ASTM D 7137-05（剩余强度）

1 ASTM标准 标准 D 7137 D7137M 05 含损伤聚合物基复合材料板压缩剩余强度性能的标准试验方法含损伤聚合物基复合材料板压缩剩余强度性能的标准试验方法1 1 范围范围 1 1 本试验方法覆盖了多向聚合物基复合材料层压板的压缩剩余强度性能 该板在施加压缩力以 前已经受到按试验方法D 6264施加的准静态凹痕 或按试验方法D 7136 D 7136M施加的落锤冲击 复合材料的形式限于具有多个纤维方位 且其方位相对试验方向既对称又均衡的连续纤维增强聚合 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 注1 当用于确定受落锤冲击板的剩余强度时 本试验方法通常称为冲击后压缩或CAI方法 1 2 本方法使用以前遭受过损伤事件的复合材料矩形平板 并采用防失稳夹具在压缩载荷下进行 试验 注2 得到的损伤容限性能对板中遭受损伤的类型 几何尺寸和部位是独特的 1 3 用本试验方法产生的损伤容限性能与几个因素高度相关 包括试件几何尺寸 铺层方式 损伤 类型 损伤尺寸 损伤部位和边界条件 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 4 本试验方法能用于对无损聚合物基复合材料板进行试验 但过去这样的试验已经证实经常出现 不想要的破坏模式 如端部压塌 为得到无损聚合物基复合材料的压缩性能 推荐采用试验方法 D 6641 D 6641M 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 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 D 5687 5687M 复合材料平板的制备指南以及试样制备工艺指南 1 本试验方法由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 6264 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试验方法 D 6641 D 6641M用联合加载压缩 CLC 试验夹具确定聚合物基复合材料层压板压缩性能的 试验方法 D 7136 D 7136M 测量纤维增强聚合物基复合材料对落锤冲击事件损伤阻抗的试验方法 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 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 1434在数据库中记录纤维增强聚合物基复合材料力学试验数据的指南 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 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 2 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 2 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 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 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 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 3 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 4 规定的正交各向异性 在主材料坐标系中观看时对正交各向异性材料的描述 在层压复合 材料中规定的正交各向异性层压板是从参考坐标系来看的 0i 90j nS族均衡对称层压板 使得层压板 本构关系的膜 弯曲耦合项为零 3 3 符号 A试件的横截面积 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13 ECAI试验方向的有效压缩模量 FCAI试验方向的极限压缩剩余强度 h试件厚度 l试件长度 n按样本母体确定的试件数量 N试验用层压板中的层数 Pmax破坏以前试验件承受最大力 Sn 1对给定性能样本母体的标准偏差统计量 w试件宽度 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 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单轴压缩试验 层压板在施加压缩力以前已受到损伤并进行了检测 损伤状态通过准静态压痕或落锤冲击产生的面外加载引入 4 1 1 准静态压痕 按试验方法D 6264 通过施加面外落锤冲击对矩形板引入损伤 4 1 2 落锤冲击 按试验方法D 7136 D 7136 通过施加面外静压痕力对矩形板引入损伤 4 1 3 损伤评定 如果事先没有确定损伤事件以后的损伤范围 则用11 4条款所述无损检测 NDI 方法确定 4 2 把含损伤板安装在一个多件组合的支持夹具中 试验板已对中使尽量减少加载偏差和引入试件 弯曲 把试件 夹具组合件放在加载平台之间 并在端部受压直至破坏 加载时记录施加的力 横 梁位移和应变数据 4 3 最希望的破坏模式要穿过试验件的损伤 然而可接受的破坏可以产生于损伤部位 例如当损伤 产生比较低的应力集中 或如果损伤范围比较小 或二者同时出现时 不可接受的破坏模式是与支 持夹具 局部侧边支持状态造成的载荷引入及试件失稳 除非试件尺寸代表了特定的结构应用 有关 的破坏模式 4 5 意义与用途意义与用途 5 1 对由集中面外力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和损伤容限性能的知识对产品研制和选材是很有用的 5 2 用本试验方法得到的剩余强度数据是材料规范和研究与研制工作中最常用的 这些数据并不 打算用于确定设计许用值 因为其结果对所试验的几何尺寸和物理状态是特定的 通常不能转换用 于其他构型 由于引入损伤的固有变化 以及损伤容限响应对预先存在的损伤状态的相关性 它在 建立质量保证要求方面的用处也有限 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 期的损伤容限能力提供指南 然而必须要知道 复合材料结构的损伤容限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 得到的现有损伤状 态和压缩剩余强度之间的关系会有巨大差别 例如 用本试验方法得到的剩余强度和刚度性能可能 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损伤容限特性 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 5 4 报告一节对会影响压缩剩余强度并要予以报告的项目提出了要求 它们包括 材料 材料制造 方法 铺层方位精度 层压板铺层顺序和总厚度 试件几何尺寸 试件制备 试件调节 试验环境 空隙含量 增强体体积百分数 损伤的类型 尺寸和部位 包括无损检测方法 试件 夹具对中与 夹紧和试验速度 5 5 由剩余强度评定得到的性能包括如下 压缩剩余强度FCAI 与横梁位移有关的压缩力和与横梁 位移有关的表面应变 6 影响因素影响因素 6 1 含损伤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 损伤 类型 损伤几何尺寸 损伤部位和加载 支持条件 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 当 把用本试验方法得到的数据用于设计应用时 必须考虑具体的结构构型和边界条件 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 通常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条规定的尺寸和平面度容差 平 行度和垂直度 6 3 损伤类型 引入损伤时产生的复合材料破坏模式的变异能引起强度 刚度和应变数据的分散 性 6 4 损伤几何尺寸和部位 损伤尺寸 形状和部位 在板的平面内和厚度方向 能对试件的变形 和强度行为有重大影响 如果损伤尺寸相对板的长度与宽度过大 则边缘效应 边界约束和含损伤 的应力 应变场会相互影响 建议损伤尺寸不超过无支持试件宽度的一半 42 mm 1 7 in 以尽量 减小损伤与边界相关的应力 应变场之间的相互作用 因为试件的长宽比为1 5 比较小 其应力 应 变分布对冲击或压痕损伤引起的干扰特别敏感 6 5 注3 为了研究较大的损伤尺寸对复合材料层压板压缩剩余强度的影响 推荐考察像NASA 1092规定的替代 试件和夹具设计 它更大一些 并能容许更大的损伤 而与边界支持条件没有明显的相互作用 6 5 试验夹具特性 大板边界约束结构的构型对试验结果会有重大影响 在标准试验夹具中 顶 部和底部支持不提供夹持 但对由于夹具几何形状产生的面外转动有一些约束 侧边支持是刀口 它对转动没有约束 边缘支持必须共面 试验结果会受试件当地不同滑动板几何尺寸影响 还会受 滑动板与试件之间存在间隙的影响 它能降低有效的边缘支持 并在试件的顶部和底部表面产生集 中载荷引入状态 此外 试验结果可能受到滑动板紧固件所受扭矩变化的影响 紧固件松动也可能 减小有效的边缘支持 6 6 系统对中 试验夹具与试验机加载轴不对中 并通过加垫来对试件加载端施加必需的单轴位 移会产生误差 6 7 材料正交各向异性 材料的正交各向异性对破坏模式和测量的压缩剩余强度有重大影响 根 据11 14条 只有当观察到适当的破坏模式时 才应报告有效的强度结果 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 壁板稳定性 失稳或初始失稳的精确检测也许是不可能的 损伤的性质对局部弯曲刚度有重 大影响 局部弯曲刚度会使破坏模式变得复杂 从而使该数据只限于所试验的独特构型 7 设备设备 7 1 千分尺 对非规则面 如层压板的真空袋一侧 千分尺应使用名义直径为4 6mm 0 16 0 25 in 的 球形触头 而对机加过的端面或很光滑的贴模面则使用平触头 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 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 7 2 支持夹具 如图1和2所示的压缩试验夹具应使用可调节的固定板 使得试件在端部受载时支 持试件的边缘和抑制屈曲 夹具的构成包括1个底座 2个底座滑动板 2个角板 4个侧板 1个顶 板和2个顶部滑动板 允许使用角板与底座整体连接的替代夹具 侧边支持是刀口 它对局部的面 外转动没有约束 顶部和底部支持不夹紧 但由于夹具的几何形状 对转动有一些约束 侧板成直 角 并与试件有8 mm 0 30 in 的搭接 夹具可调节 以便允许试件长度 宽度和厚度有小的变化 顶板和侧板与夹具下面部分不直接连接 它们可以在试验件顶端滑动 侧板要足够短 以保证侧边 导轨和顶板在试验期间保持间隙 7 2 1 支持夹具细节 图3 10涵盖了制造满足本试验方法要求的支持夹具的详细图纸 也可以使 用满足本节要求的其他夹具 例如Wyoming 试验夹具 Inc Model CU CI Boing BSS 7260 Type II Airbus ASTM 1 0010 SACMA SRM 2R 94 7 夹具的构成应有足够的刚度和精度 以满足本试验方 法的加载均匀性要求 下列通用注解适用于所有这些图 7 2 1 1 除非另有规定 要机加到表面光洁度3 2 125 7 2 1 2 所有尖角倒圆 6 Eastland C Coxon B Avery W and Flynn B Effects of Aspect Ratio on Test Results from Compression Loaded Composite Coupons Proceedings of ICCM X Whistler BC Vol IV A Poursartip and K Street eds Woodhead Publishing Ltd 1995 7 如果你知道其他的供应商 请把有关信息提供给ASTM International Headquqters 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 6 7 2 1 3 试验夹具应用钢制造 对室温试验可以用低碳钢制造 对非室温环境条件 推荐的夹具材 料是无热处理铁氧体或时效硬化不锈钢 为提高耐久性的热处理是可接受的 但不要求 注4 经验表明 由于使用操作 夹具会受损 因此夹具尺寸和容差的定期检测是很重要的 7 3 试验机 试验机应与操作规程E 4一致 并应满足下列要求 7 3 1 试验机构型 试验机应既有本质上固定的头又有可移动的头 7 3 2 平台 试验机应装有很好对中的固定 相对与球形座 平台 平台表面在试验夹具顶部板 长100 mm之内 平行度达到0 025 mm 0 001 in 如果平台硬度不够 或只是简单地对平台表面进 行防护 则可以在夹具的两端和相应平台之间塞上具有平行表面又足够硬的板 下平台应做上标记 以便于试验夹具在平台之间对中 7 3 3 驱动机构 试验机驱动机构应能使移动头相对固定头以可控的速度移动 移动头的速度应 能按11 6条规定得到控制 7 3 4 力传感器 试验机的力传感装置应能指示试验件承受的力的总量 该装置在规定的试验速 率下基本上无惯性滞后 并应在所关心的力范围内给出精度在指示值 1 的力的指示值 7 3 5 横梁位移指示器 试验机应能监控和记录横梁位移 行程 其精度至少在 1 以内 如果 试验机的柔度比较大 则用位移精度在 1 以内的LVDT或类似装置测量移动头的位移是可接受的 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 应变指示装置 建议对试件进行应变测量 但不要求 如果进行应变测量 则应在4个位置 同时测量纵向应变 如图11和12所示试件两表面2个背靠背位置 来保证施加纯压缩载荷 并检测 弯曲或屈曲 如果存在 在任一试件上 对所有的应变测量 应采用相同型号的应变传感器 应 对应变计 表面准备和胶黏剂进行选择 以便对规定的试验环境在所测材料上提供最佳的性能 应 变指示装置与试件的连接不应对试件表面产生损伤 注5 虽然不测量应变也可以进行压缩试验 但不使用仪器会使很难检测出不想要的失稳 为此推荐在压缩 加载时对试验件进行应变测量 注6 在将试件放进环境调节箱进行吸湿调节以前 需要用多层防护涂层 如成为微粒的蜡 高温Teflon带 带胶层铝箔和室温固化硫化混合物 对安装在试件上的应变计仔细地进行防水涂护 8 7 7 数据采集设备 需要能记录力 横梁位移和应变数据的设备 7 8 对中板 如果单个的试验件不带应变测量的仪器 应使用带仪器的对中板来调整支持夹具 对中板应在材料 铺层和几何尺寸方面等同于试验件 应是无损的 并应如7 6条所述安装测量仪 器 8 Vijayaraju K Mangalgiri P D and Parida B K Hot Wet Compression Testing of Impact Damaged Composite Laminates Proceedings of the Ninth International Conference on Fracture ICF 9 Sydney Australia 1997 pp 909 916 7 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 几何形状 8 2 1 铺层顺序 为了对不同材料的压缩剩余强度进行比较筛选 标准试件厚度应为4 0 6 0mm 0 16 0 24 in 目标厚度为5 0mm 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 0mm 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 0mm 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 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 已经采用本试验方法对其他铺层制造的层压板进行了试验 并得 到了可接受的破坏模式 这种层压板必须有多向纤维方位 对预浸带层压板纤维方位至少为3个 对织物层压板至少2个铺层方位 它们相对试验方向是对称均衡的 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 注7 通常应选择 45i 0i 45j 90k mS预浸带或 45i 0j mS织物层压板 使得在4个主方向上每个方向的纤维层不少 于5 已经发现 这种设计得到可接受压缩剩余强度破坏模式的概率最高 并且已经产生了能够用本试验方法和试 验方法D 7136 D7136M中描述的操作规程很好表征的压痕 冲击损伤 具有很少纤维 单层方位的层压板能显示复杂 的损伤几何形状 对其的表征要困难得多 8 2 2 试件构型 图11和12所示为板试件的几何形状 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 纤维方位的偏差会降低所测量的性能 板必须要平 并具有均匀的厚度 以保证均匀加载 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 3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11和12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 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实验的一部分 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 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 试件形式和几何形状 以及浸润的伴随件 如果需要 11 1 2 压缩性能和想要的数据报告格式 注8 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 试件的强度和应变响应 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 把损伤引入试件的方法 静压痕或落锤冲击 和相应的参数 11 1 5 应变计要求和相关的计算 11 1 6 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 9 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所有的试验以前 在损伤部位附近的两个部位测量 试件宽度 w和长度 l 在损伤部位附近4个位置测量试件厚度 并记录4个测量值的平均值 所有 测量值的精确度应在该尺寸的1 以内 记录尺寸到以毫米 英寸 为单位的3位有效数字 11 3 损伤引入 11 3 1 准静态压痕 如果要通过准静态压痕力对试件制造损伤 则按试验方法D 6264引入 11 3 2 落锤冲击 如果要通过落锤冲击对试件制造损伤 则按试验方法D 7136 D7136M引入 11 4 无损检测 试验方法D 7136 D 7137M包含了对冲击引入损伤试件进行无损检测 NDI 的方 法 对按试验方法D 6264通过准静态压痕引入损伤的试件 对损伤状态的定义如下 11 4 1 对含损伤试件 要用无损检测 NDI 技术评定损伤的范围 为检测复合材料表面和内部缺 陷 有各种NDI技术 目视检测和液体渗透方法能用于辨别表面缺陷 而要检测如裂纹 劈裂和分 层这样的内部缺陷 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 17 3F中的7 4 2节给出了对现有技术的概述 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9 试件的剩余强度依赖于当前损伤的状态 术语 损伤 意味着关于损伤的类型 范围和位置 并且本 质上是三维的 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 4 2 按试验方法D 6264测量压痕深度 11 4 3 用在7 1节中定义的适当的仪器测量和记录所检测损伤的几何尺寸 用图13作为指南 确定 相对试件中心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 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10 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 4 4 对每个试件记录观察到的损伤模式和观察到损伤模式的所在表面 损伤试件可能存在不止一 种损伤模式 图14给出了常见的损伤模式 11 5 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 注11 与损伤引入以前进行调节相比 调节以前引入损伤可能会产生不同的结果 例如在浸润以前引入损伤 可能会降低损伤阻抗 因为在浸润以前板试件可能弯曲刚度更大一些 更可能通过形成损伤来吸收冲击或压痕能量 同样 引入损伤以后再浸润 在损伤位置的区域会加速局部吸湿 11 6 试验速度 设置试验速度 使得在1 10 min 内产生破坏 如果无法正确地估计材料的极限 强度 应该用标准速度进行探索 直至知道材料的极限强度和系统的柔度 并且能对试验速度进行 调节 建议的标准横梁位移速率是1 25 mm min 0 05 in min 11 7 试验环境 如果可能 要在状态调节所用的同一液体曝露水平下对试件进行试验 但是像 吸湿试件的高温试验情况 对常见的试验机环境箱就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改 例如采用在不控制液体曝露水平的高温下进行试验 在将试件从环境 箱中取出后 试验应在规定的时间范围内 通常为10 30 min 做到破坏 记录对试验环境的任何 修改 10 11 8 试件 对中板的安装 11 8 1 如果对某个试件没有使用应变测量仪器 则应在对相同试件的每个试样进行试验以前 采用 带有仪器的对中板来代替试验件完成步骤11 8 2到11 12 11 8 2 检查夹具与标准附图的一致性 调节角板的位置 使得每个角板与试验件边缘的间隙为 0 8 1 5 mm 0 03 0 06 in 对连接角板与底板的夹具螺栓施加扭矩约7 N m 60 in lbf 11 8 3 把试验件装到压缩剩余强度夹具上 使试件的机加端与夹具的上下两半的端头平齐 从而应 使损伤部位处于夹具的中心 用连接到角板的侧板和连接到底板的滑动板来支持试件 通过调节侧 板和滑动板使试件对中 以保证试件垂直于夹具底板 用手拧紧侧板和滑动板的螺栓 来保证对试 件的侧向支持 把顶板放到试件的顶部 用手拧紧顶板上滑动板的螺栓 以确保对试件的支持 11 8 4 用塞尺检查试件与侧板 滑动板之间的间隙 调节侧板 滑动板或必要时加垫片来保证间隙小 于0 05 mm 0 002 in 11 9 夹具在试验机上的安放 把夹具放在试验机的平台之间 仔细调节夹具的垂直轴与试验方 向的对中 用7 3 2条所述的记号使夹具对中 11 10 应变计准备 把应变计导线与数据采集装置相连接 为确定有效的压缩模量 必须在两个 规定的应变水平 通常为1000和3000 见13 2条 测量层压板应力 如果在任一应变水平上试件 出现弯曲 则在试件相对表面上 在背靠背的应变计上 测得的应变会不相等 因为弯曲的量不影响 应变平均值 两个背靠背的应变计的平均值就是所要的应变 弯曲的百分比必须小于10 11 11 预加载 如果需要 对试件 夹具组合施加450 N 100 lbf 的压缩力 以保证所有的加载面互 相接触 并与平台对中 把压缩载荷降低到150 N 35 lbf 对所有的仪器预调零和平衡 11 12 载荷对中 11 12 1 拧紧连接侧板与滑动板的夹具螺栓到约7 N m 60 in lbf 11 12 2 以规定的速率对试件施加压缩力 同时记录数据 直至达到预期破坏载荷的10 以相等 的卸载速率把压缩载荷降低到150 N 35 lbf 以检查应变输出以便对中 11 12 3 为判断试件的弯曲 对记录的应变计数据进行审查 试件相对表面上应应力 应变或力 应变 斜率的差表明了试件的弯曲 用公式1确定每个背靠背应变计位置在施加最大力时的弯曲百分数 By 弯曲百分数 1 100 21 21 式中 1一个面上应变计的指示应变 2背面应变计的指示应变 计算得到的弯曲百分数的符号表明了出现弯曲的方向 对确定弯曲是由试验件 试验装置或试验步 骤中对称性误差所引起 而不是试验与试验之间的随机影响时 这个信息是很有用的 11 12 4 试件相对表面应变读数的快速发散 或弯曲百分数的迅速增长是壁板失稳起点的指示 如 果发现应变计数据出现其中任何一种情况 或施加最大力时的弯曲百分数超过10 则要检查夹具 试件和加载平台 以找出可能引发试件弯曲的情况 如存在间隙 紧固件松动或平台不对中 松开 夹具螺栓 按需要来调节侧板和滑动板 如11 8条 以及平台 如11 11条 以尽可能减小在规定低 压缩力幅值时的弯曲 11 13 拆除对中板 试件安装 如果对某个试件没有使用应变测量仪器 则要从支持夹具上卸掉压 11 缩力 使上平台离开支持夹具足够的距离 以便可以接近顶板 从数据采集装置上拆除应变计导线 松开连接侧板和滑动板的夹具螺栓 从支持夹具上卸掉对中板 按11 8 3条所述将试验件装入支持 夹具 对试件按11 11条预加载 对连接侧板与滑动板的夹具螺栓施加扭矩约7 N m 60 in lbf 注12 在对相同试件的每个试样进行试验时 每次试验后不必对试验夹具再次对中 11 14 加载 按规定的速率对试件施加压缩力 同时记录数据 对试件加载直至达到最大值 并 且载荷掉落至距最大值大约30 时 除非特别想要试件破坏 否则终止试验 防止真实的破坏模式 被大范围的畸变所遮蔽 以便提供更有代表性的破坏模式评定和防止损坏支持夹具 11 15 数据记录 连续或以规定的间隔记录力 横梁位移和力 应变 如果进行测试 对本试验方 法 推荐的采样速率为每秒2到3个数据记录 每个试验的最少目标数据点为100个 如果发现柔度 变化或层的初始破坏 则记录这些点的力 位移 如果有 应变 和损伤模式 如果要对试件实施 破坏 则在尽可能接近破坏的瞬间记录最大力 破坏力和横梁位移 注13 在了解试验异常 夹紧或试件打滑问题时有用的其他有价值的数据包括力 应变数据 侧向弯曲百分 数和力 时间数据 11 16 破坏模式 记录每个试件破坏的模式 区域和位置 应使用表3中归纳的三位破坏模式描 述符 该符号的第一位描述破坏类型 第二位描述破坏区域 最后一位描述破坏位置 图15给出了 常见可接受的破坏模式 表3中第一个字符列中所有的破坏模式都是可以接受的 但下列模式除外 端部压塌 边缘受约束的分层扩展 此时 在最后破坏以前分层扩展 附加的承载能力来自于边缘 约束 或壁板屈曲 除非试件尺寸代表了具体的结构应用 边缘约束的分层扩展和壁板屈曲不能 用试验期间和试验后对试件的目视检测确定 而必须通过对应力 应变或力 应变曲线的检测来确定 注14 对壁板失稳和边缘约束分层扩展的目视检测 像影像云纹这样的技术会很有用 当采用这样的技术时 应对试件两侧进行监控 注15 认为应变计的破坏 远离引入的损伤 是可接受的 但对引入的损伤 不可能提供试件剩余强度的真实 测量值 应变计破坏可能表明壁板对引入的损伤不敏感 使得它在接近壁板无损强度的压缩应力下破坏 从而应变 计的破坏可能表明在破坏处附近有未检出的损伤或缺陷 使得测得的破坏应力低于壁板的无损强度 以及对检测出 损伤的破坏应力 表3 三位破坏模式编码 第一个字符第二个字符第三个字符 破坏类型编码破坏区域编码破坏部位编码 斜角A端部 边缘A底部B 端部开花B损伤处 穿过损伤D左侧L 端部压塌C 远离损伤 应变计 处 G中间M 在最后破坏时 分层扩展到边缘 长度 方向 D多处M右侧R 穿透厚度H各种各样V顶部T 壁板失稳I未知U各种各样V 扭曲带K未知U 侧向L 多模式M xyz 最后破坏以前 分层扩展到边缘 受边 缘约束 R 长度方向 劈裂S 在最后破坏时 分层扩展到边缘 宽度 方向 W 爆炸型X 其他O 12 12 验证验证 12 1 不应计算在某个明显缺陷处断开试件的极限性能值 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 在应变计截面最后破坏以前有时会出现少量的端部压塌 如果端部压塌被止住 并且最后达 到了有效的应变计截面破坏 则端部压塌不一定就宣判试验无效 12 3 壁板开始失稳或弯曲过度使试验无效 对认为有效的试验结果 弯曲百分数应小于按公式1确 定的10 确定有效弦模量计算用应变范围 见13 2条 中点处的弯曲百分数 对认为有效的强度和破 坏应变数据的破坏应变 也应满足同样的要求 如果可能 应记录弯曲百分数 平均应变图 以便 于确定破坏模式 12 4 在试样母体的破坏模式中有相当大的部分出现在远离损伤部位处 应是重新考察把力引入材 料方式的原因 考虑的因素包括夹具对中 侧板 滑动板与试件之间的间隙 滑动板紧固件扭矩 试件厚度斜锥和试件端部机加不平整 13 计算计算 13 1 极限强度 用公式2计算极限压缩剩余强度和报告结果到3位有效数字 FCAI Pmax A 2 式中 FCAI极限压缩强度 MPa psi Pmax破坏前的最大力 N lbf A横截面 hw mm2 in 2 13 2 有效模量 用公式3计算有效压缩模量和报告结果到3位有效数字 应把对所有4个应变计的 平均应变在1000和3000 时施加的力作为基础 2 APPE 1000300010003000 CAI 式中 ECAI有效压缩模量 MPa psi P3000对应 3000时施加的力 N lbf P1000对应 1000时施加的力 N lbf 3000最接近3000 时记录的应变值 1000最接近1000 时记录的应变值 13 3 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 13 CV 100 Sn 1 8 x 式中 样本均值 平均值 x 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 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16 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 14 1 4 所有试验板试件材料组分的识别信息 对每件都包括材料规范 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 试验机型号和对中结果 数据采集采样速率和设备型号 14 1 11 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 12 试件的重量 14 1 13 状态调节参数 结果和顺序 在损伤引入以前进行状态调节 或反之 14 1 14 试验室的相对湿度与温度 14 1 15 试验机环境箱 如果使用 的环境和浸润时间 14 1 16 试验的试件数 14 1 17 损伤引入的方法 静压痕或落锤冲击 14 1 18 对通过静压痕引入损伤的试件 按试验方法D 6264所有适用的参数 以及无损评定试验的 结果 包括方法 规范 检测参数和操作人员 损伤几何尺寸 包括8个规定测量点的位置 损伤 14 宽度 损伤长度 压痕深度和损伤最大直径 和每个试件观察到的损伤模式 14 1 19 对通过落锤冲击引入损伤的试件 按试验方法D 713 7136M所有适用的参数 14 1 20 支持夹具对中的方法 单个试件用的仪器 或使用对中板 14 1 21 压缩剩余强度试验速度 14 1 22 单个极限压缩剩余强度和母体的平均值 标准差与变异系数 14 1 23 如果进行了试件的应变测量 单个有效