復材頂刊：與纖維增強複合材料力學效能相關的概念和定義

引言

近年來，纖維增強複合材料在航空航天、汽車和能源領域的應用呈指數級增長。隨著這一發展，有關其力學行為的技術文獻也呈指數級增長。在複合材料研究的早期，變形和失效的定義在很大程度上是金屬定義方式的延伸。例如靜態和疲勞失效，其中失效起始、演化和達到臨界狀態的概念由金屬材料繼承而來。在這些早期處理中，複合材料被均勻化（均質化），與金屬的差異主要在於各向異性。在過去的至少二十年中，由於觀測技術和計算方法的發展，這種情況已經發生了變化，這些技術和方法使得促進了多尺度分析的發展，可以更恰當地處理和分析觀測到的失效機制。此類分析以明確的方式解釋了複合材料內部結構的細節，如纖維空間分佈、基體孔隙和纖維/基體介面損傷，即可以不將其視為均質物質。顯然，由區域性應力場控制的破壞不能用基於單軸應力-應變行為的強度概念來描述。此外，基於斷裂力學的斷裂韌性概念也不足以表示與非均質微觀結構中複雜幾何形狀裂紋擴充套件相關的能量耗散。這些不足之處往往導致研究人員對纖維增強固體的變形和破壞行為產生一定的誤解。

2022年1月，複合材料領域頂級期刊《Composites Science and Technology》上刊出了德克薩斯A&M大學和密歇根大學合作的研究論文《Concepts and definitions related to mechanical behavior of fiber reinforced composite materials》。文章對變形和破壞行進行了詳細的討論，總結了單向複合材料（UD）和層壓板中的失效模式，闡明瞭控制這些失效模式的區域性應力場和能量，並討論了應力集中與承載能力的關係。最後，鑑於複合材料失效模式的多樣性和豐富性，文章指出，複合材料中的“強度”一詞定義不清，描述存在不足之處，是許多文獻中對複雜複合材料失效行為誤解的源頭。

2 變形和失效的基本特徵

文章首先介紹了變形和失效的基本特徵

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變形行為

通常基於在單個應力分量（法嚮應力或剪下應力）下透過實驗獲得的應力-應變圖進行描述。應力應變響應的特徵是彈性或非彈性，這取決於載入-解除安裝過程中應力應變響應是可逆的還是不可逆的。如果在應力-應變響應中發現具有時間依賴性，則變形被標記為粘彈性，以防其在時間上可逆。否則，它被稱為粘塑性，非彈性（不可逆）變形的時間依賴性透過諸如應變率相關材料常數來表徵。應力應變響應的方向相關性被描述為各向異性，並透過各向同性行為的推廣來表示。應力-應變響應這種連續體模型隱含著材料內部結構的均勻化，而材料實際上是異質的。在許多情況下，內部結構的均勻化處理會產生一定誤差。

材料的失效與承載能力的喪失有關。“強度”一詞用於描述最大承載能力，並被視為一種材料特性。在金屬材料中，“強度”對應於屈服開始點，此時的應力被描述為“屈服強度”。該應力值在單軸拉伸載荷下以標準化方式進行測量，並將其作為“材料特性”。儘管屈服應力概念僅存在於金屬中，作為可逆變形的限制，但也（錯誤地）用於聚合物，已知聚合物具有隨時間變化的可逆性，因此在載荷釋放時不會產生永久變形。然而，複合材料釋放荷載時不存在永久變形並不表示不存在不可逆性，因為在荷載作用下形成的任何裂紋都可能在解除安裝時閉合，從而使複合材料在零應力狀態下恢復為零應變。在隨後的載入中，複合材料將表現為不同的應力-應變路徑，這是由先前載入中形成的裂紋重新開啟引起的。如果裂紋部分閉合，則會產生永久應變，但這與傳統金屬塑性相關的非彈性不同。這類響應對於使用連續損傷力學描述的材料來說是獨一無二的，這與傳統的金屬塑性不同。

材料點失效與結構失效之間是有區別的。概念的混淆可能導致評估結構承載能力的損失。當屈服從應力集中部位（如缺口或缺陷）開始時，就會體現出材料和結構失效之間的區別。如果屈服擴充套件導致破壞，即由於過度變形而導致延性破壞，則承載能力通常與應力集中部位細節的幾何形狀相關。典型的例子是“缺口強度”，如開孔拉伸（OHT）強度。按照正常的定義，材料力學效能應獨立於測試試樣的幾何結構，但在複合材料中，“強度”一詞的使用一直很混淆，它不是一種材料屬性，而是一個描述給定幾何結構細節的材料失效的數值。

3 複合材料的失效

與金屬相比，纖維增強複合材料表現出高度複雜的失效機制。即使是最基本的單向（UD）複合材料，也會根據載荷（拉伸、壓縮或剪下）及其作用方向或作用面以不同的模式發生失效。各種纖維結構，如直纖維或機織物等，進一步增加了複合材料基本失效模式的複雜性。除此之外，製造缺陷在複合材料失效的發生和發展中起著重要作用。有鑑於此，作為承載能力衡量標準的“強度”這一基本概念無法充分說明覆合材料失效的複雜性及其在使用中提供安全效能的能力。

3。1單向複合材料的失效

單向複合材料的失效一般包含以下幾種形式：

（1）軸向拉伸失效

圖1 X射線顯示的軸向拉伸載入下單向複合材料中的失效歷程

（2）軸向壓縮失效

圖2（a） –（c）：纖維微屈曲及單向複合材料壓縮破壞示意圖。（d） ：光學顯微照片顯示的扭結帶幾何結構。

（3）橫向拉伸失效

圖3 （a）玻璃纖維/環氧樹脂和（b）碳纖維/環氧樹脂層壓板中觀察到橫向裂紋。

（4）橫向壓縮失效

圖4 橫向壓縮載荷下單向碳纖維環氧複合材料試樣橫截面的掃描電子圖

（5）面內剪下失效

圖5 面內剪下應力作用下，基體中的裂紋在傾向於纖維的平面上形成

如上所述，單向複合材料中的五種失效模式，每種模式都在單個應力分量的作用下，具有不同的特徵。當同時施加兩個或多個應力時，失效模式更加複雜。早期，針對單向複合材料的失效預測只是假設每個單一的失效模式透過某些“相互作用”來描述複合載荷效應。例如，Tsai-Hill準則修改了正交各向異性金屬屈服的Hill準則，並將其應用於單向複合材料的失效預測，這意味著單一屈服機制控制了所有五種基本的失效模式。後來，Tsai-wu準則制定了一個通用的二次多項式準則，其中包含未指定的互動係數，這些係數由測試資料來確定。

後來，Hashin認識到均質單向複合材料的失效準則無法解釋基本失效模式的差異，提出將失效模式分為兩類：纖維主導型和基體主導型。對於纖維失效模式，他提出了一個發生在臨界軸嚮應力下的單一失效形式，對於基體失效模式，他假設“失效面”位於基體中，並且在該面上跟應力相關的函式達到臨界值時發生失效。

3。2層壓板的失效

將一系列鋪層進行多角度鋪放後，鋪層與鋪層之間有相互作用和相互制約，導致層壓板的失效更加複雜。除了上述五種獨立的失效模式之外，層壓板還增加了分層損傷

分層裂紋的萌生可能是由於層內裂紋轉移到介面中，也可能是由於接近介面的層內裂紋尖端處的強應力場的作用引起分層。另外，橫向衝擊引起的橫向剪下也可能導致分層。

圖5 交叉層壓板中的橫向裂紋轉移至0/90介面

3。3 應力集中情況下的失效

（1）開孔和缺口

圖6 開孔板的失效示意圖

（2）衝擊損傷

圖7 橫向衝擊後作用下碳纖維/環氧層壓板橫截面的顯微照片

4 結束語

常用的聚合物基複合材料在嚴格意義上既不脆也不韌，因為它們的成分是脆性（纖維）和韌性（聚合物基體）。因此，這種複合材料是準脆性的，並且可能表現出尺寸效應，經歷漸進破壞的區域性材料的體積不隨結構的尺寸而增大。人們越來越認識到這種固有的尺寸效應，在使用實驗室規模的資料預測結構響應時，必須適當考慮尺寸效應。

這篇文章試圖去澄清複合材料失效相關特徵描述的不充分、甚至不正確的問題。文章建議將“強度”這個術語專門用於描述可被視為材料特性的臨界基本應力狀態（拉伸強度、壓縮強度和剪下強度），並使用其他適當術語來描述破壞起始，複雜應力狀態下的演化和臨界狀態，如與缺口處的應力集中和應力梯度相關的狀態。下一步，複合材料界需要共同努力，制定適當的方法和術語，以解決不同尺度、不同尺寸複合材料效能表徵問題。

原始文獻：Ramesh Talreja， Anthony M。 Waas，Concepts and definitions related to mechanical behavior of fiber reinforced composite materials，Composites Science and Technology，Volume 217，2022，109081。

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