺层的方向可出现耦合变形，使得刚度分析变得复杂。另一方面，也可以通过对单层的弹性常数（包括弹性模量和泊松比）进行设计，进而选择铺层方向、层数及顺序对层合结构的刚度进行设计，以适应不同场合的应用要求。 2、树脂基复合材料的强度 材料的强度首先和破坏联系在一起。树脂基复合材料的破坏是一个动态的过程，且破坏模式复杂。各组分性能对破坏的作用机理、各种缺陷对强度的影响，均有街于具体深入研究。 树脂基复合材强度的复合是一种协同效应，从组分材料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出其强度性质。对于最简单的情形，即单向树脂基复合材料的强度和破坏的细观力学研究， 磨损 磨损是由摩擦引起的、在阀门密封副中普遍存在的现象。磨损是密封副三种主要破坏形式之一，即磨损、腐蚀和断裂。摩擦处处存在．磨损处处都有。摩擦与磨损是两个不同的概念，摩擦是能量的转换，磨损是材料的损耗。 磨损的定义： 材料磨损是两个以上的物体摩擦表面在法向力的作用下，相对运动及有关介质、温度环境等的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程。 不同的国家、机构对磨损的定义不尽相同，主要有以下五种： (1)英国的机械工程师协会所下定义为：由于机械作用而造成的物体表面材料的逐渐消耗。（强调机械的作用） (2)前苏联的克拉盖尔斯基所下的定义为：由于摩擦结合力的反复扰动而造成的材料破坏。（强调疲劳的作用） (3) 美国材料试验学会（ASTM）标准关于磨损的定义：由于物体的表面与相接触的物质间的相对运动造成物体表面的损伤，还常有材料的逐渐损失。 (4)联邦德国标准对于磨损的定义：磨损是一个物体由于机械的原因，即与另一个固体的、液体的或气体的配对件发生接触和相对运动，而造成的表面材料不断损失的过程。 (5) OECD(欧洲经济合作和发展组织)关于磨损的定义：磨损是物体由于其表面相对运动，而承载表面上不断出现材料损失的过程。 由上述有关磨损的定义，可以看到材料的磨损有三大要素： 1.材料的表面特性 2.与另一物质（固体、液体及气体）的接触特性，即接触方式、力的传递、表面变形等 3.相对运动 磨损的分类： 磨损按照表面破坏机理特征分为磨粒磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等。磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损是阀门密封面主要的磨损类型。 影响磨损的因素： 通常软固体比硬固体更容易磨损，而且磨损随着载荷和滑动距离的增加而增加。但也有例外，如聚乙烯比钢软，磨损反而小。 磨损影响因素很多又十分复杂，其中环境因素、润滑条件、工作条件，还有材料性质等诸多因素。阀门密封副的磨损主要受材料的物理化学性能、介质、温度、载荷的影响而引起变化。 磨损系数： 由磨损引起的材料损失量，称为磨损量。材料磨损量的量度包括：线磨损量、体积磨损量、质量磨损量以及通常用的磨损速率、耐磨性和相对耐磨性等等。 研究不同的密封副材质之间的磨损系数，是国内外计算磨损的常用方法。这是由于它综合考虑了载荷和磨程等因素的影响。 由于材料磨损性能不是材料的固有特性，而是与磨损过程中的工作条件（如载荷、速度、温度、环境因素等），材料本身性能及相互作用等有关的系统特性。因此，脱离材料的工作条件（工况）来评定材料耐磨性的好坏是没有实际意义的。所以，在评定各种材料耐磨性时，采用二种“标准”材料（Cu-Zn-Pb 合金、Pb-Sn 合金）为参考试样，用试验材料与参考试样在相同磨损条件下试验结果来进行评定。 材料的相对耐磨性定义为：在相同磨损条件下（同一工况条件下）．试验材料的耐磨性和标准材料耐磨性的比值。可表示为： ==εεε试验相对标准试验试样的磨损量标准试样的磨损量 磨损系数是ε相对的倒数，K=1/ε相对 复合材料聚合物的性能对比 聚合物复合材料的性能解释 1．1 拉伸性能 拉伸性能包括拉伸强度，弹性模量、泊松比、断裂伸长率等。对于如高压容器、高压管、叶片等产品，必须要测出聚合物复合材料的拉伸性能，才能进行产品设计及检验。 对于不同的聚合物复合材料，拉伸性能试验方法是不同。对于普通的，用国标GB/T1447进行测试；对于缠绕成型的，用国标GB/T1458进行测试；对于定向纤维增强的，用国标GB/T33541进行测试；对于拉挤成型的，用国标GB/T13096-1进行测试。使用最多的是 GB/T1447。 国标GB/T1447，对于不同成型工艺复合材料，又规定不同形状的拉伸试样，有带R型、直条型及哑铃型。使用拉伸试验机或万能试验按规定的加载速度对试样施加拉伸载荷直到试样破坏。用破坏载荷除以试样横截面面积则为拉伸强度。从测出的应力----应变曲线的直线段的斜率则为弹性模量，试样横向应变与纵向应变比为泊松比。破坏时的应变称为断裂伸长率。 单位面积上的力，称为应力，通常用MPa（兆帕）表示，1MPa相当于1N/mm2的应力。应变是单位长度的伸长量，是没有量刚（单位）的。 不同的现代复合材料其拉伸性能大不一样，以玻璃纤维增强的玻璃钢为例：1：1玻璃钢，拉伸强度为（200-250）MPa，弹性模量为（10-16）GPa；4：1玻璃钢，拉伸强度为（250-350）MPa，弹性模量为（15-22）GPa；单向纤维的玻璃钢（如缠绕），拉伸强度大于800MPa，弹性模量大于24GPa；SMC材料，拉伸强度为（40-80）MPa，弹性模量为（5-8）GPa；DMC 材料，拉伸强度为（20-60）MPa，弹性模量为（4-6）GPa。 1.2 弯曲性能 一般产品普遍存在弯曲载荷，弯曲性能是很重要的，同时，往往用弯曲性能来进行原材料，成型工艺参数，产品使用条件因素等的选择。 材料的疲劳性能 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】 材料的疲劳性能 一、疲劳破坏的变动应力 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随机变动应力两种。 1、表征应力循环特征的参量有： ①最大循环应力：σmax ； ②最小循环应力：σmin ； ③平均应力：σm =（σmax +σmin ）/2； ④应力幅σa 或应力范围Δσ：Δσ=σmax -σmin ，σa =Δσ/2=（σmax -σmin ）/2； ⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin /σmax 。 2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为： ①对称循环：σm =（σmax +σmin ）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力； ②不对称循环：σm ≠0，-1 ④波动循环：σ m >σ a ，0Ncode-SN疲劳耐久参数资料讲解
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