ASTM D 6264-98(04)(损伤阻抗）

1 ASTM标准 标准 D 6264 98 04 测量纤维增强聚合物基复合材料对集中准静态压痕力的测量纤维增强聚合物基复合材料对集中准静态压痕力的 损伤阻抗的标准试验方法损伤阻抗的标准试验方法1 1 范围范围 1 1 准静态压痕 QSI 试验方法用于定量地测量连续纤维增强复合材料对集中压痕力的损伤阻抗 见 图1 作用于试件的压痕力是通过缓慢地把半球形压头压在 试件表面上来施加的 分别规定了确定简支试样和刚性背衬 试样损伤阻抗的试验方法 损伤阻抗是按临界接触力来定量 确定的 这一临界接触力与使试样产生特定尺寸和类型的损 伤的某一独立事件或一系列事件有关 这些试验可以用于根 据冲击阻抗来筛选材料 或用于为随后进行损伤容限试验的 试件引入损伤 本试验方法仅限用于由单向纤维铺层或织物 铺层构成的复合材料 本试验方法也可能适用于其他形式和类型的复合材料 不过已经注意到了某 些影响因素 见6 7节 1 2 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 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 1 3 以国际单位 SI 给出的数据被视为标准 括号中所给出的值仅用于参考 2 参考文件参考文件 2 1 ASTM标准 D 883 与塑料有关的术语2 D 2734 增强塑料孔隙含量的试验方法3 D 3171 用基体煮解法测定树脂基复合材料纤维含量的操作规程4 D 3878 高模量增强纤维及其复合材料的术语4 D 5229 D5229M 聚合物基复合材料的吸湿性能及平衡调节试验方法4 D 5687 5687M 平复合材料壁板的制备指南以及试样制备工艺指南4 E 4 试验机力标定操作规程5 E 6 与力学试验方法有关的术语5 1 本标准由ASTM复合材料委员会D 30审定 并由结构试验方法专业委员会D30 05直接负责 现行版本于1998年6月10日批准 1998年7月 发布 2 ASTM标准年鉴 Vol 08 01 3 ASTM标准年鉴 Vol 08 02 4 ASTM标准年鉴 Vol 15 03 5 ASTM标准年鉴 Vol 03 01 试件 F 压头 支持夹具 图1 准静态压痕试验 2 E 18 金属材料洛氏 Rockwell 硬度与洛氏表面硬度试验方法6 E 122 用以选择样本大小以估计批次或工序质量测度的操作规程6 3 术语术语 3 1 定义 术语D 3878定义了与高模量纤维及其复合材料有关的术语 术语D 883定义了关于塑 料的术语 术语E 6定义了与力学试验有关的术语 当各标准所定义的术语之间发生矛盾时 术语D 3878应优先于其他标准 3 2 本标准专用术语定义 本试验方法中所定义的术语也许与通用术语相矛盾 然而 对于如 何使用这些术语尚未形成统一的意见 下述说明仅供本试验方法之用 注1 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 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 3 2 1 接触力 F MLT 2 n 由压头垂直施加到试件表面的总力 3 2 2 损伤 n 存在于结构或结构材料之中 由制造或服役所引起的在材料或结构中结构异常 3 2 3 损伤阻抗 n 在结构和结构材料之中 与某一事件或一系列事件相关的力 能量 或其 他参数和所产生损伤尺寸及类型之间关系的一个度量 3 2 4 压痕深度 d L n 压头卸载后所形成的凹陷残余深度 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 3 2 5 F1力 F1 MLT 2 n 在力 压头位移曲线上力或斜率不连续点所对应的接触力 3 2 6 压头位移 L n 压头相对于试件支持的位移 3 2 7 最大力 Fmax MLT 2 n 层压板能够承受的最大接触力 它可从F 曲线上获得 当曲线 达到Fmax点之后 接触力不再随压头位移的增大而增大 3 3 符号 d压痕深度 见3 2 4节 F接触力 见3 2 1节 F1F1力 见3 2 5节 Fmax最大力 见3 2 7节 N层压板铺层顺序中的层组数目 压头位移 见3 2 6节 4 试验方法概述试验方法概述 4 1 准静态压痕 QSI 试验用于测量均匀厚度的层压复合材料试件的损伤阻抗 通过把位移控制的 半球形压头压入试件表面来缓慢地施加压痕力 增加位移直至达到所需的损伤状态 对于简支试件 和刚性背衬试件分别规定了确定损伤阻抗的试验过程 损伤响应与试验方式有关 4 2 施加的接触力与压头位移之间的关系 F 曲线 既可用X Y记录仪来记录 也可用等效的实时绘 6 ASTM标准年鉴 Vol 14 02 3 图仪来记录 或用数字方式存储再进行后置处理 5 意义与用途意义与用途 5 1 对集中压痕力所引起的损伤的敏感性是很多由先进层压复合材料制成的结构的主要弱点之一 了解层压复合材料遭受集中压痕力时的损伤阻抗 对于产品研制及材料选择是十分有用的 5 2 QSI试验方法可以用于以下目的 5 2 1 用来定量地确定铺层顺序 纤维表面处理 纤维体积含量的改变以及工艺与环境变量对某种 具体复合材料层压板对于集中准静态压痕力损伤阻抗的影响 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 损伤响应参数包括 d F1 Fmax和F 曲线 5 2 3 为将要进行损伤容限试验的试件预制大小受控的损伤 5 2 4 分离并测量试件无弯曲 刚性背衬试验方式 的压痕响应 6 影响因素影响因素 6 1 QSI试验可以模拟很多受边界条件影响的冲击试验的力 位移关系 1 7 这些冲击试验通常是质 量较大 速度较低硬物对无支持区较小平板的冲击 本试验方法不涉及试件之中波的传播与振动 与时间有关的材料特性或惯性控制的冲击事件 6 2 试件的损伤响应取决了诸多因素 包括压头几何形状及试件支持条件 从而 除非采用相同 的试验方式 相同的试验条件以及相同的层压板 否则 不同的材料之间不能进行相互比较 因此 在试验结果中应该给出一切与标准试验方式的不同之处 6 3 力F1不表明损伤的起始 但通常代表了压头位移何时会受到大范围损伤形成的影响 一般来 说 在力达到这一值之前 基体裂纹和小的分层已经产生 6 4 压痕深度可能随时间或因曝露在不同的环境条件中而 松驰 或减小 6 5 对分层扩展的论述与解释超出了本试验方法的范围 6 6 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 6 7 对其他材料 铺层和织构的应用 6 7 1 QSI试验已经主要用于试验含聚合物基碳纤维增强单向带和织物层压板 对于其他材料 可 能出现颇为不同的响应 6 7 2 非层压三维纤维增强的或纺织复合材料可能依照与层压板不同的破坏机理而发生破坏 最主 要的破坏模式也许是基体开裂或纤维断裂 也许两者都有 但不是分层 7 设备设备 7 1 试验机 试验机应与操作规程E 4相一致 并满足以下要求 7 1 1 试验机头 试验机应有一个完全固定的端头和一个可移动端头 7 1 2 驱动机构 试验机驱动机构应该能使可移动端头相对于固定端头的速度可控 可移动端头 的速度应该如11 6节中所规定的那样可调 7 1 3 载荷指示器 试验机的载荷传感装置应能指示试件所承受的总载荷 这一装置应在规定的 4 试验速率下无惯性迟滞 指示的载荷精度在测量范围内不得超过 1 7 1 4 夹头 试验机的上端头应带有一个夹头来夹持压头 以使施加到试件上的载荷方向与其行 程保持一致 夹头应施加足够的夹持力以防压头打滑 下夹头应有连接平面刚性支持的手段 7 2 平面刚性支持 下夹头应带有一个刚性平面 用它来支持试件或放置试验夹具 刚性支持 的表面应垂直于试验机端头的行程轴线 且应有足够大的表面来完全支持试件或试验夹具 提供这 一表面的便捷方法是利用一个 T 形的金属零件 T 形零件的下部夹持在试验机的下夹头中 而该零件的上部提供了一个支持表面 如果采用刚性背衬试验方式 这个支持必须用钢制造 其厚 度至少为12 7mm 0 5in 7 3 压头 压头应具有一个光滑的半球形端头 其直径为12 7 0 1mm 0 500 0 003in 按试验方 法E 18的规定 压头的硬度为60 62HRC 如果在试验中采用了其他不同的压头 则应记录压头的 形状及尺寸 7 4 压头位移指示器 只要试验机和支持夹具的变形小于横梁行程的2 压头相对于支持夹具 的轴向位移就可认为是横梁的行程 否则 应从安放在压头与支持夹具或刚性支持面之间 经适当 标定过的引伸计或传感器得到压头位移 位移指示仪的精度应为试件厚度的 1 7 5 载荷 压头位移 F 记录 在试验中应该用X Y绘图仪或类似的仪器对载荷 压头位移的关系 作永久性记录 或者数据以数字形式存储 再进行后置处理 7 6 试件支持 简支的或刚性背衬的试件都可确定损伤阻抗 对于这两种试验方式 试件的表 面都应保持与压头的轴相垂直 7 6 1 简支方式 这种试验方式的夹具由单独 的一块平板构成 它具有一个直径为127 0 2 5 mm 5 00 0 10 in 的开孔 用结构金属 如铝和钢 制成 开孔的上边缘应倒成半径为0 75 0 25 mm 0 03 0 01 in 的圆角 板应该具有足够大的 尺寸以支持除圆形开孔处之外的整个试件的下表 面 板的厚度至少为25 mm 1 0 in 它必须大于 预计的压头最大位移 典型的支持夹具如图2所 示 7 6 2 刚性背衬方式 试件应直接放置在装在 试验机下端头的平面刚性支持之上 对于这种方式 平面刚性支持必须用钢制成 其厚度至少为 12 7 mm 0 5 in 7 7 千分表 千分表应该用一个大小适宜的球形触头顶到象层压板的真空袋侧的粗糙表面上 并用一个平的砧面贴合到机械加工过的或非常光滑的层压板模具一侧表面上 这种量具读数的误差 应该在试样宽度和厚度的1 之内 对于一般的试件几何尺寸 测量厚度时要求量具的精度为 2 5 m 0 0001 in 而测量宽度时则要求量具精度为 25 m 0 001 in 7 8 压痕深度测量仪器 可用度盘式深度表 深度千分尺 或用经过适当标定的位移传感器 测量探头应带有一个直径在1 5 5 0 mm 0 06 0 20 in 之间的半球形头 对于深度测量 要求量具 的精度为 25 m 0 001 in 图2 简支方式的典型夹具 200 2 5mm 200 2 5m m 100 2 5m m 40 2 5m m 127 0 2 5m m 5 8 取样与试件取样与试件 8 1 取样 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 对于有统计意义的数据 应参考在操作规程E 122中所列出的步骤 必 须报告取样的方法 8 2 试件铺层 层压板应平整 其厚度应均匀 8 2 1 为了对不同材料损伤阻抗进行对比与筛选 建议采用下列层压板 厚度为3 5 5 0 mm 0 14 0 20 in 且目标厚度为4 2 mm 0 27 in 的准各向同性铺层试件应按下文所述得到 8 2 1 1 单向带 层压板结构由适当数量的单向铺层组成 使得固化后的总厚度尽可能接近4 2 mm 0 17 in 其铺层顺序则为 45 0 45 90 NS 其中N为整数 如果 最接近 的厚度小于3 5 mm 0 14in 那么应该采用N的后继值即N 1 对于一般145级的单向带 应该采用 45 0 45 90 4S的 铺层形式加工成32层试件 8 2 1 2 机织物 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4 2 mm 0 17in 其铺层顺序则为 45 45 0 90 NS 其中N为整数 如果 最接近 的厚度小于3 5 mm 0 14 in 则采用N的后继值N 1 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 如果采用缎纹布 则应对每个单层的正反面作出选择 使得布上每一面的主要丝束方 向与所规定的铺层顺序相对应 8 3 试件尺寸 试件应该为边长152 0 1 0 mm 6 00 0 05 in 的等厚度正方形 任何试件的厚度变 化不得超过0 1 mm 8 4 试件制备 板的制造与机械加工应遵循指南D 5687 D 5687M 给每个试件贴上标签 使之 能与其他试件相辨别 并能追溯出原材料 所贴的标签要既不受试验的影响 又不会影响试验的方 式 8 5 空隙含量与纤维体积含量 建议报告中给出空隙含量与纤维体积 空隙含量可以用试验方 法D 2734中的公式来确定 按照操作规程D 3171 用基体蒸煮法来确定纤维体积含量 9 标定标定 9 1 应该按照设备使用时所实行的标定方法 对全部测量设备的精度进行标定并持有标定证书 10 状态调节状态调节 10 1 标准的状态调节方法 除非规定了其他的状态调节方法作为试验的一部分 否则应按试验 方法D 5229 D 5229M之中的方法C来调节试件的状态 应在标准实验室环境 23 3 C 73 5 F 50 10 相对湿度 中保存试件和进行试验 对于非标准的状态调节方法和非标准的试验环境应在报 告中说明 10 2 烘干 如果想得到层压板在烘干条件下的损伤阻抗 应采用试验方法D 5229 D 5229M之中 的方法D 11 试验步骤试验步骤 11 1 简支或刚性背衬试验方式二者择其一 把相应的夹具安装到试验机上 对于两种试验方式 6 下列操作步骤是一致的 任何与本试验方法不同之处 无论是故意的还是无意的 都应在报告中说 明 11 2 如果需要在报告中说明纤维体积和孔隙含量 应从要进行试验的同一块板上截取所需的试样 11 3 把压头安装到试验机上 使试件与压头之间的相对位移垂直于试件表面 11 4 对每个试件 沿试件边缘选若干点 用千分尺 见7 7节 测量它们的厚度 测量值精确到0 05 mm 0 002 in 试件沿长度的厚度变化不得超过0 1 mm 0 004 in 记录厚度测量的平均值 11 5 给试件表面的中心点作上记号 对于简支试验方式 把试件放在支持夹具上 确保试件的中 心与夹具开孔中心及压头中心线成一直线 对于刚性背衬试验方式 把试件直接放在刚性平面支持 上 使压头中心线对准试件中心 压头中心线与试件中心点及支持夹具中心点之间的距离应不超过 1 0 mm 0 04 in 如果将对同一试件进行多次加载 应在夹具上作出对准点标记 使得能够保持原 始的对准状态 11 6 以恒定的横梁 或伺服液压活塞杆 移动速率 在位移控制状态下对试件施加载荷 选择合适 的位移速率 使接触力在1 10 min 内达到最大值 用X Y曲线记录仪或其他合适的记录装置记录载 荷 位移曲线 11 7 随载荷增加 压头将压入试件 形成局部压陷 而对于简支试验方式 还会发生挠曲 观察 损伤特征 图3和图4分别为简支式和刚性背衬式试验F 曲线的典型例子 11 8 当达到某个所需的重要指标 如Fmax 预定的接触力 或预定的损伤状态时 试件卸载并关 机 整个试验过程 包括卸载期间的载荷 位移关系都应该记录下来 卸载速率应与加载速率相同 11 9 压痕深度 d 与接触力有关 但它无法从受载的试件上获得 因此为了测量压痕深度 必须先 卸去试件的载荷 例如 要得到接触力F 时的压痕深度d 需先把试件加载到F F 0 然后卸载到 F 0 测量得到d F 根据对准标记再把试件放到夹具的中心位置 然后对试件加载到下一个更高 的载荷 F F F 3 2 4节中所定义的压痕深度应该用7 8节中所规定的压痕深度测量仪来测量 应在试件卸载后立即测量其压痕深度 如果测出的是相对于某个固定点的距离 那么压痕深度应是 压痕最低点与板表面之间的差 到试件表面所在平面的距离应该为四个测量点的平均值 这些测量 点与压入点的连线相隔90 并且离压入点至少25 mm 以保证离压痕有足够的距离 从而使测量值 不受压痕影响 如果直接用深度计来测量压痕深度 那么深度应该是深度计前后转动90 所测得的 0 2 4 6 8 10 024681012 压头位移 mm 接触力F kN 0 5 10 15 20 25 00 20 40 60 81 压头位移 mm 接触力F kN 图3 简支试验方式的典型F 响应 图4 刚性背衬试验方式的典型F 响应 7 两个测量值的平均值 深度计的基座应至少为50 mm 使它能大到足以覆盖压痕的影响区 压痕深 度的测量值应精确到0 01 mm 0 001 in 12 报告报告 12 1 报告要尽最大可能给出下列信息或含有这些信息的参考文献 对超出特定试验室范围的事项 如关于材料的详细情况或板加工参数 给出有关报告则是委托方的责任 12 1 1 本试验方法的新版本级别及发布日期 12 1 2 试验时间与地点 12 1 3 试验人员姓名 12 1 4 任何与本试验方法不同之处 试验期间所发现的异常情况 以及试验期间所出现的设备问 题 12 1 5 所试材料的详细情况 包括 材料规范 材料类型 材料牌号 制造厂家 制造厂家的批 号或炉号 来源 如果不是由制造厂家提供 检验日期 有效期限 单丝直径 纤维束或纱支数与 捻度 上胶 成型或机织 纤维面积重量 基体类型 预浸料基体含量以及预浸料挥发物含量 12 1 6 层压板制造步骤的描述 包括制造开始时间 制造结束时间 工艺规范 固化周期 压实 方法及对所用设备的描述 12 1 7 层压板铺层顺序 12 1 8 如果对纤维体积含量及空隙含量进行了测量 则给出结果 其中应包括确定纤维体积含量 及孔隙率所用的方法 12 1 9 材料的单层平均厚度 12 1 10 所有无损评估试验的结果 12 1 11 试件制备方法 包括试件标签式样和取样方法 12 1 12 所有测量仪器与试验设备的标定日期和方法 12 1 13 试验机型号以及数据采样速率与设备型号 12 1 14 每个试件的尺寸 包括每个试件的平均名义厚度以及沿试件边缘最大的厚度偏差 12 1 15 状态调节参数及结果 如果所采用的状态调节过程不同于本试验方法所规定的 也应在报 告中给出 12 1 16 试验室的相对湿度与温度 12 1 17 试验速率 12 1 18 如果使用了位移传感器 给出其布置方式及型号 12 1 19 试验结果 12 1 19 1 接触力 压头位移 F 曲线 12 1 19 2 F1 Fmax与d 如果对这些参数进行了测量 对于压痕深度 d 测量值 在报告中应以接 触力的函数形式给出 12 1 19 3 给出所试试件的数量和每一测量值 所有测量值的平均值 标准差和离散系数 标准差除 以平均值 12 1 19 4 对每个试件损伤特征的所有观察结果 8 13 精度与偏差精度与偏差 13 1 精度 本试验方法没有为编制精度陈述所需的数据 13 2 偏差 本试验方法不能确定偏差 因为没有可接受的参考标准 14 关键词关键词 14 1 复合材料 损伤阻抗 分层 凹坑 冲击 准静态压痕 参考文献参考文献 1 Buinell R B Nuismer R J and Koury J L Response of Composite Plates to Quasi Static Impact Events Composite Materials Fatigue and Fracture Third Volume ASTM STP 1110 T K O Brien Ed American Society for Testing and Materials Philadelphia 1991 pp 528 549 2 Elber W Failure Mechanics in Low Velocity Impacts on Thin Composite Plates NASA TP 2152 May 19