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遵循 ASTM D5528 和 ISO 15024 标准的 GIC 试验 / DCB 试验

单向纤维增强聚合物基复合材料的层间断裂韧性

遵循 ASTM D5528ISO 15024 标准的 GIC 试验 可用于确定在模式 I 载荷复合材料层压板的临界层间能量释放因子,以便得出层压板的裂纹萌生和裂纹扩展性能。受试样几何形状的影响,该试验通常被称为 DCB(双悬臂梁)试验

在航空航天领域,该试验方法及相关材料性能对于复合材料结构的布局设计至关重要,因此业内还另行制定了空客标准 (AITM 1-0005)波音标准 (BSS 7273)。不过,这两种标准使用了与 ASTM D5528 和 ISO 15024 标准不同的结果计算方法,被称为范围法。

目标和应用 DCB 试样 运行试验 视频 试验设备 下载 请求咨询

GIC 试验的目标及应用

纤维复合材料的分层性能是指单个层压板中各层之间互相分离的程度。此类损坏或缺陷会降低层压板的机械性能,因此对于复合材料的结构尤为重要。

在高载荷条件下,当所测复合材料的层间能量释放因子达到临界值时,层压板就会出现裂纹扩展。如果这种载荷来自垂直于裂纹平面的拉伸力,则称为模式 I 载荷

遵循 ASTM D5528ISO 15024 标准的 DCB(双悬臂梁)试验可以有效确定模式 I 载荷下临界层间能量释放因子的起始值和扩展值。

双悬臂梁试验 (DCB) 试样

遵循 ASTM D5528ISO 15024 标准的双悬臂梁 (DCB) 试样由复合材料试样板制成,层压板对称面的一侧插入了一层薄薄的隔膜。按照这种方式制备的试样可以像弯曲梁一样在有层压裂纹的一侧弯曲开来(因此被称为双悬臂梁),而试样其余部分的复合材料各层仍然相互连接。

砝码或铰链片通常粘接在试样上,用于施加载荷。根据相关标准规范在试样边缘做好标记,以便测试期间监测裂纹的变化。

按照 ASTM D5528 和 ISO 15024 标准运行试验

DCB 试样的施力元件(砝码或铰链凸耳)与试验机的试样夹具相连接。由于在层压离型膜末端制作的裂纹通常不够锋利,因此测得的 GIC 值不具有代表性,为解决这一问题,首先应将裂纹稍稍加宽,并加工出锋利的预制裂纹。然后精准测定预制裂纹的长度,之后移除试样上的所有载荷。在 DCB 试验第二阶段,再次对试样施加载荷,直到裂纹扩展至横向标记的末端

针对临界能量释放因子的起始值(适用于预制裂纹和全裂纹扩展),ISO 15024 标准规定了三种不同的准则

  • 非线性 (NL) 起始点: 试样两侧发生纯弹性变形时,试验中的力-位移曲线最初呈线性趋势。力-位移曲线开始呈现非线性趋势时的力-位移数据对将用于计算裂纹起始值。
  • 明显裂纹扩展 (VIS): 裂纹开始出现明显扩展时,力-位移曲线上的力-位移数据对将用于计算起始值。
  • 顺应性准则(5% 或最大值): 根据此标准,应在力-位移曲线原线性部分的顺应性降低 5% 时测定力-位移数据对。如果在此之前力已达到最大值,则使用该力-位移数据对。

初始裂纹长度用于计算不同的起始值(层压裂纹或预制裂纹)。现行版 ASTM D5528 标准仅使用顺应性准则来确定临界能量释放因子的起始值。

侧面标记可用于确定扩展值,以获取裂纹长度和相应的力-位移数据对。裂纹增长情况可在试样侧面进行监测。务必同步记录力、位移和裂纹长度。

裂纹长度可由操作人员使用放大镜人工跟踪评估或通过视频记录系统由计算机自动控制

两种标准采用不同的评估方法来计算 R 曲线(临界能量释放因子与裂纹长度的关系图,包含起始值和扩展值):

  • ISO 15024 标准根据校正梁理论 (CBT) 改进的顺应性校正 (MCC) 方法来计算相关数值。
  • ASTM D5528 标准使用顺应性校准 (CC) 方法并在附录中列举了其他方法。该标准中的简化版 CC 方法用于确保按照 ASTM D7905 标准确定的 G2c 断裂韧性值在模式 II 载荷下具有可比性。

视频:遵循 ASTM D5528 和 ISO 15024 标准的 GIC 试验

DCB 试验网络研讨会录像,包含讲解音频和 testXpert III 测试软件演示

用于按照 ASTM D5528 和 ISO 15024 标准进行 GIC 试验的试验设备

ZwickRoell 单立柱台式试验机尤其适用于按照 ASTM D5528ISO 15024 标准进行 GIC 试验

在 GIC 试验中使用电动视频记录系统能够提高裂纹扩展测量的可追溯性和便利性。数码摄像机用于记录试样裂纹变化和创建试验视频。出现疑问时,用户可以回放已创建的视频,对每次试验进行检查,并在裂纹变化期间修正测量值。

testXpert 测试软件大幅简化了 GIC 试验的执行和评估过程。一方面,摄像机与 testXpert 相连,用户可以在屏幕上轻松追踪裂纹变化。另一方面,testXpert 预先配置了标准试验程序,支持按照 ASTM D5528 或 ISO 15024 标准规范中列出的所有方法来计算临界层间能量释放因子的起始值和扩展值。

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