复合材料力学性能测试技术

我们通常采用摆锤式冲击试验来评价材料的冲击强 度，其包括简支梁型和悬臂梁型，这两种方法试样 破坏所需的能量实际上无法准确测定，试验所测得 除了产生裂缝所需的能量及使裂缝扩展到整个试样 所需的能量外，还包括使材料产生永久变形的能量 和把断裂的试样碎片抛出去的能量，因此测出的并 不是材料的真实强度，但由于该法简单方便，各国 广泛采用。
按试样尺寸加工好试样之后，对试样进行编号，测量 试样工作段任意三处的宽和厚，取算术平均值。夹持 试样使其中心线与上下夹具的中心线对准，然后对其 施加均匀连续的拉伸载荷直至试样破坏。加载速度为 10mm/min。
对于I型试样，若试样破坏在明显内部缺陷处，夹具内 或圆弧处应予作废。
6.2压缩
玻璃纤维增强塑料压缩试验是基于在规定条件 下对标准试样两端施加压缩载荷，直至破坏或 达到最大载荷时，求得压缩性能参数的一种实 验方法。
第六章 复合材料力学性能测试技术
6.1拉伸 6.2压缩 6.3弯曲 6.4剪切 6.5冲击 6.6硬度
6.1拉伸
拉伸试验是指在规定条件下，在试样上沿纵轴方向 施加拉伸载荷使其破坏。在拉伸实验中，对于玻璃 纤维织物增强热塑性和热固性塑料板材采用I型试样。 测玻璃纤维织物增强热固性塑料板材亦可采用Π 型 试样。测定模压短切玻璃纤维增强塑料的拉伸强度 采用ш 型试样。
6.4剪切
复合材料的特点之一是层间剪切强度低，因此 剪切试验对于复合材料特别重要。
将试样放置在夹具上，夹持时以试样能上下滑 动为宜，不可过紧。然后以5—15mm/min 的加载速度施加载荷直至试样剪切破坏，记录 破坏载荷。
有明显内部缺陷或不沿剪切面破坏的试样应予 作废。
6.5冲击
冲击试验是用来衡量复材在经受高速冲击载荷 时的韧性或对断裂的抵抗能力的试验方法,一般 冲击试验可分为:摆锤式冲击试验、落球式冲击 试验、高速拉伸试验。
试 样 厚 度 b 小 于 或 等 于 10mm 时 ， 宽 度 a 取 10±0.2mm ； 试 样 厚 度 b 大 于 10mm 时 ， 宽 度a=b。
矩形棱柱体的最小主惯性矩为： I=ab3 /12 矩形棱柱体的最小惯性半径为： i=(I /s) 1/2
i = (ab3 /12 ab) ½ = b /3.46 长细比为：λ=h/i=10 则试样的高度为：h=10i = 10b /3.46
影响因素
1.测试环境的影响 周围环境的温度、湿度，尤其是温度对测试结 果影响较大。同一试样在不同温度下，其巴氏 硬度随温度的上升而下降。所以在测试中应按 同样的试验条件进行。
2.试样材料组成的影响 测试时，当压头压入试样遇着纤维或其它填料 时其读数比遇到树脂时高。
应用
巴氏硬度计测玻璃钢的固化度，开始时无硬度， 经数小时即行固化，硬度随时间增长逐渐增加。 18h后硬度达45，以后随时间增长减慢增长。 22h后趋于稳定。因此可以把巴氏硬度趋于稳定 值作为固化度达到完善的最低指标。
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试样尺寸为：200mm×15mm×10mm
跨厚比
一般取16±1。对很厚的试样，为避免层间剪切破 坏，可取大于16。对很薄的试样，为使其载荷落 在试验机许可的范围内，可取小于16。为了尽量 减少剪切应力的影响，必须取足够大的跨厚比。 试验方法规定l/h>10.
加 载 上 压 头 圆 柱 面 半 径 为 5±0.1mm, 支 座 圆 角半径r=2±0.2mm(h>3mm时)和r=0.5±0.2mm (h≤3mm 时 ) 。 若 试 样 出 现 明 显 压 痕 ， r 应 改 为 2mm。如图所示。
试样
在实验前我们必须准备好试样。试样种类很多，根 据实际情况选择正方棱柱体或矩形棱柱体试样。
对于试样的要求：1、上下端面平行，且与试样中 心线垂直；2、长细比（等截面柱体的高度与其最 小惯性半径之比）一定。
长细比大，摩擦力影响小，应适当增大长细 比；过大，则出现失稳现象。一般取10，若 试样中发现有失稳现象可减小到6。
测量试样尺寸后，将试样安放在加载压头上，（使其 中心线与上下压板中心线对齐），记录最大载荷。有 明显内部缺陷或端部挤压破坏的试样予以作废。
σ=P/F
6.3弯曲
复合材料弯曲实验中试样的受力状态比较复杂， 有拉力，压力，剪力等。
实验采用三点加载简支梁，即将试样放在两支点 上，在两支点的试样上施加集中载荷，使试样变 形直至破坏。试样在中性层以上部分受压力，在 中性层以下部分受拉力，层间还有剪切应力。
如有明显内部缺陷或破坏处不在缺口的试样应予作废。
ak＝Ａ／bh
ak… 冲击韧性
b… 试样宽
h… 缺口下的厚度 A… 冲断试样所消耗的功
6.6硬度 复合材料硬度试验方法有些是根据金属硬度测试 方法材体发压料入展硬的而度性来是能的表,，示是如材材布料料氏抵软、抗硬洛其程氏它度硬较有度硬条。物件它是将一 定直性径的定的量钢反球映，。在一定载荷作用下压入材料表面， 测试试样表面的压痕直径，即可计算材料的硬度；
在实验中我们采用I型试样。为了使试样在试验过程 中受力和破坏合理，就必须选择合适的过渡圆弧半 径R和有效宽度b。显然增加R可以减小应力集中，对 试样断裂在有效部位大有好处。单若R过大，使过渡 区占的面积增大，从这点上讲，又增加了试样断在 非 有 效 部 位 的 可 能 性 。 根 据 试 验 ， R 为 75mm ， b 为 10mm断裂位置好。
将试样放置在支座上，上压头以10mm/min 速度下移，当试样在挠度小于或等于1.5h时破 坏，记录破坏载荷；当试样在挠度等于1.5h时 不呈现破坏，记录此时的载荷，停止实验。
将数据代入公式计算可得弯曲强度：
σ=3pl/2bh2
试样呈层间剪切破坏，有明显内部缺陷或在 试样中间的1/3跨距以外破坏的试样应予以 作废。
高速拉伸试验是评价材料的冲击强度最好的试验 方法，应力－应变曲线下方的面积与使材料破坏 所需的能量成正比，如果试验是以相当高的速度 进行，这个面积就变成与冲击强度相等。
落球式冲击试验是把球、标准重锤或投掷枪由已 知高度落在试样上，测定使试样刚刚破裂所需能 量的一种方法，它是从重物的重量和高度计算破 坏能量。
有些是复材独有的测试方法，如巴氏、邵氏硬度等。 它们是用具有一定载荷的标准压印器，以压入表面 深度衡量试样的硬度值。
巴氏硬度计是一种十分简便而有效的测量 仪器。它是以特定压头在标准弹簧的压力作 用下压入试样，以压痕的深浅来表征试样的 硬度 。
巴氏硬度计有三种型号，对于不同的材料制品我们可 以选择不同的硬度计，对于硬质塑料和复合材料选用 GYZJ934-1和HBa-1型。该仪器的主要部件是一淬火 钢压头。压头为26°角的截头圆锥体，其顶端平面直 径为0.157mm,指示仪刻度盘有100分度，每一分度相 当于0.0076mm，压痕深度为0.76mm时，表头读数为 0，读数越高材料越硬。
试样
表面应光滑平整，无缺陷损伤，标准试样厚度不 小于1.5mm，试样大小应满足任一压痕到试样边 缘或二压痕间距不小于3mm。
操作
保持整机在同一水平上工作，手握硬度计机壳，以足 够压力平稳，快速的推压，避免试样受压弯曲，记录 刻度盘上最大读数，对于纤维增强塑料，由于压头遇 到树脂和纤维的阻力不同，所以读数的离散性较大， 其巴氏硬度大于50时，测试10次；小于或等于50时测 20次。
试样
试验的试样为长方体，表面开有Ｖ形缺口，使 试样经冲击时产生应力集中而呈现脆性断裂。 1、缺口方向与布层垂直
试样宽度为板的厚度，长度为１２０mm 2、缺口方向与布层平行
试样尺寸同上
试验条件
设备采用简支梁式摆锤式冲击试验机，冲击速度为３. ８m／s，跨距L＝７０mm，选择合适的摆锤，使冲 断试样所消耗的能量落在量程的１０％～８５％范围 内，试验前须经一次空载冲击，调整读数盘指针使其 指到零点，将合格试样缺口的一面背向摆锤，使缺口 中心对准冲击中心进行冲击，记录冲断试样所消耗的 功及破坏形式。