内容解读

目前用于研究复合材料失效的分析方法，与分析其他材料所采用的方法相似，且大多可借鉴金属结构失效分析所用的方法。然而，复合材料本身具有的若干特性使其失效分析较金属结构更为复杂。具体而言，材料的各向异性、胶接连接的广泛应用，以及多种失效模式共存的特点，均增加了复合材料失效分析的难度。

在失效成因分类方面，复合材料与金属结构亦存在相似性。莫阿利（Moalli）指出，复合材料失效的三大成因与金属结构相同，即设计不当、制造不当以及最终产品的使用不当。

格林哈尔赫（Greenhalgh）与希利（Hiley）进一步阐明，复合材料存在多种失效模式，其具体表现取决于诸多因素，包括构件几何形状、服役环境、构型架构及载荷条件等。

格林哈尔赫与希利将复合材料失效模式划分为以下三类：贯穿层失效（translaminar）、层内失效（intralaminar）及层间失效（interlaminar）。其中，贯穿层失效指增强纤维发生破坏，其具体模式包括纤维劈裂、屈曲及剪切；层内失效指纤维之间沿厚度方向发生的破坏；而层间失效（亦称分层）则指层与层之间的断裂。

2.1.1 拉伸

斯坦普夫（Stumpff）指出，在I型张开模式下，当载荷垂直（90°）施加于层压板时，增强体所在平面内可能发生层间断裂。肉眼观察此类断裂表面时，可见树脂覆盖在纤维表面；

但若在显微尺度下分析断口，则可发现两类典型断口形貌：河流状花样与羽状花样。河流状花样亦由贝林加迪（Belingardi）、马泰拉（Martella）与佩罗尼（Peroni）所描述，出现在基体表面，或见于基体断裂后纤维表面残留的基体材料上，亦见于纤维印痕处。羽状花样则起始于假想的裂纹扩展中心线，表现为细密线条。河流状花样与羽状花样均可作为裂纹扩展的指示特征。

克莱恩（Kline）与张（Chang）开展了一项实验，对带缺口的石墨–环氧树脂复合材料试样施加斜坡式拉伸载荷，并采用扫描电子显微镜（SEM）观察其失效断口。在低倍率下观察失效表面时，可见层间分层、纤维断裂及纤维拔出等现象。

当放大倍率达1000倍以上时，克莱恩与张识别出拉伸失效特有的形貌特征：在2150倍放大倍率下，观察到从表面隆起并相互堆叠的环氧树脂片层（亦称“劈裂纹”）；

此外，还观察到沿纤维–基体界面萌生并汇合为更大裂纹的细微裂纹。这些裂纹源于拉伸应力作用下纤维与基体材料的伸长变形；

由于纤维与基体弹性性能不同，界面上产生应力，从而引发微裂纹；随着应力增大，微裂纹不断扩展、合并，最终导致结构失效。

研究发现，微裂纹与劈裂纹位置呈反向对应关系——微裂纹的分支走向与配对表面上片层边缘的走向相吻合。

珀斯洛（Purslow）对碳/环氧树脂复合材料的横向拉伸失效进行了断口学分析。在1000倍放大倍率下，可观察到断裂纤维的端面。在界面结合良好的结构中，纤维周围的树脂先于纤维–基体界面发生破坏；在此情形下，失效后纤维表面可发现残留的基体痕迹。相反，在界面结合较差的结构中，纤维与基体发生脱粘，导致基体表面留下纤维印痕。

Kumar、Raghavendra、Venkataswamy 和 Ramachandra 依据ASTM D3039标准对CFRP复合材料试样进行了拉伸试验，并采用扫描电子显微镜（SEM）技术分析了断裂表面。

CFRP拉伸断裂表面被描述为外观粗糙。断裂表面上可观察到可用于识别裂纹起始点及扩展方向的鱼骨状条纹。此外，断裂表面两侧均呈现纵向开裂。在裂纹起始点处，纤维束发生断裂，整个断裂表面均存在纤维拔出现象。断裂表面呈现径向痕迹（见图1），可用于裂纹起始点及扩展路径分析。

纵向开裂处可观察到锯齿状结构，该结构亦可用于识别失效扩展方向。在最终断裂区域，可观察到压溃纤维、纤维与基体碎屑以及纤维屈曲，如图2所示。

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