聚合物基复合材料面内剪切性能标准试验方法（D 3518 45层压板拉伸 单向带）.doc

ASTM D 3518/D 3518M94（2001年重新批准）采用45层压板拉伸试验测量聚合物基复合材料面内剪切特性的标准试验方法本试验方法由ASTM的复合材料委员会D30审定，并由单层和层压板试验方法专业委员会D30.04直接负责。当前版本于1994年11月15日批准，1995年出版。最初出版为：D 351876。上一版本为：D 351891。Standard Test Method for In-Plane Shear Response of Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a 45 Laminate本标准以固定的编号D 3518/D 3518M出版；编号后的数字表示最初采用的或最近版本的年号。带括号的数据表明最近批准的年号。上标（e）表明自最近版本或批准以后进行了版本修改。本标准已被美国国防部（DoD）批准使用。1 范围1.1 本试验方法适用于测定高模量纤维增强的聚合物基复合材料的面内剪切性能。复合材料形式限定于x方向承受试验试验的连续纤维增强的复合材料45层压板。1.2 本标准并未打算提及，如果存在的话，与使用有关的所有安全性问题。在使用本标准之前，本标准的用户有责任建立合适的安全与健康的操作方法，以及确定规章制度的适用性。1.3 以国际单位（SI）或英制单位（inchpound）给出的数值可以单独作为标准。正文中，英制单位在括号内给出。每一种单位制之间的数值并不严格等值，因此，每一种单位制都必须单独使用。由两种单位制组合的数据可能导致与本标准的不相符。2 参考文献2.1 ASTM标准D883与塑料相关的术语 Annual Book of ASTM Standards, Vol 08.01.Terminology Relating to PlasticsD 3039/D 3039M聚合物基复合材料拉伸性能试验方法 Annual Book of ASTM Standards, Vol 15.03.Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite MaterialsD 3878复合材料术语3Terminology of Composite MaterialsD 5229/D 5229M聚合物基复合材料吸湿性能及平衡状态调节试验方法3Test Method for Moisture Absorption Properties and Equilibrium Conditioning of Polymer Matrix Composite MaterialsE6与力学试验方法相关的术语 Annual Book of ASTM Standards, Vol 03.01Terminology Relating to Methods of Mechanical TestingE111杨氏模量，正切模量及弦向模量试验方法4Test Method for Youngs Modulus, Tangent Modulus, and Chord ModulusE177ASTM试验方法中精度和偏差的使用方法 Annual Book of ASTM Standards, Vol 14.02.Practice for Use of the Terms Precision and Bias in ASTM Test MethodsE456与质量和统计相关的术语5Terminology Relating to Quality and StatisticsE 1309数据库中纤维增强聚合物基复合材料的标识指南3Guide for the Identification of Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite Materials in DatabasesE1313金属力学试验数据计算机化数据推荐的记录格式指南 Annual Book of ASTM Standards, Vol 14.01.Guide for Identification of Composite Materials in Computerized Material Property DatabasesE 1434数据库中纤维增强聚合物基复合材料的力学性能试验数据记录指南3Guide for Recording Mechanical Test Data of Fiber-Reinforced Composite Materials in DatabasesE 1471计算机材料性能数据库中纤维、填料及蜂窝芯材料的标识指南3Guide for the Identification of Fibers, Fillers, and Core Materials in Computerized Material Property Databases3 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定义了与塑料有关的术语。术语E 6定义了与力学试验有关的术语。术语E 456和操作规程E 177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D 3878优先于其他标准。3.2 本标准专用术语定义：注释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（或文字符号）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，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 45层压板层压复合材料中，仅由+45和-45层组成的均衡对称的铺层。（见铺层方向）3.2.2 均衡的，adj在均衡层压板中，对于每一个+q方向的偏轴层，都有一个相同材料体系和形式的-q方向的层。3.2.3 单层在层压板复合材料中，单一的薄的均匀的铺层，是层压板的基本构成单元。3.2.4 材料坐标系如图1所示，在层压复合材料中，采用123笛卡尔坐标系描述了层压材料的主材料坐标系，其中1-轴与单层主轴一致。（见铺层方向、单层主轴及主材料坐标系）3.2.5 名义值名义值 na值，仅存在于名称中，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。3.2.6 偏轴层压复合材料中，既不是0也不是90的层的方向。3.2.7 层层压复合材料中，单层的同义词。3.2.8 铺层方向层压复合材料中，参考方向和铺层主轴之间的角度。角度用表示，大于-90且小于或等于+90。从参考方向到铺层主轴的正方向遵循右手法则。图1 材料坐标系3.2.8.1 讨论参考方向一般对应于主要加载方向。3.2.9 铺层主轴层压复合材料中，每一个单层的面内坐标轴，用以定义铺层方向。（见铺层方向和材料坐标系）3.2.9.1 讨论对于层压板中的每一个铺层，铺层主轴通常是不同的。该轴相对于参考轴的角度以铺层方向给出。铺层主轴通常与最大刚度的方向一致（例如，单向预浸带的纤维方向或织物增强材料的经向）3.2.10 主材料坐标系其轴垂直于材料对称面的坐标系。（见材料坐标系）3.2.10.1 讨论至少对于卡迪尔坐标系（例如，123或xyz），主材料坐标系的1轴通常与性能最高值的方向一致。对于弹性性能，弹性模量最高的轴为1轴或x轴。3.2.11 对称的层压复合材料中，每一个铺层的组分、材料形式和方向都以层压板中面镜面对称。3.2.12 过渡区应力应变或应变应变曲线上，在一个很小的应变范围内曲线斜率明显改变的应变区。3.2.12.1 讨论加载过程中，许多长丝复合材料呈现出非线性的应力/应变响应，例如在纵向应力-纵向应变或横向应变-纵向应变曲线图中看到的。在特定条件上，非线性响应一般用双线性拟合来逼近。过渡区的存在有许多不同的物理原因,常见的例子是拉伸载荷作用下的基体开裂和分层。3.3 符号3.3.1 A试样的横截面面积。3.3.2 CV给定性能的样本的离散系数（以百分数表示）。3.3.3 （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，。3.3.4 G12面内弹性剪切模量。3.3.4.1 讨论如图2所示，1，2分别表示铺层平面内纤维方向和垂直于纤维方向的横向。3.3.5 n样本的试件数量。3.3.6 P试样承受的载荷。3.3.7 Pm试样承受的载荷，取下列两者中较小的值：(1) 试件破坏前的最大载荷；(2) 5%剪切应变时的载荷。3.3.8 sn-1给定性能的样本的标准差。x和y表示试件或参考坐标轴，1和2表示材料或局部坐标轴图2 试件和材料坐标轴的定义3.3.9 xi给定性能在一个样本中单个试样的试验结果。3.3.10 给定性能在一个样本中的平均值或均值（估计平均值）。3.3.11 e应变的通用符号，无论是正应变还是剪切应变。3.3.12 e应变传感器或引伸计上读出的正应变值。3.3.13 垂直于1轴且平行于2轴的平面内的剪切应力。3.3.14 剪切应力的计算值，取下列两者中较小的值：(1) 试件破坏前的最大剪切应力；(2) 5%剪切应变时的剪切应力。3.3.15 垂直于1轴且平行于2轴的平面内的剪切应变。3.3.16 取下列剪切应变中较小的值：(1)试件破坏前的最大剪切应力对应的剪切应变值；(2) 5%。4 试验方法概述4.1 尽管D 3039对铺层顺序和厚度有明确的限制，还是采用与D 3039一致的方法对45层压板进行单轴拉伸试验。用该试验方法评估面内剪切响应最初由Petit Petit, D. H., “A Simplified Method of Determining the In-plane Shear Stress/Strain Response of Unidirectional Composites,” Composite Materials: Testing and Design, ASTM STP 460, American Society for Testing and Materials, 1969, pp. 8393.提出，后来经过Rosen Rosen, B. W., “A Simple Procedure for Experimental Determination of the Longitudinal Shear Modulus of Unidirectional Composites,” Journal of Composite Materials, October 1972, pp. 552554.改进。采用层压板理论的表达式，材料坐标系中的平面剪切应力可以由轴向载荷和从传感器上得到的纵向或横向正应变数据直接计算得到。这些数据可以用于建立面内剪切应力-剪切应变曲线。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面内剪切性能数据。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、试件铺层顺序和总厚度、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。从本试验方法可获得以下性能：5.1.1 面内剪切应力-剪切应变响应5.1.2 面内剪切弦向弹性模量5.1.3 偏移剪切性能5.1.4 45层压板的最大面内剪切应力5.1.5 45层压板的最大面内剪切应变6 影响因素6.1 应力场的不纯因为面内正应力分量出现在整个工作段，而在接近试件自由边附近则出现复杂的应力场，因此试件工作段的材料并不处于纯面内剪切应力状态。尽管认为本试验方法可以可靠的提供初始材料响应，也可以建立非线性区域的剪切应力-应变响应，但是，计算出的剪切破坏应力值不能代表真实的材料强度值，使用时应谨慎。尽管尝试将这些影响最小化，即使对其他的不同单层厚度或不同织物面积重量的材料，本试验方法得到的剪切破坏应力，都可能有不同的破坏模式，而不能进行统计处理。在Kellas的论文中 Kellas, S., Morton, J., and Jackson, K. E., “Damage and Failure Mechanisms in Scaled Angled-Ply Laminates,” Fourth Composites Symposium on Fatigue and Fracture, ASTM STP 1156, W. Stinchcomb and Ashbaugh, N. E., Eds., American Society for Testing and Materials, 1993, pp. 257280.对此作了更进一步的讨论。6.1.1 面内正应力场的影响对垂直于纤维方向的面内应力分量要特别关注。该应力分量存在于试件的所有铺层及工作段内。通过邻近层中的增强纤维可以使该应力对给定层的影响最小化。因为单层的约束随着铺层厚度的增加可降低，所以单层的厚度就成为影响剪切应力-剪切应变响应和试件极限破坏载荷的重要参数 Repeating plies (adjacent plies at the same ply orientation) have an effect similar to thick plies, therefore, this test method prohibits constructions with repeating plies.。然而，仅受一个邻近层的约束（与内部层不同，内部层受到左右两边的约束）的试件表面层，就成为45试件最薄弱的环节。在拉伸载荷试验过程中，第一层铺层破坏主要为正应力（或混合模式）破坏，而不是纯剪切破坏。基于此，该试验并不能得到实际的材料剪切强度。除了能承受较大轴向应变（大于3.0%）的材料外，剪切破坏应力一般要低于实际的材料剪切强度。6.1.2 总厚度的影响基于上述讨论的破坏过程，高应变水平的剪切应力-剪切应变响应依赖于总铺层数。随着试件的总铺层数的增加，两个弱表面层的承载能力相对减弱。层压板表面铺层破坏以后，表面铺层的部分载荷将被重新分配到剩余的未被破坏的铺层上。层压板中表面层破坏后，这些层螦承受的载荷部分将重新分配到剩余的完好层中。总的铺层数越多，剩余的完好层能继续承载而不立即发生最终破坏的机率就越大。然而，随着单层基体的相继破坏，剩余的完好层的数量也逐渐减少，直到不能承受所施加的载荷。因为这个破坏过程，铺层数量多的试件能够承受较高的破坏载荷。为了将这些影响最小化，本试验方法要求采用均匀的铺层顺序和固定的铺层数，即仅在层压板中面两侧对称铺设两个重复的单层。6.1.3 大变形的影响对于具有韧性较好的基体、弱纤维/基体界面、含有大量重复单层的厚试件、或上述因素组合的试件，可能会发生纤维的过度剪切。Kellas得到了该类试件的一个普遍规律，即轴向应变每增加2%（或普通试验材料的剪切应变增加3.5%），纤维偏转增加1。这种剪裁的剪切，如果不恢复，将与本试验方法的名义上45层压板的假设相违背。即使试件承受的载荷还在增加，但是只要达到大应变水平，就要停止试验，这是一个基本的指导原则。在计算的剪切应变达到5%时，不再记录数据，此时纤维的剪切程度大约为1.5，接近于箔式应变片（如果使用）的极限，并超出了普通工程实践所要求的应变水平。Kellas的文献对试件铺层顺序、试件几何形状、尤其是试件和单层厚度的影响进行了详细讨论。6.1.4 边缘应力影响即使层间应力达到层压板自由边缘附近的最大值，但与垂直于试件平面内纤维方向的横向正应力的影响相比，层间应力对45层压板破坏过程的影响并不显著。因此，试件铺层顺序和试件厚度的影响比试件宽度的影响重要得多。6.1.5 轴向非均匀应力的影响剪切应力和剪切模量的计算依赖于轴向应力的均匀性。因为才用施加的平均载荷来计算剪切应力，因此，计算得到的剪切应力与剪切应变测量点邻近的的应力并不完全一致，除非整个材料均处于均匀的轴向应力状态。因此，材料的不均匀程度越高，例如粗糙的机织物或含有明显富脂区的材料，响应的测量误差就越大。6.2 其他D 3039中描述了复合材料试验中数据分散性潜在的其它因素。7 设备仪器7.1 设备应与试验方法D 3039一致。然而，该试验要求测量试件纵向和横向的载荷-正应变数据。8 取样和试件8.1 取样取样方法与试验方法D 3039一致。8.2 几何形状试样的几何形状与D 3039一致，并经过以下的改进：8.2.1 铺层顺序为45/-45ns，其中对于单向带，4n6（16，20或24层）；而对于机织物，2n4（8，12或16层）。推荐的试样宽度为25mm1.0in，推荐的试样长度范围为200-300mm8-12in。注2D 3039/D 3039M试验的试件可以选择使用加强片，但本方法通常不要求采用加强片。8.3 试件制备试件制备与试验方法D 3039/D 3039M一致。9 标定9.1 标定方法与试验方法D 3039/D 3039M一致。10 状态调节10.1 状态调节方法与试验方法D 3039/D 3039M一致。11 试验步骤11.1 采用与D 3039/D 3039M一致的试验方法对45层压板进行拉伸试验，安装纵向和横向正应变测量设备，并且连续或近似连续地记录载荷-正应变数据。如果剪切应变达到5%时，试件未发生最终破坏，将删去5%以后的剪应变数据（见6.1.3的说明）。数据被删除后，为了计算和记录， 将对应5%的剪应变点的应力作为最大剪应力。任何数据的删除都应在报告中注明。12 计算12.1 最大剪应力/剪应力用式(1)计算45层压板的最大面内剪应力，结果保留三位有效数字。如果要计算剪切模量，则用式(2)确定所要求的每一个数据点的剪切应力。(1)(2)其中：=最大面内剪应力，MPapsi；=剪应变等于或小于5%处的最大载荷，Nlbf；=第i个数据点的剪应力，MPapsi；=第i个数据点的载荷，Nlbf；A=与试验方法D 3039/D 3039M一致的截面积，mm2in2。12.2 剪应变/最大剪应变如果要计算剪切模量或最大剪应变，则用式(3)确定所要求的每一个数据点的剪应变。用式(4)确定最大剪应变，结果保留三位有效数字。(3)(4)其中：=第i个数据点的剪应变，me；= 第i个数据点的纵向正应变，me；= 第i个数据点的横向正应变，me；=最大剪应变，me。12.3 剪切弹性模量12.3.1 弦向剪切弹性模量在1500-2500me范围内选取一个较低的应变作为起始点，使剪应变增加4000200me，在该区间内用式(5)计算弦向剪切弹性模量，结果保留三位有效数字，并给出计算时采用的剪应变范围。弦向剪切模量的图例如图3所示。注3基于泊松比接近1.0的45拉伸试件的剪切响应，确定剪切模量时选取的剪应变范围为2000-6000me，与D 3039/D 3039M中确定弦向拉伸弹性模量所采用的1000-3000me正应变范围大致相当。12.3.1.1 对于在6000me以前破坏或出现过渡区（应力-应变曲线的斜率发生明显改变）的材料，必须采用不同的应变范围。对于这种情况，通过试验后确定样本应变范围的上限值，即以线性区域应变上限的90%的平均值为基础再降低大约500me。应在报告中给出过渡区以及所采用的应变范围。 (5)其中：=弹性剪切弦向模量，GPapsi；=两个剪应变点之间的剪应力差值，MPapsi；=两个剪应变点之间的剪应变差值(一般为0.004)。12.3.2 弹性剪切模量(其他定义)可以计算和记录使用者自行定义的其他弹性模量。如果得到并记录了这样的数据，应给出其定义、所用的剪应变范围和试验结果，结果保留三位有效数字。试验方法E 111提供了用于确定弹性模量的其他指导。注4其他模量定义的一个例子为：对本质上表现出双线性应力应变特性的材料的次弦向弹性模量。12.4 偏移剪切强度需要时，可以从剪应力-剪应变曲线中确定偏移剪切强度。将弹性剪切弦向模量线从原点平移到一个指定的应变值，并且延伸该条线直到与应力-应变曲线相交。确定并记录对应于交点的剪应力值，与偏移应变值一起作为偏移剪切强度，如：MPa (6)偏移剪切强度的图例如图3所示。注5如果没有一个更为合适的值，推荐的偏移应变值为0.2%。图3 模量和偏移强度测量图解图4 低韧性PMC典型的剪应力-剪应变曲线 图5 韧性PMC典型的剪应力-剪应变曲线12.5 统计对于每一组试验，计算每一种测量性能的平均值、标准差和离散系数（以百分比表示）：(9)(10)(11)式中： =样本平均值sn-1 =样本标准差CV =样本离散系数，%N =试件数量xi =测量或导出的性能值13 报告13.1 本试验方法给出的数据，包括力学试验数据、材料鉴定数据、纤维填料及芯材数据，应分别与指南E1434，E1309和E1471一致。每一个数据都可归类于以下种类：(VT)有效试验结果的报告的要求，（VM）有效材料可溯性的要求，（RT）最大试验方法可溯性的建议，（RM）最大材料可溯性的建议，或者（O）可选择的数据。由试验指导可知，报告至少应包括指南E 1434中的所有（VT）项。13.1.1 指南E 1434中对该试验方法的说明13.1.1.1 Field A1，试验方法使用“D3518-94”或“D3518M-94”更为合适。13.1.1.2 Field A5，试验类型为“面内剪切”。13.1.1.3 Field B2，试件方向为“0.0”。13.1.1.4 Block E，传感器使用两次；每个传感器使用一次。13.1.1.5 Block F，试件几何形状F6（增强体体积含量）可以是实际值，也可以是样本的平均值。F7（总长度）和F8（工作段长度）可以是实际值，也可以是样本的名义值或平均值。F9（面积）是与试验方法D 3039/D 3039M一致的实际面积。F10必须满足试验方法D 3039/D 3039M。13.1.1.6 H32/K58，渐进损伤参数应为“0.2%偏移强度”。13.2 除了与试验方法D 3039/D 3039M一致的数据外，报告还应包括以下信息：13.2.1 本试验方法的修订版本级别或发布日期。13.2.2 确定弦向剪切模量时使用的剪应变范围。13.2.3 如果使用了除弦向剪切模量以外的其他