测量纤维增强聚合物基复合材料对落锤冲击事件ASTMD 713605损伤阻抗.docx
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测量纤维增强聚合物基复合材料对落锤冲击事件ASTMD713605损伤阻抗
ASTM标准：
D7136/D7136M-05
测量纤维增强聚合物基复合材料对落锤冲击事件的
损伤阻抗的标准试验方法
1范围
1.1 本试验方法覆盖了受到落锤冲击事件多向聚合物基复合材料层压板的损伤阻抗。
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复合材料的形式限于连续纤维增强聚合物基复合材料，8.2条款定义了可接受的试验层压板和厚度范围。
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1.2 用带有半球形冲击头的落锤装置使矩形平板受到面外集中冲击，在试验以前规定落锤的势能，定义为冲击头的质量和下落高度的乘积。
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对在冲击事件时可能要进行的接触力和速度测量，本标准规定了设备和步骤。
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根据试件中得到的损伤尺寸和形式，定量给出损伤阻抗。
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1.3可以采用本试验方法按损伤阻抗筛选材料，或是为随后进行的损伤容限试验将损伤引入试件。
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当受到冲击的试件按试验方法D7137/D7137M进行试验时，通常将整个试验顺序称为冲击后压缩（CAI）方法。
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可以用按试验方法D6264进行的准静态压痕作为由面外力产生损伤和测量损伤阻抗性能的替代方法。
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1.4用本试验方法产生的损伤阻抗性能与几个因素高度相关，包括试件尺寸、铺层方式、冲击头几何尺寸、冲击头质量、冲击力、冲击能量和边界条件。
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这样，试验结果通常不能转换用于其他构型，只对应于试验的几何和物理条件的组合。
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1.5分别用国际（SI）单位和英制单位表示的值都被认为是标准的，在文中用英制单位表示的值放在括号中。
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不同体系表示的值不精确相等，因此每个体系必须独立使用，两种体系的值混合使用会使得与标准不一致。
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1.6本标准没有打算提及，如果存在的话，与使用它有关的所有安全性问题。
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在使用本标准之前建立合适的安全与健康操作方法，确定规章制度的适用性，这是本标准用户自已的责任。
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2参考文件
2.1ASTM标准：
D792用位移测量塑料密度和比重（相对密度）的试验方法
D883与塑料有关的术语
D3171复合材料组分含量的试验方法
D3763用载荷和位移传感器测量塑料高速穿孔性能的试验方法
D3878复合材料术语
D5229/D5229M聚合物基复合材料层压板的吸湿性能及平衡调节试验方法
D5687/5687M 复合材料平板的制备指南以及试样制备工艺指南
D6264测量纤维增强聚合物基复合材料对集中准静态压痕力损伤阻抗的试验方法
D7137/D7137M含损伤聚合物基复合材料板压缩剩余强度性能的试验方法
E4试验机力标定操作规程
E6与力学试验方法有关的术语
E18金属材料洛氏（Rockwell）硬度与洛氏表面硬度试验方法
E122用于计算样本大小以按规定的容限误差估计表征批次或工序的平均值的操作规程
E177在ASTM试验方法中使用术语精度和偏差的操作规程
E456有关质量和统计学的术语
E1309数据库中识别纤维增强聚合物基复合材料的指南
E1471计算机化材料性能数据库中识别纤维、填充物和芯材的指南
2.2军用标准：
MIL-HDBK-17-3F复合材料手册Vol3——聚合物基复合材料的使用、设计和分析
MIL-HDBK-728/1无损试验
MIL-HDBK-731A复合材料的无损试验方法——热象法4
MIL-HDBK-732A复合材料的无损试验方法——声发射法4
MIL-HDBK-733A复合材料的无损试验方法——射线法4
MIL-HDBK-787A复合材料的无损试验方法——超声法4
NASARP1092韧性树脂复合材料的试验方法（修订版），1983.7
3术语
3.1定义¾¾术语D3878定义了有关复合材料的术语。
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术语D883定义了有关塑料的术语。
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术语E6定义了有关力学试验的术语。
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术语E486和操作规程E177定义了有关统计学的术语。
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当各标准所定义的术语之间发生矛盾时，术语D3878应优先于其他标准。
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3.2本标准专用术语定义¾¾如果术语代表一个物理量，它的分析量纲以基本量纲形式紧跟在该术语（或符号）后面予以说明，方括号内所示的基本量纲采用下面的ASTM标准符号表：
质量为[M]，长度为[L]，时间为[T]，热力学温度为[]，无量纲量为[nd]。
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这些符号用于分析量纲仅限于带方括号时，因为不带方括号时它们可能有其他的定义。
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3.2.1压痕深度，d[L]，名词——冲击事件后，由冲击头形成的凹陷残余深度。
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。
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压痕深度应定义为在垂直于试件表面的方向上，从凹痕的最低点到不受压痕影响试件受压表面之间的最大距离。
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3.2.2名义值，名词——只在名义上存在，为便于表示而赋予可测性能的值，可把容限用于名义值来定义该性能可接受的范围。
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3.2.3主材料坐标系，名词——具有与材料固有对称面垂直坐标轴的坐标系。
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3.2.3.1讨论——通常的习惯，至少对笛卡尔坐标轴（123，xyz等），是将坐标系轴选为对称面的法向，使具最高性能法向轴（对弹性性能为具有最大刚度的轴）为1或x，最低性能的轴（如果适用）为3或z。
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由于没有对称性，各向异性材料没有主材料坐标系，而对各向同性材料，任何坐标系都是主材料坐标系。
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在层压复合材料中，主材料坐标系只对单个的正交各向异性层有意义，对层压复合材料有关的术语是“参考坐标系”。
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3.2.4记录的接触力，F[MLT-2]，名词冲击事件时由冲击头施加到试件表面的力，由力传感器记录。
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3.2.5参考坐标系，名词层压复合材料的坐标系，用于定义单层的方位。
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指定参考坐标系的一个轴（通常是笛卡尔坐标系的x轴）为参考轴，赋予一个位置，层压板中每个单层的层主轴与参考轴相关，以定义该单层的层的方位。
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3.2.6撞击头，名词冲击头的一部分或元件，它在冲击事件时与试件最先接触。
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3.3符号：
A试件的横截面积
CE规定的冲击能量与试件厚度之比
CV对给定性能样本母体的变异系数统计量（%）
D损伤直径（见图11）
d压痕深度
E冲击头下落前的势能
E1力~时间曲线在力或斜率出现不连续时吸收的能量
Ea冲击事件期间试件吸收的能量
Ei实际的冲击能量（入射能量）
Emax在记录的最大接触力时吸收的能量
F记录的接触力
F1力~时间曲线在力或斜率出现不连续时记录的接触力
Fmax记录的最大接触力力
g重力加速度
h试件厚度
H冲击头下落高度
l试件长度
m冲击头质量
md用于下落高度计算的冲击头质量
mdlbm用于下落高度计算以标准重力表示的冲击头质量
n按样本母体确定的试件数量
N试验用层压板中的层数
Sn-1对给定性能样本母体的标准偏差统计量
t冲击头下落时间和冲击事件
ti初始接触的时间
tT接触持续时间（冲击事件总的持续时间）
w试件宽度
v冲击头速度
vi在冲击头初始接触时，ti的冲击头速度
W12速度传感器上两个触动开关之间的距离
xi对给定性能样本母体中单个试件的试验结果
对给定性能样本母体的均值或平均值（平均估计值）
δ冲击头位移
4试验方法概述
4.1采用均衡对称层压板进行落锤冲击试验，用带有半球形撞击头的落锤，通过面外集中冲击（垂直于层压板平面）引入损伤。
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用试件中得到的损伤尺寸和形式来对损伤阻抗进行定量描述。
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损伤响应是试验构型的函数，除非采用同样的试验构型、试验状态等，否则不能进行材料的比较。
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4.2为记录冲击速度和施加的接触力~时间历程数据提供了可选用的程序。
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4.3由冲击得到的最需要的损伤状态位于板的中央位置，并离板的边缘足够远，使得边缘和冲击部位的应力状态在损伤形成事件期间不会相互影响。
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5意义与用途
5.1对由面外集中冲击引起的损伤的敏感性是先进复合材料层压板制造的结构在设计时要考虑的主要因素之一。
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有关层压复合材料板损伤阻抗性能的知识对产品研制和选材是很有用的。
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5.2落锤冲击试验可以用于以下目的：
5.2.1用来定量地确定铺层顺序、纤维表面处理、纤维体积含量的变化以及工艺与环境变量对于某种具体复合材料层压板对集中落锤冲击力或能量的损伤阻抗的影响。
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5.2.2对于含不同组分的各种复合材料，定量地比较其对应的损伤阻抗参数值。
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损伤响应参数包括压痕深度、损伤尺寸和厚度方向的位置，F1、Fmax、E1和Emax以及力-时间曲线。
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5.2.3为随后进行的损伤容限试验，如试验方法D7137/D7137M用的试件引入损伤。
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5.3用本试验方法得到的性能，能为得到用类似材料、厚度、铺层顺序等制造的复合材料结构预期的损伤阻抗能力提供指南。
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然而必须要知道，复合材料结构的损伤阻抗与几个因素密切相关，这些因素包括几何尺寸、厚度、刚度、质量、支持条件等，由于这些参数的差别，得到的冲击力/能量和损伤状态之间的关系会有巨大差别。
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例如，用本试验方法得到的性能可能更加反映非加筋实体蒙皮或腹板，而不是连接到骨架上抵抗面外变形的蒙皮的损伤阻抗特性。
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类似地，与远大于试验件的壁板相比，预期试验件的性能类似于具有同样长度与宽度壁板的性能，大壁板趋向于将更大比例的冲击能量转换为弹性变形。
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5.4标准冲击头的几何形状有着钝的半球形撞击头。
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历史上，对标准层压板构型和冲击能量，这种冲击头几何形状在给定外部损伤时，比用较尖锐的撞击头进行同样的冲击产生的内部损伤要大得多。
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5.5标准试验采用相同的、如13.1条规定的用试件厚度归一化的冲击能量。
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某些试验机构可能希望将本试验方法与D7137/D7137M一起使用，来评定含规定损伤状态（如一定的压痕深度、损伤尺寸等）试件的压缩剩余强度。
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在这种情况下，试验机构应用本试验方法对几个试件或一块大板，进行不同冲击能量水平下的多个低速冲击试验，并获得冲击能量和所需损伤参数之间的关系。
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随后的落锤冲击和压缩剩余强度试验可以这样进行，即用通过内插得到产生所需损伤状态的能量对试件进行冲击。
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6影响因素
6.1 受面外落锤冲击层压板试件的响应与很多因素有关，如层压板厚度、单层厚度、铺层顺序、环境条件、几何形状、冲击头质量、撞击头几何尺寸、冲击速度、冲击能量和边界条件。
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从而，除非采用相同的试验构型、试验条件和层压板构型，否则不能对材料进行比较。
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因此在试验结果中要报告与标准试验构型的所有差别。
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6.2材料与试件的制备――差的材料制造操作方法、对纤维准直度缺乏控制以及不适当的试样加工所引起的损伤，是复合材料材料数据高分散性的已知原因。
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试验件板制备方面引起数据分散性的重要因素包括厚度偏差、面外曲率、表面粗糙度和没有保证8.2条规定的尺寸。
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6.3试件几何尺寸和冲击位置——试板的尺寸、形状、厚度和铺层顺序以及冲击部位会严重影响试件的冲击变形和损伤形成行为。
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层压板的正交程度也会对损伤形成有重大影响。
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如果冲击力没有垂直施加到层压板的平面，结果也会受到影响。
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6.4支持夹具特性——支持夹具开口尺寸、材料、夹具弯曲刚度、支持夹具所坐落的表面刚度会对结果有影响。
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夹持的部位、夹持的几何尺寸和夹持力会影响冲击时的试件变形。
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6.5冲击装置特性——冲击装置的刚度、下落时冲击头和导轨间的摩擦、冲击头的几何尺寸和冲击头质量会对结果有影响。
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如果试件支持夹具与冲击装置不对中，会出现误差。
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6.6力的振荡——力~时间历程通常有很多振荡，它可能主要由两个原因引起。
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第一个原因是冲击头的自然频率，常常被称为“冲击头激振”，如果冲击头元件连接不牢固，激振可能会更严重。
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力振荡的第二个原因是被冲试件的弯曲振动，通常在比试件产生振荡更高的频率时产生激振振荡。
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高频激振振荡通常不代表传递到试件上的真实的力，而试件运动引起的振荡是真实施加到试件上的力，所以不应被过滤掉或光滑掉。
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对这两个原因，振荡都是在初始接触和损伤形成时激发的，有关力振荡的进一步定义和例子参见试验方法D3763的附录X1。
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6.7冲击变量——下落高度、冲击速度和冲击能量的差别会影响结果。
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波在试件中的传播和振动、冲击头、冲击装置和冲击事件时的支持夹具也会影响结果。
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6.8无损检测——无损检测（NDI）结果受所用具体方法、NDI方法的固有变化、操作者的经验等的影响。
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6.9由于在较低的力和能量值下可能会产生亚临界基体裂纹和小的分层，力F1和吸收的能量E1并不实际代表损伤的起始。
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当然，F1和E1分别代表了能够检测出试件刚度特性变化的力和能量的初始值。
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6.10压痕深度可能会随时间或不同环境条件而出现“松弛”或减少。
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6.11非层压，3-D纤维增强复合材料可能会通过与层压板不同的机理形成损伤。
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7设备
7.1千分尺和卡尺¾¾为测量试件长度、宽度和厚度，应使用千分尺。
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在非规则的表面，如层压板的真空袋一侧应使用名义直径为4-6mm[0.16-0.25in.]的球形触头，而在机加过的端面或很光滑的贴模面则使用平触头。
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为测量可检的损伤直径，应使用尺寸适当的卡尺。
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量具的精度应保证试件宽度和厚度读数在1%以内。
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对一般的试件几何尺寸，测量厚度时要求量具的精度高于±0.0025mm[±0.0001in.]，而测量长度、宽度和损伤尺寸时要求量具的精度不低于±0.025mm[±0.001in.]。
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注1——如果不打算将试件用于按试验方法D7137/D7137M进行随后的压缩剩余强度试验，对试件长度和宽度的测量可使用卡尺。
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对打算用于进行随后的剩余强度试验的试件，对试件长度和宽度的测量应使用千分尺，以保证对两种试验方法具有一致的测量精度。
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7.2支持夹具¾¾如图1和2所示的冲击支持夹具应使用至少20mm[0.75in.]厚的铝板或钢板，板中的开口应为75±1mm´125±1mm[3.0±0.05in.´5.0±0.05in.]，与试件接触的范围内板的平面度应在0.1mm[0.005in.]以内。
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定位销的放置应使试件与开口对中。
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应使用4个夹子在冲击时对试件进行约束，夹子的夹紧力应不小于1100N[200lb]，夹子的头应为氯丁二烯橡胶，硬度为70-80ShoreA。
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可接受的夹子如CarrLaneCL-350-HTC水平和CL-253-VTC垂直夹子和DE-STA-CO系列217水平和系列202垂直夹子。
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该夹具应用螺栓或夹子固定在刚性基座上，图3和4给出了有代表性的基座设计。
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注2——当用标准的冲击头（在7.3.1条中规定）以标准的能量水平（在11.7.1条中规定）进行冲击时，过去的经验表明，标准试件产生的损伤尺寸小于未支持试件宽度的一半（38mm[1.5in.]）。
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如果预期的损伤面积超出了这个尺寸，推荐考察其他的试件和夹具设计，如NASARP1092，它们的尺寸更大一些，并能容许更大的损伤面积，而与边界支持条件没有明显的相互作用。
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7.3冲击装置¾¾图5和6所示为有代表性的落锤冲击试验装置。
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这种冲击装置最少应包括刚性底座、落锤冲击头、防反弹爪和导向机构。
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防反弹爪通常是一个借助惯性的销子，它允许最初的冲击，然后在第二次下落时抓住冲击头。
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防反弹爪在冲击头进行首次冲击，并与试件脱离接触以前一定不能影响冲击头的运动。
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如果没有这样的防反弹装置，可以通过在冲击后，冲击头离开试件表面反弹后，用一片刚性材料（木头、金属等）插到冲击头和试件之间，来防止二次冲击。
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更复杂的装置可以包括止停和提升机构、限位或吸震器和确定冲击头速度与冲击力的仪器。
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推荐使用速度与力测量仪器来提供更多关于冲击事件的信息，但不要求。
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7.3.1冲击头——冲击头的质量应为5.5±0.25kg[12±0.5lbm]，应带有直径为16±0.1mm[0.625±0.005in.]和硬度为60-62HRC（如试验方法E18所规定）的光滑撞击头。
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如果作为试验的一部分，使用了不同的冲击头，则应注明其形状、尺寸和质量，并作为非标准记录试验结果。
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注3——如果用标准冲击头质量从300mm[12in.]高度下落无法达到所需的冲击能量水平，则应使用带有2.0±0.25kg[4±0.5in.]质量的冲击头来代替。
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7.3.2导向机构——过去使用的导向机构包括使圆柱形的冲击头通过的单一圆筒（图5），以及用于对装在横梁上的冲击头的双立柱导轨（图6）。
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导向机构的高度应满足进行所需冲击能量水平的落锤试验的要求。
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对圆筒形的导向筒，冲击头和筒内径之间的间隔不应超过1mm[0.03in.]。
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导向机构几何尺寸的详图应予注明，无论从哪方面来看，导轨的摩擦都应忽略不计，否则需要测量速度，并应在所测速度基础上计算冲击能量（式4）。
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7.3.3力传感器¾¾如果使用了力传感器，它应与操作规程E4和试验方法D3763一致，并能指示引入试验件的冲击力。
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该装置在预计的冲击速度下应基本上没有惯性滞后，并在感兴趣的范围内，力的指示精度在指示值的1%以内。
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力传感器应这样放置，使得冲击头的质量至少应有95%位于它的上方，力读数的误差随位于测力计上方质量百分数的增加而减少。
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7.3.4速度测量仪——冲击装置可以装速度测量仪来测量冲击前冲击头位于给定点的速度，以便能够计算冲击速度。
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通常这样的系统采用遮蔽光电发射管和检测管之间光束的双触发信号发生器，信号发生器触点之间的距离通常为3.0-10.0mm[0.125-0.400in.]，它们应这样放置，使得速度测量在试件表面上方3-6mm之间完成，然后用光束被每个触点遮挡的时间，以及首次检测到冲击力的时间计算冲击速度，速度测量的精度应在5mm/s[0.20in./s]以内。
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7.4环境箱——当要对材料在非实验室环境下进行预浸润时，需要有可进行温度/蒸气水平控制的环境浸润箱，它应能使所需的温度保持在±3℃[±5℉]以内，所需的相对湿度保持在±3%以内。
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环境箱浸润应进行监控，或采用自动连续监控，或采用人工定期监控。
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7.5环境试验箱——对不同于实验室大气环境的试验环境需要环境试验箱，该环境箱应能在力学试验期间，使试验件保持在所需的试验环境中，试验温度应保持在所需温度的±3℃[±5℉]以内，所需的湿度水平保持在±3%以内。
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7.6数据采集装置¾¾对简单的落锤冲击试验，不需要数据采集装置，如果想要测量力和能量数据，则需要能够对它们进行测量的装置。
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如果使用了这些装置，这样的装置应按照试验方法D3763的附录A1——仪器最低要求来设置，带传感器的冲击头组合件的自然频率应大于6kHz，数模转换器应不小于8-bit，最小的采样速率应为100kHz，数据存储能力不小于1000点。
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7.7压痕深度测量仪¾¾可用度盘式深度表、深度千分尺、三点支持的深度表或用经过适当标定的位移传感器。
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测量探头应带有一个最大曲率半径为8.0mm[0.35in.]的半球形触头。
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对于深度测量，要求量具的精度为±25μm[±0.001in.]。
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7.8天平或秤——要求有对冲击头质量测量精度在±0.5%以内的分析天平或秤。
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8取样与试验件
8.1取样¾¾对每种条件至少试验5个试件，除非利用较少的试件可以得到有效的结果，如对于事先计划好的实验这种情况。
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对于有统计意义的数据，应参考在操作规程E122中所列出的步骤。
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应报告取样的方法。
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8.2几何尺寸
8.2.1铺层顺序¾¾为了对不同材料的落锤冲击损伤阻抗进行比较筛选，标准试件厚度应为4.0-6.0mm[0.16-0.24in.]，目标厚度为5.0mm[0.20in.]，层压板定义如下：
8.2.1.1单向带¾¾层压板结构由适当数量的单向层组成，使得固化后的总厚度尽可能接近5.0mm[0.20in.]，其铺层顺序则为[45/0/-45/90]NS，其中N为整数。
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如果“最接近”的厚度小于4.0mm[0.16in.]，那么应该采用N的后继值即N+1。
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表1中提供了对不同的固化后单层名义厚度推荐的铺层，层压板的铺层应这样定义，使得0°纤维方向与长度方向尺寸相一致。
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表1对不同的固化后单层名义厚度，单向带推荐的铺层
固化后单层名义厚度
层数
铺层
最小值，mm[in.]
最大值，mm[in.]
0.085[0.0035]
0.10[0.004]
48
[45/0/-45/90]6S
0.10[0.004]
0.13[0.005]
40
[45/0/-45/90]5S
0.13[0.005]
0.18[0.007]
32
[45/0/-45/90]4S
0.18[0.007]
0.25[0.010]
24
[45/0/-45/90]3S
0.25[0.010]
0.50[0.020]
16
[45/0/-45/90]2S
0.50[0.020]
0.75[0.030]
8
[45/0/-45/90]S
8.2.1.2 机织物¾¾层压板结构应由适当数量的织物层构成，使固化后的总厚度尽可能最接近于5.0mm[0.20in.]，其铺层顺序则为[（+45/-45）/（0/90）]NS，其中N为整数。
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如果“最接近”的厚度小于4.0mm[0.16in.]，则采用N的后继值N+1。
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记号（+45/-45）和（0/90）表示机织物单层，其经、纬向纤维指向所规定角度。
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含缎纹机织物的层压板应具有对称的经线表面，除非另有规定并在报告中注明。
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表2中提供了对不同的固化后单层名义厚度推荐的铺层，层压板的铺层应这样
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