1、力学的内涵与发展历程：是研究物质机械运动规律的科学，研究对象是宏观物质机械运动所遵从的客观规律。人们实践基础上发展起来，十六、七世纪开始形成物理学的一个分支，一般把力学分为运动学、动力学和静力学三部分。力学学科的发展是以新材料、新的生产工艺、新的工程应用环境、检测手段以及评价手段等近代力学性能实验方法的发展为基础，同时，实验方法反过来又进一步促进了力学学科的进步与发展。力学性能实验方法及所要解决的问题：内涵是以近代力学理论为基础，以先进的科学方法为手段，正确真实地评价材料、零部件、结构等的技术手段与方法；是用来解决“物尽其用”问题的科学方法；力学试验的总体目标材料或产品的质量控制与质量保证材料
2、的筛选及相互比较材料的设计计算与性能预报材料在服役过程中的性能表征理论发展的出发点及验证材料的发展航天、航空及国防的迫切需求，高强质轻具有可设计性的新材料得以开发，出现了纤维增强复合材料。现代的复合材料是在 20 世纪 40 年代以玻璃纤维增强聚合物基体复合材料发展而来。 现代复合材料的问世，是科学上一大突破，使原有的只能为特定结构选择材料发展成为为特定结构物设计材料。现代复合材料的出现，是自喷气式发动机发明以来最大的技术革命。现已经向民用化发展。复合材料的定义及分类定义是两种或两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料，或概括的讲：由两种或两种以上独立的物理相所组成的固体材料。概念：相
3、物理：各相材料的物理性能；相几何：各相材料的几何形状及分布总称，二者的改变可获得功能不同的复合材料；界面：混合效应）分类：按性能和用途分：功能复合材料，结构复合材料。前者利用其物理性能（如耐烧蚀材料、可透波材料等） ，后者可用在承力结构中。复合材料层叠结构单层板：纤维基体；界面明显；复合材料而成的单板。其力学性能确决于组分材料的力学、几何（形状、分布、含量）特性界面性能好坏。层合板：按不同的方式叠合而成的层合结构，是复合材料的主要形式。其物理性能取决于单板的力学性能、叠层厚度、铺设方向、顺序等。纤维增强树脂基复合材料的制备工艺大体可分为：干法、湿法。根据铺设角度不同有单向叠层板、多向叠层板。纤
4、维增强复合材料的性能特点纤维增强复合材料是制作复合材料结构的主要材料。高强度高模量理想载体 通过基体复合提供了一个连续的介质，即保证了纤维的铺设方向；又从结构上保障了纤维的载荷传递，基体在纤维间起着分散合传递载荷的作用，同时也提高了纤维沿着纤维方向的承载能力。总之，复合材料可以克服材料的弱点，发挥其综合能力。优越性在于：实现设计材料的要求。由于复合材料是两层次材料（从力学观点来看，是需要在细观合宏观两个层次内进行复合材料的材料，这是复合材料区别于传统材料关键的区别） ，因此它的宏观性能可以根据人们的需要通过细观性能来设计，可充分发挥材料的潜力。现阶段的复合材料主要有 6 项特点：1. 比强度高
5、、比刚度大 只是指沿纤维方向受拉的优越性。如有偏离纤维方向的力存在，这种材料的性能会很差。因此，在多向受力时，为发挥复合材料的优越性，不能沿单一方向铺设。如：T300/环氧 5280 的比强度是铝的 6.3 倍；比刚度是铝的 4.16 倍目前，在航空工业中使用的结构复合材料，主要是利用它的高比刚度，如制造飞机的尾翼合安定面等。至于比强度，由于现阶段强度数据分散，经验还不足，用作飞机承力结构还是有所顾虑。2. 抗疲劳性能好复合材料的疲劳破坏机制与金属均匀材料完全不同。金属材料往往出现单一裂纹，汇合成主裂纹，主裂纹控制着最终疲劳破坏。而复合材料往往在高应力区出现大量损伤（界面脱胶、层间开裂、纤维断
6、裂等）并于材料种类、铺设方式、纤维断裂等）并与材料种类、铺设方式、疲劳载荷类型有关，机理复杂。3. 减振性能好由于复合材料的比刚度大，故其自振频率甚高，可避免早起共振。此外，在吸能能力强、振动阻尼大的特点，一旦振动，衰减也快。如：轻金属合金梁需 9s,而复合材料梁只需 2.5s。4. 抗高温性能好和膨胀系数小人们可根据不同工况条件选择抗高低温性能良好、膨胀系数小的复合材料。一般铝合金在 400 度时弹性模量几乎接近零，而硼纤维/钛合金复合材料在此温度下性能不变，此外，韧性较好。5. 安全性能好 单一纤维的断裂不会导致突然破坏。6. 成型工艺好可制备各种形状复杂的零部件，一次成型，工艺简单，无浪
7、费。本构方程构成的基本原理从广义上来讲，凡是反映物性的数学表达式，都可以叫本构关系式。物质的本构方程必须服从一些共同的准则或原理。1. 物质的客观性原理物质本身性质所决定，不因观测者而改变。2. 确定性原理认为物体中某点的应力恒可以由物体内部各点的以往运动史唯一决定，而和未来的运动无关。3. 局部作用原理临近有影响，远处无关。又被称为 Noll 三原则，因此可导出简单的物质的本构方程。此外，本构方程还需满足其它一些原理，如物质对称性原理，即要反映出物质具有对称性，相容性和量纲一致性原理等。根据弹性势能原理，可以获得弹性系数矩阵是对称的，也就是说，有 21 个独立的弹性常数（刚度系数矩阵） 。如
8、弹性体在外力作用下变形时是在等温情况下，根据应变能密度函数的性质，可以证明。在实际应用过程中，复合材料多数是以层合板方式出现，为识别层合板中每层相对于材料主坐标系的材料性质以及层板铺叠的几何性质，需要一套明确的术语。单向复合材料弹性常数数目是纤维在基体中排列堆积的形状函数应变片电测法应变片电测法主要有：电阻应变片电测法，电容应变计电测法和电感应变计电测法等。前一种电测法应用较广泛，后两种电测法应用较少。电阻应变片电测法，通常简称为应变片电测法。这种方法是将金属丝制成的电阻应变片（即应变转换元件）粘贴在构件的表面测点上，通过电阻应变片将构件表面的应变转换为电阻值的变化，然后由电子仪器测得其阻值的
9、变化。根据一定的比例关系，即可得到构件的应变值。温度自补偿应变片当温度变化时、应变片产生的电阻变化等于零或者相互抵消，而不产生虚假应变的应变片。温度自补偿应变片有三种：选择式、联合式、组合式，其中组合式利用两种电阻材料的温度系数不同（一个为正，一个为负）的特性将两者串联制成应变片，此应变片温度自补偿效果最佳。电阻测量技术可分为静态应变测量和动态应变测量两类，蠕变定义：对已安装的应变片，在温度恒定并承受恒定的机械应变时，指示应变随时间的变化称为蠕变。产生的原因：主要是由胶层引起，如粘结剂种类选择不当、粘贴层较厚或固化不充分以及在粘结剂接近软化温度下进行测量等。实验应变分析实验应变分析 主要的测试
10、方法主要的测试方法电测法电测法 -包括电阻、电容、电感测试法包括电阻、电容、电感测试法电阻法较常用，具有高灵敏度和精度。因是电信号测量，易于实现数字化、电阻法较常用，具有高灵敏度和精度。因是电信号测量，易于实现数字化、自动化；可用于不同环境下的测量；成本低廉。缺点是只能点测量固定方向应自动化；可用于不同环境下的测量；成本低廉。缺点是只能点测量固定方向应变，不能全域测量。变，不能全域测量。光测法光测法 包括光弹性、全息干涉、激光散斑干涉、云纹法等包括光弹性、全息干涉、激光散斑干涉、云纹法等光弹性法应用广泛，是利用偏振光通过具有双折射效应的透明受力模型从而光弹性法应用广泛，是利用偏振光通过具有双折
11、射效应的透明受力模型从而获得干涉条纹图，可观察全域应力分布情况；快速测定应力集中系数；内外部获得干涉条纹图，可观察全域应力分布情况；快速测定应力集中系数；内外部边界应力测量。但周期长、成本高。边界应力测量。但周期长、成本高。机械测试法机械测试法 利用引伸仪测定试件变形需经过放大。有杠杆式和齿轮式两种。利用引伸仪测定试件变形需经过放大。有杠杆式和齿轮式两种。电电 阻阻 测测 量量 应变应变 原理及方法原理及方法电阻应变片测量技术电阻应变片测量技术是用电阻应变片测量构件的表面应变，在根据应力应变关系式，确定构件是用电阻应变片测量构件的表面应变，在根据应力应变关系式，确定构件表面应力状态的一种实验应
12、力分析方法。表面应力状态的一种实验应力分析方法。测试过程：测试过程：被测部件被测部件 应变片应变片 测量电路测量电路 放大线路放大线路 显示记录显示记录电阻应变式传感器-应变片电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化象。当试件受力在该处沿电阻丝方向发生线变形时，电阻丝也随着一起变形（伸长当试件受力在该处沿电阻丝方向发生线变形时，电阻丝也随着一起变形（伸长或缩短）或缩短） ，因而使电阻丝的电阻发生改变（增大或缩小），因而使电阻丝的电阻发生改变（增大或缩小） 。 应变应变 片的工作原理片的工作原理因因
13、 绝绝 大部分金属大部分金属 丝丝 受到拉伸或受到拉伸或 缩缩 短短 时时 ，电电 阻阻 值值 会增大会增大 (或减小或减小 )，这这 种种 电电 阻阻 值值 随随形形 变发变发 生生 变变 化的化的 现现 象，叫做 电电 阻阻 应变应变 效效 应应 电电 阻阻 应变应变 片就是基于金属片就是基于金属 导导 体的体的 电电 阻阻 应变应变 效效 应应 制成的。LRA光弹性实验方法是一种光学的应力测量方法，因为测量是全域性的，所以具有直观性强，能有效而准确地确定受力模型各点的主应力差和主应力方向，并能计算出各点的主应力数值。尤其对构件应力集中系数的确定，光弹性试验法显得特别方便和有效。 光弹性物
14、理基础光弹性法：是一种应用光学原理的实验应力分析方法。传统上，用光学各向同性的透明材料按一定比例做成与实物相似的模型，在载荷作用下成为光学各向异性体（具有如同天然晶体一样的双折射性质） ，当用偏振光装置观察时，模型上显现出与应力相关联的条纹图案，应用弹性力学基本方程，通过数学分析可确定模型表面及内部任意一点的应力状态；然后应用相似性原理转换成原型应力。光弹性法的特点：能给出直观的全场应力光图，对应力峰值敏感，对于测定应力集中区域及应力集中系数十分便捷，因此，在许多领域得到广泛应用。光的干涉 光干涉是指两个或两个以上的光波相遇时，在其重叠区域，光强呈明暗起伏的现象。 相干条件 频率相同的两光波相
15、遇点有相同的振动方向和固定的相位差； 两光波在相遇点所产生的振幅相差不悬殊； 两光波在相遇点的光程差不能太大；相干光的相干光的 获获 得得1.产生相干光的条件1.频率相同；2.振动方向一致3.有恒定的相位差；4.光强差不太大。5.光程差不太大；2.产生相干光的方法。普通光源：1 发光的间隙性 2 发光的随机性结论：普通光源不是相干光源。原理：使同一个点光源发出的光分成两个或两个以上的相干光束使它们各经过不同的路径后再相遇以产生干涉。1.分波面法在同一波面上两固定点光源发出的光产生干涉的方法为分波面法。如杨氏双缝干涉实验。2.分振幅法一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两束光线产生干涉的方法
16、为分振幅法。如薄膜干涉、等厚干涉等。云纹法的定义：云纹法是测量位移和应变场的一种光学方法。其主要特点是量程较大，弹性、塑性破坏时的大应变都可测量。由于测量可在由原型材料制成的模型上进行，所以能够较准确地模拟原型所经历的各种物理过程，无论静态或动态载荷都适用。且工作稳定性好，实验设备简单，但灵敏度较低。栅板的定义：栅板是云纹测量法的基本元件，由透明和不透明相间的等距平行线组成，不透明的暗线条成为栅线。相邻两栅间的距离 P 的倒数称为密率。光纤传感器的基本原理光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、
17、位移等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量（物理量、化学量和生物量） 。光纤传感技术的分类光纤传感器可分为传感型（本征型）和传光型（非本征型）两大类。本征型：利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器具有传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。非本征型：是指利用其它敏感元件测得的特征量，由光纤进行数据传输。充分利用现有的传感器，便于推广应用。两类传感器都可分成光强调制、相位调制、偏振态调制和波长调制几种形式。常见的复合材料缺陷1. 类型： 孔洞（voids, porosity)脱胶 (debonds)
18、分层 (delaminations)撞击 (impact damage)纤维断裂 (broken fibres)树脂裂纹 (resin cracks)常见的无损检测方法超声检测定义超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。 方法穿透法、脉冲反射法、串列法红外热成像：借助物体热辐射得到热气像的检测技术特点： 非接触 实时 高效 直观声发射及其基本原理不可逆效应 材料的塑性变形是不可逆的，由塑性变形引起的声发射也是不可逆的。如对试样施加载荷，开始有声发射产生，卸载后二次加载，在
19、第二次载荷未超过第一次加载的最大载荷之前没有声发射，只有当载荷达到这个值时才开始发生声发射，这一现象称为声发射的不可逆效应，也称凯塞效应。 不可逆效应是由材料变形和裂纹扩展的不可逆性决定的。如果二次加载的方式或方向与第一次不同，则不可逆效应就不存在。有些材料，如纤维增强复合材料，二次加载时，应力可能重新分布，某些地方有新的变形和裂纹扩展，声发射将会提前出现。 复合材料的断裂和韧性单向复合材料中的累积损伤和失效当某一给定纤维上弱点处的局部应力水平达到其失效应力时，纤维将发生断裂，所承受的载荷将会转移到相邻的集体中。但在远离纤维断点处纤维仍将承担分配的全部载荷。在临近断点的纤维上应力将发生扰动，但
20、不会引起邻近纤维到断裂程度。随着载荷的继续增加，其它纤维将陆续发生断裂。单丝的破坏不会严重影响整个复合材料的承载能力。为便于研究各种微观增韧机制，可考虑一个集体中正在接近一单根纤维模型。1、由于纤维刚度高，使基体开裂无法进一步扩大；2、纤维强度高，不会被集中在基体裂纹尖端的应力所拉断，因此纤维可有效 地阻止裂纹扩展（如 2）3、若作用在纤维/基体界面的局部剪应力足够高而使纤维局部脱粘，裂纹会进一步开裂；4、脱粘后，纤维弹性延伸，随后基体相对于纤维发生滑移的过程中裂纹进一步张开（如 3） ，所有这些过程都需要能量；裂纹可能绕过大量纤维而不使纤维断裂，对于给定的纤维/基体/界面体系可以达到一种平衡
21、状态，其中稳定数量的桥联纤维继续承受部分载荷，这种桥联是一种更进步的增韧机制；5、裂纹扩展时对裂纹抵抗能力增长的程度通常成为“R 曲线行为”，它受限还是扩展取决于材料。处于桥联中的纤维上的载荷会不断增加而将纤维拉断（如5）6、加载过程中，纤维由于泊松比收缩而发生脱粘的长度上与基体脱离，其长度取决于界面结合的强度，当纤维在距开裂平面较远处断开时，储存的弹性能得到释放，纤维与基体重新接触。微结构（MEMS）材料力学性能的测试技术 MEMS 技术的迅猛发展，推动了所用材料微尺度力学性能测试技术的发展。MEMS 的定义： microelectromechanical system(微电子机械系统)是集
22、传感、信息处理和执行于一体的集成微系统。MEMS 所独有的优点（小体积、大批量、低成本、可靠性），近三十年来已成为世界各发达国家高新技术领域研究的热点。MEMS 器件的开发热点：传感、致动、射 频（RF）、光学、生化和医学等不同领域。所使用的材料：单晶硅、及在其上形成的微、亚微米级厚的薄膜为主。薄膜主要有：单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅及一些金属、和一些高分子材料。MEMS 的设计和服役中需了解的力学特性弹性模量：决定着器件的结构响应特性；残余应力：影响器件的成品率和服役性能；断裂强度： 设计承载结 构中最重要的材料特性；疲劳强度：决定器件 长 期服役的可靠性；MEMS 器件的特征长度一般小于
23、 1mm,因而，测试设备 和方法成为最大难题。自从 1982 年诞生了第一台扫描隧道显微镜（STM）后，人们才对微/纳观尺度的观测有了新手段。之后，又有了原子力显微镜（AFM）和纳米压痕测试系统，从而极大的推动了微/纳尺度下材料的性能测试研究。STM 的构造及测试原理当探针与被测试件足够接近时，将会发生隧道效应，产生隧道电流;相对距离的变化使隧道电流发生很大变化，通过反馈系统调节探针的高度来维持电流为常值，从而得到被测试件的表面物理特征。温度对复合材料的影响温度效应温度对复合材料的影响主要表现在 蠕变效应 和 热脉冲效应，在较高温度条件下复合材料中的单个或全部组分可能发生蠕变。蠕变的概念 ：固
24、体材料在保持应力不变的情况下，应变随时间缓慢增长的现象。金属、高分子材料等在一定条件下都具有蠕变性质。蠕变的特征：蠕变材料的瞬时应力状态不仅与瞬时变形有关，而且与该瞬时以前的变形过程nmSTM 原理示意图V反馈系统有关。瞬时响应后随时间发展的蠕变一般可分成 3 个阶段：第一阶段: 衰减蠕变，应变率（应变的时间变化率）随时间增加而逐渐减小；第二阶段: 定常蠕变，应变率近似为常值；第三阶段: 加速蠕变，应变率随时间逐渐增加，最后导致蠕变断裂。同一材料在不同的应力水平或不同温度下，可处在不同的蠕变阶段。通常温度升高或应力增大会使蠕变加快。不同材料的蠕变微观机制不同多晶体材料蠕变的原因是原子晶间位错引
25、起的点阵滑移以及晶界扩散等；聚合物的蠕变机理则是高聚物分子在外力长时间作用下发生的构形和位移变化。研究材料的蠕变性质对安全而经济地设计结构和机械零件具有重要意义。复合材料的热脉冲效应复合材料的结构以及制造工艺的特点，导致材料内部热膨胀不匹配，从而产生残余应力。在材料经受快速升温的热环境下，材料内部残余应力得到释放，从而产生热脉冲效应。这些应力可导致纤维损伤、层间开裂等缺陷，最终造成材料失效破坏。复合材料残余应力产生的机理：复合材料在制造过程中，有可能形成各种缺陷，主要反映在力学性能测试数据的分散性上。由于复合材料材料制作工艺特点，由具有不同热膨胀系数的材料组分在制造过程中被加热、然后冷却可能形
26、成足够大的残余应力。这些应力主要在材料内部的缺陷处产生高应力集中。复合材料的制造加工过程中缺陷主要包括： 树脂 固化 不适当，特别是在热压罐成型时较厚截面或复杂截面内局部放热引起的温度变化造成的树脂固化不合理； 纤维 体积含量 不正确，纤维铺放角度不正确或断裂； 纤维分布 不均匀 ，造成富脂区，富脂区内的空隙； 在层间存在裂缝、过搭接及其它 缺陷 ； 由 热应力 造成的树脂开裂和层间横向开裂； 机械 转孔 周围的局部损伤； 胶接复合材料的局部 脱粘 ；非晶态（无定形）高分子可以按其力学性质区分为玻璃态、高弹态和粘流态三种状态尺度效应尺度效应: 是指在一个现象里面，所讨论的对象的宏观尺寸会与其它
27、或物理特征量耦合成为一个无量纲控制参量，及所讨论的对象不再服从几何相似率，因而室内小型实验结果不能简单地推广到工程原型上去。例如：复合材料中分布式损伤所涉及的跨尺度问题，细观与宏观尺度比无量纲控制参量。为确定大量复合材料层合板的结构响应，相对大尺寸试件而言，采用缩比试验是一种有效的方法。然而，若试验涉及到结构的损伤和失效，试件的绝对尺寸将对结构的失效行为和极限强度有极大的影响。因此，尺度效应的影响，常常使得原型结构的强度被严重的高估。宏观尺度上的尺度效应产生的直接原因是微观层次上损伤演化的结果，损伤的积累和失效机制的相互作用最终导致结构的极限失效。由于复合材料本身的各向异性等特点的存在，通过试验所获得的力学性能数据常常呈现处分散性，但应该具有统计特征。在对数据处理的过程中，主要用传统的统计方法处理；在表征数据集中趋势时评价的方法（中位数、算数平均值） ；离散特征标准差（sd） ，或方差(sd)2；对于超出常规的个别数据应剔除，但必须给出合理的解释-即试件的断口形貌及破坏模式。试验件数的保证对数据结果分析的可靠性非常重要；
