复合材料V型缺口剪切试验的最佳实践

在2015年10月的专栏中,我综合介绍了广泛使用的复合材料V型缺口剪切试验方法:

•V形缺口光束“Iosipescu”剪切试验,ASTM D 5379. 1

•V形缺口轨剪切试验,ASTM D 7078 2

•V型缺口组合载荷剪切试验。

这三种测试方法有重要差异。这些包括样品尺寸和加载方法(边缘加载,面装载或两者)。然而,所有这三种方法都具有相同的V型缺口测试部分,其相对的90°凹口被加工到整个样品宽度的20-23%的深度(图1)。切口之间的截面积减小产生最高的剪切应力,因此在中心测试部分产生试样失效。

虽然由于切口试验部分引起的剪切应力的增加是容易理解的,但使用V形凹口产生均匀的剪应力状态并不明显。缺口的存在通常与应力集中有关,实际上,图中所示的V形凹口。如果缺口样品在张力或压缩中轴向加载,1将产生显着的应力集中。然而,在剪切载荷下,90°V形凹口不产生明显的应力集中。实际上,与无缺口样品相比,它们显着增加了剪切应力分布的均匀性。没有缺口,剪切应力在样品宽度上具有抛物面分布,其范围在外边缘处的零度处,在水平中平面处的最大值。V型槽口的中心试验段的剪切应力较高的剪切应力与V型槽口的高均匀性是非常合适的,对复合材料的精确剪切模量和剪切强度的测量是非常需要的。在本专栏中,我们将重点放在纤维增强复合材料进行V型缺口剪切试验时的一些额外的最佳实践。

V型缺口剪切试验的最重要考虑也许是用于测量平面内剪切模量G12和剪切强度S12的复合层压板的选择。由于这些数量已知是层状或单向层压板的特性,单向复合层压板通常用于测试并不奇怪。另外,由于剪切应力作用于水平和垂直平面(图1),可以使用0°(水平)或90°(垂直)纤维取向。因此,在理论上,两个纤维取向应产生相同的结果。然而,90°纤维取向很少使用,因为即使在切口尖端处的应力集中较小,或在样品制备或处理期间产生的裂纹也可能导致突然的过早失效(图2a)。使用0°纤维取向是一个更好的选择,因为水平纤维取向消除了凹口之间的弱垂直平面。然而,0°纤维取向在切口尖端产生较小的应力集中,这是由于材料的重要原理 – 水平(E1)和垂直(E2)方向之间的刚度差异很大。

这些缺口尖端应力集中,与试样中的弱水平面相结合,可能导致形成在缺口尖端处形成的短水平裂缝并产生较小的载荷下降(图2b)。尽管在开发V型缺口梁试验过程中,这些缺口尖端裂纹和相关的载荷下降受到关注,但是发现它们对G 12或S 12的测量值没有显着影响。3相反,切口尖端裂纹消除了在0°单向试样中产生的应力集中,并允许进一步加载,直到试样试验部分发生剪切破坏。

用于测量平面内剪切特性G A不太明显的候选层叠体12和S 12是交叉层层压材料,由0°和90°板层。如图所示。如图1所示,0°和90°帘布层经受相同的剪切应力状态,就好像它们是单向层压板的一部分。因此,在理论上,交叉层压板应该在纯剪切载荷下产生与任何一种单向层合物相同的结果。

然而,使用[0/90] ns交叉层压板进行面内剪切测试具有显着的优点。对于起动器,交叉层样品不存在存在于单向层压板中的弱平面。因此,它们显着更不脆弱,并且不会经历使用0°或90°单向层压板时发生的过早裂纹。此外,交叉层压板不​​具有单向层压板的高ortho比,并且因此在样品的缺口测试部分中产生更均匀的剪切应力和剪切应变分布,以及在缺口尖端处的最小应力集中。虽然用于精确测量S 12的期望特征,它们在装载的初始阶段对测量G 12更为重要。剪切模量用下式计算:

请注意,平均剪切应力,τ 12,在该方程中使用,如由切口之间的样品的横截面面积除以所施加的剪切力来计算。因此,为了产生G 12的正确值,也必须使用剪切应变的平均值γ12。对于应变计来测量该平均剪切应变值,它们必须位于存在该平均剪切应变的样品测试部分的区域内。在图 如图3所示,该区域对应于白色区域,其中剪切应变接近平均缺口到切口值。对于交叉层压板(图3b),平均剪切应变的适当区域存在于以V形凹口为中心的较大区域中。然而,对于0°碳/环氧树脂试样(图3a)

在上述等式中使用该较低值的剪切应变将导致计算出的G 12值比正确值大约10%,即使所有其他方面的测试都能正确执行。是通过使用0°单向试样的中心区域中的常规应变计产生的误差,可以通过使用具有窄矩形形状并从凹口尖端延伸到切口尖端的专门的剪切应变计来消除,允许平均剪切应变在不均匀区域获得。然而,这种剪切应变计目前仅适用于较小的V型缺口梁(ASTM D 5379)试件4。因此,为了测量复合材料的平面内剪切模量G 12和剪切强度S 12

参考文献

1个 ASTM D 5379 / D 5379 M-12,ASTM国际(W.西康舍霍肯,PA,美国),2012(1993年第一发行)“由V-缺口束法,复合材料剪切性能的标准测试方法”。
2 ASTM D 7078 / D 7078 M-12“通过V型缺口轨道剪切方法的复合材料剪切性能的标准测试方法”,ASTM International(W.Commhohocken,PA,US),2012(2005年首次出版) 。

3 DF Adams and EQ Lewis,“Experimental Strain Analysis of the losipescu Shear Test Specimen”,Experimental Mechanics,Vol。1995年第35卷第3期,第352-360页。

4 “应变计平面剪切测量”,Vishay Precision Group Tech Note TN-512-1,文献编号11062,2010年9月,网址:www.vishaypg.com/docs/11062/tn5121tn.pdf
5 DO Adams,JM Moriarty,AM Gallegos和DF Adams,“发展和评估复合层压板的V型缺口轨道剪切试验”,联邦航空管理局报告No. DOT / FAA / AR-03/63,2003年9月,在线www.tc .faa.gov / its / worldpac / techrpt / ar03-63.pdf

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