聚合物基复合材料层压板拉伸性能标准试验方法D 3039.docx

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聚合物基复合材料层压板拉伸性能标准试验方法D3039

聚合物基复合材料层压板拉伸性能标准试验方法（D3039）

ASTM标准：

D3039/D3039M–00

聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法

StandardTestMethodforTensileProperties

ofPolymerMatrixCompositeMaterials

1范围

1.1本试验方法适用于测定高模量纤维增强的聚合物基复合材料的面内拉伸性能。

复合材料形式限定于连续或不连续纤维增强的复合材料，且层压板关于试验方向是均衡、对称的。

1.2以国际单位（SI）或英制单位（inch–pound）给出的数值可以单独作为标准。

正文中，英制单位在括号内给出。

每一种单位制之间的数值并不严格等值，因此，每一种单位制都必须单独使用。

由两种单位制组合的数据可能导致与本标准的不相符。

1.3本标准并未打算提及，如果存在的话，与使用有关的所有安全性问题。

在使用本标准之前，本标准的用户有责任建立合适的安全与健康的操作方法，以及确定规章制度的适用性。

2参考文献

2.1ASTM标准

D792置换法测量塑料的密度和比重（相对密度）的试验方法；

TestMethodsforDensityandSpecificGravity（RelativeDensity）ofPlasticsbyDisplacement

D883与塑料有关的术语2；

TerminologyRelatingtoPlastics

D2584固化增强树脂的灼烧损失试验方法；

TestMethodforIgnitionLossofCuredReinforcedResins

D2734增强塑料孔隙含量试验方法3；

TestMethodforVoidContentofReinforcedPlastics

D3171复合材料的组分含量试验方法；

TestMethodsforConstituentContentofCompositesMaterials

D3878复合材料术语4；

TerminologyforCompositeMaterials

D5229/D5229M聚合物基复合材料的吸湿性能及平衡状态调节试验方法4；

TestMethodforMoistureAbsorptionPropertiesandEquilibriumConditioningofPolymerMatrixCompositeMaterials

E4试验机力标定操作规程；

PracticesforForceVerificationofTestingMachines

E6与力学试验方法有关的术语5；

TerminologyRelatingtoMethodsofMechanicalTesting

E83引伸计分类及标定的操作规程5；

PracticeforVerificationandClassificationofExtensometers

E111杨氏模量、正切模量及弦向模量试验方法5；

TestMethodforYoung’sModulus,TangentModulus,andChordModulus

E122选择样本尺寸用以估计批次或工艺质量测量的操作规程；

PracticeforChoiceofSampleSizetoEstimateaMeasureofQualityforaLotorProcess

E132室温下泊松比试验方法5；

TestMethodforPoisson’sRatioatRoomTemperature

E177ASTM试验方法中各项精度和偏差的使用的操作规程6；

PracticeforUseoftheTermsPrecisionandBiasinASTMTestMethods

E251粘贴式金属电阻应变片特性试验方法5；

TestMethodsforPerformanceCharacteristicsofMetallicBondedResistanceStrainGages

E456与质量和统计有关的术语6；

TerminologyRelatingtoQualityandStatistics

E691由实验室的结果确定一种试验方法的精度的操作规程6；

PracticeforConductinganInterlaboratoryStudytoDeterminethePrecisionofaTestMethod

E1012拉伸载荷下试样对中标定的操作规程5；

PracticeforVerificationofSpecimenAlignmentUnderTensileLoading

E1237粘贴式电阻应变片安装指南5；

GuideforInstallingBondedResistanceStrainGages

3术语

3.1定义——术语D3878定义了与高模量纤维及其复合材料有关的术语。

术语D883定义了与塑料有关的术语。

术语E6定义了与力学试验有关的术语。

术语E456和操作规程E177定义了与统计有关的术语。

当各个标准定义的术语之间发生矛盾时，术语D3878优先于其他标准。

3.2本标准专用术语定义：

注释——如果术语表示一个物理量，它的分析量纲以基本量纲的形式紧跟在该术语（或文字符号）后面予以说明。

方括号内所示的基本量纲采用下面的ASTM标准符号：

质量为[M]，长度为[L]，时间为[T]，热力学温度为[Θ]，无量纲量为[nd]。

由于不带方括号时以上这些符号可能有其他的定义，因此这些符号在带方括号时的使用仅限于分析量纲。

3.2.1名义值——仅存在于名称中的值，出于方便表示的目的指定了一个可测量的参数。

公差可能被作为一个名义值，用于为参数确定一个可接受的范围。

3.2.2过渡区——应力–应变或应变–应变曲线上的一个应变区，即曲线斜率明显改变的区域，产生于一个很小的应变范围内。

3.2.3过渡应变，εtransition——在一条双线性应力–应变或应变–应变曲线上的两条基本上线性部分之间的过渡区中间范围的应变值。

3.2.3.1讨论——加载时，许多长丝复合材料基本上显示出双线性特性，例如纵向应力-纵向应变或横向应变-纵向应变的关系曲线图。

不同的原因导致了过渡区的存在，常见的例子包括：

拉伸载荷下的基体裂纹和单层之间的分层。

3.3符号：

3.3.1A——试样最小横截面面积。

3.3.2By——对于矩形横截面的单轴试样，关于试样y轴（窄方向）的弯曲百分比。

3.3.3Bz——对于矩形横截面的单轴试样，关于试样z轴（宽方向）的弯曲百分比。

3.3.4CV——给定性能的样本的离散系数（以百分数表示）。

3.3.5E——试验方向上的弹性模量。

3.3.6Ftu——试验方向上的极限拉伸强度。

3.3.7Fsu——试验方向上的极限剪切强度。

3.3.8h——试样厚度。

3.3.9Lg——引伸计标距。

3.3.10Lmin——所需的粘接加强片的最小长度。

3.3.11n——每个样本的试样数。

3.3.12P——试样承受的载荷。

3.3.13Pf——试样破坏时承受的载荷。

3.3.14Pmax——试样破坏前承受的最大载荷。

3.3.15sn-1——给定性能的样本的标准差。

3.3.16w——试样宽度。

3.3.17xi——给定性能在一个样本中单个试样的试验结果。

3.3.18

——给定性能在一个样本中的平均值或均值（估计平均值）。

3.3.19δ——拉伸位移。

3.3.20ε——应变的通用符号，无论是正应变还是剪切应变。

3.3.21ε——应变传感器或引伸计上读出的正应变值。

3.3.22σ——正应力。

3.3.23v——泊松比。

4试验方法概述

4.1将具有常矩形横截面的薄板状试样安装于试验机夹头中，均匀施加拉伸载荷并记录载荷值。

由试样破坏前的承受的最大载荷确定材料的极限强度。

如果使用应变或位移传感器来测量试样的应变，则可以确定材料的应力–应变响应，从而得到材料的极限拉伸应变、拉伸弹性模量、泊松比和过渡应变。

5意义与用途

5.1制定本试验方法是为了得到用于材料规范、研究与开发、质量保证以及结构设计和分析的拉伸性能数据。

影响拉伸特性并应该在报告中给出的因素包括：

材料、材料制备和铺贴、试件铺层顺序、试件制备、试件状态调节、试验环境、试件对中和夹持、试验速度、在某一温度下的时间、孔隙含量和增强体的体积百分比。

从本试验方法可获得试验方向的以下性能参数：

5.1.1极限拉伸强度；

5.1.2极限拉伸应变；

5.1.3弦向拉伸弹性模量；

5.1.4泊松比；

5.1.5过渡应变。

6影响因素

6.1材料和试件制备——粗糙的材料加工操作方法、缺乏控制的纤维定位以及不适当的试样加工引起的损伤，是引起复合材料中材料数据高度分散的已知因素。

6.2夹持——由于夹持而引起的破坏有很高的百分比，尤其是材料数据的分散性很大时，说明试件的夹持出现问题。

试件的夹持方法将在7.2.4节、8.2节和11.5节中讨论。

6.3系统对中度——过度弯曲引起试样提前破坏，同时也使弹性模量出现较大偏差。

应尽量消除由试验系统引起的过度弯曲。

夹头对中度不好、试件不合适地安装于夹头中或粗糙的试件制备引起的试件尺寸超出公差范围，均可能导致试样弯曲。

如果怀疑试验机的对中度，应以7.2.5节中论述的方法检查其对中度。

6.4角铺层层压板的边缘效应——包含偏轴层的层压板由于边缘软化从而引起提前破坏和出现较低的刚度，因此，角铺层层压板的强度和模量的测量值可能会过低。

而对于含有0°铺层的准各向同性层压板，影响并不明显。

7设备

7.1千分尺——用一个4–5mm[0.16–0.20in.]公称直径双球面接触面的千分尺测量试件厚度。

用一个带有平砧的千分尺测量试件宽度。

仪器的精度应满足其最小读数在试件宽度和厚度尺寸的1%以内。

对于典型试件的几何尺寸，精度为±0.25µm[±0.0001in.]的仪器便能满足对试件厚度的测量；精度为±25µm[±0.001in.]的仪器便能满足对试件宽度的测量。

7.2试验机——试验机应与操作规程E4相一致，并满足以下要求：

7.2.1试验机端头——试验机应有一个完全固定的端头和一个移动端头。

7.2.2传动机构—试验机的传动机构应当能够使移动加载头相对于固定加载头具有一个可控制的速度。

移动加载头的速度能够按照11.3节的规定可调。

7.2.3载荷指示器——试验机的载荷传感器应能指示试件承受的总载荷。

该装置应在规定的试验速率下无惯性滞后，且在整个载荷范围内给出的载荷精度应在显示值的±1%以内。

该相关载荷范围可能对于要求的模量计算偏低，对于要求的强度计算偏高，或两者同时存在。

注1——同一试验中，为了在一个相关的大范围内获得精确的载荷数据，例如，要确定弹性模量和极限载荷时，可以对于载荷单元及其标定提出特殊要求。

对于某些仪器可能要求特殊的标定方法。

对于某些材料和载荷单元的组合，不可能同时精度地测量弹性模量和极限强度，模量和强度的测量，必须采用不同载荷单元通过不同的试验来实现。

7.2.4夹头——试验机的每一端头应带有一个能夹持试件的夹头，使得施加于试件上的载荷方向与试件的纵轴保持一致。

夹头应具有足够的侧压力，以防止夹持面与试件之间滑动。

如果使用了加强片，则夹头应足够长，超出加强片的斜削部分大约10–15mm[0.5in.]。

最理想的是使用具有旋转自动对中功能的夹头，以尽量减少试件的弯曲应力。

注2——发现具有大约1锯齿/mm的浅锯齿形状的夹持表面，在保持干净、锋利时非常适合在楔形夹头中使用；粗糙的锯齿可能使无加强片的试件出现由于夹持而导致的破坏。

光滑的夹持表面已成功的应用于液压夹头或金刚砂砂布表面，或两者同时使用。

图1系统对中度校核试样应变片布置图

7.2.5系统对中度——系统对中度差主要引起提前破坏，或弹性性能数据分散，或两者同时产生。

操作规程E1012叙述了拉伸试验中的弯曲计算的指南和导致对中度差的潜在的原因。

另外，在操作规程E1012中，采用以下步骤可计算出拉伸时的弯曲程度。

试件弯曲的计算将在11.6.1中叙述。

7.2.5.1在具有与试件类似尺寸和刚度的矩形校准试样上，最少布置同一型号的三个纵向应变片，于试件宽度方向上正面布置两个，背面布置一个，如图1所示。

加载过程中，这些应变片所显示的应变值的差别可以确定试件厚度平面（By）和宽度平面（Bz）上的弯曲量。

应变片位置通常应位于试件工作段的中心（如果模量测量是重点）、夹头附近（如果存在提前夹持破坏问题）、或这些区域的组合。

7.2.5.2评估系统对中度时，建议用同一试件通过四种可能的安装方式（相对于初始位置）来校核对中度。

四种安装方式分别为：

初始位置（上端-前表面朝向观察者）、仅前后面旋转（上端-后表面朝向观察者）、仅上下端旋转（下端-前表面朝向观察者）、前后面和上下端同时旋转（下端-后表面朝向观察者）。

这四组数据集可以判别弯曲是由系统自身还是由对中度校核试件或测量计的公差引起的。

7.2.5.3在夹持前或夹持后调出零应变点。

在随后的夹持过程、拉伸加载过程、或两者同时进行的过程中，可以检测对中度校核试件的应变响应。

式

（1）–（3）使用应变测量值来计算对中度校核试件的每一弯曲平面上的弯曲应变相对于平均拉伸应变的百分比以及总弯曲百分比，Btotal。

绘制弯曲百分比与轴向平均应变关系图，有利于了解系统弯曲特性的趋势。

7.2.5.4夹持过程中产生破坏的问题，可通过测量夹持过程中夹头附近区域的弯曲应变来解释。

模量数据分散性过大的问题，可能是由于计算弯曲应变时载荷超过了模量计算时的典型传感器的范围而引起的。

过多的靠近夹头的破坏，可归结在测量夹头附近的弯曲应变时载荷水平过高。

当系统不对中度的主要原因来自于材料和位置时，合理的试验方法通常能在中等应变水平（>1000µε）下将弯曲百分比控制3–5%的范围内。

试验中如果系统的弯曲过大，则应重新调整或修正。

（1）

（2）

式中：

By=关于系统y轴（窄平面）的弯曲百分比，通过公式1计算，%；

Bz=关于系统z轴（宽平面）的弯曲百分比，通过公式2计算，%：

=分别为应变片1，2，3的纵向应变值，如图1所示，με；

。

总弯曲量为：

（3）

7.3应变指示装置——如果要求，载荷–应变数据可以通过应变传感器或引伸计来测量。

应变指示装置与试件的连接不应导致试件表面的损伤。

如果要测定泊松比，应测定试件的纵向和横向应变。

如果要测定弹性模量，则应同时测定试件正反两面的纵向应变，以便对试件的弯曲效应进行修正（详细说明见11.6）。

7.3.1粘贴式电阻应变片的选择——应变片的选择基于材料类型。

对于大多数材料，推荐使用有效长度为6mm[0.25in.]的应变片。

应变片有效长度不能小于3mm[0.125in.]7。

应变片的标定应遵守试验方法E251。

对于机织物层压板试验，应变片的选择应该考虑到应变片的有效长度至少应大于机织物的特征重复单元。

关于复合材料的应变片使用的一些指南如下文所述。

常用的参考资料来自Tuttle和Brinson8。

7.3.1.1与操作规程E1237相一致的纤维增强的复合材料的表面处理，可能穿透基体材料并引起增强纤维损伤，从而导致不恰当的试件破坏。

在表面处理过程中，不能使增强纤维裸露或损伤。

在制定关于纤维增强复合材料的应变片粘贴表面处理的标准操作规程之前，应变片制造厂应提供关于表面处理的指南和推荐用于复合材料的胶粘剂。

7.3.1.2应考虑选择具有较大电阻的应变片，以便减少低导电率材料的热影响，最好使用350Ω或更高电阻的应变片。

另外，应考虑使用与预期精度（推荐1–2V）相符的尽可能小的应变片激励电压，以便更好的降低应变片的能耗。

应变片导致试样发热可能直接影响材料的性能，或者可能影响显示的应变值，这是由应变片温度补偿系数和试样材料的热膨胀系数之间的不同而引起的。

7.3.1.3即使是在标准实验室大气环境下进行试验，也推荐采用多种温度补偿方式。

非室温环境试验要求进行温度补偿。

7.3.1.4应考虑应变片的横向灵敏度。

应变片制造厂家应给出横向灵敏度的修正方法和对复合材料的影响关系。

这对用于测定泊松比的横向安装的应变片是非常重要的，如注11所述。

7.3.2引伸计——对于大多数使用情况，引伸计标距应在10–50mm[0.5–2.0in.]范围之内。

引伸计至少应满足操作规程E83、B–1级有关应变范围的要求，且应在与操作规程E83相符的应变范围内进行标定。

对于特别硬的材料或对于横向应变的测量，B–1级引伸计允许的固定误差可能很大，应考虑使用A级引伸计。

在特定的试验速度下，引伸计不能有惯性滞后，并且引伸计的重量不能产生大于6.3中允许的弯曲应变。

注3——对引伸计标定设备的位移精度要求较低时，对较长标距的引伸计进行应变标定通常并不困难。

7.4调节箱——在非试验室环境下调节材料时，要求使用温度/湿度可控的环境调节箱，并能将温度保持在所要求温度的±3︒C[±5︒F]以内，湿度保持在所要求湿度的±3%以内。

调节箱的环境条件在正常范围内应能连续自动或手动控制。

7.5环境试验箱——对于不同于大气环境的试验室条件的试验环境，要求采用环境试验箱。

环境箱能使试件的工作段在力学试验期间保持在要求的试验环境下。

8取样和试件

8.1取样——对每种试验情况至少应进行5个试件的试验，除非利用较少的试件可以得到有效的结果，如设计试验的情况。

为了得到具有统计意义的数据，应参考操作规程E122中所述的方法，并给出取样方法。

注4——如果试件要经过环境调节达到平衡，且具有相同的类型或几何尺寸，但通过称量试件本身的重量并不能正确测量试件的重量变化（例如有加强片的试件），这时，可采用具有相同名义厚度和适当尺寸的随炉件（无加强片）来确定需调节的试件是否达到平衡。

8.2几何形状——力学试验试件的设计，尤其是使用加强片的试件，在很大程度上还是一种技巧，且并不科学，夹持面的工程设计方法也没有得到工业界的一致认同。

对于特定材料体系和在试验室内通常遇到的环境条件，每个主要复合材料试验试验室都发展了夹持方法。

比较这些方法，发现它们之间有很大的不同，这使得很难形成一个通用的方法或一套方法。

基于上述原因，试件几何形状的定义需通过以下三个等级确定，这些将在下面各节中论述：

用途

几何形状定义尺度

8.2.1

一般要求

强制性的形状和公差

8.2.2

特别推荐

非强制性、建议的尺寸

8.2.3

详细实例

非强制性的标准方法

8.2.1一般要求：

8.2.1.1形状、尺寸和公差——试件形状、尺寸和公差的所有要求如表1所示。

8.2.1.2加强片的使用——加强片一般不要求。

试件公差和夹持方法选择的要点是，将载荷成功的引入到试件和防止试件由于明显的载荷突变而引起的提前破坏。

因此，确定使用加强片和加强片的主要设计参数的依据是其最终的结果为：

可接受的破坏模式和破坏部位。

如果可接受的破坏模式出现的频率很高，则不需要改变已使用的夹持方法（见11.10节）。

8.2.2特别推荐：

8.2.2.1宽度、厚度和长度——选择试件宽度和厚度，以使试件在工作段破坏并确保试件的横截面含有足够数量的纤维，使其成为统计上地大多数材料的样本。

试件长度通常应充分地大于由较小的夹持偏心率引起的最小弯曲应力所对应的最低要求的长度。

工作段与夹持部分之间保持适当远的距离，并使大量材料承受应力，因此来产生一组统计有效的结果。

按表1中对试件形状的最低要求，并不足以给出一个适当尺寸和公差的试件，因此，表2提供了典型材料结构的其他重要尺寸的推荐值。

通过若干试验室的试验，发现对于大多数材料体系，这些几何尺寸能够得到可接受的破坏模式，但是，这些几何尺寸并不能确保每一种现有的或未来的材料体系都能试验成功。

表1拉伸试件几何形状要求

参数

要求

试样要求：

形状

恒定的矩形横截面

最小长度

夹持长度+2倍宽度+工作段

试件宽度

所需宽度A

试件宽度公差

宽度的±1%

试件厚度

所需厚度

试件厚度公差

厚度的±4%

试件平面度

用手指轻压感觉为平坦

加强片要求（如果使用）：

加强片材料

所需材料

纤维方向（复合材料加强片）

所需方向

加强片厚度

所需厚度

加强片之间厚度变化范围

加强片厚度的±1%

加强片

加强片斜削角度

5–90°

加强片从斜削面到试件的台阶

光滑且不能损坏试件

A见8.2.2节或表2所推荐的

表2推荐的拉伸试件几何尺寸A

纤维方向

宽度

mm[in.]

总长度

mm[in.]

厚度

mm[in.]

加强片长度

mm[in.]

加强片厚度

mm[in.]

加强片锥面角度，°

单向0°

15[0.5]

250[10.0]

1.0[0.040]

56[2.25]

1.5[0.062]

7或90

单向90°

25[1.0]

175[7.0]

2.0[0.080]

25[1.0]

1.5[0.062]

90

对称均衡

25[1.0]

250[10.0]

2.5[0.100]

金刚砂布

—

—

随机不连续

25[1.0]

250[10.0]

2.5[0.100]

金刚砂布

—

—

A表中的尺寸和图2或图3中的公差仅为推荐使用，只要与表1中要求的相符，也可以改变。

8.2.2.2夹持/加强片的使用——许多材料结构，例如多向层压板、织物增强材料或随机增强的薄片成型混合材料，不使用加强片都能成功地试验。

但是，将单向材料（或一个方向占主导作用的层压板）在纤维方向加载到破坏时，强烈推荐使用加强片。

为了防止出现夹持损伤，单向材料在基体方向上的试验也可能要求使用加强片。

8.2.2.3加强片几何形状——表2给出了典型材料结构的重要尺寸的推荐值。

通过若干试验室的试验，发现对于大多数材料体系，这些几何尺寸能够得到可接受的破坏模式，但是，这些几何尺寸并不能确保每一种现有的或未来的材料体系都能试验成功。

能使试件在工作段内成功地发生拉伸破坏的加强片结构的选择，依赖于试件材料、试样铺层方向和使用的夹头类型。

当小心的使用压力作用的非楔形夹头时，方形90°的加强片得到了成功地使用。

楔形夹头和带有较小倒角（7-10︒）且光滑过渡到试样的加强片也得到了非常成功地使用。

出于对中目的，加强片的厚度必须相同。

8.2.2.4摩擦加强片——试验时，加强片并不总是粘接在试验材料上才能以有效地将载荷传递到试件上。

摩擦加强片，未粘接的加强片通过夹头压力保持在某一位置，以及在加强片和试件之间经常使用砂布或一些别的粗金刚砂，已在某些试验中得到了成功地应用。

在特定情况下，浅锯齿状楔形夹头（见注2）通过在夹头与试件之间的接触面上