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1、ASTM标准：D 6264-98(04)测量纤维增强聚合物基复合材料对集中准静态压痕力的损伤阻抗的标准试验方法 本标准由ASTM复合材料委员会D-30审定，并由结构试验方法专业委员会D30.05直接负责。现行版本于1998年6月10日批准，1998年7月发布。1 范围图1 准静态压痕试验1.1准静态压痕(QSI)试验方法用于定量地测量连续纤维增强复合材料对集中压痕力的损伤阻抗(见图1)。作用于试件的压痕力是通过缓慢地把半球形压头压在试件表面上来施加的。分别规定了确定简支试样和刚性背衬试样损伤阻抗的试验方法。损伤阻抗是按临界接触力来定量确定的，这一临界接触力与使试样产生特定尺寸和类型的损伤的某一
2、独立事件或一系列事件有关。这些试验可以用于根据冲击阻抗来筛选材料，或用于为随后进行损伤容限试验的试件引入损伤。本试验方法仅限用于由单向纤维铺层或织物铺层构成的复合材料。本试验方法也可能适用于其他形式和类型的复合材料，不过已经注意到了某些影响因素(见6.7节)。1.2本标准没有打算提及，如果存在的话，与使用它有关的所有安全性问题。在使用本标准之前建立合适的安全与健康操作方法，确定规章制度的适用性，这是本标准用户自已的责任。1.3 以国际单位(SI)给出的数据被视为标准，括号中所给出的值仅用于参考。2 参考文件2.1 ASTM标准：D 883 与塑料有关的术语 ASTM标准年鉴，Vol 08.01
3、D 2734 增强塑料孔隙含量的试验方法 ASTM标准年鉴，Vol 08.02D 3171 用基体煮解法测定树脂基复合材料纤维含量的操作规程 ASTM标准年鉴，Vol 15.03D 3878 高模量增强纤维及其复合材料的术语4D 5229/D5229M 聚合物基复合材料的吸湿性能及平衡调节试验方法4D 5687/5687M平复合材料壁板的制备指南以及试样制备工艺指南4E 4 试验机力标定操作规程 ASTM标准年鉴，Vol 03.01E 6 与力学试验方法有关的术语5E 18 金属材料洛氏(Rockwell)硬度与洛氏表面硬度试验方法 ASTM标准年鉴，Vol 14.02。E 122 用以选择样
4、本大小以估计批次或工序质量测度的操作规程63 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定义了关于塑料的术语。术语E 6定义了与力学试验有关的术语。当各标准所定义的术语之间发生矛盾时，术语D 3878应优先于其他标准。3.2 本标准专用术语定义本试验方法中所定义的术语也许与通用术语相矛盾。然而，对于如何使用这些术语尚未形成统一的意见。下述说明仅供本试验方法之用。注1如果术语代表一个物理量，它的分析量纲以基本量纲形式紧跟在该术语(或符号)后面予以说明，方括号内所示的基本量纲采用下面的ASTM标准符号表：质量为M，长度为L，时间为T，热力学温度为q，无
5、量纲量为nd。这些符号用于分析量纲仅限于带方括号时，因为不带方括号时它们可能有其他的定义。3.2.1 接触力，FMLT-2，n由压头垂直施加到试件表面的总力。3.2.2 损伤，n存在于结构或结构材料之中。由制造或服役所引起的在材料或结构中结构异常。3.2.3 损伤阻抗，n在结构和结构材料之中，与某一事件或一系列事件相关的力、能量、或其他参数和所产生损伤尺寸及类型之间关系的一个度量。3.2.4 压痕深度，dL，n压头卸载后所形成的凹陷残余深度。压痕深度应定义为在垂直于试件表面的方向上，从凹痕的最低点到不受压痕影响试件受压表面之间的最大距离。3.2.5 F1力，F1MLT-2，n在力-压头位移曲线
6、上力或斜率不连续点所对应的接触力。3.2.6 压头位移，dL，n压头相对于试件支持的位移。3.2.7 最大力，FmaxMLT-2，n层压板能够承受的最大接触力。它可从F-d曲线上获得，当曲线达到Fmax点之后，接触力不再随压头位移的增大而增大。3.3 符号：d压痕深度(见3.2.4节)F接触力(见3.2.1节)F1F1力(见3.2.5节)Fmax最大力(见3.2.7节)N层压板铺层顺序中的层组数目d压头位移(见3.2.6节)4 试验方法概述4.1 准静态压痕(QSI)试验用于测量均匀厚度的层压复合材料试件的损伤阻抗。通过把位移控制的半球形压头压入试件表面来缓慢地施加压痕力。增加位移直至达到所需
7、的损伤状态。对于简支试件和刚性背衬试件分别规定了确定损伤阻抗的试验过程。损伤响应与试验方式有关。4.2 施加的接触力与压头位移之间的关系(F-d曲线)既可用X-Y记录仪来记录，也可用等效的实时绘图仪来记录，或用数字方式存储再进行后置处理。5 意义与用途5.1 对集中压痕力所引起的损伤的敏感性是很多由先进层压复合材料制成的结构的主要弱点之一。了解层压复合材料遭受集中压痕力时的损伤阻抗，对于产品研制及材料选择是十分有用的。5.2 QSI试验方法可以用于以下目的：5.2.1 用来定量地确定铺层顺序、纤维表面处理、纤维体积含量的改变以及工艺与环境变量对某种具体复合材料层压板对于集中准静态压痕力损伤阻抗
8、的影响。5.2.2 对于含不同组分的各种复合材料，定量地比较其对应的损伤阻抗参数值。损伤响应参数包括d、F1、Fmax和F-d曲线。5.2.3 为将要进行损伤容限试验的试件预制大小受控的损伤。5.2.4 分离并测量试件无弯曲(刚性背衬试验方式)的压痕响应。6 影响因素6.1QSI试验可以模拟很多受边界条件影响的冲击试验的力-位移关系1-7。这些冲击试验通常是质量较大、速度较低硬物对无支持区较小平板的冲击。本试验方法不涉及试件之中波的传播与振动、与时间有关的材料特性或惯性控制的冲击事件。6.2试件的损伤响应取决了诸多因素，包括压头几何形状及试件支持条件。从而，除非采用相同的试验方式，相同的试验条
9、件以及相同的层压板，否则，不同的材料之间不能进行相互比较。因此，在试验结果中应该给出一切与标准试验方式的不同之处。6.3力F1不表明损伤的起始，但通常代表了压头位移何时会受到大范围损伤形成的影响。一般来说，在力达到这一值之前，基体裂纹和小的分层已经产生。6.4 压痕深度可能随时间或因曝露在不同的环境条件中而“松驰”或减小。6.5 对分层扩展的论述与解释超出了本试验方法的范围。6.6 材料与试件的制备差的材料制造操作方法、对纤维准直度缺乏控制以及不适当的试样加工所引起的损伤，是复合材料材料数据高分散性的已知原因。6.7 对其他材料、铺层和织构的应用：6.7.1 QSI试验已经主要用于试验含聚合物
10、基碳纤维增强单向带和织物层压板。对于其他材料，可能出现颇为不同的响应。6.7.2 非层压三维纤维增强的或纺织复合材料可能依照与层压板不同的破坏机理而发生破坏。最主要的破坏模式也许是基体开裂或纤维断裂，也许两者都有，但不是分层。7 设备7.1 试验机试验机应与操作规程E 4相一致，并满足以下要求：7.1.1 试验机头试验机应有一个完全固定的端头和一个可移动端头。7.1.2 驱动机构试验机驱动机构应该能使可移动端头相对于固定端头的速度可控。可移动端头的速度应该如11.6节中所规定的那样可调。7.1.3 载荷指示器试验机的载荷传感装置应能指示试件所承受的总载荷。这一装置应在规定的试验速率下无惯性迟滞
11、。指示的载荷精度在测量范围内不得超过1%。7.1.4 夹头试验机的上端头应带有一个夹头来夹持压头，以使施加到试件上的载荷方向与其行程保持一致。夹头应施加足够的夹持力以防压头打滑。下夹头应有连接平面刚性支持的手段。7.2 平面刚性支持下夹头应带有一个刚性平面，用它来支持试件或放置试验夹具。刚性支持的表面应垂直于试验机端头的行程轴线，且应有足够大的表面来完全支持试件或试验夹具。提供这一表面的便捷方法是利用一个“T”形的金属零件，“T”形零件的下部夹持在试验机的下夹头中，而该零件的上部提供了一个支持表面。如果采用刚性背衬试验方式，这个支持必须用钢制造，其厚度至少为12.7mm(0.5in.)。7.3
12、 压头压头应具有一个光滑的半球形端头，其直径为12.70.1mm(0.5000.003in.)，按试验方法E 18的规定，压头的硬度为6062HRC。如果在试验中采用了其他不同的压头，则应记录压头的形状及尺寸。7.4 压头位移指示器只要试验机和支持夹具的变形小于横梁行程的2%，压头相对于支持夹具的轴向位移就可认为是横梁的行程；否则，应从安放在压头与支持夹具或刚性支持面之间，经适当标定过的引伸计或传感器得到压头位移。位移指示仪的精度应为试件厚度的1%。7.5 载荷-压头位移(F-d)记录在试验中应该用X-Y绘图仪或类似的仪器对载荷-压头位移的关系作永久性记录，或者数据以数字形式存储，再进行后置处
13、理。2002.5mm7.6 试件支持简支的或刚性背衬的试件都可确定损伤阻抗。对于这两种试验方式，试件的表面都应保持与压头的轴相垂直。402.5mm1002.5mm127.02.5mm2002.5mm图2 简支方式的典型夹具7.6.1 简支方式这种试验方式的夹具由单独的一块平板构成，它具有一个直径为127.02.5 mm(5.000.10 in.)的开孔，用结构金属(如铝和钢)制成。开孔的上边缘应倒成半径为0.750.25 mm(0.030.01 in.)的圆角。板应该具有足够大的尺寸以支持除圆形开孔处之外的整个试件的下表面。板的厚度至少为25 mm(1.0 in.)，它必须大于预计的压头最大位
14、移。典型的支持夹具如图2所示。7.6.2 刚性背衬方式试件应直接放置在装在试验机下端头的平面刚性支持之上。对于这种方式，平面刚性支持必须用钢制成，其厚度至少为12.7 mm(0.5 in.)。7.7 千分表千分表应该用一个大小适宜的球形触头顶到象层压板的真空袋侧的粗糙表面上，并用一个平的砧面贴合到机械加工过的或非常光滑的层压板模具一侧表面上。这种量具读数的误差应该在试样宽度和厚度的1%之内。对于一般的试件几何尺寸，测量厚度时要求量具的精度为2.5 mm (0.0001 in.)，而测量宽度时则要求量具精度为25 mm (0.001 in.)。7.8 压痕深度测量仪器可用度盘式深度表、深度千分尺
15、，或用经过适当标定的位移传感器。测量探头应带有一个直径在1.55.0 mm(0.060.20 in)之间的半球形头。对于深度测量，要求量具的精度为25 mm(0.001 in.)。8 取样与试件8.1 取样对每种条件至少试验5个试件，除非利用较少的试件可以得到有效的结果，如对于事先计划好的实验这种情况。对于有统计意义的数据，应参考在操作规程E 122中所列出的步骤。必须报告取样的方法。8.2 试件铺层层压板应平整，其厚度应均匀。8.2.1 为了对不同材料损伤阻抗进行对比与筛选，建议采用下列层压板。厚度为3.55.0 mm(0.140.20 in.)且目标厚度为4.2 mm(0.27 in.)的准各向同性铺层试件应按下文所述得到。8.2.1.1 单向带层压板结构由适当数量的单向铺层组成，使得固化后的总厚度尽可能接近4.2 mm(0.17 in.)，其铺层顺序则为45/0/-45/90NS，其中N为整数。如果“最接近”的厚
