金属材料力学性能

关键词： 飞机 依靠 设计 要求

金属材料力学性能（精选十篇）

金属材料力学性能 篇1

关键词：金属橡胶,剪切力学性能,加载实验,应力幅值

0 引言

目前超高层建筑日益兴起, 使得钢筋混凝土框架—剪力墙结构应用广泛, 作为主要的受力构件, 剪力墙的整体刚度大, 在地震作用下易发生脆性剪切破坏。因此, 剪力墙抗震性能的研究对保证结构的安全性和减少后期加固及修复的损失显得尤为重要。针对这种现状, 急需一种新的耗能装置进行替换。

目前由金属橡胶制成的阻尼器, 具有阻尼大、受温度影响小、耐腐蚀等特点, 是一种新型的阻尼减震材料[1]。金属橡胶材料的变形自恢复耗能减震性能, 可以减小结构塑性损伤充分耗散地震能量, 相关减震装置在地震后变形可自恢复, 无需替换。其内部结构是金属丝相互交错勾联形成的空间网状结构, 同时兼备金属特点和橡胶的弹性, 有良好的形状记忆性能, 应用领域除抗震与抗冲击外还涉及航空航天、军事、降噪等多个方面[2]。

现今关于金属橡胶的研究主要涉及到金属橡胶材料在承受压缩荷载时的性能变化规律, 而关于剪切荷载作用下金属橡胶性能变化的实验研究尚未广泛开展。因此, 文章了解到目前研究中的这一现状, 从而针对不同的金属橡胶试件, 研究在改变密度、加载频率、加载幅值和循环加载次数等变量时, 金属橡胶材料在剪切荷载作用下的剪切性能变化规律。通过实验得到等效阻尼比和剪切应力—应变关系曲线等数据, 为未来关于金属橡胶材料剪切性能的研究提供了进一步的可行性方向。

1 试验材料

金属橡胶结构性能与制成材料密度、形状因子、热处理工艺等参数息息相关, 因此试件选用Fe-Cr-Ni系合金即奥氏体不锈钢制成, 所得试件具有塑性好、导热性差等特点[3]。试件尺寸为边长为25 mm的立方体。通过增加剪切方向的金属丝数量来提高抗剪切性能, 制成的试件按质量和成型密度的不同分别编号OMR-1, OMR-2, OMR-3, 所得试件参数见表1。

2 试验方法

金属橡胶的剪切性能实验所采用的试验装置是哈尔滨工程大学力学实验中心的INSTRON Fast Track TM8801电液伺服动力疲劳试验机。静力剪切试验和动力剪切试验中沿图1中x和y方向施加剪切循环荷载, 该方向与研究压缩性能实验时施加力的方向相垂直。在试验过程中根据传感器采集基本数据并将其换算成应力和应变。试验装置内部和模拟的试件剪切方向如图2所示, 即通过夹具两侧相互搓动施加剪切荷载。

为研究各变量因素对金属橡胶材料剪切性能的影响, 在保证试件变形可恢复性的基础上, 改变各变量的取值, 来分析和总结剪切性能变化规律。各变量具体变化为:

1) 加载方向:沿图1中相互正交的ox, oy方向分别进行加卸载实验;

2) 加载频率:0.1 Hz, 0.5 Hz, 1.0 Hz, 3.0 Hz;

3) 应力幅值:5%, 10%, 15%, 20%;

4) 各试件构件成型密度不同。

3 试验结果与分析

3.1 加载方向和加卸载循环次数的影响

为了确定金属橡胶中非受压成型面和加载次数是否会影响剪切性能, 沿图1中相互正交的ox, oy方向分别进行多次的加卸载实验, 并比较沿每个方向加载时, 加载次数的增多是否会使迟滞曲线发生变化。在确定加载频率为1.0 Hz和应变幅值为10%的前提下, 绘制ox和oy两个方向的剪应力—剪应变迟滞曲线, 如图3所示。由图可知, 两个方向的曲线基本一致, 可以得出金属橡胶中两个非受压成型面的剪切性能基本相同。同时, 通过发现ox方向或oy方向的迟滞曲线加载前后趋于一致, 可以总结出加卸载循环次数对金属橡胶试件的滞变性能基本无影响。另外, 通过曲线可以分析出剪应力—剪应变曲线没有明显的应变硬化特征。

3.2 加载频率的影响

为了确定不同加载频率时金属橡胶材料的剪切性能是否有差异, 对试件OMR-1按不同频率进行加载, 得到试件OMR-1在应变幅值为20%时在0.1 Hz, 0.5 Hz, 1.0 Hz, 3.0 Hz的加载频率下的剪应力—剪应变曲线, 如图4所示。根据该曲线, 可以得出在应变幅值、成型密度确定的情况下, 不同加载频率下的曲线基本重合。这意味着金属橡胶的剪切性能与加载频率的大小无关。

3.3 应力幅值的影响

为了研究不同加载幅值对金属橡胶材料剪切性能的影响, 采用的具体方法为对三个试件在其他条件相同时分别采用5%, 10%, 15%, 20%的应力幅值进行剪切加载[4], 得出试验数据并绘制出试件在不同幅值下的迟滞曲线。如图5所示为试件OMR-3在不同幅值下的迟滞曲线。由图5可知在不同幅值下, 曲线所包络的面积大小有所不同。具体表现为应力幅值越大, 所包络的面积越大, 即金属橡胶耗能能力增强。直接原因是因为过大的加载幅值使得金属丝之间发生明显的滑移现象, 克服了它们之间的摩擦力, 最终表现为耗能增加[5]。

3.4 成型密度的影响

为了比较不同成型密度的阻尼性能, 在其他变量因素确定的条件下对不同试件进行剪切加载, 此时影响变量只有成型密度, 并绘制不同试件的剪应力—剪应变迟滞曲线。由图6可知, 随着成型密度的增加, 应力—应变曲线的切线弹性模量变大, 即剪切刚度变大。造成该结果的直接原因是成型密度的增加使金属丝越密集, 在相同的受力情况下金属丝之间的摩擦力势必增多, 剪切刚度随之增加。因此, 可以总结出随着成型密度的增加, 金属橡胶材料沿剪切方向的减震耗能能力逐渐增强。

4 结语

文章通过利用控制变量法对金属橡胶材料剪切力学性能进行试验研究, 并分析试验结果可以总结出以下结论:当金属橡胶试件承受剪切荷载变形时, 循环加载次数、加载方向和加载频率并不影响试件的剪切性能, 同时, 试件的耗能减震效果和阻尼性能与成型密度和应力幅值成正比。另外, 剪应力—剪应变曲线没有明显的应变硬化特征。因此, 金属橡胶材料适于应用在承受剪切荷载的结构中, 来达到耗能减震的作用。

参考文献

[1]毛晨曦, 李素超, 赵亚哥白, 等.一种新型隔震材料:形状记忆合金金属橡胶[J].土木工程学报, 2010, 43 (1) :176-181.

[2]赵程, 贺跃进, 张恒.金属橡胶的应用研究[J].噪声与振动控制, 2006, 10 (5) :45-47, 73.

[3]董秀萍, 刘国权, 杨建春, 等.金属橡胶用冷拉拔奥氏体不锈钢丝的微观组织[J].航天材料学报, 2007, 12 (6) :35-39.

[4]邹广平, 程贺章, 唱忠良, 等.丝网编织金属橡胶的静态力学性能研究[J].哈尔滨工程大学学报, 2015, 36 (3) :332-336.

金属力学性能总结 篇2

1、拉伸试验条件：光滑试样室温下进行的轴向加载静拉伸。

2、屈服强度：许多金属拉伸时会出现物理屈服现象，而又有许多金属没有物理屈服现象。把规定产生0.2%残余伸长所对应的应力称为屈服强度。

3、抗拉强度：是试件拉断以前的最高载荷除以试件原始横断面积，用σb表示

4、弹性模数的物理意义：（1）弹性模数是弹性应变为1时的弹性应力；（2）弹性模数实际是原子间静电引力的表征，其数值反应了原子间结合力的大小；（3）弹性模数是弹性变形时应力和应变的比值，或比例常数；

5、包申格效应：试件预加载产生微量塑性变形，然后再同向加载σe升高，反向加载时σe下降，我们把这种现象称作包申格效应。

6、弹性后效：当试件沿OA加载时，呈线性。在A点保持负荷不变，随时间延长变形在慢慢增加，产生变形AB。到B时卸曲线落到D点。这时可以看到变形OD。OD称为正弹性后效。随时间的延长，又从D慢慢回复到O,DO为反弹性后效。我们把这种与时间有关的弹性变形称为弹性后效。

7、金属在加载和卸载时应力应变曲线不重合，形成一个封闭的环，这个环叫做弹性滞后环。

8、布氏硬度计：软材料，如低碳钢、铜合金、铝合金、铸铁等。

洛氏硬度计：淬火，硬材料。

维氏硬度计：涂层，硬度梯度变化的材料。

9、金属强化方法：细晶强化，固溶强化，第二相强化，形变强化。

10、物理屈服现象：在应力—应变曲线上出现应力不增加，时而有所降低，而变形仍在继续进行的现象。产生机制详见P53。

11、形变强化的意义：

（1）形变强化可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件安全（2）形变强化可使金属塑变均匀进行，保证冷变形工艺的顺利实现

（3）形变强化可提高金属强度，和合金化、热处理一样，也是强化金属的重要工艺手段（4）形变强化还可降低塑性改善低碳钢的切削加工性能

12、颈缩实际过程：塑性变形→形变强化→塑性变形不停→塑性变形转移不出去→不停塑变→颈缩。

13、解理断裂特征：河流花样，解理舌，穿晶断裂。

14、光滑试件微孔断裂三个区域：纤维区，放射区，剪切唇。

15、应力场强度因子KI：表示在名义应力的作用下，含裂纹体处于弹性平衡状态时，裂纹前端附近应力场的强弱。

16、金属的断裂韧性KIC是材料常数。材料抵抗裂纹失稳扩展的的能力可用KIC来评定

17、GI：裂纹扩展单位面积由系统所提供的弹性能量叫做裂纹扩展力或称为裂纹扩展时的能量释放率，简称能量释放率。

18、格里菲斯理论优点：与实测值相符，解决了实际强度与理论强度的巨大差异；数学形式上简明。缺点：未考虑塑性变形；对于没有初始微裂纹的材料无法解释。

19、裂纹的三种扩展方式：张开型，滑开型，撕开型。

20、冷脆：钢在低温冲击时其冲击功极低，这种现象称为钢的冷脆

力学本质：温度低于Tk时，塑变强度高于正断强度，在塑变前发生正断。物理本质：温度降低时，屈服强度提高造成的。

21、韧脆转变温度的确定：能量准则法：以Ak值降至某一特定数值时的温度作为Tk。断口形貌准则法：按特定断口形貌对应的温度确定Tk.22、疲劳宏观断口分为三个区：疲劳裂纹产生区，疲劳裂纹扩展区，最后断裂区

23、疲劳线为宏观断口，疲劳辉纹

24、损伤度：设试件在循环应力σ1下的疲劳寿命为Nf1,若在该应力幅下循环n1次，则损伤度为n1D1=n1/Nf1.25、用非发展裂纹解释过负荷损害界的产生：在疲劳极限的应力下，虽经过无限多次应力循环而未断裂，但金属内部还是存在有宏观尺寸的裂纹，只是这种裂纹在金属内部不发展，故称为“非发展裂纹”，这种裂纹在疲劳极限应力下有一临界尺寸。过载荷应力下造成的裂纹长度如果小于此临界尺寸，则此裂纹在疲劳极限应力下不会发展，即过载荷没有造成损伤。如果大于临界尺寸，则在以后的疲劳极限应力下，此裂纹将不停的发展，以致断裂，即过载荷造成了损伤。另外，在过负荷下即有裂纹向前扩展因素，又有裂纹顶端塑性区产生压应力和变形强化及时效等阻止裂纹增长因素，尤其是阻止裂纹长大到非发展裂纹尺寸，所以会产生过负荷损害界。

26、驻留滑移带：反复在原位出现，就像驻扎在那里总也不消失的滑移带称为驻留滑移带。

27、表面强化处理提高疲劳极限的原因：表面强化后不仅直接提高了表面层的强度，从而提高了疲劳极限，而且由于强化层存在，使表层产生残余压应力，降低了交变载荷下表面层的拉应力，是疲劳裂纹不易产生或扩展。

28、金属材料在应变保持一定的情况下，形变抗力在循环过程中不断增高的现象称为循环硬化；形变抗力在循环过程中下降，即产生该应变所需应力逐渐减小的现象叫做循环软化。

29、低周疲劳：是高应力低频率低寿命的疲劳，其交变应力接近或超过材料的屈服强度，有时称之为塑性疲劳或应变疲劳。

30、应力腐蚀：由拉伸应力和腐蚀介质外加敏感的材料组织联合作用而引起的漫长而滞后的低应力脆性断裂称为应力腐蚀。

31、磨损分类：按破坏机理分为：粘着磨损、磨粒磨损，表面疲劳磨损。按机件表面磨损状态分为：连续磨损、粘着磨损、疲劳磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、微动磨损、表面塑性流动。

32、接触疲劳：是滚动轴承、齿轮等一类机件的接触表面，在接触压应力的反复长期作用后所引起的一种表面疲劳剥落损坏现象。分为：麻点剥落、浅层剥落、硬化层剥落。

33、蠕变：金属在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。

34、持久强度：高温材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。

35、金属的应力松弛：在具有恒定总变形的零件中，随着时间的延长而自行减低应力的现象，称为应力松弛。

36、松弛稳定性：材料抵抗应力松弛的性能。

37、迟屈服：体心立方金属，如低碳钢等，在高加载速度之下使之处于高于屈服应力的某一应力下保持，则发现刚刚达到此应力数值的瞬间，屈服变形并不发生，而须在此应力作用下经过一定时间后才发生，这个现象称为迟屈服现象。计算：

1、断面收缩率：ψ=

伸长率=F0F F0lkl0 l0P

真实应力=

真实应变=lnL/L0 FPLL0

条件应力=

条件应变=

金属材料力学性能 篇3

一、巧设演示,引出概念

恰当的课堂演示可以把一些深奥难懂的问题直观地反映出来,使学生通过感性认识加深对知识的理解,从而达到深入浅出的教学效果。

例如,在讲授“强度”“韧性”的概念时,可以分别做以下演示实验。

演示1取一段100mm长Φ0.6mm的细铁丝和100mm长Φ0.9mm的焊锡丝,徒手对拉,锡丝很容易拉断而细铁丝拉不断。

说明细铁丝在拉力(静载荷)作用下更难断裂,即抵抗能力更强。由此引出“强度”的概念,学生便容易理解。

演示2用手指轻弹橡皮泥和粉笔,结果是橡皮泥产生了弯曲但并没有断裂,粉笔立即断成两截飞出。

说明在冲击载荷的作用下粉笔的抵抗能力更弱,由此引出“冲击韧性”的概念。这样学生就能从感受中理解概念。

再如,在讲到材料的硬度时,可用一简单的实验求证课本知识:找一把小刀切削橡皮擦和铅笔。小刀可以轻而易举地切削橡皮擦,而切削铅笔却要花较大的力气。说明橡皮擦的硬度低,而铅笔的硬度高。在讲到材料硬度的测定方法时,我准备了一块橡皮泥、一块橡皮擦、一块和一把小刀,先将橡皮泥和橡皮擦放到一位同学的手中,要求判断其硬度,说明判断方法;再将小石块和小木块放到这位同学的手中,要求判断其硬度,并说明判断方法。学生根据生活常识很自然得出如下结论:前者用手捏(压痕法)得出橡皮擦更硬,后者用小刀划(划痕法)得出石块更硬。接下来再讲授“布氏硬度测量法”等相关内容时,学生便不难理解了。

事实证明,这种简单的演示实验,对帮助学生理解和掌握概念能起到很好的作用。通过加强实验,不仅可以使学生具备一定的感性认识。更重要地是使学生进一步理解物理概念和定理是怎样在实验基础上建立起来的,从而有效地帮助学生形成概念,导出规律,掌握理论,正确而深刻地领会物理知识。

二、合理运用多媒体教学手段,强化实验演示效果

1.合理运用教材随附的光盘

用光盘中的素材为学生展示相关的试验过程,使学生有相对直观的认识。素材中提供的实验有布氏硬度测试步骤、布氏硬度原理、冲击实验、低碳钢拉伸实验、洛氏硬度测试步骤、洛氏硬度原理、液压式万能试验机拉伸实验。通过视频播放,能让学生从直觉上认识这些试验的过程,从而深入了解各力学性能指标的测定方法。

2.运用网络下载相关视频,让学生加深认识试验过程

现如今,网络资源丰富,我们不仅可以下载以上实验的真实视频,还可以下载工厂车间的生产过程视频,让学生了解生产过程中材料的形变及受力等内容,有助于拓展学生对金属材料的认识,更好地为后续教学奠定基础。

三、引导学生设计测试方法,并付诸实验过程

注重“动手优先”的教学方法,教师的“教”应将重点放在精心组织实际操作的过程中,教师的指导不仅表现在引导学生积极参与操作上,而且表现在指导学生操作之前所进行的实验构思和实验设计上,以及实验结束后引导学生进行实验的总结升华等方面。

通过在“真实”环境下的“做中学、做中教、实践中教理论”,让学生学起来,提高学生的学习兴趣和乐趣,增强学习成效,这符合职业教育的特性与中职生的认知特点。例如拉伸试验,我们可以引导学生做以下简易分组实验:

将学生分组,每组4人。

实验目的:观察拉伸过程中的强化、缩颈、断裂等现象,并测定断后长度和断面直径。

实验试样:长50mmΦ0.9mm的焊锡丝若干,长50mmΦ0.6mm的细铁丝若干。

实验工具:每组游标卡尺1把,老虎钳2把。

实验过程:

第一步:用老虎钳分别夹紧细铁丝的两端(垫纸),两手对拉直到把铁丝拉断,观察铁丝粗细和长度的变化。

第二步:用老虎钳分别夹紧焊锡丝的两端(垫纸),两手对拉直到把锡丝拉断,观察锡丝粗细和长度的变化。

第三步:通过测量可知,细铁丝的断后长度为60mm(伸长10mm)、细铁丝的断口直径为0.45mm;焊锡丝的断后长度为54.5mm(伸长4.5mm)、焊锡丝的断口直径为0.6mm。

教学实践证明,学生喜欢教师采用这种方法教学,并能取得较为显著的效果。通过设计以上实验,学生对于拉伸过程的强化、缩颈、断裂等现象有了直观的认识,通过“动手”,可进一步巩固“强度”、“塑性” 等知识点。

分组实验向学生提供了丰富的感性材料,他们可以对这些感性材料进行分析、综合、归纳、总结上升为理论知识,且易于理解,便于记忆。通过以上分组实验教学,很好地解决了学生“厌学”的问题,让学生“学有兴趣”、“学有乐趣”、“学有成效”,从而提高学生的学习积极性和自主性,进一步加强学生的创新意识和探究能力,实现学生真正成为学习的主体,提高课堂教学效率,达到以学生发展为本的目标。

四、现场参观,加深对理论知识的理解

完成这一单元的课堂教学后,我们可以安排学生到校实训车间现场参观,观察车间内某些工具或工件的损坏形式,引导学生进一步理解金属材料的力学性能及其指标。如钳工车间出现锯片折断、锉刀、钻头断裂现象,这就是强度问题。再如工件冲号时,有的压痕深,有的压痕浅,这即为硬度。通过现场观察,引导学生思考,从而加深理解所学内容。

针对现有教学体制下学校实验能力不足的问题,教师还可以与当地的科研院所或高校联系,带学生到实验室去参观,以弥补实验教学的不足,增长学生的见识。例如在讲完“金属的力学性能”这一单元后,笔者带学生到理工学院金属材料实验室进行参观。在实验室里,学生观看了许多实验,如材料的硬度测试、冲击实验、拉断实验、压缩实验。在整个参观过程中,学生表现出了很大的兴趣,认为看到的东西验证了课本的内容,对掌握知识有很大的帮助。

教师在平时的教育教学过程中,应以学生为本,努力践行科学发展观。在新一轮的课改中,切实贯彻“以服务为宗旨,以就业为导向”的职业教育办学方针,坚持以学生为主体的教学理念,着眼于学生的全面发展,在培养高素质劳动者和技能型人才上发挥应有的作用。只有当学生真正“学起来”了,我们才能实现我们的课改目标。实验教学的特点是直观性和可操作性,它不但能激发学生的兴趣,而且有很强的说服力。实验教学在提高教学效果和开发学生创造能力等方面显得尤为重要,同时也是启发学生思维、调动学生积极性、培养动手能力的重要手段。中职教师不能拘泥于学校现有的教学条件,要充分发扬师德精神,认真领会新一轮的课改思想,不断探索,综合学生实际和客观条件,创设可行的实验方案,设计一些简单易行的实验激发学生的学习兴趣,通过实验验证理论,提高学生对知识的认同感,从而有效提高课堂教学质量。

金属材料力学性能 篇4

此外每一种新设计的飞机, 都有6%～10%的新材料需要开发和研制。以往的材料研究往往只考虑材料某一方面的性能提高, 材料各性能之间的相互匹配则考虑较少, 即缺乏综合的评价指标或表征体系来指导材料地发展。随着飞机结构设计要求多样化和综合化, 有必要探讨考虑各种工程设计要求下提出材料的综合性能指标和表征体系, 从而为新材料的研制指明要求和发展方向。

本工作结合飞机结构设计思想的演变与结构设计选材的发展, 提出材料损伤容限特性的表征方法, 进而发展了一种能综合表征和评价材料静强度、疲劳和损伤容限特性的方法, 可为结构设计选材以及新材料研制提供依据。

1 飞机结构设计思想演变与机体结构材料发展

飞机的设计思想来源于飞机的使用实践, 对飞机不断提出的更高、更新的要求促使飞机设计思想不断地发展和演变。飞机结构设计在经历了静强度与静动强度设计的过程后, 到20世纪60年代增加抗疲劳 (安全寿命) 设计, 70年代提出结构耐久性和损伤容限设计, 以确保结构的安全性和可靠性。结构设计概念和准则的变化, 必然导致结构选材判据和材料研制方向和指标的变化[1]。

现代飞机重要零部件均采用损伤容限设计。这就要求材料不仅有高强度, 而且还应有较高的抗疲劳和损伤容限特性。目前钛合金由于其高强度、低密度和优良的损伤容限性能, 在很多应用上已经代替合金钢。例如A380钛用量从5%～7%增加到10%, 仅吊舱和起落架就增加了2%, 其吊舱的主要结构实现了全钛设计。A380上应用的Ti-6Al-4V都经过β退火处理, 以提高其断裂韧性和降低裂纹扩展速率[2]。A380还首次将新型钛合金VST55531用于机翼和吊舱之间的连接装置, 该钛合金具有优异的断裂韧性和高强度[3]。

随着复合材料和钛合金的发展, 铝合金在大型飞机上的用量有所减少, 但超高强度高韧性铝合金用量却增加了, 7150-T77, 2524-T3, 7055-T77等具有高强度、优良的疲劳特性和抗腐蚀特性的第四代铝合金已经在B777和C17等大型飞机中广泛应用, 代替了原来的2024和7075等铝合金, 成为航空铝合金应用的主力[4,5]。具有优良综合性能的新型7085铝合金已经制成特大锻件应用于A380机翼主梁结构[6]。

由此可见, 目前机体结构材料除了考虑传统的静强度和疲劳特性外, 损伤容限特性也成材料选择必须考虑的主要因素之一。

2 机体结构设计现有选材指标与方法分析

传统的飞机结构设计选材只包含两个方面的基本要素:材料的静强度及刚度、材料的疲劳性能。在保证飞机安全和使用可靠的前提下, 应尽量提高结构效率, 减轻结构重量。因此应尽量选择强度 (σb) 、刚度 (E) 高而密度 (ρ) 低的材料。强度比 (σb/ρ) 和刚度比 (E/ρ) 是评价材料强度和刚度特性的主要性能指标。疲劳是结构材料在交变载荷作用下出现的破坏。一般采用S-N曲线反映材料的基本疲劳强度特性, 也可以用指定循环次数下的疲劳极限 (σ-1) 作为疲劳特性的选材指标。

随着结构完整性和损伤容限概念的提出, 材料的选择判据增加并强调以下两个新的要素:断裂韧性和裂纹扩展特性。含裂纹材料的静强度以平面应变断裂韧性KIC为选材判据。KIC是材料固有特性。当材料处于平面应力状态时, 材料断裂性能与厚度有关, 用KC表示。含裂纹材料的疲劳特性用疲劳载荷作用下裂纹扩展特性da/dN-ΔK曲线表示, 其中:da/dN为裂纹扩展速率, ΔK为应力强度因子变化幅值。

综上所述, 目前机体结构材料的选材指标包含材料的静强度、疲劳和损伤容限特性。而且材料性能之间并不是独立的, 设计选材应该考虑到材料性能性能之间的相互影响关系。例如, 无论是钛、钢或铝, 总的趋势都是KIC随σb的提高而降低。考虑到静强度与断裂韧性之间的矛盾, 英法联合研制的“协和号”客机以KIC/σb作为重要选材依据来评价材料的综合性能。也有学者[7,8,9]建立了考虑到多个设计目标时材料性能的综合评价的模型和方法。这些模型将材料性能对设计目标的影响程度数值化, 从而得到候选材料的影响因子矩阵, 以此矩阵的行列式的值作为材料性能优劣的评判标准。这种方法只能适用于可用单个数值表示的材料特性如强度、刚度、密度, 断裂韧性等, 对与寿命和安全性关系密切的以曲线形式表示的裂纹扩展da/dN-ΔK曲线和疲劳S-N曲线还存在一定难度。

3 机体结构材料损伤容限特性表征与评价

结构损伤容限设计主要是利用材料的缓慢裂纹扩展特性和含裂纹结构的剩余强度。目前设计选材采用断裂韧性来评估含裂纹材料的剩余强度, 已经取得了广泛应用和比较一致的认识, 但对于裂纹扩展特性的评价仍没有形成统一的指标和方法。

裂纹缓慢扩展特性主要取决于裂纹稳定扩展的da/dN-ΔK曲线变化特性。对于工程可检裂纹, 其稳定裂纹扩展阶段所对应的da/dN约在10-3～10-5mm/次之间, 此阶段da/dN-ΔK关系可以用来衡量材料的裂纹扩展特性, 相同da/dN时ΔK较大者裂纹扩展特性较好。图1为航空常用金属材料铝合金 (LY12-CZ) 、钛合金 (TC4和TA15) 、超低间隙损伤容限型钛合金 (TC4ELI和TA15ELI) 以及合金钢 (30CrMnSiNi2A) 在应力比R=0.1时双对数坐标下da/dN-ΔK关系在稳定裂纹扩展阶段da/dN=10-3～10-5mm/次之间的裂纹扩展特性的对比 (其中TA15ELI和TC4ELI性能数据由中科院金属所提供, 其他材料数据来自文献[10]) 。从图1看几种材料均具有较好的缓慢裂纹扩展特性, 其中铝合金的裂纹扩展特性最差, 其他几种材料在相同ΔK时的da/dN均小于铝合金;超低间隙钛合金的裂纹扩展特性优于普通钛合金, 与合金钢相当。但这并不能说明合金钢和钛合金的损伤容限特性好于铝合金。因为钛合金和合金钢的工作应力比铝合金高, 这意味着在正常设计应力工作时钛合金的da/dN大。事实也是如此, 在航空结构中铝合金结构已广泛采用损伤容限设计, 而钛合金和合金钢结构则仍普遍采用安全寿命设计方法。由此可见, 采用稳定裂纹扩展阶段的da/dN-ΔK关系并不能全面反映材料的损伤特性。

一般结构大部分工作应力在σb/3左右, 因此对材料的裂纹扩展特性进行评价时, 等幅载荷的最大应力通常取σb/3。现将图1的横坐标转换成3ΔK/σb, 得到图2所示da/dN-3ΔK/σb曲线, 即当工作应力为σb/3时裂纹扩展速率da/dN与裂纹长度的平方根a0.5之间的关系曲线。由图2可知, 当三种材料作用与静强度比值相同的应力时铝合金的裂纹扩展特性要好于普通钛合金和合金钢;而在相同裂纹扩展速率时, LY12-CZ所允许的裂纹长度较长, 说明LY12-CZ的损伤容限特性比TA15和TC4好;采用β热处理的超低间隙钛合金TC4ELI和TA15ELI的裂纹扩展特性稍好于铝合金, 说明超低间隙钛合金也适用于进行结构损伤容限设计。此外, da/dN=10-3mm/周时对应的 (3ΔK/σb) 2值在一定程度反映了进入快速扩展时的临界裂纹长度。因此, 材料的da/dN-3ΔK/σb能从使用应力下的裂纹扩展速率和失稳扩展时的临界裂纹长度两个方面更为全面地反映材料的损伤容限特性。

4 机体结构材料综合力学性能表征与评价

飞机结构要满足强度、疲劳、耐久性和损伤容限等结构设计要求。这些设计要求是通过材料的静强度、疲劳、断裂韧性和裂纹扩展特性来满足的, 并且这些材料性能并不是相互独立的, 他们之间存在着相互制约的关系。材料损伤容限特性改善必然影响到其静强度、疲劳等其他方面的特性。

表1为HT1和HT2两种不同热处理制度TA15ELI的静强度、断裂韧性、疲劳裂纹扩展Paris公式和S-N曲线等基本力学性能比较。由表1难以综合评价材料的静力、疲劳和损伤容限特性, 无法保证设计选材的准确性。

为了综合评价两种热处理制度TA15ELI的静强度、疲劳和损伤容限特性, 根据表1数据绘制如图3所示的结构使用应力、疲劳寿命和裂纹扩展寿命 (工程可检初始裂纹a0扩展至临界裂纹aC的寿命) 的关系图。图3中横坐标分为上下两种形式, 上部横坐标为用对数坐标表示的疲劳寿命, 下部横坐标为a0～aC的裂纹扩展寿命。纵坐标为疲劳等幅交变载荷 (R=0.1) 的最大应力σmax。这样, 图3就包含疲劳寿命和裂纹扩展寿命两系列曲线, 其中实线表示典型载荷状况 (Kt=3, R=0.1) 下的疲劳S-N曲线;虚线表示典型裂纹形式和载荷状态 (中心穿透裂纹, R=0.1) 下由初始可检裂纹a0到临界裂纹aC的扩展寿命与最大应力的关系, 由表1中Paris公式积分得到。其中a0取决于检测水平, 本工作计算中取2mm;aC则与使用应力、断裂韧性和裂纹形状等因素有关。

结合表1和图3可见, 热处理制度HT1得到的TA15ELI静强度高, 在高应力水平时的疲劳性能优于热处理制度HT2得到的TA15ELI, 但在中低应力水平时, 其疲劳和损伤容限特性不如热处理制度HT2得到的TA15ELI。本工作以下面4种设计情况为例说明如何由图3指导设计选材和新材料的研制:

①检修周期要求为A, 疲劳寿命要求为F;

②检修周期要求为C, 疲劳寿命要求为D;

③设计应力水平由300MPa下降到280MPa;

④检修周期要求为B, 疲劳寿命要求为E。

设计情况①对应于可检性较好的部位, 此部位检修周期较短 (要求为A) 而疲劳寿命较长 (要求为F) , 选用热处理制度为HT1的TA15ELI可满足设计要求。

设计情况②对应于可检性较差的部位, 此部位对检修周期的要求C比较高, 并因此牺牲了一定的疲劳寿命 (要求为D) , 选用热处理制度为HT2的TA15ELI可以满足设计要求。

设计情况③对应于飞机中的某些重要部位, 常采用降低应力水平的方法保证其安全性。由图3可见, 当应力水平由300MPa下降到280MPa时, 热处理制度为HT1的TA15ELI疲劳寿命大于107, 可视为无限寿命。此时, 检修周期也可相应的延长1/4左右。虽然热处理制度为HT2的TA15ELI疲劳寿命和检修周期也相应延长, 但其改善幅度不如热处理制度为HT1的TA15ELI明显, 因此在这种情况下应该选用热处理制度为HT1的TA15ELI。

图3除了可以提高设计选材的准确性以外, 还可以由设计要求来指导新材料的研制。设计情况④对应于可检性一般的部位, 此部位对检修周期 (要求为B) 和疲劳寿命 (要求为E) 的要求均较高。由图3来看, 热处理制度为HT1的TA15ELI裂纹扩展寿命太短, 而热处理制度为HT2的TA15ELI疲劳寿命太短, 两种热处理制度TA15ELI均不能满足设计要求。但情况③的疲劳寿命要求和裂纹扩展寿命要求均落在HT1和HT2两种热处理制度得到的TA15ELI性能范围之内, 满足结构设计要求材料的热处理制度可通过对HT1和HT2两种热处理制度的调整得到。如果希望获得较好的疲劳特性, 则热处理制度更接近HT1;反之, 如果要提高损伤容限特性, 则热处理制度更接近HT2。

5 结论

(1) 考虑到材料的工作应力, 提出用稳定裂纹扩展阶段da/dN-3ΔK/σb关系表征材料的损伤容限特性。对航空常用金属材料铝合金、合金钢和钛合金的对比分析结果表明, 采用da/dN-3ΔK/σb关系曲线能从工作应力下的裂纹扩展速率和失稳扩展时的临界裂纹长度两个方面较为全面地反映材料的损伤容限特性。

(2) 建立了材料使用应力与疲劳寿命和裂纹扩展寿命的关系图, 此图可以用来综合评价材料的静强度、疲劳和损伤容限特性, 从而提高结构设计选材的准确性。另一方面也可由结构设计要求提出材料的力学性能指标来指导新材料的研制, 使新材料的研制更具有针对性。

摘要：随着结构耐久性和损伤容限设计概念的引入, 机体结构设计选材越来越注重材料的损伤容限特性。考虑到材料的使用应力, 提出用稳定裂纹扩展阶段da/dN-3ΔK/σb曲线来表征材料的损伤容限特性。对航空常用金属材料的分析结果表明, 采用这种表征方法能较为全面地反映材料的损伤容限特性。建立了材料使用应力与疲劳寿命和裂纹扩展寿命的关系图, 此图可以用来综合评价材料的静强度、疲劳和损伤容限特性, 提高选材的准确性, 也可由结构设计要求提出材料的性能指标来指导新材料的研制。

关键词：损伤容限,疲劳,性能表征,选材方法,结构设计

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工程材料力学性能第2章总结 篇5

2.正应力和切应力在材料变形和断裂中所起的作用是不同的，切应力引起塑性变形和韧性断裂，正应力导致脆性断裂。

3.压缩特点

1)单向压缩试验的应力状态系数＝2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软, 主要用于脆性材料等在塑性状态下的力学行为。

2)拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩而不会断裂，因此塑性材料很少进行压缩试验。

3）脆性金属材料在拉伸时产生垂直于载荷轴线的正断，塑性变形量几乎为零，而在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线成45°方向产生断裂，具有切断特征。

4.扭转试验主要用于评价材料的塑性，尤其是在拉伸试验时呈脆性的材料，扭转试验是评价其塑性的最佳方法。

5.扭转实验可以明确地区分材料的断裂方式是正断还是切断：

塑性材料（a图），断口与试样的轴线垂直，断口平整并有回旋状塑性变形痕迹，为切应力造成的切断。

脆性材料（b图），断口约与试件轴线成45°角，成螺旋状，是正应力作用下的正断。

6.7.应力集中系数Kt:表示缺口引起的应力集中程度。是一个大于 1 的系数。试验表明，Kt的数值与材料性质无关，只决定于缺口几何形状和尺寸。截面尺寸改变愈剧烈，应力集中系数就愈大。因此，零件上应尽量避免带尖角的孔或槽，在阶梯杆截面的突变处要用圆弧过渡。

8.1.缺口试样在弹性状态下的应力分布（1）缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件中所受的应力，由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态（2）缺口的第二个效应：缺口使塑性材料强度增高，塑性降低

9.带缺口的厚板在塑性状态下，最大应力不在缺口根部，而在弹塑性交界处

10.缺口试样静拉伸试验分为轴向拉伸和偏斜拉伸两种，试验的目的是为了比较各种材料

对缺口敏感的程度。缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度。

11.NSR越大，缺口敏感性越小。对于塑性材料一般NSR大于1。脆性材料，NSR一般小于

金属材料力学性能 篇6

本研究以沙柳刨花和聚乙烯塑料为原料，采用聚合物发泡技术与人造板热压工艺相结合的方法制备超低密度复合材料，并对影响板材性能的主要因素：复合温度、发泡剂加量、复合时间、木塑比进行分析讨论。试验结果表明：复合温度170.0C,发泡剂加量3%，复合时间1.2min/mm，木塑比40%时板材性能最好。

生物质复合材料是将木材以刨花、纤维、木粉的形态作为增强材料或填料添加到塑料中，并通过加热使木材与熔融状态的塑料进行复合而得到的新型材料。该材料制成的产品不仅充分保留了木质材料与塑料的优点，而且在很大程度上克服了木材的缺点。具有重量轻、吸水吸湿性小、不易变形、体积稳定、抗虫蛀、耐腐蚀、强度大、强重比小等一系列优良的物理力学性能。特别是这种发泡/木塑材料没有普通木质人造板的甲醛释放问题，无污染、可回收，是一种绿色环保型材料，在室内使用尤为适合、放心。

发泡/木塑复合材料和木材一样，具有良好的加工性能和装饰性能，可锯、刨、钻、钉等机械加工，其表面可进行各种饰面装饰。而且具有良好的耐侯性，可在室外环境下使用。因此，不仅可以广泛应用在经常使用木材和木质人造板的室内家具和室内装饰等行业，而且也可广泛应用于不适合使用木材和木质人造板的室外工程，如活动板房、包装材料等，是一种理想的木材和木质人造板的替代品。

发泡/木塑复合材料，其两大主要原料木材—可广泛利用森林采伐和木材加工剩余物及沙生灌木平茬枝条；塑料—可利用各种回收废旧塑料，而且复合材料本身还可回收再用，是一种地道的“环保”、生态材料。具有广阔的发展和应用前景，是目前木材科学技术领域一个十分重要的研究方向。

本研究以沙柳刨花和聚乙烯塑料为原料，采用聚合物发泡技术与人造板生产技术相结合的工艺，并对其工艺和性能进行分析讨论。该产品的开发不仅为沙柳利用开辟了一条新途径，而且对于环境保护和生态建设具有十分重要的现实意义。

表1 因素水平安排

一、材料与方法

（一）主要原材料与设备

1.试材沙柳：采自位于毛乌素沙地的内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，属于干旱、半干旱地区。在沙柳林选择采集生长发育良好的枝条，在伊金霍洛旗乌兰集团刨花板厂加工成刨花，干燥后含水率为5%—6%。

2.热塑性塑料：来自市场购买的聚乙烯塑料农膜，主要成分为聚乙烯（PE）,密度为 0.9g/cm3,熔融温度为125.0C_1350C。

3.发泡剂：AC发泡剂，由山东淄博日月星化工股份有限公司生产。

4.试验设备及仪器：主要有电子天平、物理天平、万能试验热压机、冷压机、微机控制电子万能力学试验机、干燥箱、精密推台锯锯机、木质模具、厚度规等。

（二）试验方法：

本试验采用发泡技术与人造板热压工艺相结合的技术。采用正交试验法对试验结果进行分析。先分别称取相应重量的刨花和发泡剂，并将其搅拌均匀，将搅拌好的原料尽量均匀的铺撒在模具中，并铺装成板柸。放入热压机加热到一定温度，使塑料熔融，刨花软化，并在一定压力作用下，热压成板。再放入冷压机冷却定型，将板材在室温下冷却24h后，对试件进行裁边并进行力学性能测试。

试验中采用L9【34】正交表安排试验，重点考察4个工艺因素复合温度、复合时间、发泡剂加入量和木塑比对板材静曲强度（MOR）、弹性模量(MOE)、2h吸水厚度膨胀率（TS）的影响，并通过极差和方差分析影响板材物理力学性能的因素。各因素的水平安排见表1。正交试验设计见表2。

表2 正交试验设计

二、试验结果分析

（一）试验结果与计算

1、试验结果

冷压后的板材在室温下放置24h后，参照JIS A5905:2003的要求，对板材进行取样和性能测试。测试结果见表3

表3 超低密度木塑刨花板力学性能测试结果

2、试验结果分析

通过试验分析，探讨工艺因素变化对板材性能的影响趋势，找出制板的最佳工艺条件，实现通过控制工艺因素达到提高板材性能的目的。

根据试验结果，进行方差分析和显著性检验，其结果见表4

表4 工艺因子水平的方差分析及显著性检验

表5 工艺因子水平指标的极差分析

1、各因素对板材静曲强度影响的分析

通过表4、表5可以看出，发泡剂加量对板材的静曲强度有一定影响。发泡剂的加入可以有效提高板材的静曲强度，而且随着发泡剂加量的增加，板材的静曲强度呈先增大后减小的趋势；复合时间是影响静曲强度的一个非常显著的因子，复合时间越长，静曲强度越大；木塑比越大，板材的静曲强度越大；复合温度在第二水平时静曲强度最大，因此得出影响静曲强度的较优工艺条件是：木塑比40%、复合温度1700C、发泡剂加量3%、复合时间1.5min/mm。

2、各因素对板材弹性模量的影响分析

弹性模量代表板材的刚度和弹性。通过表4、表5可以看出：复合温度是影响弹性模量大小的一个非常显著的因子，随着温度的升高，弹性模量的变化趋势为先增大后减小，即在1700C达到最大；发泡剂加量对弹性模量有一定影响，在第二水平时，即加入量为3%时弹性模量的值最大；复合时间为1.2min/mm时弹性模量的值最大，时间过短或过长都会导致弹性模量的值降低；木塑比越大，板材的弹性模量也越大。因此得出影响弹性模量的较优工艺条件是：复合时间1.2min/mm、复合温度1700C、木塑比40%、发泡剂加量3%。

3、各因素对板材2h吸水厚度膨胀率影响的分析

2h吸水厚度膨胀率是反映复合材料在200C/2h浸水条件下的尺寸稳定性，它的值越小，说明板材的稳定性越好。通过表4、表5可以看出：吸水厚度膨胀率随温度的升高呈先减小后增加的趋势，当温度是1700C时，值达到最小；发泡剂加量为6%时，值最小；复合时间为1.2min/mm时，值最小；木塑比为40%时，板材的吸水厚度膨胀率最小。因此得出影响吸水厚度膨胀率的较优工艺条件为：温度1700C、复合时间1.2min/mm、发泡剂加量6%、木塑比40%。

三、结论

1.以沙柳刨花和聚乙烯塑料为原料，加入一定量的AC发泡剂，在一定的工艺条件下，采用先热压、后冷压的方法，可以制成合格的超低密度复合刨花板。

2.选定的最优工艺条件是：复合温度1700C、发泡剂加量3%、复合时间1.2min/mm、木塑比40%。

3.以AC发泡剂可以有效的改善生物质木基复合材料的物理力学性能，其各项力学性能指标都符合JISA 5905:2003标准。

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高性能蒙皮材料力学性能研究 篇7

对于工作在平流层以氦气为浮升气体的飞艇,要求采用的蒙皮材料具有较低的面密度,优异的氦气阻隔性能及耐环境性能。由于其在服役过程中蒙皮内外存在压差,因此蒙皮材料必须具有足够的力学性能,如美国联邦航空管理局的飞艇设计准则[4]中,关于蒙皮材料方面的要求包括:(1)可以充压形成超压结构;(2)蒙皮强度不低于限制载荷的4倍;(3)蒙皮在承受限制载荷时撕裂不扩展。日本国家航天实验室在给平流层氦气飞艇项目设定的技术指标中,断裂强力为1000N·cm-1,面密度为180g·cm-2,透氦率不大于2L·(m2·d·0.1MPa)-1[5]。由于任何单一材料均无法同时满足这些要求,现代的蒙皮材料均采用多层复合结构,一般包括承载层、阻隔层、耐环境和气候层以及各功能层之间的胶黏剂。

在高性能蒙皮材料中,承载单元层一般使用具有较高比强度的高性能纤维织物。目前,对飞艇更高的设计要求也对蒙皮材料的性能提出了新的要求,如Lindstrand HALE飞艇的体积为18000m3,使用的蒙皮材料面密度为295g·cm-2,断裂强力为1460N·cm-1,而若制备体积达20000~40000m3的200米级平流层飞艇,要求蒙皮材料在面密度不超过210g·cm-2的情况下,断裂强力达到1460N·cm-1[6]。近些年来,各种高性能纤维的发展为制备高性能蒙皮材料提供了很大帮助,美国、日本和欧洲等西方国家均对高性能纤维在蒙皮材料中的应用进行了大量的研究,制备的蒙皮材料性能大幅度提高[7,8]。本工作根据蒙皮材料性能和结构设计要求,制备了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维等具有高比强度的高性能纤维织物,考察了其结构形式与力学性能之间的关系,设计制备了多层结构复合蒙皮材料,并对蒙皮材料的力学性能与行为进行了研究与分析。

1 蒙皮材料的制备与实验

1.1 原材料

蒙皮材料增强织物使用的纤维包括:芳纶纤维,牌号Kevlar 29,纱线细度111tex,杜邦公司生产;超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维,纱线细度为23tex和156tex,分别由北京同益中特种纤维技术开发有限公司和北京特斯顿新材料技术发展有限公司生产;聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维,纱线细度110tex,日本东洋纺公司生产。几种纤维的具体性能指标如表1所示。气体阻隔层和耐环境功能层分别选用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚氟乙烯(PVF)薄膜。蒙皮材料各功能层之间复合采用的聚氨酯胶黏剂由北京泽泰科技有限责任公司提供。

1.2 织物与蒙皮材料制备

根据各种纤维纱线的细度,计算出相应面密度织物所需的织物密度,然后将各种纤维编织成不同面密度和平纹、斜纹类型的织物,用以研究各种纤维织物的力学性能。按照特定设计要求利用聚氨酯胶黏剂将纤维织物与PET和PVF薄膜复合在一起,即得到实验用蒙皮材料样品。

1.3 性能测试

断裂强力的测试标准采用GB/T 3923.1—1997《纺织品织物拉伸性能第1部分:断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》;撕裂性能的测试依据GB/T 3917.3《纺织品织物撕破性能第3部分:梯形试样撕破强力的测定》。

2 结果与分析

2.1 高性能纤维织物力学性能

高性能蒙皮材料的制备过程需要考虑织物在蒙皮材料制备过程中的工艺特性,在织物编织过程为了便于工艺操作,对纱线进行了加捻处理。适度加捻有利于织物编织操作,且在拉伸过程中能够增加纱线内部摩擦力,提高纱线断裂均匀性,但捻度增加后纱线直径减小,导致织物稳定性降低,而且与PET薄膜复合的效果也会受影响。加捻对细度为110tex的PBO纱线拉伸性能的影响如表2所示,可以看出,当纱线的捻度分别为30,60,90捻回/米时,纱线的断裂强力和断裂伸长率差别较小。综合考虑,在编织织物时纤维纱线的捻度均采用30捻回/米。

将PBO,Kevlar29和UHMWPE纤维编织成具有不同面密度和平纹、斜纹组织的织物,分别测试其拉伸断裂强力,测试结果如图1所示。由图1可以看出,在面密度相同而织物类型分别为平纹和斜纹组织时,二者的断裂强力非常接近,这是由于总体上织物编织密度较低,因纤维纱线的屈曲、摩擦和经纬向耦合作用导致的织物性能差异较小。然而在采用不同的织物组织形式时,织物的稳定性有明显区别,斜纹织物容易发生变形,稳定性不如平纹织物,这将影响到织物在制备蒙皮材料时的工艺特性。

实验采用的几种高性能纤维中,PBO为直链芳杂环高分子,被认为具有接近高分子极限的强度和模量,拉伸强度最高,UHMWPE的拉伸强度次之,Kevlar29的拉伸强度相对较小。与纤维的拉伸强度相对应,在同样的面密度时,PBO织物的断裂强力较高,UHMWPE织物的断裂强力低于PBO织物,Kevlar织物在三种织物中的断裂强力最低,其中小丝束UHMWPE织物由于编织织物的均匀性好,其断裂强力略高于大丝束UHMWPE织物,但是小丝束织物的材料和编织成本都较高。各种织物中,PBO织物具有最高的承载效率,因此有助于降低蒙皮材料的面密度,也增加了在蒙皮材料设计时对结构参数进行进一步调整的余地。

2.2 高性能蒙皮材料结构与力学性能关系

2.2.1 拉伸性能测试

综合考虑高性能蒙皮材料的各项性能要求和面密度的限制,对蒙皮材料各功能层进行设计,如表3所示,蒙皮材料面密度为178g·cm-2。按照表3所示结构设计制备了多层复合结构蒙皮材料,对其拉伸性能进行测试,同时参照蒙皮材料测试标准测试了PVF/PET复合薄膜的拉伸性能,结果如表4所示,由表4可以看出,蒙皮材料纬向(Fill)的断裂强力低于经向(Warp)的断裂强力,同时纬向的断裂伸长率略高于经向,另外,与PBO纤维织物及其制备的蒙皮材料相比,PVF/PET复合薄膜的拉伸性能较低,拉伸断裂强力仅为87.2N·cm-1,且实验过程中当其伸长率达到蒙皮材料的断裂伸长率4%时,强力载荷仅为40N·cm-1,对蒙皮材料断裂强力的贡献非常小,因此,蒙皮材料的断裂强力主要来自于织物增强体的贡献。

为了考察蒙皮材料制备过程对力学性能的影响,对其从PBO纱线编织成平纹织物到与薄膜复合得到蒙皮材料的制备过程中表观拉伸性能的变化进行了分析。按照PBO织物的面密度计算,假定织物中每一根纱线的强力都完全转化为织物的强力,然后将其与蒙皮材料实际测试的断裂强力和断裂伸长率进行比较,结果如图2所示,由图2可以看到,蒙皮材料的经、纬向断裂强力与纱线相比出现了不同程度的降低,经向强力保留87.7%,纬向强力保留77.8%,同时两个方向的断裂伸长率都比纱线要高。

蒙皮材料的载荷-位移曲线如图3所示,可以看到,在纬向断裂强力的测试中,曲线从最高点下降后又出现多次转折,说明纬向织物断裂破坏时纱线不同时断裂,最高点对应的断裂强力测试值较低;而经向的载荷-位移曲线从最高点下降后应力直线下降,曲线最高点对应的断裂强力测试值较高,说明在经向断裂强力的测试中,纱线基本同时断裂。分析认为,经过纱线编织和织物与薄膜复合等工艺后,蒙皮材料中不同的纱线准直度不尽相同,使得测试时纱线不同时断裂,导致蒙皮材料与纱线相比断裂强力降低,伸长率增加,而工艺过程中由于纬向纱线的伸展程度不如经向纱线,导致纬向性能降低更多。因此蒙皮材料制备过程中需要控制工艺条件,提高其结构均匀性,使不同的经、纬纱的张力尽可能一致,才有利于获得较高的断裂强力。

2.2.2 撕裂性能

撕裂破坏是飞艇蒙皮的一个主要破坏方式,蒙皮材料的抗撕裂和撕裂扩展性能代表了蒙皮材料损伤后抑制损伤继续扩展的能力,亦即蒙皮材料的损伤容限,研究中为了考察不同织物结构形式对蒙皮材料撕破强力的影响,分别选择PBO纤维和不同细度UHMWPE纤维编织成具有相同面密度的平纹结构增强织物,然后与同样的PET和PVF薄膜复合为蒙皮材料,测试其梯形试样撕破强力,结果如表5所示。

由表5可知,不同织物的撕破强力呈现出与蒙皮材料的拉伸性能不同的规律。这是由于撕破行为与织物的拉伸断裂行为有密切关系,但又具有明显不同的特征,拉伸断裂时织物中同一方向的纱线基本上同时受力,在较短时间内受力方向上全部或大部分纱线断裂,而撕裂破坏时首先是最靠近裂口的一根纱线受力,与此同时,由于织物的变形和滑动,裂口根部的纱线逐渐靠拢,形成一个受力三角形,三角形中第一根纱线受到最大的拉力,当纱线的细度较大时,第一根纱线所能承受的拉力也较大,所以撕破强力与使用的纱线细度具有较大的关系,在受力三角形中的第一根纱线受力的同时,其他纱线也共同受力,直至第一根纱线断裂,然后这种破坏方式不断重复,织物发生撕破,因此织物的撕破强力要大于单根纱线的断裂强力,其值大小取决于受力三角形内的纱线数量和纱线的断裂伸长率,纱线的断裂伸长率越大,三角形内同时受力的纱线根数越多,撕破强力也就越大[9]。撕裂过程中增强材料的这种破坏机制,导致制备的蒙皮材料撕破强力相应出现了较大的差异,E-1#,E-2#,E-3#蒙皮材料使用的原材料分别为110tex的PBO纱线,23tex的UHMWPE纱线,156tex的UHMWPE纱线,通过计算可求得单纱断裂强力理论值分别为407,73.6,499N,所以E-1#蒙皮材料的撕破强力大于E-2#蒙皮材料,但小于E-3#蒙皮材料。

以上测试结果说明,与蒙皮材料的拉伸断裂性能相比,撕破强力与纱线本身的拉伸断裂性能关系更大。图4为蒙皮材料撕破强力与采用的纤维纱线断裂强力的比较结果,可以看到,相同面密度时,当PBO和UHMWPE的纱线细度分别为110tex和156tex时,蒙皮材料的撕破强力分别为单束纱线断裂强力的1.4倍和1.2倍,当UHMWPE的纱线细度为23tex时,蒙皮材料的撕破强力为单束纱线断裂强力的4.1倍,可见纱线细度降低时,由于同时受力纱线的数量增加,蒙皮材料的撕破强力与单纱断裂强力相比增加的比例提高,但与纱线细度较大的织物相比,其撕破强力仍较低,因此,采用细度较大的增强织物有利于提高蒙皮材料的撕破强力。

3 结论

(1)在几种不同的高性能纤维织物中,PBO纤维制备的增强织物具有较高的拉伸断裂性能,有利于提高蒙皮材料的断裂强力,降低蒙皮材料的面密度。

(2)蒙皮材料拉伸断裂性能主要来自增强纤维织物的贡献,主要取决于纤维种类和织物结构。制备蒙皮材料时保持增强织物中经、纬纱具有均匀的张力有助于提高其拉伸断裂性能。

(3)蒙皮材料的撕破强力除了与采用的纤维种类有关外,还与织物纱线的细度有较大关系,采用细度较大的增强织物有利于提高蒙皮材料的撕破强力。

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三维机织复合材料力学性能研究 篇8

关键词：机织复合材料,力学性能,影响因素

0引言

层合板复合材料由于在厚度方向上是层合结构导致材料有一些不足:易分层,刚度、强度低,剪切强度低,冲击韧性和抗损容限都很差[1,2]。在各向受力均匀的情况下,使用三维机织复合材料能够有效克服层合板材料在厚度方向上的分层情况。

三维机织复合材料在航空航天领域的应用比较广泛,它较层合板复合材料有很多优势,其刚度、强度、冲击韧性和抗疲劳性[3,4]都比较好,可成形比较复杂的零件。由于三维机织复合材料的内部结构相当复杂,从宏观外形到细观结构模型上各种因素对它的力学性能都有影响,因此对于研究者来说,正确理解这些因素对材料力学性能的影响是工作的核心。

1三维机织复合材料宏观结构及对材料性能的影响

1.1 几何形状对材料性能的影响

三维机织物成形能力比较强,能够成形比较复杂的零件,如变厚度实心板、中孔结构箱式梁、工字梁等,而且操作程序简单,成本小。整体复合材料可以从根本上解决层间开裂问题,减小缺口的敏感性,使材料能够承受更大的载荷。

我们不能忽略几何形状对材料性能的影响,合理的几何形状会起到提高材料性能的作用,而且为材料的设计选用提供的构件方便。

1.2 纤维体积含量对材料性能的影响

纤维的体积含量是影响复合材料力学性能的一个重要参数,其最大值与纤维在复合材料中的排列方式有关。三维机织复合材料的纤维体积分数增大,材料的剪切强度、抗冲击性能也随之提高, 但材料面内的性能则随厚度方向的纤维体积分数的增加呈下降趋势。

从宏观的分析看,材料的几何形状、成形工艺和纤维的体积分数等都对材料的力学性能有着直接的影响,在研究三维机织复合材料时应重点考虑上述因素的变化对材料性能的影响,合理安排相关的参数,使材料达到工程的要求。

2三维机织复合材料细观结构及对材料性能的影响

2.1 编织角的大小对材料性能的影响

卢子兴等分析了编织角的大小对材料性能的影响,他指出编织角的大小与刚度和强度成反比关系,在相同的纤维体积含量下,编织角大的复合材料泊松比一般较大。

2.2 纱线的横截面形状对材料性能的影响

Vandeurzen P等[5]提出了将纱线横截面用双凸透镜形状来描述,如图1所示(图1中,W、t、R分别为纱线截面的宽度、厚度和凸圆的半径)。在国内,北京航空航天大学的燕瑛、成传贤[6]延续了双凸形截面假设,对三维机织复合材料进行了细观结构分析。

周光明等[7]提出纱线截面为椭圆形的假设,假设纱线的截面形状保持不变,经、纬纱线束的变形率一致,解决了纱线接节过渡问题,系统地研究了直交和弯交的结构模型,建立了如图2所示的力学模型(图2中,a、b分别为椭圆的长轴和短轴半径,Lws为经线的直线段长度,θ为经线的倾角,q、p分别为相邻纬线的横向和纵向距离,d为经线直线段的半径)。

杨连贺等[8]提出,截面恒定不变假设显然与实际违背,基于几何法的模型,其精度都不可避免地受到恒定截面假设的影响。他们在双凸模型的基础上,提出了“凸凹交变模型”,并从数学角度推导出了反映纱线束截面变形规律的曲面方程。

虽然许多学者提出截面是变化的,但在模拟真实截面变化的模型时,还没有能比较接近纱线的真实变化状态的模型,因此,在未来一段时间内,模拟纱线变化的模型将是分析复合材料的主要工作。

2.3 纤维构造对材料性能的影响

Ko在1982年提出“纤维构造”的概念,模拟了立方体单胞模型,单胞由4根直纱线组成,不计纱线的细度,粗略地描述出了纱线的分布情况。

Yang、Ma和Chou提出了纤维倾斜模型,如图3所示(图中Pa、Pb、Pc分别为纤维斜模的长、宽、高),纤维束沿长方体单胞的4个面呈对角线排列,平行于同一对角线方向的所有纤维排列在同一平面后形成一个单层板,4个倾斜单层板组成一个单胞整体框架,纤维倾斜模型后来的应用较为广泛。

Wang和Sun[9]对纱线的离散化状态进行模拟,建立了纱线由无摩擦栓连接的数字杆单元链。当单元长度接近零时,数字链完全自由,可模拟出纱线的弯曲性。 在数字单元模型基础上,Zhou和Sun[10]又提出多链数字单元方法,如图4所示,将纱线中的每一根纤维视为数字单元链,则纱线成为若干数字单元链的集合体,因此可模拟出纱线的横截面形状、纱线间的相互接触以及纱线截面形状的变化。

3三维机织复合材料的发展趋势

现有的力学模型很多是假定纱线的截面不变,忽略了纱线的屈曲、变形和纤维束的相互作用,其通用性和完整性较差,对纱线的真实截面变化做细致的分析对研究机织复合材料的细观力学模型显得尤为重要。

三维复合材料宏观和细观模型分析还没有形成比较完整的体系,确定各因素对复合材料的影响参数、失效模式和失效部位还存在困难。目前主要是假设模型的界面结合完好,在此基础上分析材料的强度。实际上只有考虑到界面的相互作用和内部的缺陷,才能更好地分析材料的真实损坏情况,这将是攻破三维机织复合材料的难点。

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材料力学性能测试与评价技术进展 篇9

1 材料测试与评价概述

对材料性能、成分和显微组织关系分析是现代材料性能测试与评价的基本内容, 在材料测试工作中, 工作人员通过对材料各项性能进行测试与评价, 进而分析材料的用途与构成。在材料性能测试和分析中, 是通过从宏观角度与微观角度进行不同理解和关系分析作出准确的评价, 使材料组成成分和显微关系得到了全面的阐释。可以说材料力学测试与评价工作是联系材料设计与制造工艺直至材料性能之间的有力桥梁, 也是研发新产品的基础。评价检测在材料研究开发中起着非常重要的作用, 在目前实际工程的工作中通过研发新的材料性能, 研究新的技术标准, 并对个别材料物理性能和化学参数进行分析和控制。因此, 材料力学分析与评价作为目前材料学科的重要组成部分, 它是以材料的产生、发展、应用和创新为一体的评价技术与性能测试方法。

2 材料性能评价技术的作用

材料科学整体性进步促进了近现代各行各业的发展, 同时也为材料力学试验与评价技术创新提供了理论支持。材料力学测试与评价技术的创新源于材料科学的革新与探索, 同时也促进了材料科学的进一步发展。就目前的实际社会发展现状而言, 在材料力学测试与评价工作中, 先进科学技术和先进设备的产生为材料试验技术的应用, 使材料性能评价工作更加的便捷、快速、省时省力、准确可靠、安全经济。

3 力学性能测试技术发展简介

材料的力学性能是指材料在给定的一套条件下, 当某以条件发生变化时材料所产生的响应。有的性能可能与几个参数关联。对材料力学性能的测定需要建立在一个广义力与广义位移的关系上, 当关系为线性时, 材料力学性能由线性常数来表征。在其关系偏离线性时, 材料的力学性能需要由高阶的常数来表征。

然而, 人们对材料的力学行为的认知是一个由简单到复杂、由表面现象到微观机理、由浅入深的过程。对材料的力学行为评价技术亦是随着材料研究的不断深入和其他相关技术, 如微电子技术、计算机技术、控制技术的不断发展而逐渐完善的。

3.1 动态力学性能测试技术

众所周知, 绝大多数工程材料在其服役中承受的是动载荷。当材料或结构受到重复变化的载荷作用后, 应力值虽然始终没有超过材料的强度极限或屈服强度, 甚至比材料的弹性极限还低的情况下就可能发生破坏, 这种在应力或应变的反复作用下材料或结构发生性能变化的现象称之为“疲劳”。疲劳断裂是工程结构和零件普遍而严重的断裂故障。它遍及每一个运动着的物体, 甚至看上去似乎是静止的, 只要它承受力或应变的反复作用, 就会导致疲劳破坏。

(1) 应力疲劳试验技术。

疲劳一词来源于航海, 在乘帆船作长距离旅行的年代里, 人们把桅杆在帆的频繁升降中受到的应变作用叫疲劳。针对材料的应力疲劳试验也是材料力学试验的重点研究内容, 只有对材料的应力疲劳进行准确的分析, 才能知道这些材料应用于生产生活中的抗疲劳程度, 并根据材料的应力疲劳数据进行准确的定位。

(2) 低周疲劳试验技术。

随着工业技术的不断革新, 材料的使用逐渐向着高速、高温、高压等方向发展, 材料的使用条件更加苛刻。尤其是在战时为了提高装备的性能, 提高武器装备的质量, 以有效地增加作战能力, 在设计上由静强度设计转变为有限寿命设计。这也表明在目前的材料设计工作中对疲劳状态进行实验和设计有着重要的作用和意义, 也是近年来工作的主要重点。这是因为在实际工作中零部件的应力集中部位材料进入了塑性状态, 材料承受着低循环高应力, 其工作最大应力以超过材料的屈服应力。然而, 在早期由于相应的疲劳寿命评价与测试技术滞后, 使得工程设计缺少必要的实验数据, 结果导致工业材料的低循环疲劳破坏较为频繁。

对于工程零部件, 无论是铸造成型, 还是机加工等其它工艺, 可能存在退刀槽、过渡圆弧、孔等其它应力集中区。尽管在设计时构件的工作部分在材料的弹性范围内, 但在应力集中处材料可能进入塑性。特别是航空零部件, 为了减少构件的重量, 某些零件采用有限寿命设计, 及构件的形变进入塑性。对上述航空事故和其他工业零部件的疲劳失效分析研究结果也表明, 零部件的疲劳破坏大多是低循环疲劳失效形式, 即低周疲劳破坏。材料在低循环应变疲劳状态下, 其特性发生了改变圈。由此可以看出, 研究材料的形变, 特别是塑性变形是研究材料疲劳以及对材料进行疲劳特性评价比研究材料的应力疲劳特性则更加重要, 更具有工程实际意义。

3.2 断裂力学测试技术

任何工程构件都不可避免地存在着类似于裂纹的缺陷他们或是结构材料中固有的, 或是制造加工过程中造成的, 也可能是使用过程中造成的损伤。这些缺陷的存在和扩展, 大大降低了结构的承载能力, 甚至使之失效, 通过材料力学性能测试就可以获得相关数据, 并根据其断裂性质, 在应用过程给予准确的判定与防控。

4 发展展望

众所周知, 工程中大多数零部件是在复杂环境下工作, 有的甚至是在极为恶劣的环境条件下工作。现代高新技术 (微电子、自控、计算机技术等) 应用到材料测试技术中, 使得模拟各种复杂工作条件的试验得以实现, 包括超高温、低温、变温、各种腐蚀环境、超高速、超真空等高难度试验技术迅速发展。特别是对金属材料的高温疲劳特性的评价技术是随着蒸汽轮机、燃气轮机、喷气发动机和高压容器等结构的需要而逐渐发展起来的。这些试验技术的成功实现, 对材料的评价则更加准确。也为工程设计提供了可靠的数据, 从而保证了整体设备的安全性能。

5 结论

工业技术和材料科学发展, 使得材料测试与评价技术不断更新, 新的测试设备不断出现, 测试技术不提高。随着计算机的广泛应用, 利用计算机建立的大型材料性能数据库可以直接给出各种材料的性能, 也可以利用计算机用有限单元法和其他计算方法来分析整体构件的应力、应变场, 但材料试验是获得材料性能唯一可靠的途径, 它们都不能完全代替材料试验。可以肯定, 在过去、现在, 乃至在将来材料试验在材料科学科中一定占有重要的地位。

摘要：在目前材料性能评价中, 常常会遇到常规实验方法和技术无法解决的问题, 造成材料性能测试和评价工作进展困难。因此在工作中探索新的评价方法和测试技术是目前国内外材料力学工作者面临的重要课题。本文通过对材料力学性能测试与评价技术的发展历程和技术特点, 以及现代最新技术进行分析, 进而阐述了材料力学性能与评价技术的进展。

纤维石膏基复合材料力学性能研究 篇10

近年来,我国处于建设鼎旺期,大部分建筑耗能较高,某种程度上加剧了能源危机,因此,环保节能型绿色建筑材料的开发和应用已迫在眉睫。 目前,我国地级以上城市中框架和剪力墙结构的建筑面积已 占有较高 比例 , 即使县级 城市也达 到了50%, 一些城市甚至超过90%。 框架结构建筑分户墙、分室墙,剪力墙结构中的厨卫间、室内隔墙等均需要使用大量非承重墙体材料,因此,隔墙材料的选择将影响整个建筑的绿色性能。 石膏作为一种传统的气硬性无机胶凝材料,具有资源丰富、无毒无害、防火性能优越、保温隔热、调湿性能好等优点是一种理想的隔墙材料而被广泛应用于建筑行业主要途径为制作石膏板或石膏砌块。 但石膏制品抗折强度低、耐水性差,石膏板隔墙容易开裂,抗冲击性能低,抗震性能差。 为了更高效地利用石膏材料, 本文提出现浇石膏内隔墙体系,通过添加纤维形成石膏基复合材料改善石膏墙体抗折强度及抗裂性, 通过现浇方式及石膏凝结硬化快的特点提高施工速度,获得经济性。 已有部分学者试图直接利用磷石膏作为现浇隔墙体系[1], 李国忠等[2,3,4,5,6,7]则分别对添加了植物纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、玉米秸秆纤维的石膏基复合材料的力学性能进行了系统研究, 同时探索了热处理、酸碱处理等纤维表面处理方法以改善纤维与石膏间的接触性能,从而更有效地利用纤维的抗拉性能。 石宗利[8]、姜会钰[9]等分别研究了维尼纶纤维、碳纤维增强石膏基复合材料的力学性能。 纤维的类型、掺量、长度是影响纤维石膏基复合材料力学性能的主要因素,本文以建筑石膏为基体材料,分别采用成本低,原料丰富的Y型束状单丝纯聚丙烯纤维、高强高模聚乙烯醇纤维作为增强材料,研究了纤维掺量及纤维长度对石膏基复合材料力学性能的影响,可为实际工程中现浇石膏墙体体系的应用提供参考。

1力学性能试验

1.1试验原料

1.1.1石膏

石膏采用四川某化工有限公司生产的建筑石膏粉(Ca SO4·1/2H2O),经检验其 β 半水硫酸钙含量为82.4%,过0.2mm方孔筛筛余量3%﹤10%,细度满足要求。 经放射性检测天然放射性核素镭-226、 钍-232、钾-40的放射性比活度Ira=0.73,Ir=0.40,满足GB 6566—2010 《建筑材料放射性核素限量》要求。 同时,按照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏净浆物理性能的测定》方法测得其标准稠度用水量的水灰比为0.561,初凝时间8min,终凝时间18min。

1.1.2聚丙烯纤维

聚丙烯纤维采用上海某公司生产的Y型束状单丝100%纯聚丙烯纤维,为降低工程应用成本,纤维长度取市场常用长度规格,其基本物理力学性能指标见表1。

1.1.3聚乙烯醇纤维

聚乙烯醇纤维采用由四川某维尼纶厂生产的高强高模聚乙烯醇纤维,同样采用工程中常用的规格长度,其基本物理力学性能指标见表2。

1.2试验方法

本文通过试件的抗折试验与抗压试验,分别测试用于现浇隔墙体系的石膏基复合材料的抗折抗裂能力与抗压能力,以研究不同添加纤维情况下石膏墙体材料的抗震耗能性能。

试样编号及配比见表3, 各试样中水的掺量均为标准稠度用水量,为石膏质量的56.1%。 为满足现浇石膏墙体的经济性和施工时的流动性要求,纤维掺量不宜太大,本试验中纤维掺量最大为2.0%(与石膏质量之比)。 准确称量各物料, 先将纤维和石膏粉干拌均匀, 再加水搅拌1 min, 注入40mm×40mm×160mm的三联模具中振动成型,在常温(20~25℃)、常湿(60%~70%)条件下养护1h后脱模。

为使石膏材料完全凝结硬化, 将试样在常温、 常湿条件下养护7d。 每一种编号的试样分别制作B、C两组,所有养护7d后的试样放入电热鼓风干燥箱中,在(40±2)℃条件下烘至绝干。 其中B组试样测量其绝干抗折强度及绝干抗压强度,而绝干条件下的C组试样称取绝干质量后竖直放入盛水的养护槽中,水面高出试样上表面10~20mm,分别称取浸水2h质量和浸水24h质量,计算其吸水率,待试样吸水饱和后测定试样饱和抗折强度和饱和抗压强度,抗折强度和抗压强度均采用万能试验机配合抗压夹具、抗折夹具测定。

2试验结果与分析

2.1聚丙烯纤维掺量对复合材料力学性能的影响

掺聚丙烯纤维的绝干抗折强度和抗压强度与纤维长度和掺量的关系曲线见图1。

从图1可以看出,添加聚丙烯纤维后,石膏复合材料的抗折强度与抗压强度均低于纯石膏试样 (编号:1#)。 当纤维长度一定时,绝干抗折强度随纤维掺量的增加先降低后局部上升, 纤维掺量大于1.5%时抗折强度又开始下降;抗压强度随纤维掺量的增加逐渐降低。 当纤维掺量固定时,复合材料的强度与纤维长度的关系不明显。

添加聚丙烯纤维对提高石膏基复合材料的强度指标无显著作用,其原因在于:纤维和石膏之间主要通过界面黏结力与机械啮合力传递荷载,聚丙烯纤维虽然自身具有较高的抗拉强度,但是聚丙烯纤维为憎水性材料且表面光滑,而石膏为亲水性材料,二者间的黏结力和机械咬合力均较弱,当石膏受拉时,聚丙烯纤维直接被拉出,没有发挥抗拉承载作用,反而因为聚丙烯纤维的添加,致使试样内部孔隙率增大,从而降低了试样的抗折强度及抗压强度。 当纤维掺量为1.5%时,其抗折强度局部上升, 其原因为:当纤维掺量达到某个临界值时,尽管纤维与基体材料没有很好粘结,但是纤维被拔脱的过程中能够部分抑制裂缝扩展, 提高其抗裂性能,从而提高抗折强度。 当纤维掺量进一步增加后(掺量1.5%~2.0%阶段),聚丙烯纤维由于其柔性纤维的特质易弯曲成团,增加试件内部薄弱区域,从而降低抗折强度。 纤维具有较强的抗拉强度但是对于抗压的贡献不大,且聚丙烯纤维没有与基体材料黏结在一起,难以传递荷载,因此,添加聚丙烯纤维对于抗压强度是负面的影响。

2.2聚乙烯醇纤维掺量对复合材料力学性能的影响

掺聚乙烯醇纤维的绝干和吸水饱和强度与纤维长度和掺量的关系曲线分别见图2和图3。

对于现浇石膏内隔墙体系来说,在处于正常使用的室内条件下,经过一段时间的自然干燥,材料性能逐步接近于绝干状态,其绝干强度对于石膏隔墙正常使用条件下的强度具有指导意义。 而石膏材料易于吸水,在吸水软化条件下其强度会大幅度下降,复合材料的吸水饱和强度能够直观地反映复合材料在遇水软化条件下的残余强度。 由图2可以看出,当纤维长度一定时,复合材料绝干抗折强度基本随着纤维掺量的增加而增加, 仅12mm长纤维掺量超过1.5%后发生下降。 纤维长度为9mm,掺量为1.5%和2.0%时, 绝干抗折强度分别为10.33MPa和10.36MPa,相比于纯石膏试样的5.66MPa,分别提高了82.5%及83.0%。 当纤维掺量一定且长度为3~ 9mm时,随着纤维长度的增加其绝干抗折强度也增加,纤维长度为12mm时,其绝干抗折强度略低于同掺量的9mm长纤维。 对于绝干抗压强度,随着纤维的掺量增加,均呈现出下降的趋势,抗压强度与纤维长度间的关系不明显。 9mm长纤维,掺量为1.5% 时 , 绝干抗压 强度为15.01MPa, 较纯石膏 的17.55MPa降低了14.5%。 由图3可以看出 :当纤维长度一定时,复合材料吸水饱和抗折强度随着掺量的增加逐步上升,当达到一定掺量(如图中1.5%掺量) 后又开始下降。 当纤维掺量一定且长度为3~ 9mm时,随着纤维长度的增加其饱和抗折强度也增加, 纤维长度为12mm时, 其饱和抗折强度仅高于3mm长纤维 。 纤维长度为9mm,掺量为1.5%时 ,饱和抗折强度达最大值,为6.49MPa,相比于纯石膏试样的3.53MPa提高了83.9%。 材料吸水饱和抗压强度则随着掺量的增加呈现下降趋势,其中纤维长度为9mm,掺量为1.5%时,饱和抗压强度为6.60MPa, 比纯石膏试样的8.61MPa降低了30.5%。

由于聚乙烯醇纤维表面不光滑且为亲水性材料,使纤维与石膏界面的黏结性能较好,能有效传递应力,聚乙烯醇纤维所具有的高抗拉强度优势得以充分发挥, 从而显著提高了复合材料的抗折强度。 纤维含量较低时(如图2中掺量为0.5%时),纤维之间的间距比较大, 当试样抗折出现微裂缝时, 裂缝有足够的扩展空间, 纤维难以起到抑制作用, 掺量较少时, 复合材料的抗折强度并未明显提高。 当纤维长度及纤维掺量过高时 (如图2中12mm纤维掺量2.0%), 纤维在基体材料中易结团缠聚导致纤维分布不均匀。 纤维稀疏处难以阻止裂纹扩展, 纤维密集处石膏浆体对纤维的包覆率降低,易出现纤维未被浆体覆盖的情况而形成薄弱区域,这些部位易引起应力集中,这些内在因素均会导致试样抗折强度下降。纤维含量适中时(图2中掺量为1.0%~ 1.5%时),纤维均匀分布于石膏内,纤维间距适中同时又不会缠聚。 当石膏开裂时,由纤维来承担拉应力抑制裂缝扩展, 其作用类似于混凝土中的钢筋, 复合材料的抗折强度得以提高。 虽然聚乙烯醇纤维的抗拉强度高达1400MPa以上,但是纤维对于抗压强度并没有明显的贡献, 反而会使内部孔隙率增大,因此,掺加聚丙烯醇纤维的石膏复合材料的抗压强度同样随纤维掺量的增加而降低。

石膏隔墙为非受力构件,主要起分隔建筑空间和保温隔声的作用,不需要太高的抗压强度,而抗折强度太低容易导致墙板开裂而影响美观, 因此, 在抗压强度满足要求的条件下,宜选择抗折强度较高的配比。 综合聚乙烯醇纤维石膏基复合材料抗折、抗压两方面考虑,可得出掺加聚乙烯醇纤维的优选长度为9mm,纤维掺量控制在1.5%左右为宜。

2.3聚乙烯醇纤维石膏基复合材料断裂行为过程研究

石膏材料具有抗折强度低,脆性大,断裂韧性差等特点。 随着聚乙烯醇纤维的掺入,石膏基复合材料呈现瞬时脆性整体延性破坏的特征,纤维的掺入改善了石膏的延性,使试样的抗折破坏模式由脆性破坏转变为延性破坏,由于纤维与石膏间的相互传力作用,裂缝断面曲折延伸,如图4所示。

掺加9mm长聚乙烯醇纤维时,不同掺量下的荷载-变形曲线见图5。

图5中,OAA1曲线代表纯石膏试样, 从OA段弹性上升至峰值后直线下降,表现出明显的脆性特征。 OBB1B2B3为掺加0.5%纤维的荷载-位移曲线, 可见纤维增强石膏基复合材料弯曲断裂过程可分为三个阶段:OB段为弹性受力阶段,到B点基体石膏发生断裂, 荷载陡降至B1点, 表现出瞬时脆性; BB1段为基体石膏发生断裂后,PVAF纤维从基体拔出及纤维断裂阶段, 随着纤维不断拔出与断裂,荷载再次出现峰值B2;B2B3阶段为纤维进一步拔出与破坏阶段,裂缝互相贯通,变形增大直至破坏。 当纤维掺量较小时,纤维不能有效地起到传递荷载的桥梁作用,因此,峰值B1小于峰值B,随着纤维掺量的增加,纤维的阻裂效果逐渐明显,掺量1.0%时第二个峰值C1已经高于第一个峰值C, 而掺量1.5%及2.0%时基体断裂导致的荷载突降已不再明显 ,破坏过程以纤维的拔出和拉断为主,呈现延性破坏的特征。 综上分析,聚乙烯醇纤维石膏基复合材料的弯曲断裂破坏分为弹性受力阶段、纤维拔出与断裂阶段、裂缝扩展破坏阶段。 在弹性受力阶段,纤维通过与基体的黏结与石膏共同承担荷载,直至石膏出现裂缝,此阶段纤维的作用并不明显。 在第二阶段基体出现裂缝, 在裂缝处基体石膏不再发挥作用,纤维随之由于黏结弱被拔出或者黏结效果好而被拉断,此过程中,纤维跨越裂缝,通过与石膏界面间的黏结力来传递荷载, 减弱裂缝处的应力集中现象, 提高石膏复合材料的抗裂性能,改善其延性。 在最后的裂缝扩展破坏阶段, 纤维进一步被拔出或拉断,裂缝进一步扩展导致受压区高度减小而破坏。

3结论

(1) 由于聚丙烯纤维表面光滑 , 难以与石膏材料黏结在一起,添加聚丙烯纤维其抗折强度及抗压强度均发生下降,石膏隔墙不能直接采用聚丙烯纤维作为增强材料, 需要对聚丙烯纤维进行表面处理,增加其与石膏界面的黏结性。

(2)聚乙烯醇纤维可以显著提高石膏基复合材料的抗折强度及抗裂性能,改善石膏复合材料的延性,适合作为石膏隔墙的增强材料。 经综合比选,建议掺加该种纤维的优选长度为9mm,掺量宜控制在1.5%左右 。 本文采用这种配比得到的试验结果为 : 绝干抗折强度为10.33MPa, 吸水饱和抗折强度为6.49MPa, 相比于纯 石膏分别 提高了82.5% 和83.9%;绝干抗压强度为15.01MPa,吸水饱和抗压强度为6.60MPa,相比于纯石膏有所降低,但能满足实际工程需求。

摘要：为了改善石膏墙体材料的力学性能,分别采用Y型束状单丝聚丙烯纤维和高强高模聚乙烯醇短纤维作为建筑石膏的增强材料,通过力学性能测试研究了纤维长度和掺量对石膏基复合材料力学性能的影响。结果表明,添加聚丙烯纤维对复合材料力学性能为负面影响,不能直接用于现浇石膏隔墙体系。添加聚乙烯醇纤维对复合材料力学性能有改善作用,纤维长度为9mm,掺量为1.5%时,试样的绝干抗折强度和吸水饱和抗折强度较空白试样分别提高了82.5%和83.9%,抗压强度略低于空白试样。结合弯曲荷载-变形曲线,分析了聚乙烯醇纤维增强石膏基复合材料的断裂机理,结果表明:断裂过程分为基体断裂弹性受力、纤维拔出、破坏三个阶段,纤维与基体的界面黏结能力是纤维抗拉强度能否充分利用的关键。