近年来，纤维增强复合材料在航空航天、汽车和能源领域的应用呈指数级增长。随着这一发展，有关其力学行为的技术文献也呈指数级增长。在复合材料研究的早期，变形和失效的定义在很大程度上是金属定义方式的延伸。例如静态和疲劳失效，其中失效起始、演化和达到临界状态的概念由金属材料继承而来。在这些早期处理中，复合材料被均匀化（均质化），与金属的差异主要在于各向异性。在过去的至少二十年中，由于观测技术和计算方法的发展，这种情况已经发生了变化，这些技术和方法使得促进了多尺度分析的发展，可以更恰当地处理和分析观测到的失效机制。此类分析以明确的方式解释了复合材料内部结构的细节，如纤维空间分布、基体孔隙和纤维/基体界面损伤，即可以不将其视为均质物质。显然，由局部应力场控制的破坏不能用基于单轴应力-应变行为的强度概念来描述。此外，基于断裂力学的断裂韧性概念也不足以表示与非均质微观结构中复杂几何形状裂纹扩展相关的能量耗散。这些不足之处往往导致研究人员对纤维增强固体的变形和破坏行为产生一定的误解。
2022年1月，复合材料领域顶级期刊《Composites Science and Technology》上刊出了德克萨斯A&M大学和密歇根大学合作的研究论文《Concepts and definitions related to mechanical behavior of fiber reinforced composite materials》。文章对变形和破坏行进行了详细的讨论，总结了单向复合材料（UD）和层压板中的失效模式，阐明了控制这些失效模式的局部应力场和能量，并讨论了应力集中与承载能力的关系。最后，鉴于复合材料失效模式的多样性和丰富性，文章指出，复合材料中的“强度”一词定义不清，描述存在不足之处，是许多文献中对复杂复合材料失效行为误解的源头。
文章首先介绍了变形和失效的基本特征，变形行为通常基于在单个应力分量（法向应力或剪切应力）下通过实验获得的应力-应变图进行描述。应力应变响应的特征是弹性或非弹性，这取决于加载-卸载过程中应力应变响应是可逆的还是不可逆的。如果在应力-应变响应中发现具有时间依赖性，则变形被标记为粘弹性，以防其在时间上可逆。否则，它被称为粘塑性，非弹性（不可逆）变形的时间依赖性通过诸如应变率相关材料常数来表征。应力应变响应的方向相关性被描述为各向异性，并通过各向同性行为的推广来表示。应力-应变响应这种连续体模型隐含着材料内部结构的均匀化，而材料实际上是异质的。在许多情况下，内部结构的均匀化处理会产生一定误差。
材料的失效与承载能力的丧失有关。“强度”一词用于描述最大承载能力，并被视为一种材料特性。在金属材料中，“强度”对应于屈服开始点，此时的应力被描述为“屈服强度”。该应力值在单轴拉伸载荷下以标准化方式进行测量，并将其作为“材料特性”。尽管屈服应力概念仅存在于金属中，作为可逆变形的限制，但也（错误地）用于聚合物，已知聚合物具有随时间变化的可逆性，因此在载荷释放时不会产生永久变形。然而，复合材料释放荷载时不存在永久变形并不表示不存在不可逆性，因为在荷载作用下形成的任何裂纹都可能在卸载时闭合，从而使复合材料在零应力状态下恢复为零应变。在随后的加载中，复合材料将表现为不同的应力-应变路径，这是由先前加载中形成的裂纹重新打开引起的。如果裂纹部分闭合，则会产生永久应变，但这与传统金属塑性相关的非弹性不同。这类响应对于使用连续损伤力学描述的材料来说是独一无二的，这与传统的金属塑性不同。
材料点失效与结构失效之间是有区别的。概念的混淆可能导致评估结构承载能力的损失。当屈服从应力集中部位（如缺口或缺陷）开始时，就会体现出材料和结构失效之间的区别。如果屈服扩展导致破坏，即由于过度变形而导致延性破坏，则承载能力通常与应力集中部位细节的几何形状相关。典型的例子是“缺口强度”，如开孔拉伸（OHT）强度。按照正常的定义，材料力学性能应独立于测试试样的几何结构，但在复合材料中，“强度”一词的使用一直很混淆，它不是一种材料属性，而是一个描述给定几何结构细节的材料失效的数值。
与金属相比，纤维增强复合材料表现出高度复杂的失效机制。即使是最基本的单向（UD）复合材料，也会根据载荷（拉伸、压缩或剪切）及其作用方向或作用面以不同的模式发生失效。各种纤维结构，如直纤维或机织物等，进一步增加了复合材料基本失效模式的复杂性。除此之外，制造缺陷在复合材料失效的发生和发展中起着重要作用。有鉴于此，作为承载能力衡量标准的“强度”这一基本概念无法充分说明复合材料失效的复杂性及其在使用中提供安全性能的能力。
3.1单向复合材料的失效
单向复合材料的失效一般包含以下几种形式：
（1）轴向拉伸失效
图1 X射线显示的轴向拉伸加载下单向复合材料中的失效历程
（2）轴向压缩失效
图2（a） –（c）：纤维微屈曲及单向复合材料压缩破坏示意图。（d） ：光学显微照片显示的扭结带几何结构。
（3）横向拉伸失效
图3 （a）玻璃纤维/环氧树脂和（b）碳纤维/环氧树脂层压板中观察到横向裂纹。
（4）横向压缩失效
图4 横向压缩载荷下单向碳纤维环氧复合材料试样横截面的扫描电子图
（5）面内剪切失效
图5 面内剪切应力作用下，基体中的裂纹在倾向于纤维的平面上形成
如上所述，单向复合材料中的五种失效模式，每种模式都在单个应力分量的作用下，具有不同的特征。当同时施加两个或多个应力时，失效模式更加复杂。早期，针对单向复合材料的失效预测只是假设每个单一的失效模式通过某些“相互作用”来描述复合载荷效应。例如，Tsai-Hill准则修改了正交各向异性金属屈服的Hill准则，并将其应用于单向复合材料的失效预测，这意味着单一屈服机制控制了所有五种基本的失效模式。后来，Tsai-wu准则制定了一个通用的二次多项式准则，其中包含未指定的交互系数，这些系数由测试数据来确定。
后来，Hashin认识到均质单向复合材料的失效准则无法解释基本失效模式的差异，提出将失效模式分为两类：纤维主导型和基体主导型。对于纤维失效模式，他提出了一个发生在临界轴向应力下的单一失效形式，对于基体失效模式，他假设“失效面”位于基体中，并且在该面上跟应力相关的函数达到临界值时发生失效。
3.2层压板的失效
将一系列铺层进行多角度铺放后，铺层与铺层之间有相互作用和相互制约，导致层压板的失效更加复杂。除了上述五种独立的失效模式之外，层压板还增加了分层损伤
分层裂纹的萌生可能是由于层内裂纹转移到界面中，也可能是由于接近界面的层内裂纹尖端处的强应力场的作用引起分层。另外，横向冲击引起的横向剪切也可能导致分层。
图5 交叉层压板中的横向裂纹转移至0/90界面
3.3 应力集中情况下的失效
（1）开孔和缺口
图6 开孔板的失效示意图
（2）冲击损伤
图7 横向冲击后作用下碳纤维/环氧层压板横截面的显微照片
常用的聚合物基复合材料在严格意义上既不脆也不韧，因为它们的成分是脆性（纤维）和韧性（聚合物基体）。因此，这种复合材料是准脆性的，并且可能表现出尺寸效应，经历渐进破坏的局部材料的体积不随结构的尺寸而增大。人们越来越认识到这种固有的尺寸效应，在使用实验室规模的数据预测结构响应时，必须适当考虑尺寸效应。
这篇文章试图去澄清复合材料失效相关特征描述的不充分、甚至不正确的问题。文章建议将“强度”这个术语专门用于描述可被视为材料特性的临界基本应力状态（拉伸强度、压缩强度和剪切强度），并使用其他适当术语来描述破坏起始，复杂应力状态下的演化和临界状态，如与缺口处的应力集中和应力梯度相关的状态。下一步，复合材料界需要共同努力，制定适当的方法和术语，以解决不同尺度、不同尺寸复合材料性能表征问题。
原始文献：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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