CFRP 薄板失效模式

1  拉伸载荷失效模式

1.1  纵向拉伸

在纵向拉伸载荷下,单向板中最薄弱的横截面内会出现少量纤维断裂。每根纤维断裂后,会通过基体将载荷转移至邻近的纤维。随着载荷的持续增加,越来越多的纤维出现断裂。当某个静截面承载能力减少到低于施加载荷时,发生最终失效。失效模式可以归结为三种模式:

a脆性破坏、b带纤维拔出的脆性破坏和c不规则破坏,如下图:

由纤维断裂引起的裂纹在随后的加载过程中会扩展到基体中去,其路径主要依赖于集体和界面的性能。

  • 如果基体与纤维之间的粘接强度高,那么裂纹沿垂直于载荷的方向在基体中扩展,表现为相当光滑的断面,如上图a。
  • 反之,裂纹则主要沿界面扩展,表现为在一些薄弱界面纤维与基体界面剥离和断裂纤维从基体中拔出,如上图b。
  • 中间状态则为不规则的破坏,如上图c

1.2  横向拉伸

复合材料横向拉伸失效肯定不发生纤维破坏,即“基体模式”失效。当横向拉伸载荷作用于单向板,在集体内和界面上产生高的应力集中。因此,主要失效模式为基体内和/或界面上的拉伸开裂。横向拉伸下的失效模式如下图:

2  压缩载荷失效模式

由于基体和界面与纤维相比相对较弱,因而单向层合板在压缩载荷作用下可沿纤维方向在基体内或界面上产生断裂,如下图。这是因为基体和纤维的泊松比存在差异导致横向拉伸应力的结果。如果纤维产生屈曲,界面可剪切破坏并导致最终失效。但是,如果基体韧性较好且界面强度较高,则纤维可以弯曲而不发生基体破坏,最终失效形式是弯曲。宏观上,纵向压缩载荷下的主要失效模式是剪切屈曲,如下图(b),它就象是面内的与载荷成一定角度的剪切破坏。

横向压缩下,失效可能沿平行于纤维轴的基体界面出现剪切破坏,类似于均质材料的压缩破坏。

3  剪切载荷失效模式

单向板的剪切破坏一般发生在平行于纤维的树脂和纤维/树脂界面,而且界面的完整性对剪切强度时一个重要因素。下图示出了面内剪切失效模式。

参考文献:国检检测

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