专业讲堂简述外部载荷作用力的复合材料失效行为

与传统的金属材料如铝、钢和钛等结构相比，纤维复合材料在承受载荷或发生故障时的性能有着显著差异。通常这会导致复合材料结构以金属无法达到的方式失效。例如，处于拉伸状态的金属结构在拉伸状态下可能失效，而处于拉伸状态的等效复合结构则会可能在弯曲状态下失效，这是因为复合材料是具有多个加载路径的纤维基体：层压板中的层可能取向不同、厚度不同，或者层压板之间可能存在缺陷，导致其行为不同。

复合材料通常是脆性的，因此很少发生变形，不像金属通常是韧性的，在破坏前会变形。所有这些变量都是复合材料所特有的，它们直接影响复合材料在荷载作用下的失效和行为。

拉伸、剪切失效行为

在宏观尺度上，纤维复合材料结构在拉伸破坏时没有共同的特征，图1显示了一系列碳纤维增强塑料（CFRP）样品，这些样品在完全相同的张力下发生断裂破坏，但在失效模式上表现出巨大的变化。

图1 在相同应力下，具有不同纤维取向的CFRP破坏图片

将样品分成四组，每组的铺层纤维方向不同。一些试样在失效时断裂（左上角），另一些试样断裂或以一定角度剪切（右上角和左下角），而在一些试样中断裂面被撕裂（右下角）。这种不同的失效是由于复合材料结构固有的变化：不同的纤维取向和层合板层间造成的。

在微观层面上，每一个样品却都有共同的特征：在所有受拉复合材料结构的破坏中，断裂面的形貌一般比较粗糙。当纤维沿拉伸载荷方向排列时，断裂的纤维常在断裂表面伸出，这称为纤维拔出，是复合材料结构拉伸破坏的典型特征（图2）。纤维拔出是由于单个纤维断裂并被拉出基体而引起的，从而在基体上产生孔洞，这是拉伸破坏的另一个迹象。在一些基体本身失效的拉伸失效行为中，纤维不会断裂，这叫做纤维桥接。

图2 复合材料失效时典型的纤维拔出

拔出的纤维的长度可以反映复合材料在破坏时所处的环境和负载条件，例如暴露于湿气、温度和载荷率。当纤维未在拉伸载荷方向上对齐（即处于剪切应力下）时，通常会在基体中而不是在纤维中发生破坏，这是层压板常见的情况。张力破坏通常发生在纤维与基体界面之间，或者层间剪切破坏。这些类型的基体失效通常会导致断裂，这是断裂表面上的粗糙特征（图3）。

总而言之，表明纤维复合材料结构在拉伸中失效的主要迹象包括：

粗糙的断裂面；

纤维拔出（纤维方向的张力荷载）；

基体出现孔（与纤维拔出相关）；

纤维桥接（表示基体失效）；

裂纹（表示基体的剪切破坏）。

在微观层面上，纤维复合材料压缩破坏的一个主要迹象是纤维中扭结带的形成（图4）。由于纤维压缩性差，当压缩载荷接近临界值时，由于塑性变形而产生扭结带。

图4 复合材料在压缩载荷下形成扭结带

基体分裂通常与这些扭结带有关，这些扭结带可以看作是失效面上基体中的间隙。它发生在基体中的高应力集中点，如纤维基体界面和层间（即分层区域）。

此外，还可以在纤维的末端看到以皱纹形式出现的屈曲（图5）。切痕沿着弯曲纤维的中性轴出现，将受压部分和受拉部分分开。

图5 沿中性弯曲轴形成切痕

弯曲失效的纤维复合材料结构在中性弯曲轴周围有明显的拉伸和压缩迹象。结构的一侧将包含拔出的纤维（张力侧），而另一侧将相对平坦（压缩侧）。图6中的机翼弯曲失效显示了张力侧和压缩侧之间的巨大差异。

图6 机翼弯曲失败，显示出拉力（下部）和压缩（上部）之间的差异

虽然纤维复合材料结构比传统的飞机金属（如铝）更不容易受到疲劳破坏的影响，但疲劳仍然可能发生。虽然疲劳在金属中很容易识别，但复合材料中疲劳断裂的迹象是微观的，并且不规则地出现。

纤维-基体界面处的条纹是复合材料结构疲劳的标志，一个条纹代表一个载荷循环。然而，条纹可能只出现在某些区域，并且它们的尺寸小、能见度低（通常只有在高倍放大和斜向照明下才能看到），使它们很难被发现。

随着纤维复合材料结构的反复加载，疲劳现象可能变得更加明显。疲劳断裂表面相互摩擦，在断裂纤维的末端和基体上留下磨损痕迹。断裂的纤维将在荷载作用下随机分布在整个结构区域。随着更多的纤维断裂，局部化应力集中形成，导致纤维层间剥离。

如果疲劳损伤未被识别且未被检查，则在重复循环荷载下从最弱的层（横向层）到最强的层（纵向层）逐渐出现基体开裂。随着这些基体裂纹密度的增加，结构的疲劳寿命将降低，直至发生灾难性破坏。

近年来，ATSB在2003年发生一起致命事故后，在全球范围内发现了金属Robinson R22主旋翼叶片的严重疲劳裂纹。虽然Robinson直升机的旋翼桨叶不是由纤维复合材料制成（它们是粘合的复合金属结构），但将旋翼桨叶结构和蒙皮粘合在一起的粘合剂的降解导致了粘合剂基体开裂和剥离。正是粘着基体的疲劳破坏导致了载荷分布的变化，并增加了连接叶根和转子轮毂的螺栓上的应力集中。水分通过粘合基体的裂缝进入导致铝螺栓孔腐蚀，加速了叶片根部的疲劳裂纹。