拉伸试验

4、试验环境 试验发现： 单向玻璃纤维增强复合材料的应力－应变曲线在材料破坏前是线性的； 正交增强的、非编织的玻璃纤维复合材料和玻璃布材料的应力－应变关系曲线是 由两条或多条斜率不同的直线组成。 折点存在原因：
Stress
Strain
1、材料的局部破坏为主要原因；
2、设备的不完善；
Y
X Z
关于泊松比
问题与难点：
－在拉伸条件下，纤维聚合物复合材料的泊松比并非不变值，而是随着载荷的增 加而减小，有时会出现负的泊松比。 －分析其主要原因：泊松比的符号取决于增强纤维的铺设方向和顺序，反映在边 缘效应上。因此，对增强纤维的横向相对应变进行测量时困难；
解决办法：
－取厚与宽相同的承均质叠层的试样上测定泊松比，且由单向材料的试样测量， 并加载水平给予说明。
根据试验的目的不同 选择不同形状、尺寸的 试件。 要测定弹性常数该选 哪一种呢？
强度呢？
板样试件的加载
各向异性杆的变形特征 －对于各向异性材料，受轴向拉伸的杆不仅沿加载方向延伸，沿横向收 缩，而且在所有平行于坐标平面的面上受剪。与各向同性材料相反。
－在约束变形条件下，出 拉伸应力外，还产生弯曲 力和剪切力，从而导致变 形不均匀。 －此时，弯曲和剪切的影 响不仅取决于被测试材料 的弹性常数，而且取决于 试样的长宽比。
lL : 试样在基长lT 上的纵向变形；
i i 式中： lL / lL L和－lT / lT T 可直接用电阻应变片测量；
破坏模式
－纤维聚合物的破坏模式主要是由于增强叠层形式、各组分的材料的力学 性能及组分间的作用，工艺缺陷（空隙、纤维波纹度等）、以及试样尺寸 所决定。
几种破坏模式：
然而，当 时，试件破坏的层间剪应力 可能超过材料 的极限值。由于弯曲的结果，内层受载，而外层载荷不足。
T
纤维环氧复合材料和碳纤维复合材料的内表面（接触面）相对 圆周应力 / m 的变化曲线。
可看出：圆周应力的分布与试样材料的关系很小。
针对长环型试件的内表面相对圆周应力 / m 的变化曲 线
!
只有仔细观察、记录、分析被测试件破坏模式，才能提炼 出反映真实物理客观事实的理论模型，才能真正指导材料的设 计、和优化出完美的材料。
加载条件
－根据试验的目的有选择加载。 弹性常数的 测定： 先加载到预期静强度的10－20％，然后，降低到静强度 的5％之后再开 始加载。 破坏强度的测定： 可直接加载到破坏为止，但加载速率要恒定。若不恒定呢？
p i：载荷增量； S:试样标距的横截面积； l:引伸计的跨度； l:l的变形；
i x :电阻应变片测定的应变；
实际测量时，若测得的应力－应变曲线无线性段，只能测定正切或正割时 的弹性模量。
泊松比的确定： i
yx
i i y z i , zx i x x
i lT lL T i lT : 试样在基长lT 上的横向变形； lT lL L
处理试验结果所用的数学公式与试件破坏形式不适应；
原因：实际测量时，往往因纵向层间分离、剪切或标距外破坏、卡具内破坏的发 生而造成。 解决办法：加紧形式、对中、防滑。
应力－应变曲线（－）
纤维聚合物复合材料的拉伸应力－应变曲线取决于： 1、增强相和铺层方式； 2、增强相与基体的相互作用；
3、对中问题；
复合材料拉伸实验
一、板状试件的拉伸
－单向拉伸是复合材料力学性能试验应用最广，研究最多的一种方法。前苏、美、 德、英各自的标准加入ISO后，我国参照ISO也建立了自己的国标（GB）。
拉伸时的难点：
－在整个标距段难以建立均匀的应力状态。 由于测量弹性常数和断裂强度对试件所受的应力状态要求不同；根据圣维南原理， 各向异性材料的表现最为突出；同传统的材料相比，试件的端部效应更为明显。 －为了即避免边界效应的影响，又能较为准确测定刚度，势必增加试件的长度， 但同时可能带来破坏模式的改变。因此，必须保证试件的数量和尺寸不同的试件。 测定强度时常见的误差：

p p
1
2
1 p1 p2 q1 q2 式中：
L1 2 p2 1 L2 2 p1 1 p2 p1 1 p1 p2
L ,
1 1 1
L ;
2 2 2
T2 (2 p2 1) T2 2 p1 1 T1 p2 T2 p1 p1 p2
T1
,
' 1
1
' T ;
2 2 2
0
E0
p1 sin 2 1 ,
p2 sin 2 2 ;
q1 sin 2 21 q2 sin 2 2 2 ;
如果试件尺寸可固定测量Z方向上电阻应变片，则可测得主要弹性常数
zx a13 Ex和 xy a23 E y
p D E 2bh 2u
b 环试件宽度； h 环试件厚度； D 环的平均直径； u－载荷增加p时，两半盘间距的变化量；
－两个半盘间的初始距离一定要小（要求两面全面接触），因随着 两个半盘之间的间隙出现，试样的相应部分不仅会被拉直，而且还 会有偏转（如a型）简化改进后的卡具就考虑了这一点。 －由于试件同拉力盘不能完全接触，而且，由于摩擦的影响，以及 拉力盘分开处的试件局部变形的因素的存在，所以环的圆周应变分 布是不均匀的。
不同纤维材料的NOL环的应力集中，靠近拉力盘对开处的相对接 触压力 P / Pm 变化的理论曲线，P是内压，在试件中产生相当于 受拉力盘拉伸形成的圆周力 。
可看出： 接触压力的变 化主要于试样 材料有关。
柔性圆环加载法
－利用橡胶或液体作为工作介质，使环内表面产生均匀压力的加载方法。
优点： 由于采用了均匀的内压，排除了对开式拉力盘对开平面上与环状试样弯 曲有关的现象。
拉伸应力的传递
－通常采用自锁楔式夹头中的试样加载。
保证试件在夹头中加紧的条件：
1 F P 2
P：载荷； F：一个侧面的摩擦力；
F可由下式确定：
P f F ＝Pf 2 tg ( )
f 复合材料同楔形面间摩擦系数；
楔形夹钳的斜角； 夹头斜面上滚动摩擦的折算角； 正压的传递强度系数
验证试验发现：环试件圆周应变、应力分布 不均匀; 从而确定了电阻应变片粘贴的有效 位置；
此时，弹性模量由下式确定:
p 1 E 2bh
p 载荷；
－电阻应变片测得的应变平均值（4个）
圆周弹性模量 E也可由于长环试件的测定（b）,此时，电阻应变 片应贴在直线部位。
强度测量：
PT ＝ 2bh
P
P
P
P a
c
P b
试件环主要采用缠绕法和机械加工法制备
Naval Ordnance Lab.
试件的尺寸：ASTM标准规定了经机械加工的圆环的尺寸
圆环试件卡具
简化改进后的圆环试件卡具
石墨润滑剂
液压式驱动卡具
对弹性模量E的测定，有几种测量变形的方法。最简单的方法是测量两 个半盘间的间隙量（a类似）。
1 2
’ ’ ， ：横向应变；ຫໍສະໝຸດ 1 2 ， ：相应应力；
1 2
各向弹性常数的导出
1 L1 p2 L2 p1 4(T1 T2 ) p1 p2 (q2 q1 ) Ex p2 p1 L1 ( p2 1) L2 ( p1 1) 1 Ey p2 p1 4 T1 T2 1 Gxy
弹性模量和泊松比的测定：
对试样要加载几次（至少3次），若数据很分散，就加载6－10次，但应 力不要超 过应力－应变曲线上的拐点的水平。
加载速率的选择：
可查阅相关手册或国标。
试样的形状和尺寸
一般要求： －参考标准，结合卡具类型。 －尽量保证标距段的应力均匀； －保证在标距段破坏，以确保 试验数据有效性。
弹性模量的计算：
pDi E 2h
p 橡胶对内环表面产生的压强； Di -圆环内径；
在圆环外表面测得的或用位移传感器测定的应变
强度计算：
u pu
Di 2h
pu 环状试件破坏时的强度；
液静压加载法 －利用流体产生内压的液静压试验，克服了上述各种方法所固有的 缺点，可保证精度；然而，所需设备特殊、昂贵。
测量值及计算公式
p x＝ s
T x。
材料发生破坏， x 既是该材料的破坏强度
纵向应变：
x ：横截面上的正应力，当试件加载的破坏时，既是最大正应力载荷时：

t x
l l
l l1 l
－标距长度的增量
弹性模量的确定：
i x p i l p i 1 E i . i x S l S x 1 x
试件选择：试件为板式和环式两种。 板式试件拉伸时，要避免应力集中。
板式拉伸试件示意图
圆形拉伸试件示意图
环状试件的拉伸
对开式拉力盘拉伸法（NOL）
－是美国1955年发明用以评定纤维粗纱表面化学处理方法对玻璃纤维复合材 料强度的影响，目前，NOL圆环主要用于测定弹性模量、圆周拉伸强度和剪 切模量，现已纳入ASTM标准，并已被世界各国所采用。
沿纤维增强方向加载的单向复合材料，通常因增强纤维断裂而破坏； 纤维含量低的材料，聚合物基体在增强纤维断裂之前破坏；
单向纤维复合材料上的载荷与纤维方向有夹角时，破坏随角度而变化；
1、小角度时，由于剪切以及平行于增强纤维方向的聚合物基体剥离，而是 材料开始破坏；
2、角度加大时，由于拉应力起着主要作用，极端情况下，因聚合物基体横 向断裂而破坏；
接头片
改进后的夹具
正交各向异性复合材料的弹性常数的测定
一、方法 －采用两组试样试验测定弹性常数。各向弹性常数的准确测定，对分析解决平 面问 题至关重要。