聚合物基复合材料面内剪切性能标准试验方法D 5379 V形缺口梁 织物Word文档下载推荐.docx

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2.1ASTM标准

D792置换法测量塑料密度和比重（相对密度）试验方法

TestMethodsforDensityandSpecificGravity（RelativeDensity）ofPlasticsbyDisplacement

D883与塑料相关的术语2

TerminologyRelatingtoPlastics

D2584弯曲增强树脂燃烧质量损失试验方法

TestMethodforIgnitionLossofCuredReinforcedResins

D2734增强塑料空隙含量试验方法3

TestMethodforVoidContentofReinforcedPlastics

D3171复合材料组分含量测试方法

TestMethodforConstituentContentofCompositeMaterials

D3878复合材料术语4

TerminologyofCompositeMaterials

D5229/D5229M聚合物基复合材料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与力学试验方法相关的术语5

TerminologyRelatingtoMethodsofMechanicalTesting

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

E177ASTM试验方法中精度和偏差的使用方法6

PracticeforUseoftheTermsPrecisionandBiasinASTMTestMethods

E251粘贴式金属电阻应变片特性试验方法5；

TestMethodsforPerformanceCharacteristicsofMetallicBondedResistanceStrainGages

E456与质量和统计相关的术语6

TerminologyRelatingtoQualityandStatistics

E1237粘贴式电阻应变片安装指南5；

GuideforInstallingBondedResistanceStrainGages

2.2其他文件

ANSIY14.5M-1982

ANSI/ASMEB46.1-19857

2.3ASTM附件

V形缺口梁剪切夹具加工图。

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2——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（或字母符号）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面内剪切——用于描述由于剪切载荷或剪切变形而引起的1-2材料平面内响应的剪切性能（见材料坐标系）。

3.2.2层间剪切——用于描述由于剪切载荷或剪切变形而引起的1-3或2-3材料平面内响应的剪切性能（见材料坐标系）。

3.2.3材料坐标系——如图1所示，采用1，2和3轴来描述材料主材料坐标系的Cartesian坐标系。

3.2.4名义值——仅存在于名称中的一个数值，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。

3.2.5剪切强度——在纯剪切方向发生破坏时，材料所承受的剪切应力。

图1材料坐标系

3.2.5.1讨论——尽管对于特定的材料，有一些试验方法可以近似的达到给定的工程目的，但是，对每一种材料，还没有一种标准的试验方法可以在直到破坏时仍能产生纯剪切应力状态。

3.3符号

3.3.1A——试样的横截面面积。

3.3.2CV——给定性能的样本的离散系数（以百分数表示）。

3.3.3Fsu——试验方向的极限剪切强度。

3.3.4Fu——试验方向的极限强度。

3.3.5

（偏移）——当模量沿着剪切应变轴从原点偏移一个给定的应变偏移量时，剪切弦向弹性模量与应力-应变曲线的交叉点处的剪切应力的值。

3.3.6G——试验方向的弹性剪切模量。

3.3.7h——试样厚度。

3.3.8n——样本的试件数量。

3.3.9P——试样承受的载荷。

3.3.10Pf——试样破坏时承受的载荷。

3.3.11Pmax——试样破坏前承受的最大载荷。

3.3.12sn-1——给定性能的样本的标准差。

3.3.13w——试样宽度。

3.3.14xi——给定性能在一个样本中单个试样的试验结果。

3.3.15

——给定性能在一个样本中的平均值或均值（估计平均值）。

3.3.16γ——剪应变。

3.3.17ε——应变的通用符号，无论是正应变还是剪切应变。

3.3.18ε——应变传感器或引伸计上读出的正应变值。

3.3.19σ——正应力。

3.3.20τ——剪应力。

3.3.21θ——铺层方向角度。

4试验方法概述

4.1带有对称的中心V形缺口的矩形平直条状的材料试样，如图2所示，通过特殊的试验夹具在试验机上加载（如图3所示，更详细的图纸见ASTM附件ADJD5379）。

4.2将试件装入夹具中，通过一个对中工具使试件的缺口与载荷作用线一致。

夹具的两部分通过试验机承受压缩载荷，同时监测载荷。

通过夹具两部分之间产生的相对位移对含缺口试件施加载荷。

在试件沿载荷轴线的中心（远离缺口）处、与加载轴线成±

45︒的方向上布置两个应变片，用以测量材料的剪切响应。

4.3载荷可以理想化的看作非对称的弯曲，其剪力和弯矩图如图4所示。

由于缺口的影响，沿加载方向的剪应变分布比无缺口的情况更为均匀，均匀度是关于材料正交各向异性的一个函数，在1-2平面进行试验时，[0/90]ns类型的层压板可以得到最佳的试验结果。

试件名义几何尺寸

d1=20.0mm（0.75in）d2=4.0mm（0.15in）h=要求的厚度

L=76.0mm（3.0in）r=1.3mm（0.05in）w=12.0mm（0.45in）

图2V形缺口梁试样示意图

图3V形缺口梁试验夹具示意图

注1——尺寸b的值不是关键因素。

图4理想化的载荷、剪力和弯矩图

5意义和用途

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剪切性能数据。

根据材料坐标系与加载方向的对应关系，可以评估材料的面内或层间剪切性能。

影响剪切特性并应该在报告中给出的因素包括：

材料、材料制备和铺贴方法、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。

5.2对于各向异性材料，设定试件试验平面与期望的材料平面之间的方向，可以得到6个可能的剪切平面的剪切性能（1-2或2-1，1-3或3-1，2-3或3-2）。

对于一个给定的试件，只能得到一个剪切平面的性能。

本试验方法可以得到如下的试验方向的性能：

5.2.1剪切应力-剪切应变响应

5.2.1极限强度

5.2.1极限应变

5.1.2剪切弦向弹性模量

5.1.3过渡应变。

6影响因素

6.1材料和试件制备——较差的材料制造方法、纤维准直度失控以及不恰当的试样加工导致的损伤都会对引起复合材料的试验数据高度分散。

6.2材料和粗糙结构——本试验方法的一个基本假设是材料在试验段的尺寸内相对均匀。

如果材料在试验段的尺寸内相对粗糙，例如大支数纤维束（如12000长丝或更大）的织物或特定的编织结构，则不能采用这样的试件尺寸。

应按比例放大试件尺寸，并采用与该材料一致的试验夹具，但不能超出本试验方法的范围。

6.3弹性模量的测量——本试验方法计算时假设两个缺口之间的剪切应力状态是均匀的，而实际的均匀度则随材料的各向异性程度和加载方向而变化。

分析和全场试验应变测量结果显示，在1-2平面试验时，[0]n试件得到的弹性模量结果过高（对碳/环氧，大约高10%），而相同材料的[90]n试件得到的弹性模量值却低大约20%。

对于单向复合材料，[0/90]ns试件可以得到的面内剪切模量测量值最精确。

6.4载荷离心率——加载过程中，试件可能发生扭转，从而对强度结果，特别是对弹性模量的测量值产生影响。

夹具的面外超差，或试件太薄（失稳）、不正确地安装、由于试件制备质量差而导致的面外超差，或者材料的结构形式对扭转具有特别低的容限等因素都有可能产生扭转。

因此，对于每一个样本，推荐至少对一个试件背对背粘贴应变花，用以对扭转程度进行评估。

将每一侧的剪切模量，Ga和Gb带入到公式|（Ga-Gb）/（Ga+Gb）|⨯100中，计算0.004的绝对应变水平下试件的扭转百分比，如果扭转量大于3%，则应该确定试件扭转的影响，如果可能，应对扭转进行修正。

如果找不到原因或无法修正，而且扭转仍然存在，则应该采用背对背应变花的平均响应结果来计算剪切模量的测量值。

注3——扭转是由于微小公差偏差的结果而导致的，可以在夹具和试件承载表面使用一个薄的相容界面来消除，例如一个塑料背衬的胶带。

6.5试件几何形状的改进——V形缺口试件的细节应力分析说明，调整缺口的几何尺寸（缺口角度、深度和半径）可以使剪应力分布的非均匀性最小化，剪应力分布的非均匀性是由于材料的正交各向异性而引起的。

缺口几何尺寸与材料正交各向异性程度的关系正在研究中。

因此，在过渡时期，为了使本试验方法的复杂程度最小化，采用了一个简单的标准几何尺寸。

但是，对于一个特定的材料，为了试件优化的目的，对缺口角度、深度和半径的改变也是可接受的，并应在报告中注明尺寸的变化。

6.6破坏的确定

6.6.1[0]n材料——[0]n试件进行1-2平面的试验时，在缺口根部会出现一个典型的目视可见裂纹，从而导致在最终破坏前产生一个小的载荷降低。

伴随着缺口根部裂纹的载荷的降低不能作为破坏载荷，而应该以伴随着试验段破坏的载荷值作为破坏载荷。

6.6.2[90]n材料——[0]n试件进行1-1平面的试验时，极限破坏载荷明确定义为载荷-位移曲线上的最大载荷值。

6.6.3[0/90]ns，SMC，增韧材料——对于[0/90]ns、SMC或增韧材料，剪切破坏载荷可能低于试验过程中出现的最大载荷。

在这些材料中，剪切破坏发生后，纤维可能改变方向，从而使纤维可以承受大部分的载荷。

纤维的方向改变最可能出现于韧性基体的复合材料或含有偏轴层的层压板中，而韧性基体复合材料具有明显的非线性剪切特性。

对于这些情况，剪切破坏载荷可以通过与载荷降低相对应的试验段的目视观测的破坏，或者通过载荷-位移曲线上斜率的明显改变来确定，如图5所示。

此外，某些增韧材料的变形太大，以至于试件不发生剪切破坏，而最终出现多模式破坏形式。

因此，为了避免记录不能代表剪切强度的试验结果，本试验方法记录数据的上限是5%的剪切应变。

图5V形缺口梁典型的载荷-位移曲线

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。

用一个带有平坦接触面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±

2.5µ

m[±

0.0001in.]的仪器便能满足对试件厚度的测量；

精度为±

25µ

0.001in.]的仪器便能满足对试件宽度的测量。

7.2角度测量装置——用于测量试件的缺口角度，其精度达到±

0.5︒。

7.3半径测量装置——用于测量试件的缺口半径，其精度达到±

0.001in.]。

7.4试验机——试验机应与操作规程E4相一致，并满足以下要求：

7.4.1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。

7.4.2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。

7.4.3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4——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。

7.4.4平台/适配器——试验机的一个端头应能连接适配器型缺口梁试验夹具（见7.4.5）的下部分，另一个端头应能连接夹具的上部分，要求使用平台或适配器。

如果需要，其中的一个接触面应具有消除两个端头之间的不对中，如一个半球形的球绞。

7.4.5夹具——使用的夹具为如图3所示的一个四点非对称弯曲夹具，更详细的图纸见ASTM附件ADJD5379。

夹具的每一半均含有一个楔形夹块，用以在试件的宽度方向对试件的一半进行轻微的夹持，并对试件的背面进行支持。

其中一个夹块，通常是下部分，固定在底座上，并通过一个线性轴承杆来支撑；

而另一个夹块，通常是上部分，则包含一个线性轴承，以用于固定底座上的轴承杆。

每一个元件分别通过试验机的端头进行连接或支撑。

对夹具两部分之间13mm[0.5in]的跨距部分不进行支持。

采用对中工具以确保试件的缺口与夹具的载荷作用线对中。

7.5应变指示装置——采用粘贴式电阻应变片测量应变。

要求至少使用两个应变片，在试件工作段加载轴线的中心，如图6所示，并与加载轴线成+45︒和-45︒方向安装。

如果试件发生扭转，则应同时试件两个表面的应变，并对试件出现的任何扭转现象进行修正，如第6节的讨论。

单独测量每一对应变片的输出结果，并在后续的试验中对输出结果求和；

或者将每一对应变片的导线构成半桥（电路），因此，记录的应变值即等于每一个应变片剪切应变响应的绝对值之和。

7.5.1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，尽管更大尺寸的应变片可能更适合于某些机织物。

应变片的长度不能太大，而超出剪应变相对均匀的区域。

应变片的标定应遵循试验方法E251。

推荐采用最小名义应变范围大约为3%（6%剪应变）的应变花。

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。

7.5.1.1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。

7.5.1.2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。

7.5.1.3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。

7.5.1.4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。

7.4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℃[±

5℉]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。

注1——两个直角应变片的单元位于缺口根部的中心，该单元可以是一个整体，也可以由单独的应变片构成应变花。

图6应变片位置

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5——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——特殊的试样为带有对称中心V形缺口的矩形平直条状试样，8.2.1节给出了强制性的要求，对于未做规定的参数的建议在8.2.1节中进行了讨论。

8.2.1试验要求

8.2.1.1形状、尺寸、公差和结构形式——要求的试件形状、尺寸和公差如图7（SI制）和图8（英制）所示。

如果需要，可以对90︒的标准缺口角度、20%的缺口深度和1.3mm[0.5in]的缺口半径进行调整，以满足特定材料的要求，但是，在试验结果中必须注明对这些值的任何改变，并且这些尺寸也应采用标准公差。

如第6节和14.1节的讨论，在1-2平面进行层压材料的试验时，[0/90]ns试件能提供更为精确的模量测量值，并且强度结果的偏差较小，因此，通常优先于[0]n和[90]n试件。

8.2.2特别推荐

8.2.2.1试件/加强片厚度——试件厚度和加强片厚度所要求的范围很广，在特殊情况下允许使用者有较大的灵活性。

但是，如果可能，试件的厚度应保持在3~4mm[0.120~0.160in]之间。

典型的加强片厚度为1.5mm[0.062in]。

8.2.2.2夹持/加强片的使用——很多的材料结构形式，如[0/90]ns层压板、织物基材料或者随机增强的薄片模压混合材料，不采用加强片即可成功地进行试验。

但是，当材料的厚度小于2.5mm[0.100in]时，则推荐使用加强片。

在远离试验段的试件两个表面局部粘贴加强片，通过局部增加夹持区的厚度，如图7和图8所示，可以增加试件的强度和稳定性，这样，可以使得夹具夹持区引起的层压板的压碎破坏最小化，并降低夹具中试件的扭转概率。

（1）加强片材料——最常用的粘接式加强片的材料是连续E玻璃纤维增强的聚合物基材料（机织物或无纬布），其结构形式为[0/90]ns层压板。

（2）加强片胶粘剂——试验中将加强片与材料粘贴时，任何符合环境要求的高伸长率（韧性）胶粘剂均可采用。

最小厚度的均匀胶层是希望得到的。

图注：

图7的标注与ANSIY14.5M-1982一致，并遵循下列条件：

（1）以mm为单位的所有带小数的尺寸的公差如下：

无小数

⨯

⨯⨯

±

3

1

0.3

（2）所有角度的公差为：

.5°

；

（3）铺层方向公差为：

相对于基准面-A-（或-B-）±

0.5°

（4）机械加工边缘的光洁度不能超过1.6√，缺口的光洁度不能超过0.8√（符号与ASAB46.1一致，粗糙度以μm为单位）；

（5）下面提供的值，适用于图7所示的所有范围：

材料、铺层、相对于-A-的铺层方向、试样厚度、加强片材料、加强片厚度、加强片长度、加强片胶粘剂。

图7V形缺口梁试件图（SI制）

图8的标注与ANSIY14.5M-1982一致，并遵循下列条件：

.⨯⨯⨯

0.1

0.03

0.010

（4）机械加工边缘的光洁度不能超过64√，缺口的光洁度不能超过32√（符号与ASAB46.1一致，粗糙度以μm为单位）；

（5）下面提供的值，适用于图8所示的所有范围：

材料、铺层、相对于-A-的铺层方向、试样厚度、加强片材料、加强片厚度