聚合物基復合材料及其層壓板短梁剪切強度標準試驗方法D 2344

1、astm 標準：d 2344/d 2344m00聚合物基復合材料及其層壓板短梁剪切強度標準試驗方法本試驗方法由astm的復合材料委員會d30審定，并由單層和層壓板試驗方法專業(yè)委員會d30.04直接負責。當前版本于2000年3月10日批準，2000年6月出版。最初出版為：d 234465t。上一版本為：d 234484(1995)。standard test method for short-beam strengthof polymer matrix composite materials and their laminates1 范圍1.1 本試驗方法適用于測量高模量纖維增強的聚合物基復合材

2、料的短梁剪切強度。短梁試件從一塊曲板或平板上經機械加工而成，其厚度可達6mm0.25in，短梁承受3點彎曲載荷。1.2 復合材料形式限定于連續(xù)或不連續(xù)纖維增強的聚合物基復合材料，其彈性性能關于梁的縱軸是均衡、對稱的。1.3 本標準并未打算提及，如果存在的話，與使用有關的所有安全性問題。在使用本標準之前，本標準的用戶有責任建立合適的安全與健康的操作方法，以及確定規(guī)章制度的適用性。1.4 以國際單位（si）或英制單位（inchpound）給出的數值可以單獨作為標準。每一種單位制之間的數值并不嚴格等效，因此，每一種單位制都必須單獨使用。由兩種單位制組合的數據可能導致與本標準的不相符。2 參考文獻2.

3、1 astm標準d 792置換法測量塑料密度和比重（相對密度）試驗方法 annual book of astm standards, vol 08.01.test methods for density and specific gravity (relative density) of plastics by displacementd 883與塑料相關的術語2terminology relating to plasticsd 2584彎曲增強樹脂燃燒質量損失試驗方法 annual book of astm standards, vol 08.02.test method for ignit

4、ion loss of cured reinforced resinsd 2734增強塑料空隙含量試驗方法3test method for void content of reinforced plasticsd 3171復合材料組分含量測試方法 annual book of astm standards, vol 15.03.test method for constituent content of composite materialsd 3878復合材料術語4terminology of composite materialsd 5229/d 5229m聚合物基復合材料吸濕性能及平衡狀

5、態(tài)調節(jié)試驗方法4test method for moisture absorption properties and equilibrium conditioning of polymer matrix composite materialsd 5687/d 5687m試件制備時按照工藝指南進行平復合材料板的制備指南4guide for preparation of flat composite panels with processing guidelines for specimen preparatione 4試驗機載荷標定方法 annual book of astm standards

6、, vol 03.01.practices for force verification of testing machinese 6與力學試驗方法相關的術語5terminology relating to methods of mechanical testinge 18 金屬材料洛氏硬度和洛氏表面硬度試驗方法5test methods for rockwell hardness and rockwell superficial hardness of metallic materialse 122 選擇樣本尺寸用以估計批次或工藝質量測量方法 annual book of astm stan

7、dards, vol 14.02.practice for choice of sample size to estimate a measure of quality for a lot or processe 177astm試驗方法中精度和偏差的使用方法6practice for use of the terms precision and bias in astm test methodse 456與質量和統(tǒng)計相關的術語6terminology relating to quality and statisticse 1309數據庫中纖維增強聚合物基復合材料的標識指南4guide for

8、the identification of fiber-reinforced polymer matrix composite materials in databasese 1434數據庫中纖維增強聚合物基復合材料的力學性能試驗數據記錄指南4guide for recording mechanical test data of fiber-reinforced composite materials in databasese 1471計算機材料性能數據庫中纖維、填料及蜂窩芯材料的標識指南4guide for the identification of fibers, fillers, an

9、d core materials in computerized material property databases3 術語3.1 定義術語d 3878定義了與高模量纖維及其復合材料有關的術語。術語d 883定義了與塑料有關的術語。術語e 6定義了與力學試驗有關的術語。術語e 456和操作規(guī)程e 177定義了與統(tǒng)計有關的術語。當各個標準定義的術語之間發(fā)生矛盾時，術語d 3878應優(yōu)先于其他標準。注釋如果術語表示一個物理量，它的分析量綱以基本量綱的形式緊跟在該術語（或文字符號）后面予以說明。方括號內所示的基本量綱采用下面的astm標準符號：質量為m，長度為l，時間為t，熱力學溫度為，無量綱量

10、為nd。由于不帶方括號時以上這些符號可能有其他的定義，因此這些符號在帶方括號時的使用僅限于分析量綱。3.2 本標準專用術語定義：3.2.1 均衡層壓板連續(xù)纖維增強的層壓板，其中，對于以層壓板參考軸測量的每一個+q層，均有一個相同材料的-q層與其平衡（例如，0/+45/-45/+45/-45/0）。3.2.2 短梁剪切強度用式(1)計算11.6節(jié)規(guī)定的破壞發(fā)生時試件中面的剪切應力。3.2.2.1 討論本試驗方法中，盡管剪切是主要的載荷形式，但是，內部應力很復雜，并可能出現不同的破壞模式。對于短梁結構的應力狀態(tài)，breg等1 、whitney2和sullivan等3的基于經典梁理論的彈性解被證明是

11、不合適的。這些解表明，用式(1)預計的概率剪切應力分布僅發(fā)生（并不準確）于加載頭與支撐點之間的平面中間處。遠離這些平面時，應力分布出現彎曲，其最大應力發(fā)生于加載頭和支撐點處。特別明顯的是加載頭處的局部應力狀態(tài)，即由橫向和面內剪切應力組合的嚴重的剪切應力集中，表明出現初始破壞。但是，對于韌性較好的基體，塑性屈服可以緩解加載頭處的應力狀態(tài)1，并允許發(fā)生其他模式的破壞，如底表面的纖維拉伸2。因此，除非明顯觀察到中面的層間破壞，否則，本方法測量的短梁剪切強度并不代表剪切性能，式(1)也不能得到正確的剪切強度值。3.2.1 對稱層壓板 一種連續(xù)纖維增強的層壓板，對于中面以上的每一個單層，都有一個位于中面

12、以下的相同的單層與之匹配（按照位置、方向和力學性能）3.3 符號b試件寬度；cv樣本的離散系數(以百分數表示)；fsbs短梁強度；h試件厚度；n試件數量；pm試驗中觀察到的最大載荷；xi樣本母體中每個獨立試件的測量或導出的性能值；樣本平均值。4 試驗方法概述4.1 短梁試件（圖1圖4）承受中心加載，如圖5和圖6所示。試件兩端置于兩個支座上，以便于橫向觀察，通過位于試件中點的加載頭直接施加載荷。5 意義與用途5.1 大多數情況下，因為試件內部應力的復雜性和破壞模式的多樣性，因此，將短梁剪切強度作為一種材料性能通常是不可能的。然而，破壞主要由樹脂和層間特性控制，對于一個給定的試件幾何尺寸、材料體系

13、和鋪層順序，試驗結果有很好的重復性4。5.2 本試驗方法測量的短梁剪切強度可以用于質量控制和工藝鑒定的目的。如果破壞模式完全相同，也可以用于復合材料的比較試驗5。5.3 本試驗方法并不僅限定于第8節(jié)給定的試件范圍，但是，加載的跨距與試件厚度之比限定為4.0，試件的最小厚度限定為2.0mm0.08in。6 影響因素6.1 為了對試驗數據進行合理的解釋，特別是對初始損傷模式的檢測，必須準確地記錄所觀察到的破壞模式。7 設備7.1 試驗機經過正確的標定，能以一個恒定的橫梁移動速度操作，加載系統(tǒng)的誤差不超過1%。在使用的橫梁速率下，載荷指示機構無慣性滯后，慣性滯后不能超過測量載荷的1%。試驗機精度應采

14、用與e4相一致的方法進行校驗。7.2 加載頭和支座如圖5和圖6所示，分別采用直徑為6.00mm(0.250in)和3.00mm(0.125in)的圓柱體，硬度滿足試驗方法e 18的要求，即60-62hrc；表面必須精細打磨，不能有凹痕和毛刺，并去除所有銳邊。7.1 千分尺用一個45mm0.160.20in公稱直徑的千分尺測量試件的寬度和厚度，其球形面放在不規(guī)則表面一側，例如層壓板真空袋一側表面，平的基準面放在機加平面或很光滑的模具一側表面。用千分尺或帶有平基準面的卡尺測量試件的長度。儀器的精度應是其最小讀數在試件幾何尺寸的1%以內。對于典型截面的幾何尺寸，精度為0.002mm0.0001in.

15、的儀器能滿足對試件厚度和寬度的測量要求；精度為0.1mm0.004in.的儀器適合于試件寬度的測量。7.4 調節(jié)箱在非試驗室環(huán)境下調節(jié)材料時，要求使用溫度/蒸汽水平可控的環(huán)境調節(jié)箱，并能將溫度保持在所要求溫度的3c5f以內，濕度保持在所要求濕度的3%以內。調節(jié)箱的環(huán)境條件在正常范圍內應以自動連續(xù)或規(guī)則間隔的手動方式進行控制。7.5 環(huán)境箱對于不同于大氣環(huán)境的試驗室條件的試驗環(huán)境，要求采用環(huán)境試驗箱。環(huán)境箱能使試件在力學試驗期間保持在要求的試驗環(huán)境下。8 取樣和試件8.1 取樣對每種試驗情況至少應進行5個試件的試驗，除非利用較少的試件可以得到有效的結果，如設計試驗的情況。為了得到具有統(tǒng)計意義的數

16、據，應參考操作規(guī)程e 122中所述步驟，并給出取樣方法。8.2 幾何形狀8.2.1 層壓板結構形式多向和純單向層壓板都可以進行試驗，只要梁的跨度方向的纖維含量至少為10%（最好通過厚度均勻分布），并且層壓板相對于梁的跨度方向是對稱均衡的。8.2.2 試件結構形式平試件和彎曲試件的典型結構形式如圖1圖4所示。對于厚度與圖中給定值不同的試件，推薦的幾何尺寸如下：試件長度=厚度6試件寬度，b=厚度2.0注2：lewis and adams6的分析顯示，寬度-厚度比大于2.0時，將導致寬度方向剪切應力的明顯變化。8.2.2.1 對于曲梁試件，推薦的弧度不能超高30，同時，試件的長度定義為最小弦長。8.

17、3 試件制備指南d 5687/d5687m推薦了試件的制備方法，并且應遵循下列的操作方法。8.3.1 層壓板制造層壓板可以是手工鋪設、長絲纏繞或者絲束鋪放，可以采用任何適合于層壓板的模壓方法成形，如加壓、真空袋、熱壓罐或樹脂傳遞模塑（rtm）。8.3.2 機械加工方法試件的制備非常重要。從圓環(huán)或平板上切割試件時應特別小心，以避免由于不合適的加工方法而引起的切口、劃痕、粗糙或不平的表面、或者分層。并通過水潤滑的精確切割、碾磨或磨削，得到試件最終尺寸。對于多數材料體系，使用金剛砂工具非常有效。試件邊緣應在特定的公差范圍內平坦且平行。8.3.3 標識為了便于區(qū)分試件，且能追溯到原材料，應對試件作標識

18、，試件的標識應既不受試驗的影響，又不影響試驗。注：(1) 繪圖說明：ansi y14.5-1982，ansi/asm b46.1-1986；(2) 鋪層方向相對于-b-的公差為0.5。圖1 平試件結構形式（si制）圖2 平試件結構形式（英制）注：(1) 繪圖說明：ansi y14.5-1982，ansi/asm b46.1-1986；(2) 鋪層方向相對于-b-的公差為0.5。圖3 彎曲試件結構形式（si制）注：(1) 繪圖說明：ansi y14.5-1982，ansi/asm b46.1-1986；(2) 鋪層方向相對于-b-的公差為0.5。圖4 彎曲試件結構形式（英制）9 標定9.1 所有

19、測量儀器的精度應已標定過，并且設備應在有效使用期內。10 狀態(tài)調節(jié)10.1 標準狀態(tài)調節(jié)方法作為試驗的一部分，除非規(guī)定了不同的環(huán)境條件，否則應按試驗方法d 5229/d 5229m中的方法c對試件進行狀態(tài)調節(jié)，且應在標準試驗室環(huán)境（233c735f和5010%相對濕度）中保存和試驗。11 試驗過程11.1 試驗前確定的參數：11.1.1 試件的取樣方法和試樣的幾何尺寸。11.1.2 材料性能和數據報告的格式。注5試驗前確定特定材料參數、精度和數據的報告要求，以便適當的選擇測試儀器和數據記錄設備。估計工作應力有助于設備的標定和設備設置的確定。11.1.3 環(huán)境狀態(tài)調節(jié)試驗參數11.1.4 如果進

20、行了試驗，用于確定密度和增強體體積的取樣方法、試件幾何尺寸和試驗參數。11.2 一般說明11.2.1 報告試驗方法的任何偏差，無論是有意還是無意的。11.2.2 如果報告了比重、密度、增強體體積或空隙體積，那么必須從同一塊板上獲取這些試件。比重和密度由試驗方法d 792得到。由試驗方法d 3171的基體溶解方法，或者，對于某一增強材料，例如玻璃或陶瓷，用試驗方法d 2584中的基體燃燒方法，來計算組分材料的體積百分比。用試驗方法d 2734中空隙含量的計算公式得到的空隙含量適用于試驗方法d 2584和d 3171。11.2.3 要求的試件狀態(tài)調節(jié)。如果試驗環(huán)境與狀態(tài)調節(jié)環(huán)境不同，則應在狀態(tài)調節(jié)

21、環(huán)境下儲存試件，直到試驗開始。11.2.4 接下來進行最終的試件加工和狀態(tài)調節(jié)，試驗前，測量并記錄試件中心截面處的寬度和厚度以及試件的長度，測量精度如7.1節(jié)中所述。11.3 試驗速度以1.0mm(0.05in)/min的橫梁移動速度作為試驗速度。 11.4 試驗環(huán)境如果可能，試件應在與狀態(tài)調節(jié)相同的液體暴露水平下進行試驗。然而，如果試驗溫度高于試驗機環(huán)境箱的要求，則應在無液體暴露控制的條件下進行給定溫度的試驗。這種情況下，對試件從狀態(tài)調節(jié)箱中取出直到試驗結束的時間應有嚴格限制，以避免試件出現不可逆的濕度損失。應記錄對試驗環(huán)境的任何改進以及試件從狀態(tài)調節(jié)箱中取出直到試驗結束后的重量變化。11.

22、4.1 在試件長度方向中點處的下側安裝一個合適的溫度傳感器以檢測試件的溫度。11.5 試件安裝將試件放入試驗夾具中，使模具一側置于反作用支座上，如圖5或圖6所示。將試件中心對齊，使其長軸與加載頭和支座垂直。調整跨距，使得跨距-厚度測量值之比為4.0，起精度為0.3mm(0.012in)。加載頭和支座的每個側邊應至少超過試件寬度2.0mm(0.08in)。對于平層壓板的試驗，試件每端應超出支座中心線至少一倍試件厚度的距離。11.6 加載以特定的加載速率對試件加載，同時記錄數據。連續(xù)加載直到下列情況發(fā)生： 11.6.1 載荷回落30%；11.6.2 試件破壞為兩片，或者11.6.3 加載頭的位移超

23、過了試件的名義厚度。11.7 數據記錄記錄整個試驗過程中的載荷-橫梁位移數據。記錄最大載荷、最終載荷以及載11.8 破壞模式目視可觀察的典型破壞模式如圖7所示，但是，破壞前可能出現目視很難檢測的局部損傷模式，如橫向層的開裂。記錄試件的破壞模式和破壞區(qū)域，如果可能，應辨別是單一破壞模式或是組合模式。12 計算12.1 短梁強度用式(1)計算短梁強度，如下所示： (1)其中：fsbs=短梁強度，mpapsi；pm=試驗中觀察到的最大載荷，nlbf；b=試件寬度測量值，mmin；h=試件厚度測量值，mmin。12.2 統(tǒng)計對于每批試驗，用下列公式計算每一個需要測量的性能的平均值、標準差和離散系數（百

24、分數）： (2) (3) (4)其中：=樣本的平均值；=樣本的標準差；cv=樣本的離散系數，%；n=試件數量；=測量或導出的性能值。13 報告13.1 報告應給出下列信息或含有這些信息的參考文獻（對超出一個給定試驗室范圍的事項，如關于材料細節(jié)或壁板加工參數，委托方有責任給出有關報告。）：注4指南e 1309、e 1434和e 1471包含了關于復合材料和復合材料力學試驗數據報告的建議。13.1.1 本試驗方法或修訂級別或發(fā)布日期。13.1.2 試樣的結構形式是標準的，還是變化的。13.1.3 試驗時間與地點。13.1.4 試驗人員姓名。13.1.5 任何與本試驗方法不同之處，試驗時出現的異常情

25、況以及試驗時出現的設備問題。13.1.6 試驗材料的證明文件，包括：材料規(guī)格、材料類型、材料牌號、制造廠家、制造廠家的批號或爐號、來源(如果不是由制造廠家提供)、檢驗日期、有效期限、單絲直徑、纖維束或紗的支數與捻度、浸潤劑、結構形式或機織、纖維面積重量、基體類型、預浸料基體含量以及預浸料揮發(fā)物含量。13.1.7 層壓板制造步驟的描述，包括：制造開始時間、制造結束時間、工藝規(guī)范、固化周期、壓實方法及所用設備的描述。13.1.8 單層方向和層壓板的鋪層順序。13.1.8 如果要求，給出密度、增強體的體積百分比和空隙含量測試方法、試件取樣方法和幾何形狀、試驗參數和試驗結果。13.1.10 材料的平均

26、單層厚度。13.1.11 任何無損評估試驗的結果。13.1.12 試驗件的制備方法，包括：試件編號方案和方法、試件幾何形狀、取樣方法和試樣切割方法。13.1.13 所有測量儀器和試驗設備的標定日期和方法。13.1.14 加載頭和支座的詳細描述，包括直徑和材料。13.1.15 試驗機型號、對中結果以及數據采樣速率和設備型號。13.1.16 每個試驗件的幾何尺寸。13.1.17 狀態(tài)調節(jié)參數和結果。13.1.18 試驗室的相對濕度和溫度。13.1.19 試驗機環(huán)境箱環(huán)境（如果使用）和在環(huán)境中的浸透時間。13.1.20 試驗的試件數量。13.1.21 試驗速率。13.1.22 試驗過程中觀察到的每個

27、試件的最大載荷。13.1.23 每個試件的載荷-位移曲線。13.1.24 每件試件的破壞模式，如果可能，采用圖7的標識。14 精度與偏差14.1 精度本試驗方法沒有為編制精度陳述所需的數據。14.2 偏差由于沒有可接受的參考標準，本試驗方法不能確定偏差。15 關鍵詞15.1 復合材料；樹脂和層間性能；短梁強度參考文獻1 berg, c. a., tirosh, j., and israeli, m., “analysis of short beam bending of fiber reinforced composites,” in composite materials:testing and design (second conference), astm stp 497, astm, 1972,