ASTM D 7136-05（损伤阻抗）

1 ASTM标准 标准 D 7136 D7136M 05 测量纤维增强聚合物基复合材料对落锤冲击事件的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损伤阻抗的标准试验方法1 1 范围范围 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 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 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 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 根据试件中得到的损伤尺寸和形式 定量给出损伤阻抗 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 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 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 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 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 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 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 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 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 2 参考文件参考文件 2 1 ASTM标准 2 D 792 用位移测量塑料密度和比重 相对密度 的试验方法 D 883 与塑料有关的术语 D 3171 复合材料组分含量的试验方法 D 3763 用载荷和位移传感器测量塑料高速穿孔性能的试验方法 D 3878 复合材料术语 D 5229 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 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2005年4月1日批准 2005年4月发 布 2 为参见ASTM标准 请访问ASTM网站 www astm org 或与ASTM服务部 service astm org 联系 关于ASTM标准年度汇编 参见ASTM 网站的Document Summary Page 2 D 5687 5687M 复合材料平板的制备指南以及试样制备工艺指南 D 6264 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 D 7137 D 7137M 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 E 4 试验机力标定操作规程 E 6 与力学试验方法有关的术语 E 18 金属材料洛氏 Rockwell 硬度与洛氏表面硬度试验方法 E 122 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 E 177 在ASTM试验方法中使用术语精度和偏差的操作规程 E 456 有关质量和统计学的术语 E 1309 数据库中识别纤维增强聚合物基复合材料的指南 E 1471 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 Vol 3 聚合物基复合材料的使用 设计和分析3 MIL HDBK 728 1 无损试验4 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 NASA RP 1092 韧性树脂复合材料的试验方法 修订版 1983 75 3术语术语 3 1 定义 术语D 3878定义了有关复合材料的术语 术语D 883定义了有关塑料的术语 术语E 6 定义了有关力学试验的术语 术语E 486和操作规程E 177 定义了有关统计学的术语 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 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 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 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 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 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 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 3 可由美国陆军研究实验室材料部 Aberdeen Proving Ground MD 210001得到 4 可由美国陆军材料技术实验室 Watertown MA 02471得到 5 可由NASA Langly研究中心 Hampton VA23681 2199 得到 3 为3或z 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 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 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 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 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 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 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 4 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 x 冲击头位移 4 试验方法概述试验方法概述 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 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 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 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 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 5 意义与用途意义与用途 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 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 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 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 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 5 2 3 为随后进行的损伤容限试验 如试验方法D 7137 D 7137M用的试件引入损伤 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 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 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 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 5 4 标准冲击头的几何形状有着钝的半球形撞击头 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 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 某些试验机构可能希望 将本试验方法与D 7137 D 7137M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 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 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 5 冲击 6 影响因素影响因素 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 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 因此在试验结果中要 报告与标准试验构型的所有差别 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 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 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 层压板的正交程度也会对损伤形成有重大影响 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 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 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 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 如果试件支持夹具与冲击装置不对中 会出现误差 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 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 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 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 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D 3763的附录X1 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 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 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 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 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 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 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 7 设备设备 7 1 千分尺和卡尺 为测量试件长度 宽度和厚度 应使用千分尺 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 25 in 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 为测量可检的损伤直径 应使用尺寸适当的卡尺 量具的精度应保证试件宽 度和厚度读数在1 以内 对一般的试件几何尺寸 测量厚度时要求量具的精度高于 6 0 0025mm 0 0001 in 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 0 001 in 注1 如果不打算将试件用于按试验方法D 7137 D 7137M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 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 7 2 支持夹具 如图1和2所示的冲击支持夹具应使用至少20 mm 0 75 in 厚的铝板或钢板 板中 的开口应为75 1 mm 125 1 mm 3 0 0 05 in 5 0 0 05 in 与试件接触的范围内板的平面度应在0 1 mm 0 005 in 以内 定位销的放置应使试件与开口对中 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 200 lb 夹子的头应为氯丁二烯橡胶 硬度为70 80 Shore A 可接受 的夹子如Carr Lane CL 350 HTC水平和CL 253 VTC垂直夹子6和DE STA CO系列217水平和系列202 垂直夹子7 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 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 5 in 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NASA RP 1092 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 7 3 冲击装置 图5和6所示为有代表性的落锤冲击试验装置 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 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 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 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 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 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 7 3 1 冲击头 冲击头的质量应为5 5 0 25 kg 12 0 5 lbm 应带有直径为16 0 1mm 0 625 0 005 in 和硬度为60 62HRC 如试验方法E 18所规定 的光滑撞击头 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 注3 如果用标准冲击头质量从300 mm 12 in 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 25 kg 4 0 5 in 质量的冲击头来代替 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 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 对圆筒形的导向筒 冲击头和筒内径之间的间隔不应超过1 mm 0 03 in 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 7 3 3 力传感器 如果使用了力传感器 它应与操作规程E 4和试验方法D 3763一致 并能指示 引入试验件的冲击力 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 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 6 该装置的惟一供应商是Carr Lane Manufacturing Co 4200 Carr Lane Ct P O Box 191970 St Louis MO 83719 7970 USA 如果你知道其他 的供应商 请把有关信息提供给ASTM International Headquarters 你的意见将在你可以参加的相应技术委员会1会议上得到认真的考虑 7 该装置的惟一供应商是DE STA CO Industries 31791 Sherman Drive Madison Heights MI 48971 P O Box 2800 Troy MI 48007 2800 如果 你知道其他的供应商 请把有关信息提供给ASTM International Headquarters 你的意见将在你可以参加的相应技术委员会1会议上得到认真 的考虑 7 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 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8 信号发生器触点之间的距离通常为3 0 10 0 mm 0 125 0 400 in 它们应这样放置 使得速度测量在 试件表面上方3 6 mm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5 mm s 0 20 in s 以内 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 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 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 7 6 数据采集装置 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 如果使用了这些装置 这样的装置应按照试验方法D 3763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6 kHz 数模转换器应 不小于8 bit 最小的采样速率应为100 kHz 数据存储能力不小于1000点 7 7 压痕深度测量仪 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 测量探头应带有一个最大曲率半径为8 0 mm 0 35 in 的半球形触头 对于深度测量 要求量具的精度为 25 m 0 001 in 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 8 取样与试验件取样与试验件 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 应 报告取样的方法 8 2 几何尺寸 8 2 1 铺层顺序 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 0 mm 0 16 0 24 in 目标厚度为5 0 mm 0 20 in 层压板定义如下 8 2 1 1 单向带 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 0 mm 0 20 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4 0 mm 0 16 in 那么应该采用N的后继值即N 1 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 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 最小值 mm in 最大值 mm in 层数铺层 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 8 该装置的惟一供应商是Dynatup Model 8250冲击试验机 可由General Research Corporation Santa Barbara CA处获得 如果你知道其他的供 应商 请把有关信息提供给ASTM International Headquarters 你的意见将在你可以参加的相应技术委员会1会议上得到认真的考虑 8 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 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 20 in 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 4 0mm 0 16 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 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 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定义 使得0 纤维方向 与长度方向尺寸相一致 表2 对不同的固化后单层名义厚度 机织物推荐的铺层 固化后单层名义厚度 最小值 mm in 最大值 mm in 层数铺层 0 085 0 0035 0 10 0 004 48 45 45 0 90 12S 0 10 0 004 0 13 0 005 40 45 45 0 90 10S 0 13 0 005 0 15 0 006 32 45 45 0 90 8S 0 15 0 006 0 18 0 007 28 45 45 0 90 7S 0 18 0 007 0 20 0 008 24 45 45 0 90 6S 0 20 0 008 0 25 0 010 20 45 45 0 90 5S 0 25 0 010 0 36 0 014 16 45 45 0 90 4S 0 36 0 014 0 50 0 020 12 45 45 0 90 3S 0 50 0 020 1 00 0 040 8 45 45 0 90 2S 1 00 0 040 1 50 0 060 4 45 45 0 90 S 8 2 1 3 可供选择的铺层顺序 采用本试验方法的落锤冲击损伤阻抗可以评定用其他铺层或纤维 方位制造的层压板 由其他铺层顺序进行的试验必须指明所记录的铺层顺序 并给出包括所有试验 结果的报告 8 2 2 试件构型 图7和8所示为板试件的几何尺寸 注4 允许对比规定尺寸更大的板进行冲击 然后切割试件 使冲击点在中心 用于随后按试验方法 D7137 D 7137M进行剩余强度试验 只要记录所用的大板尺寸 作为试验方法的变更 对大板进行冲击能有助于减 轻边界条件和损伤产生机理的相互作用 8 3 试件制备 指南D 5687 D 5687M提供了试件制备的推荐程序 并应遵循实际可行的要求 8 3 1 板的制造 对纤维方位的控制是关键 纤维方位的偏差会影响所测量的性能 纤维方位变 化无常也会增加变异系数 要在报告中给出板的制造方法 在所有的表面 试件应有均匀的横截面 在试件长度和宽度的任意方向 厚度方向的锥度不应大于0 08mm 0 003 in 按11 2 5条测量得到的 厚度变异系数应小于2 8 3 2 机加方法 对这样的试件 试件的制备特别重要 当用大板切割试件时要特别小心 以避 免切口 尺寸过小 表面粗糙或不平整 或是由于不适当的机加方法引起分层 要通过用水润滑的 精密锯割 铣切或研磨来得到最后的尺寸 已经发现 对很多材料体系用金刚砂刀具 和高压水切 割 特别有效 边缘应平整 平行度应在规定的容差内 图7和8中给出了机加的容差和表面光洁度 的要求 要记录和报告试件切割方法 8 3 3 标记 要对板试件做标记 以便它们能被彼此区分和对原材料进行跟踪 同时既不会影响 试验 也不会受到标记的影响 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 9 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 11 试验过程试验过程 11 1 试验之前规定的参数 11 1 1 试件取样方法 试件形式和几何尺寸 以及浸润的伴随件 如果需要 11 1 2 损伤阻抗性能和想要的报告格式 注5 为了选择适当的仪器和数据记录设备 在试验之前确定具体的材料性能 精度和数据报告要求 估计 试件的损伤阻抗 有助于选择传感器 设备标定和确定设备的安装 11 1 3 环境调节试验参数 11 1 4 确定撞击头直径和冲击头质量 11 1 5 名义冲击能量和下落高度 11 1 6 如果要确定冲击速度 预计的冲击速度和检测器的安装 例如检测器在试验件上方的高度 触点开关之间的距离 11 1 7 如果要进行 取样方法 板试件几何尺寸 和用于确定密度和增强体含量的试验参数 11 2 通用程序 11 2 1 报告所有与本试验方法的差别 无论是有意的还是无意的 11 2 2 如果要报告比重 密度 增强体含量或空隙含量 则要从被试验的同一块板取得所需试样 可以借助于试验方法D 792来评定比重和密度 用试验方法D 3171的操作规程之一来评定组分中的 体积百分数 11 2 3 在完成试件最后一道机加工序之后和进行环境调节以前 对试件进行作为基准的无损检测 以检测出冲击试验之前可能存在的缺陷 为检测复合材料中的表面缺陷和内部缺陷 有多种NDI技 术可用 目视检测和液体渗透法能用于识别表面缺陷 而为了检测内部缺陷 如裂纹 劈裂和分层 则需要更复杂的技术 这些技术包括超声 射线图像 热像 声发射 模态分析 如带仪器的敲击 试验 和涡流试验 MIL HDBK 173F中的7 4 2节给出了现有技术的概述 MIL HDBK 728 1系列中 覆盖了这些方法的基本原理和方法 而对理论和数据解释的更详细的信息可在下列文献中找到 对 热像法见MIL HDBK 731A 对声发射见MIL HDBK 732A 对射线图像见MIL HDBK 733A 对超 声见MIL HDBK 787A 要记录NDI评定时用的方法 规范和参数 注6 在MIL HDBK 17 3F中讨论的NDI技术 对于不同的损伤形式 在三维方向检测不同损伤形式的能力等 均有各自不同的应用 在某些情况下 例如 当存在多个分层和基体裂纹时 为适当表征三维损伤状态可能需要 联合使用几种NDI技术 11 2 4 按要求对试件进行环境调节 如果试验环境不同于正在调节的环境 则要将试件放置在调节 好的环境中直至试验 11 2 5 在完成试件最后一道机加工序和环境调节之后 但在进行所有的试验之前 在要引入损伤位 置附近的两处 测量试件宽度 w和长度 l 应在冲击部位附近的4处测量试件厚度 并记录这4个 测量值的平均值 所有测量值的精度应在该尺寸的1 以内 记录尺寸按毫米 英寸 到3位有效数字 10 11 3 试验环境 如果可能 要在与调节所用的同样液体曝露水平下进行试验 但像吸湿试件的 高温试验情况就对常用的环境箱提出了不现实的要求 在这种情况下 可能需要对力学试验环境进 行修正 例如 高温试验可以不对液体曝露水平进行控制 但要规定从环境箱中取出后到进行试验 的时间限制 要记录对试验环境的修正 11 4 准备冲击头 要通过安装半球形撞击头和附加所需质量来准备冲击头 如果冲击头 或冲 击头的元件 质量未知或不确定 则应使用天平或秤对冲击头 或元件 称重 精度要达到 0 5 将冲击头安放在冲击装置上 并根据需要准备测力仪器 所有的元件的连接必须牢固 以 便使冲击事件时的谐振最小 11 5 安装试件 将试件放入支持夹具 要保证试件与开孔对中 除非另有规定 要对试件的贴 模具一侧进行冲击 用4个带橡皮头的夹子将试件固定在位 施加最小的夹紧力使得夹子触头刚刚 与试件接触 来防止冲击事件期间试件反弹 夹子触头要放在离试件边缘大约25mm 1 0 in 处 11 6 测速仪器 如果采用 则要将速度检测点放在某个点 以便在试件表面垂直上方的3 6mm 0 13 0 25 in 之间完成测量 11 7 下落高度 11 7 1 冲击能量和下落高度计算 按13 1条中的规定计算冲击能量 按13 2条中的规定计算下落 高度 11 7 2 提升冲击头 将冲击头放在计算得到的下落高度处 11 8 冲击 将冲击头释放 以对试件进行一次冲击 而无反弹 注7 某些冲击装置可以采用机构来自动防止二次冲击 如果没有这样的设备 可以在冲击后冲击头离开试 件向上反弹时 在冲击头和试件之间插进一片刚性材料 木头 金属等 来实现 11 9 数据记录 如果带有相应的仪器 则在接触期间连续或按一定的间隔频繁地记录力 时间数 据 对本试验方法推荐的采样速率为100kHz 每个试验最少采集100个数据点 记录测速仪器在两 个光束被依次触发的时间间隔 11 9 1 图9和10所示为记录的接触力 时间曲线的例子 通过对非零接触力的检测指出试件 冲击头 接触的起点 当冲击头压入试件时 它使试件发生弯曲 并随接触力的增加而产生局部的凹陷 记 录的接触力的急剧下降表明使接触区刚度突然丧失的损伤过程 注8 冲击头 测力计和试件的谐波共振能引起记录的接触力谐振的增加和减少 如图10所示 明显的谐振 能使力F1和能量E1的确定很困难 对像塑料这样的材料 常常要通过试验后的数字光滑来了解有效的峰值力和吸收 的能量 然而 对复合材料 力响应的振动常常反映了施加到试件上的真实力 不应该被光滑掉 也能采用数字后 处理来对冲击响应曲线的急剧下降进行光滑 如果在对数据解释时使用了光滑处理 则记录的数据和处理后的 光 滑 数据都应予以记录 同时要描述后处理的算法 在试验方法D 3763的附录X1中可以发现关于对取自冲击力数据 的解释数据的补充信息 11 9 2 能够由试验后接触力 时间曲线确定的参数包括力F1 在力 时间曲线出现力或斜率不连续处 记录的接触力 最大接触力Fmax 吸收的能量 力F1处 E1 吸收的能量Emax 最大接触力处 和接 触持续时间tT 11 10 压痕深度 采用7 7条中定义的适用的压痕深度测量仪器 并按3 2 1条的规定测量压痕深度 应在试件受冲击后立即测量压痕 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25mm 以保证离压痕有足够的距离 从而使测量值不受 11 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 所测得的两个 测量值的平均值 深度计的基座应至少为50mm 使它能大到足以覆盖压痕的影响区 如果用安装 在三脚架上的深度计 它的参照面是千分表支撑面 后者与与前述直径分布的三点所在平面接触 这些要求也适用 压痕深度的测量值应精确到0 01mm 0 001in 11 11 压痕松弛 经过一段时间或在环境曝露下 压痕会由于复合材料的松弛而减小 如果需要 了解压痕短期松弛的信息 就要在冲击7天后按11 10条的要求进行测量 记录压痕深度 冲击后进 行测量中间持续的时间 测量前的环境条件 11 12 无损检测 11 12 1 用无损检测 NDI 技术评定冲击事件引起的损伤范围 要采用与11 2 3条中所述 评定冲 击前试件所用相一致的NDI方法 规范和参数 记录NDI评定时所用的方法 规范和参数 11 12 2 用7 1条中规定的适用仪器测量和记录被检测的损伤几何尺寸 用图11作为指南 确定相对 于试件中心的8个指示点的位置 同时确定损伤宽度 损伤长度和最大损伤直径 对非标准铺层或 纤维方位 可能需要其他的测量部位来表征损伤的范围 此外 也可以采用自动化算法来定义损伤 范围和用数字化的NDI数据来计算二维损伤面积 注9 测量的损伤宽度 长度和直径的尺寸容差取决于所用的NDI方法 11 12 3 对每个试件记录观察到的损伤模式和观察到损伤模式所在表面 损伤试件可能存在不止一 种损伤模式 图12给出了常见的损伤模式 12 验证验证 12 1 不应计算在某个明显缺陷处形成损伤或断开的试件的性能值 除非这样的缺陷是要研究的一 个变量 对其值不被计算的试件 应重新进行试验 12 2 如果母体中有较多试件其损伤的起源和扩展远离冲击部位 则应重新考察冲击支持状态 考 虑的因素应包括夹具尺寸与公差 冲击头导向管尺寸与公差 试件与约束之间的间隙和试件厚度的 锥度 13 计算计算 13 1 冲击能量 除非另有规定 采用公式1计算冲击能量水平 记录冲击能量水平到3位有效数 字 E CEh 1 式中 E下落前冲击头的势能 J in lb CE规定的冲击能量与试件厚度之比 6 7J mm 1500 in lb in h试件名义厚度 mm in 13 2 下落高度 计算需要产生规定冲击能量所需的下落高度 并记录下落高度到3位有效数字 采用国际单位时用公式2 采用英制单位时用公式3 2 gmEH d 式中 H冲击头的下落高度 m 12 md用于下落高度计算的冲击头质量 kg g重力加速度 9 81 m s2 3 dlbm mEH 式中 H冲击头的下落高度 in md用于下落高度计算的标准重力的冲击头质量 lbm 注10 选择的冲击头质量必须允许最小下落高度300mm 12 in 注11 定义质量 用磅表示 要使得1磅力引起32 17 ft s2的加速度 数值上 1磅力与1磅质量是相同的 所 以公式中不需要包括英寸 磅形式的重力加速度项 13 3 冲击速度 如果冲击装置能检测冲击头的速度 则用公式4计算冲击速度 并记录结果到3 位有效数字 具有速度检测手段的多数系统均自动进行这一计算 但如果需要的话可用给出的时间 数据人工进行 4 2 21 12 12 tt tg tt w v ii 式中 vi冲击速度 m s in s W12第一 下 和第二 上 个触点开关之间的距离 m in t1第一 下 个触点开关通过检测器的时间 t2第二 上 个触点开关通过检测器的时间 ti由力 时间曲线得到的初始接触时间 s 13 4 测量的冲击能量 如果冲击装置能够检测冲击头的速度 则用公式5计算实际的冲击能量 并记录计算结果到3位有效数字 具有速度检测手段的多数系统均自动进行这一计算 但如果需要 的话可用给出的时间数据人工进行 由于下落期间摩擦损失 测量的冲击能量可能与按13 1条计算 的名义冲击能量不同 5 2 2 ii mvE 式中 Ei测量的冲击能量 J in lbf m冲击头质量 kg lbm 13 5 统计 对每个系列试验的压痕深度d 计算平均值 标准差和偏差系数 百分数 如果冲 击装置能够检测接触力和冲击头的速度 则还要对每个系列试验的冲击速度 冲击能量 F1 Fmax E1 Emax和tT进行这样的计算 6 nxx n i i 1 7 1 1 22 1 nxnxS n i n i CV 100 Sn 1 8 x 式中 样本均值 平均值 x 13 Sn 1样本标准差 CV样本偏差系数 n试件数 xi测量的或导出的性能 13 6 速度 时间 如果冲击装置能监控接触力 则用公式9和对力 时间曲线进行积分可得到名义 速度 时间曲线 正的速度值代表向下运动 在此应用中常用的数字积分算法包括梯形和Simpson法 则 分别为2和3点Newton Cotes公式 9 数字积分的时间步幅必须等于数据采样的时间步幅 时间 的倒数 9 t m tF gtvtv t i d 0 式中 v时间t时的冲击头速度 m s in s t试验持续时间 s t 0是冲击头与试件初始接触的时间 F 在时间t时测量得到的冲击头接触力 N lbf 13 7 冲击头位移 时间 如果冲击装置能监控接触力 则用公式10和对力 时间数据进行数字积 分可得到冲击头位移 时间曲线 正的位移值代表从下落高度向下的位移 10 tt m tFgt tvt tt ii dd 2 00 2 式中 时间t时的冲击头位移 m in i时间t 0时冲击头相对参考位置的位移 m in 13 8 吸收的能量 时间 如果冲击装置能监控接触力 则用公式11得到试件吸收的能量 时间曲 线 11 2 22 tmg tvvm tE i a 式中 Ea时间t时吸收的能量 J in lbf 14 报告报告 14 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 注10 指南E 1309 E 1434和E 1471含有有关对复合材料和复合材料力学试验推荐需要报告的数据 14 1 1 本试验方法的新版本级别及发布日期 14 1 2 试验人员姓名 14 1 3 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 9 Whittaker E T and Robinson G The Calculus of Observations A Treatise on Numeical Mathematics 4th ed New York Dover 1967 pp 156 158 14 14 1 4 所有所用组分信息的详细情况 包括材料规范 材料类型 制造厂家的材料牌号 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 基体含量以及挥发物含量 14 1 5 准备层压板母体制造步骤的描述 包括制造开始时间 制造结束时间 工艺规范 固化循环 压实方法及对所用设备的描述 14 1 6 相对纵向 长度方向 尺寸层压板中层的方位与铺层顺序 14 1 7 如果要求 则报告密度 增强体体积含量和空隙含量试验方法 试件取样方法和几何尺寸 试验参数和试验结果 14 1 8 准备试验件的方法 包括对试件的标记图和方法 试件几何尺寸 取样方法和试件切割方法 14 1 9 所有测量仪器与试验设备的标定日期和方法 14 1 10 试验机和数据采集设备的型号和构型以及数据采样速率 14 1 11 如果适用 测速装置的型号和关键参数 例如测速仪在试件上方的高度 两个触点开关之 间的距离 和测力装置的型号 14 1 12 每个试件测量得到的长度 宽度和厚度 如果适当 在损伤和环境状态调节前后 14 1 13 试件的重量 天平或秤的型号和测量精度 14 1 14 状态调节参数及结果 14 1 15 试验室的相对湿度与温度 14 1 16 试验机环境箱 如果使用 的环境和浸润时间 14 1 17 试验的试件数 14 1 18 半球形冲击头的撞击头直径 14 1 19 冲击头的总质量 14 1 20 名义冲击能量 14 1 21 无损检测试验的结果 包括冲击前后使用的方