纤维增强复合材料 单向增强材料Ⅰ型-Ⅱ 型混合层间断裂韧性的测定 征求意见稿

纤维增强塑料复合材料单向增强材料Ⅰ型-Ⅱ型混合层间断裂韧性的测定本文件描述了使用混合模式弯曲（MMB）试验测定单向纤维增强塑料复合材料I型-II型混合层间断裂韧性的方法。本文件适用于单向纤维增强树脂基复合材料层合板。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/TJC/T287纤维增强塑料性能试验方法总则纤维增强塑料空隙含量试验方法3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1I型裂纹张开模式modeIcrackopeningmode由垂直施加于试样分层面的载荷引起的裂纹开裂，且试样分层面相对不发生滑动的断裂模式。3.2II型裂纹滑动模式modeIIcrackslidingmode由平行施加于试样分层面的载荷引起的相对滑动断裂模式，且不发生I型裂纹张开模式。3.3I型-II型混合模式modeI-modeIImixedmode由垂直和平行同时施加于试样分层面的载荷引起的裂纹开裂和相对滑动的模式。注：简称“混合模式”。3.4I型-II型总应变能释放率modeI-modeIItotalstrainenergyreleaserateG在I型-II型混合模式下，由载荷引起的恒定位移裂纹扩展过程中，试样单位宽度的应变能损失与对应的裂纹长度增加值的比值变化率。3.5I型应变能释放率modeIstrainenergyreleaserateGI在I型-II型混合模式下，由载荷引起的恒定位移裂纹扩展过程中，I型模式引起的试样单位宽度的应变能损失与对应的裂纹长度增加值的比值变化率。3.6II型应变能释放率modeIIstrainenergyreleaserateGII在I型-II型混合模式下，由载荷引起的恒定位移裂纹扩展过程中，II型模式引起的试样单位宽度的应变能损失与对应的裂纹长度增加值的比值变化率。3.7II型模式混合比modeIImixed-moderatioGII/GII型应变能释放率与I型-II型总应变能释放率的比值。3.8I型-II型模式混合比modeI-modeIImixed-moderatioGI/GIII型应变能释放率与II型应变能释放率的比值。3.9混合模式断裂韧性mixed-modefracturetoughnessGc混合模式下裂纹增长的I型-II型总应变能释放率G的临界值。4符号下列符号适用于本文件。a——分层长度，单位为毫米（mmao——初始分层长度，单位为毫米（mma1-25——分层扩展长度，单位为毫米（mmb——试样宽度，单位为毫米（mmbcal——校准试样宽度，单位为毫米（mmC——柔度，单位为毫米每牛顿（mm/N计算如公式（1C=δ/P………………（1）Ccal——校准试样柔度，单位为毫米每牛顿（mm/NCsys——MMB试验装置的柔度，单位为毫米每牛顿（mm/Nc——MMB试验夹具的杠杆臂长度，单位为毫米（mmcg——杠杆臂到重心的长度，单位为毫米（mmEcal——校准试样模量，单位为兆帕（MPaE1f——平行于纤维方向的弯曲弹性模量，单位为兆帕（MPa方向见图1；E11——平行于纤维方向的拉伸弹性模量，单位为兆帕（MPa方向见图1；E22——垂直于纤维方向的拉伸弹性模量，单位为兆帕（MPa方向见图1；G——I型-II型总应变能释放率，单位为千焦每平方米（kJ/m2Gc——混合模式断裂韧性，单位为千焦每平方米（kJ/m2Gc-est——混合模式断裂韧性的估计值，单位为千焦每平方米（kJ/m2GⅠ——I型应变能释放率，单位为千焦每平方米（kJ/m2GⅡ——II型应变能释放率，单位为千焦每平方米（kJ/m2GⅡ/G——II型模式混合比；3G13——13方向的剪切模量，单位为兆帕（MPa方向见图1；G12——12方向的剪切模量，单位为兆帕（MPa方向见图1；h——试样厚度的1/2，单位为毫米（mmL——MMB试验装置的跨距的1/2，单位为毫米（mmm——载荷-位移曲线的斜率，单位为牛顿每毫米（N/mmmcal——校准试验的载荷-位移曲线的斜率，单位为牛顿每毫米（N/mmn——试样数量；P——施加的载荷值，单位为牛顿（NPest——载荷的估计值，单位为牛顿（NPg——杠杆和附属装置的重量，单位为牛顿（NPNL——载荷-位移曲线非线性点处的载荷值，单位为牛顿（NPtab——琴式铰链或加载块的载荷估计值，单位为牛顿（NPvis——可见裂纹增长时的载荷值，单位为牛顿（NP5%/max——载荷-位移曲线的5%或最大值处的载荷值，单位为牛顿（Nα——设定杠杆臂长度的混合模式变换参数；β——设定杠杆臂长度的混合模式裂纹长度无量纲校正参数；χ——裂纹长度校正参数，计算如公式（2……δ——载荷点挠度，单位为毫米（mmδest——载荷点挠度的估计值，单位为毫米（mmδmax——最大载荷点的挠度，单位为毫米（mmΓ——垂直于纤维方向模量校正参数，计算如公式（3Γ=1.18………………图1单向纤维复合材料层合板5原理采用混合模式弯曲（MMB）试验的方法来测定合材料层合板在I型拉伸载荷和II型剪切载6仪器设备6.1试验机试验机应符合GB/T1446的要求，能够提供0.5mm/min~5.0mm/min的恒定加载速率，且载荷相对误差不超过±1%。6.2试验装置试验机应配备能将载荷传递到琴式铰链或加载块的夹具，应保证试样的预制裂纹端部能够灵活转动。MMB试验装置应采用轻质材料，如铝，如图1所示，L为50mm。载荷加载方向应垂直于试验装置，施加载荷过程中应保持最小的摩擦滑动。琴式铰链或加载块的宽度应与试样宽度一致，加载块可通过滚珠轴承与试验装置连接实现载荷加载。a)b)c)图1MMB试验装置示意图6.3显微镜显微镜用于测量分层长度，放大倍数不大于70倍，读数精度至少为±0.5mm，也可采用等效放大装置。6.4尺寸测量装置千分尺用于测量试样厚度，精度为不低于0.02mm。测量时，千分尺应具有能与试样的被测表面匹配的接触面（如平面对平面、抛光的表面，半球面对不规则的表面）。游标卡尺用于测量试样宽度，精度不低于0.02mm。钢直尺或等效量具，精度不低于1mm，用于测量试样的长度和裂纹扩展的长度。7试样7.1试板制备应采用偶数层的单一方向铺层，铺叠时应将无粘性薄膜嵌入层合板的厚度中心处。无粘性薄膜长度为40mm~75mm，包括初始分层长度（24mm~30mm）和琴式铰链或加载块所需要的长度。无粘性薄膜厚度不应超过13µm。对于固化温度不超过177°C的复合材料，宜采用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜。固化温度高于177°C的下复合材料，宜使用聚酰亚胺薄膜。如使用聚酰亚胺薄膜，薄膜应在插入层合板之前涂漆或喷涂脱模剂。7.2试样制备试样由试板经机械加工得到，见图2。6图2试样7.3试样尺寸如图2所示，试样的总长度为140mm，宽度为20mm~25mm（包括端部厚度为3mm~5mm，单个试样的厚度与该组试样平均值的偏差不应超过0.1mm。注：若要避免较大的位移，则需要增加试样厚度，公式（4）和公式（5）可用于选择试样厚度以实现允许的施加δest=4(3c−L)2(a+ℎx)3+(c+L)2(2L3+3(a+0.42ℎx)3)·.....................(4)Pest= Gstb2E11ℎ3L2(3c−L)2(a+ℎx)2+(c+L)2(a+0.42ℎx)27.4试样数量试样的有效数量至少为5个。7.5琴式铰链或加载块的粘接7.5.1琴式铰链或加载块尺寸琴式铰链或加载块应由模量大于60000MPa的金属制成，并且能够承受所施加的载荷，不会在宽度方向上造成损坏。琴式铰链或加载块的宽度至少应与试样的宽度相同。7.5.2粘接琴式铰链或加载块粘接琴式铰链或加载块的加载点到无粘性薄膜末端的距离应为0.45L～(L—3h)。在粘接琴式铰链或加载块前，应清洁琴式铰链或加载块和试样的粘合面，如发生脱粘，或有物理证据表明在粘合失败时开始分层，或在重新加载时观察到柔度增加，则不应继续使用试样。琴式铰链或加载块可通过粘合或机械连接。载荷传递区域应控制在沿载荷中心朝向分层尖端延伸3mm范围内，加载轴的中心应在试样厚度中心所在水平面的4mm范围内。琴式铰链或加载块的载荷估计值，可通过E11和Gc进行估算，见公式（6）。7.5.3表面处理粘合表面可喷砂或用砂纸打磨，然后用挥发性溶剂擦拭干净，如丙酮或甲乙酮（MEK）。7.5.4粘接应在表面处理后立即进行粘接，宜使用室温固化的胶黏剂。可在胶黏剂中加入玻璃珠或使用其他形式进行厚度控制，粘接厚度应均匀一致。琴式铰链或加载块应与试样平行且相互对齐。8试验环境条件7温度23±2）℃,相对湿度50±10）%。9试验步骤9.1对试样进行外观检查，如有不符合要求的应予以作废。试验前，应按JC/T287的规定测试试样的纤维体积分数和空隙率。9.2试样状态调节应按GB/T1446的规定。9.3将试样进行编号，测量任意三处的宽度和厚度，取算术平均值。9.4对试样的无粘性薄膜末端进行标记，然后沿着试样边缘每间隔5mm做标记，并延伸到无粘性薄膜末端25mm处。另外，在开始的5mm处每隔1mm做标记。宜用水溶性的浅色涂改液对试样两侧边进行标记。9.5确认II型模式混合比GⅡ/G，按公式（7）～公式（9）设置MMB试验装置的杠杆臂长度。9.6如果使用横梁位移作为加载点位移，且未对当前杠杆长度确定MMB试验装置的柔度时，应校准MMB试验装置柔度。校准程序见附录A。9.7将试样安装在MMB试验装置中，应居中对齐，间隙不应超过0.05mm。9.8将显微镜设置在裂纹扩展的位置。9.9以0.5mm/min的恒定速率对试样进行加载，并记录载荷-位移曲线。9.10加载期间，在试样边缘目测到分层起始时（VIS在载荷-位移曲线上标注此点，或记录载荷-位移的数据值。9.11当裂纹扩展超过最后一个标记或裂纹长度为（L—3h）时，以25mm/min的恒定速率卸载试样，并停止试验。9.12试验完成后，移除MMB试验装置上的试样，沿裂纹楔开试样。取试样的一半，测量从琴式铰链或加载块的铰销中心线到试样无粘性薄膜末端的距离，测量3次，取算术平均值，即为初始分层长9.13出现下列情况之一时，试验结果无效，应在报告中注明：a）无粘性薄膜出现撕裂，褶皱或不规则形状；b）试样两侧边从裂纹扩展线到无粘性薄膜末端的距离差值超过2mm。10结果计算10.1NL点、5%/max点和VIS点的选取10.1.1沿载荷-位移曲线的初始直线部分绘制第一条直线，该直线的斜率即为载荷-位移曲线的初始线性段斜率（m）[如图3a）所示]，忽略载荷-位移曲线前20%出现的非线性点。第一条直线与载荷-位移曲线的偏离点标记为NL点。对应载荷值为PNL。10.1.2在零载荷处，将斜率减小5%绘制第二条直线。第二条直线与载荷-位移曲线的交点，出现在最大载荷点之前，则标记为5%/max点，反之则将最大载荷点标记为5%/max点，该点对应的载荷值为P5%/max[如图3a）所示]。10.1.3在载荷-位移曲线上，试样侧边第一次目测到无粘性薄膜尖端出现分层时对应的载荷点标记为VIS点，通常位于NL点和5%/max点之间，该点对应的载荷值为PVIS[如图3b）所示]。a)b)图3载荷-位移曲线10.2平行于纤维方向的弯曲弹性模量E1fE1f按公式（10）计算（66717.4.18(8(ao+xℎ)3(3c−L)2+6(ao+0.42ℎx)3+4L3(c+L)2 E1f=（10）16L2bℎ3(−CSYS)E1f=（10）10.3最大载荷点挠度δmaxδmax按公式（11）计算：10.4应变能释放率10.4.1GI按公式（12）计算：GII按公式（13）计算：G按公式（14）计算：G=GI+GII 10.4.2在测试韧性低的材料时，杠杆的重量可能会对试样造成很大的负荷，从而影响测量结果，应对杠杆重量进行修正。当杠杆和附加加载装置的重量(Pg)超过最大载荷(Pmax)的3%时，则应按公式（15）、公式（16）进行计算：9修正杠杆重量时，如果已知载荷估计值时，杠杆臂长度应按照公式（17）进行计算。10.5II型模式混合比GII/G按公式（18）计算：如需要，给出Gc与GII/G的散点图，如图4所示。10.6混合模式断裂韧性混合模式断裂韧性按公式（19）计算：式中：Pc——PNL，P5%/max或Pvis中的一个，单位为牛顿（N）。11试验报告试验报告应包含以下各项全部或部分。a)本文件编号。b)材料试验材料的完整标识，包括制造商、材料名称、制造工艺、纤维体积分数和空隙率、E11、E22、G13、G12值。b)每个试样的平均厚度和宽度，沿平行于纤维方向的最大厚度偏差，无粘性薄膜的厚度、种类。c)MMB试验装置柔度，杠杆臂长度和跨距长度的1/2。d)试验环境条件和状态调节环境条件。e)试验加载速率。f)试验结果:1)载荷-位移曲线，PNL点，P5%/max点和Pvis点；2）初始斜率m、与每个临界点相关的载荷和裂纹扩展长度；3）r和X，每个临界点的纤维方向弯曲模量EⅠf和混合模式断裂韧性GC和II型模式混合比GⅡ/G；4）试样数量、G和GⅡ/G的平均值、标准偏差和变异系数；5）Gc与GⅡ/G的散点图（如需要）。附录A（资料性）MMB试验装置的校准程序A.1将下滚轮支架和铰链固定在底座上，设置跨度长度2L（跨度长度是滚轮中心与铰链中固定的铰销中心之间的横向距离）。确保滚轮轴线与铰链轴线平行。A.2将上滚柱支架和上铰链连接到杠杆上，使铰销中心和滚柱中心之间的横向距离为A.1中设定的跨度长度的一半。应使滚柱的中心线平行于铰链的轴线，并且两者垂直于滚柱的纵轴线。A.3将鞍座连接到杠杆上，使上滚轮和鞍座滚轮中心线之间的杠杆长度等于设置的杠杆长度，鞍座滚轮轴承的中心线和上滚轮的中心线须平行。A.4将试样安装到底座上，铰链插入铰链夹，使样品的纵轴平行于底座的顶面。A.5连接杠杆。杠杆的下平面应与试样的纤维方向平行。A.6将MMB试验装置放置在负载架上，将底座固定在机器的底板上，使鞍座上轴承的轴线与负载轭的轴线平行。A.7将装载轭向下放到鞍座上，直到其刚好接触到一个滚柱轴承。用塞尺检查轴承和另一侧轭架之间的间隙。保持MMB试验装置与负载架对准。A.8如果MMB试验装置没有对齐，从加载框架上拆除夹具，并使用垫片重新安装，垫片放置在夹具一侧，位于加载台板和MMB试验装置底座之间。调整垫片厚度，直至满足要求。