聚合物基复合材料层压板充填孔拉伸和压缩标准试验方法(D 6742)

ASTM 标准：D6742/D6742M–02
聚合物基复合材料层压板充填孔拉伸和压缩标准试验方法1 Standard Practice for Filled-Hole Tension and Compression Testing
of Polymer Matrix Composite Laminates
本标准以固定标准号D 6742/6742M颁布；标准号后面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（ ）表明自最近版本或批准以后进行了版本修改。

1 范围
1.1 本试验方法提供了改进的开孔拉伸和压缩试验方法，以确定充填孔拉伸和压缩强度。

复合材料形式限于连续纤维增强的聚合物基复合材料，且层压板相对于试验方向是对称均衡的。

可以接受的试验层压板和厚度范围在8.
2.1节描述。

1.2 对于安装有紧配合紧固件或销钉的孔的试件，本方法对试验方法D 5766/D 5766M（对于拉伸）和D 6484/D 6484M（对于压缩）进行了补充规定。

本试验方法对几个重要的试件参数（例如，紧固件的选择、紧固件安装方法、紧固件孔的公差）没有明确规定，但是，试验结果的重复性则要求对这些参数进行给定并在报告中注明。

1.3 以国际单位（SI）或英制单位（inch–pound）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一致。

1.4 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。

2 引用标准
2.1 ASTM标准
D 792 置换法测量塑料密度和比重（相对密度）试验方法2
Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by
Displacement
D 883 与塑料有关的术语2；
Terminology Relating to Plastics
D 3171 复合材料组分含量测试方法3
Test Method for Constituent Content of Composite Materials
D 3878 复合材料术语3
Terminology of Composite Materials
D 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3
Test Method for Moisture Absorption Properties and Equilibrium Conditioning of
1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D30.05直接负责。

当前版本于2002年10月10日批准，2002年11月出版。

最初出版号D6742/D6742M-01，上一版本号D6742/D6742M-01。

2Annual Book of ASTM Standards, V ol 08.01.
Polymer Matrix Composite Materials
D 5766/D 5766M 聚合物基复合材料开孔拉伸强度试验方法3
Test Method for Open Hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite
Laminates
D 6484/D 6484M 聚合物基复合材料开孔压缩强度试验方法3
Test Method for Open-Hole Compressive Strength of Polymer Matrix Composite
Laminates
D 6507 复合材料纤维增强方向编码方法3
Practice for Fiber Reinforcement Orientation Codes for Composite Materials
E 6 与力学试验方法有关的术语4；
Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing
E 177 ASTM试验方法中各项精度和偏差的使用的操作规程5；
Practice for Use of the Terms Precision and Bias in ASTM Test Methods
E 456 与质量和统计有关的术语5；
Terminology Relating to Quality and Statistics
E 1309 数据库中纤维增强聚合物基复合材料的标识指南3
Guide for the Identification of Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite
Materials in Databases
E 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3
Guide for Recording Mechanical Test Data of Fiber-Reinforced Composite
Materials in Databases
3 术语
3.1 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1——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[Θ]，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 名义值——仅存在于名称中的值，出于便于表示的目的，指定了一个可测量的性能。

公差可能被作为一个名义值，用于为性能确定一个可接受的范围。

3.2.2 沉头孔平齐度（裕度）——紧固件安装后，沉头紧固件头部相对于层压板表面的突出深度。

正值表示紧固件头部突出于层压板表面，负值则表示深度低于层压板表面。

3.2.3 沉头孔深度——为了正确安装沉头紧固件所要求的沉头孔深度，即沉头孔平齐度为零。

沉头孔深度通常等于紧固件头的高度。

3.3 符号
A——试件的横截面积
d——紧固件直径
D——试件的孔径
4Annual Book of ASTM Standards, Vol 03.01.
d csk——沉头孔深度
d fl——沉头孔平齐度（裕度）
f——边距，即平行于载荷方向、从孔边缘到试件最近一个侧边的距离
fhcu
F——试验方向上的充填孔极限压缩强度
x
fhtu
F——试验方向上的充填孔极限拉伸强度
x
g——端距，即平行于载荷方向、从孔边到试件端部的距离
h——试件厚度
P max——试件承受的最大载荷
W——试件宽度
4 试验方法概述
4.1 充填孔拉伸强度——与试验方法D 5766/D 5766M一致，带有中心孔的对称均衡层压板进行单轴拉伸试验，但是，中心孔安装一个紧配合的紧固件或销钉。

4.2 充填孔压缩强度——与试验方法D 6484/D 6484M一致，带有中心孔的对称均衡层压板进行单轴压缩试验，但是，中心孔安装一个紧配合的紧固件或销钉。

注2——对于两种试验方法，极限强度的计算基于毛横截面积，而忽略充填孔的存在。

虽然充填孔导致了应力集中并减少了净面积，但是，基于毛面积应力而建立的缺口设计许用强度则是航天界通常的实施方法，以便考虑各种形式的应力集中（紧固件孔、自由边、裂纹、损伤等），而无须在应力分析中明确模拟。

5 意义和用途
5.1 本方法对试验方法D 5766/D 5766M（对于拉伸）和D 6484/D 6484M（对于压缩）进行了补充规定，以得到用于材料规范、研究与开发、材料设计许用值及质量保证的充填孔拉伸和压缩强度数据。

影响充填孔拉伸和压缩强度并应该在报告中给出的因素包括：材料、材料制备方法、铺贴精度、层压板铺层顺序和总厚度、试件几何形状、试件制备（特别是孔）、紧固件-孔的间隙、紧固件类型、紧固件尺寸、紧固件安装方法、紧固件拧紧力矩（如果使用）、沉头孔深度（如果使用）、试件状态调节、试验环境、试件对中度和夹持、试验速度、孔隙含量和增强体的体积百分比。

本试验方法可以得到下列性能值：
F
5.1.1 充填孔拉伸（FHT）强度，fhtu
x
F
5.1.2 充填孔压缩（FHC）强度，fhcu
x
6 干扰因素
6.1 紧固件-孔间隙——孔与紧固件直径之间的间隙对压缩试验结果有特殊的影响。

25μm[0.001in]的间隙可能明显改变破坏模式，并对强度结果的影响可达到25%(1)6，因此，必须精确测量偶记录孔和紧固件的直径。

对于航空结构的紧固件孔，典型的紧固件-孔间隙的公差范围为+75/-0μm[+0.003/-0.000in]。

对于拉伸载荷，紧固件-空的间隙也将影响充填孔试件的性能，但影响程度小于压缩载荷情况(2-3)。

紧固件安装时，过小的间隙导致的损伤将对强度结果产生影响。

沉头孔平齐度（紧固件头部在沉头孔中的深度或突出）将影响强度结果，因此，必须精确测量并记录。

6.2 紧固件拧紧力矩/预载——安装紧固件的预载（夹持压力）将对结果产生影响。

对于拉伸和
压缩情况，紧固件预载的变化将使得层压板的破坏载荷和破坏模式发生显著的变化。

临界预载条件（高或低的夹持压力）根据载荷类型、材料体系、层压板铺层顺序和试验环境而改变(3-5)。

与开孔拉伸（OHT）强度相比，充填孔拉伸（FHT）强度可能高于或低于对应的OHT强度值，这取决于材料体系、铺层顺序、试验环境和紧固件的拧紧力矩。

对于某些铺层，缺口拉伸强度可能具有较高的拧紧力矩临界值，而对于其他铺层，则具有较低的拧紧力矩临界值或开孔），这取决于材料体系的特征（树脂的脆性、纤维的破坏应变，等等）、试验环境和破坏模式。

充填孔压缩（FHC）强度几乎总是高于对应的开孔压缩（OHC）强度，尽管夹持压力临界值的大小依赖于材料体系、铺层顺序和试验环境(5)。

6.3 紧固件类型/孔的制备——紧固件的几何形状和类型以及紧固件的安装方法都将对结果产生影响，孔的制备方法也将对结果产生影响。

6.4 环境——试验的环境条件将对结果产生影响，对于不同环境下进行试验的层压板，其破坏载荷和破坏模式发生显著的变化。

已有的经验表明，对充填孔拉伸强度，低温环境通常是最严重的；而对充填孔压缩强度，湿热环境通常是最严重的。

但是，对于每一种材料体系、铺层顺序和拧紧力矩条件，最严重的环境必须单独评定。

6.5 试件几何尺寸——除了试验方法D 5766/D 5766M和D 6484/D 6484M中指出的试件几何尺寸的影响因素外，沉头（埋头）深度-厚度之比将对结果产生影响，首选的比值范围为0.0-0.7，除非试验是为了研究该比值的影响。

试件的宽度-紧固件直径之比也将对结果产生影响，根据特定采用的紧固件和孔的直径，该比值可以不保持为6。

如果孔偏离长度或宽度的中心，也将对结果产生影响。

6.6 材料的正交各向异性——层压板的正交各向异性程度强烈地影响破坏模式及FHT和FHC强度的测量值。

只记录有效的FHT和FHC强度值，此时观察到的破坏模式应与11.5节所规定的合适模式相符合。

6.7 其他——对于拉伸试验，试验方法D 5766/D 5766M给出了导致数据分散性的其他潜在的因素，对于压缩试验，试验方法D 6484/D 6484M给出了导致数据分散性的其他潜在的因素。

7 设备
7.1 普通夹具——普通夹具应与试验方法D 5766/D 5766M（拉伸试验）和D 6484/D 6484M（压缩试验）一致，只是将一个紧固件或销钉安装于试件的孔中。

使用千分尺或测量仪器测量孔和紧固件的直径，其精度应达到±8μm[±0.0003in]。

7.2 紧固件——紧固件或销钉的类型应作为初始试验参数并记录，紧固件的公称直径为6mm[0.25in]，除非试验为了研究孔径的变化范围。

某些类型的紧固件（如封闭螺栓）不能用于该直径，对于这类情况，推荐采用孔径尽可能接近6mm[0.25in]的紧固件。

安装的拧紧力矩（如果采用）应作为初始试验参数并记录。

紧固件锁紧的拧紧力矩应当采用实际测量值或一个给定值。

如果使用垫片，那么，垫片类型、垫片数量和垫片位置都应作为初始试验参数并记录。

紧固件不能重复使用，因为对于一个给定的拧紧力矩，螺纹的磨损可能导致厚度方向的夹紧力发生变化。

7.3 扭力搬手——如果采用带拧紧力矩的紧固件，用于拧紧接头紧固件的扭力搬手应能够确定施加的力矩在给定值的±10%以内。

8 取样和试件
8.1 取样——对于拉伸试验，取样方法与试验方法D 5766/D 5766M一致，而对于压缩试验，取样方法与试验方法D 6484/D 6484M一致。

8.2 几何形状
8.2.1 铺层顺序——标准的预浸带和织物层压板应当含有多向纤维（至少有2个方向的纤维），且具有对称均衡的铺层顺序。

对于拉伸试件，名义厚度为 2.5 mm[0.10 in]，允许的范围为2~4 mm[0.080~0.160 in]。

对于压缩试件，名义厚度为 4 mm[0.160 in]，允许的范围为3~5 mm[0.125~0.200 in]。

含有缎纹组织的机织物层压板应当具有对称的经纱表面，否则应在报告中给出并注明。

注3——通常应选择[45/0/-45/90]ns预浸带或[45i/0j]ms织物层压板，并且在四个主要方向上，每个方向纤维的单层至少为5%。

已经发现这种层压板的设计最有可能呈现可接受的破坏模式。

关于纤维方向的代码见D 6507。

8.2.2 试件结构形式——对于拉伸试验，试件结构形式与试验方法D 5766/D 5766M一致，而对于压缩试验，试件结构形式与试验方法D 6484/D 6484M一致。

根据采用的紧固件类型，名义的孔径可能不同于试验方法D 5766/D 5766M和D 6484/D 6484M。

8.3 试件制备——对于拉伸试验，试件的制备与试验方法D 5766/D 5766M一致，而对于压缩试验，试件的制备与试验方法D 6484/D 6484M一致。

采用试验提出方规定的合适方法进行孔的制备。

9 标定
9.1 所有测量仪器的精度应已标定过，并在有效使用期内。

10 状态调节
10.1 标准状态调节方法——作为试验的一部分，除非规定了不同的环境条件，否则应按试验方法D 5229/D 5229M中的方法C对试件进行状态调节，并在标准试验室大气环境（23±3︒C[73±5︒F]和50±10%相对湿度）中储存和试验。

11 试验步骤
11.1 试验前规定的参数
11.1.1 试件取样方法、试件类型和几何形状、紧固件类型和材料、沉头角度和深度（如果使用）、紧固件拧紧力矩（如果使用）、清理工艺以及状态调节的随炉件。

11.1.2 期望的试验方法（A或B）。

11.1.3 期望的数据记录格式。

注4——为了正确地选择仪器和数据记录设备，在试验之前应确定具体材料的性能、精度和数据记录要求。

预计施加的挤压应力和挤压应变水平，有助于选择传感器、标定设备的和确定设备安装。

11.1.4 环境调节试验参数。

11.1.5 如果进行的话，引伸计的要求和有关的计算。

11.1.6 如果进行的话，用于确定密度和增强材料体积含量的取样方法、试件的几何形状和试验
参数。

11.2 一般指导
11.2.1 报告不同于本试验方法的任何偏差，不管是有意的或者是无意的。

11.2.2 如果报告了比重、密度、增强体体积或空隙体积，那么必须从进行试验的同一块壁板上取样。

比重和密度由试验方法D 792得到。

由试验方法D 3171的基体溶解方法，或者，对于特定的增强材料，例如玻璃和陶瓷，用试验方法D 2584中的基体蒸发方法，来计算组分材料的体积百分比。

试验方法D 2734中的空隙含量计算公式可用于试验方法D 2584和基体溶解方法。

11.2.3 要求对试件进行状态调节。

如果试验环境与调节环境不同，应将试件储存在调节环境中直到试验开始。

11.2.4 在最终的试件机械加工和状态调节后，但在试验之前，测量孔附近的试件宽度w和试件厚度h，并测量孔径D、从孔边缘到试件最近一侧的距离f、从孔边缘到试件端部的距离g。

所有测量值的精度应在相应尺寸的1%以内。

以mm[in]为单位记录尺寸，结果保留三位有效数字。

11.3 试验速度－设置的试验速度要使得试件在1~10分钟内破坏。

如果不能够合理地预计材料的极限强度，则最初的试验应以标准速度进行，直到获得材料的极限强度和系统的柔度，从而可以调节试验速度。

建议采用的标准夹头位移速率为2mm/min[0.05mm/min]。

11.4.2 试验环境—如果可能，在与状态调节的液体暴露水平相同的情况下进行试验。

然而，有许多实例，如对一个潮湿的试件进行升温试验，将其放置在普通试验机环境箱中是不切实际的。

这种情况下，就可能需要对力学试验环境进行改进，如在无液体暴露控制下进行升温试验，但从调节箱内取出到试件破坏要有一个规定的时间限制。

应记录对试验环境的任何改进。

11.5 试件安装——将试件安装于开孔压缩夹具中，保证试件机械加工的两端与夹具两部分的端头平齐。

这可使试件的孔位于夹具缺口的中心。

拧紧4个螺栓，使试件正好固定于夹具安装的位置。

LGM AGM MGM
横向通过孔中心的层压板拉伸破坏模式，可能出现劈裂和分层在孔处层压板的典型拉伸破
坏，但通过孔的横向中心线还
保留角铺设层，可能出现劈裂
和分层
在孔处层压板的拉伸破坏，
在不同的子层出现多种破坏
模式，出现劈裂和分层。

图1 可接受的充填孔拉伸破坏模式
LGM AGM MGM
横向通过孔中心的压缩破坏模式（0︒层控制的弯折/屈曲），可能出现劈裂和分层。

在孔处的典型层压板压缩破坏，
但通过孔的横向中心线还保留角
铺设层（±45︒层控制的基体失
效），可能出现劈裂和分层。

在孔处的层压板压缩破坏，
在不同的子层出现多种破
坏模式，出现劈裂和分层。

图2 靠近中心孔处可接受的充填孔压缩破坏模式
图3 偏离孔中心处可接受的充填孔压缩破坏模式
12 有效性
12.1 对于在某些明显缺陷部位发生破坏的试件，除非该缺陷是一个待研究的变量，否则，不应计算其极限性能值。

对于不能计算其极限性能值的试件，要重新进行试验。

12.2 如果样本母体中有很大一部分试件在任何远离中心孔处发生破坏，则应重新检查材料的载荷引入方法。

应该考虑的因素包括夹具对中度、夹持压力、夹头对中度、夹具两部分的分离、试件厚度的斜度以及试件机械加工端头的不平坦。

13 计算
13.1 极限强度
13.1.1 拉伸试验方法——采用式(1)计算充填孔的极限拉伸强度，记录保留三位有效数字。

记录采用名义尺寸计算的名义强度值和采用测量尺寸计算的实际强度值。

A P F fhtu x /max =
(1)
式中：
fhtu x F =充填孔极限拉伸强度，MPa[psi]
P max =破坏前的最大载荷，N[lbf]
A =毛横截面积（忽略孔），=h ⨯w ，mm 2[in 2]
注4——拉伸强度计算时，忽略孔的直径，采用毛横截面积。

13.1.2 压缩试验方法——采用式(2)计算充填孔的极限压缩强度，记录保留三位有效数字。

记录采用名义尺寸计算的名义强度值和采用测量尺寸计算的实际强度值。

A P F fhcu x /max =
(2)
式中：
fhcu x F =充填孔极限压缩强度，MPa[psi]
P max =破坏前的最大载荷，N[lbf]
A =毛横截面积（忽略孔），=h ⨯w ，mm 2[in 2]
注5——压缩强度计算时，忽略孔的直径，采用毛横截面积。

13.2 宽度-直径比——宽度-直径比的计算与试验方法D 5766/D 5766M （拉伸试验）和D 6484/D 6484M （压缩试验）一致，记录用名义尺寸计算的名义比值和用测量尺寸计算的实际比值。

13.3 直径-厚度比——直径-厚度比的计算与试验方法D 5766/D 5766M （拉伸试验）和D 6484/D 6484M （压缩试验）一致。

记录用名义尺寸计算的名义比值和用测量尺寸计算的实际比值。

13.4 沉头深度-厚度比——如果孔中安装了沉头（埋头）紧固件，则采用式(3)计算沉头深度-厚度比。

记录用名义尺寸计算的名义比值和用测量尺寸计算的实际比值。

h
d h d csk
csk =
比/ (3)
式中：
d csk =紧固件沉头深度，mm[in] h =靠近孔处的试件厚度，mm[in]
13.5 弯曲百分比——压缩试验时，如果在两侧都安装引伸计，采用试验方法D 6484/D 6484M 的计算方法计算侧向弯曲百分比。

13.6 统计——对于每一组试验，计算每一种测量性能（名义值和实际值）的平均值、标准差和离散系数（以百分比表示），计算方法与试验方法D 5766/D 5766M （拉伸试验）和D 6484/D 6484M
（压缩试验）一致。

14 报告
14.1 采用指南E 1309，E 1471，和E 1434的方法，报告与试验方法D 3039/D 3039M一致的所有合适的参数。

14.2 此外，报告应最大程度地给出下列信息或含有这些信息的参考文献（对超出一个给定试验室范围的事项，如关于材料细节或壁板加工参数，委托方有责任给出有关报告。

）：
14.2.1 本试验方法的修订版本或发布日期。

14.2.2 使用的试验方法（A或B）。

14.2.3 任何与本试验方法不同之处，试验时出现的异常情况以及试验时出现的设备问题。

14.2.4 每个试件的名义宽度-孔径比和实际宽度-孔径比。

14.2.5 每个试件的名义孔径-厚度比和实际孔径-厚度比。

14.2.6 用测隙规测量的支撑板与长夹板之间的间隙以及长夹板与试件工作段之间的间隙。

14.2.7 每个试件的极限开孔拉伸强度值，母体的平均值、标准差和离散系数（以百分数表示）。

14.2.8 引伸计的类型，每个试件的应力-应变曲线、表格形式的应力-应变数据或者弯曲百分比-载荷或横梁位移数据、或者它们的组合。

14.2.9 每个试件的破坏模式和位置。

15 精度和偏差
15.1 精度——本试验方法没有为编制精度陈述所需的数据。

15.2 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。

16 关键词
16.1 螺栓连接；复合材料；压缩试验；紧固件；充填孔压缩强度；充填孔拉伸强度；拉伸试验。