聚合物基复合材料层压板挤压强度标准试验方法D 5961.docx
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聚合物基复合材料层压板挤压强度标准试验方法D5961
ASTMD5961/5961M–05
聚合物基复合材料层压板挤压响应的标准试验方法
本标准以固定标准号D5961/D5961M发布；标准号后面的数字是初版年份，或者在修订版的情况下是最近一次修订版的年份。
括号中的数字是再次批准的版年份。
上标（ε）表示自上次修订或批准以来的编辑变化。
1.范围
1.1本试验方法确定由高模量纤维增强的聚合物基复合材料多向层压板的挤压响应，试件承受双剪（方法A）或者单剪（方法B）拉伸或压缩载荷。
对于每一种试验方法，标准试件的构型采用固定的试验参数，但是，在试验报告中用文件说明时，一些试验参数可以有可选择的变化。
复合材料形式限于连续纤维或非连续纤维（预浸带或织物，或二者兼而有之）增强的复合材料，且层压板相对于试验方向是均衡和对称的。
8.2.1节描述了可接受的试验层压板和厚度的范围。
1.2本试验方法与MIL-HDBK-17推荐的方法是一致的，手册描述了挤压响应试验方法期望的特性。
1.3本试验方法描述的多钉试验构型与工业界用于研究螺栓连接挤压旁路干涉响应的旁路分配的试件相似，试件可以表现出挤压失效模式或者旁路失效模式。
虽然本试验方法可用于指导挤压旁路试验计划，但本试验方法的范围仅限于挤压失效模式。
1.4以国际单位（SI）或英制单位（inch–pound）给出的数值可以分别作为标准。
在文中，英制单位在括号内给出。
每一种单位制之间的数值并不严格等值，因此，每一种单位制都必须独立使用。
由两种单位制组合的数据可能导致与本标准的不相符。
1.5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。
2.参考文件
2.1ASTM标准
D792置换法测量塑料密度和比重（相对密度）试验方法
D883与塑料有关的术语2
D953塑料挤压强度试验方法2
D2584固化增强树脂燃烧质量损失试验方法
D2734增强塑料空隙含量试验方法
D3171复合材料的组分含量试验方法
D3878复合材料术语
D5229/D5229M聚合物基复合材料吸湿性能及平衡调节试验方法
D5687/D5687M试件制备时按照工艺指南进行平复合材料板制备的指南
E4试验机力标定操作规程
E6与力学试验方法有关的术语
E83引伸计系统检定和分类的操作规程
E122选择样本尺寸用以估计批次或工艺质量测量的操作规程
E177ASTM试验方法中使用精度和偏差条款的操作规程
E238金属材料销钉类挤压试验的试验方法
E456与质量和统计有关的术语
E1309数据库中纤维增强聚合物基复合材料的标识指南
E1434数据库中收录纤维增强聚合物基复合材料的力学性能试验数据的指南
E1471计算机化材料性能数据库中纤维、填料及芯材的标识指南
2.2其他术语
MIL-HDBK-17聚合物基复合材料，卷1，第7节
3.术语
3.1定义——术语D3878定义了与高模量纤维及其复合材料有关的术语。
术语D883定义了与塑料有关的术语。
术语E6定义了与力学试验有关的术语。
术语E456和E177定义了与统计有关的术语。
当各个标准定义的术语之间发生矛盾时，术语D3878应优先于其他标准。
3.2本标准专用术语定义：
注1——如果术语表示一个物理量，它的分析量纲以基本量纲的形式紧跟在该术语（或文字符号）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：
质量为[M]，长度为[L]，时间为[T]，热力学温度为[l]，无量纲量为[nd]。
由于不带方括号时以上这些符号可能有其他的定义，因此这些符号在带方括号时的使用仅限于分析量纲。
3.3挤压面积（BearingArea），[L2]——用于将施加的载荷归一化为有效挤压应力的挤压试件的面积部分，等于受载孔的直径乘以试件的厚度。
3.4挤压弦向刚度（BearingChordStiffness），Ebr[ML-1T-2]——挤压应力/挤压应变曲线线性部分上的两个指定的挤压应力或挤压应变点之间的弦向刚度。
3.5挤压载荷（BearingLoad），P[MLT2]——挤压试件承受的总载荷。
3.6挤压应变（BearingStrain），εbr[nd]——挤压试件归一化的孔变形量，等于挤压载荷方向挤压孔的变形除以孔的直径。
3.7挤压强度（BearingStrength），
[ML-1T-2]——挤压应力/应变曲线出现明显变化时的挤压应力值。
3.7.1讨论——通常用附加的上标来区别和标记两种类型的挤压强度：
偏移强度和极限强度。
3.8挤压应力（BearingStress），Fbr[ML-1T-2]——挤压载荷除以挤压面积。
3.9孔径厚度比（DiametertoThicknessRatio），D/h[nd]——挤压试件中，孔径与试件厚度之比。
3.9.1讨论——孔径厚度比可以采用名义尺寸的名义值或者测量尺寸得到的实际值来确定。
3.10端距比（EdgeDistanceRatio），e/D[nd]——挤压试件中，孔中心和试件端部之间的距离与孔径之比。
3.10.1讨论——端距比可以采用名义尺寸的名义值或者测量尺寸得到的实际值来确定。
3.11名义值（NominalValue）——对于一个可测量的量为了便于给出仅在名义上存在的值。
公差可以用于名义值，以便对该量值规定一个可接受的范围。
3.12偏移挤压强度（OffsetBearingStrength），
[ML-1T-2]——在下标指定的方向，沿挤压应变轴偏离一个规定的挤压应变值的挤压弦向刚度线与挤压应力/挤压应变曲线的交点所对应的挤压应力值。
3.12.1讨论——除非另有说明，本试验方法采用2%的偏移挤压应变。
3.13宽度孔径比（WidthtoDiameterRatio），w/D[nd]——挤压试件中，宽度与孔径之比。
3.13.1讨论——宽度孔径比可以采用由名义尺寸得到的名义值，或由试件宽度和孔径实际测量值得到的实际值。
3.14极限挤压强度（UltimateBearingStrength），Fbru[ML-1T-2]——在下标指定的方向，挤压试件承受最大载荷时的挤压应力值。
3.15符号
A——试件最小横截面积
CV——对于一个给定的性能，一个样本母体的统计的变异系数（以百分数表示）
d——紧固件或销钉直径
D——试件的孔径
e——端距，即平行于载荷方向、从孔中心到试件端部的距离
——下标指定方向上的挤压弦向刚度
f——平行于载荷方向、从孔边缘到试件端部的距离
——下标指定的试验方向上的极限挤压强度
（e%）——下标指定的试验方向上的偏移挤压强度（对应e%偏移挤压应变）
g——垂直于载荷方向、从孔边缘到试件侧边的最短距离
h——试件厚度
k——挤压公式中用来区分单钉试验与双钉试验的计算系数
K——在单钉挤压应变方程中用来区别单剪试验与双剪试验的计算系数
Lg——引伸计标距长度
n——每个样本母体的试件数量
P——试件承受的载荷
Pf——试件破坏时承受的载荷
Pmax——破坏前试件承受的最大载荷
sn-1——对于一个给定的性能，样本母体统计的标准差
w——试件宽度
xi——对于一个给定的性能，样本母体中单个试件的试验结果
——对于一个给定的性能，样本母体的平均值（估计平均值）
ºδ——拉伸位移
ε——应变的通用符号，不管是正应变还是剪应变
εbr——挤压应变
σbr——挤压应力
dcsk——沉头深度
dfl——沉头平齐度（紧固件在沉头孔中的深度或突出）
4.试验方法概述
4.1方法A，双剪
4.1.1在靠近试件端部含有中线位置孔的平直等矩形截面试件在孔位置以挤压方式加载，试验件如图1和图2所示。
挤压载荷通常通过一个紧配合、稍微拧紧的紧固件（或销钉），采用与图3和图4相似的夹具以双剪形式施加挤压载荷。
在试验机上通过对装配件的拉伸施加挤压载荷。
4.1.2监测施加的载荷及其伴随的孔变形。
孔变形除以孔直径可以得到有效挤压应变，另外，施加的载荷除以孔的投影面积可以得到有效挤压应力。
为了确定更有代表性的失效模式，试件加载直到载荷清楚地达到最大值，停止试验，以防止大范围的孔变形掩盖真实的失效模式。
绘出整个加载范围内的挤压应力-挤压应变曲线，并记录失效模式。
由试验结束前承受的最大载荷确定材料的极限挤压强度。
4.1.3本方法的标准试验构型不允许对主要试验参数做任何修改。
然而，构型的下列变化是允许的，但仅在所有变化的试验参数与结果一起明确地予以说明时，可以认为这些参数与本试验方法是一致的。
参数
标准
变化
载荷条件
双剪
否
匹配材料
钢夹具
否
孔的数量
1
否
沉头
非
否
配合
紧
任意，如果说明
紧固件拧紧力矩
2.2～3.4Nm[20～30lbf-in]
任意，如果说明
层压板
准各向同性
任意，如果说明
紧固件直径
6mm[0.250in]
任意，如果说明
边距比
3
任意，如果说明
W/D比
6
任意，如果说明
D/h比
1.2～2
任意，如果说明
图注：
1图纸标注与ANSIY14.5M-1982一致，并遵循下列条件：
2以mm为单位的所有带小数的尺寸的公差如下：
无小数
.x
.xx
±3
±1
±0.3
3所有角度的公差为：
±0.5°；
4铺层方向公差为：
相对于基准面-A-小于±0.5°（见6.1节）；
5机械加工边缘的光洁度不超过
（符号与ASAB46.1一致，粗糙度以μm为单位）；
6下面提供的值，适用于绘图区所示的所有范围：
材料、铺层、相对于-A-的铺层方向、总长度、孔直径及试样厚度。
参数
标准尺寸，mm
紧固件或销钉直径，d
6+0.00/-0.03
孔直径，D
6+0.03/-0.00
厚度范围，h
3~5
长度，L
135
宽度，w
36±1
端距，e
18±1
沉头
无
图1双剪试件图（SI制）
图注：
1图纸标注与ANSIY14.5M-1982一致，并遵循下列条件：
2以in为单位的所有带小数的尺寸的公差如下：
.x
.xx
.xxx
±0.1
±0.03
±0.01
3所有角度的公差为：
±0.5°；
4铺层方向公差为：
相对于基准面-A-小于±0.5°（见6.1节）；
5机械加工边缘的光洁度不能超过
（符号与ASAB46.1一致，粗糙度以μin为单位）；
6下面提供的值，适用于绘图区所示的所有范围：
材料、铺层、相对于-A-的铺层方向、总长度、孔直径及试样厚度。
参数
标准尺寸，in
紧固件或销钉直径，d
0.250+0.000/-0.001
孔直径，D
0.250+0.001/-0.000
厚度范围，h
0.125~0.208
长度，L
5.5
宽度，w
1.5±0.03
端距，e
0.75±0.003
沉头
无
图2双剪试件图（英制）
推荐材料：
14-4PH不锈钢，屈服应力1GPa[145ksi]
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
mm
200
50
2
5
13
2
3
1
36
6
20
in
7.75
2.00
0.06
0.20
0.50
0.06
0.12
0.04
1.50
0.25
0.75
图3方法A的试验夹具加载板（要求2块）
图4方法A的试验夹具装配件
4.2方法B，单剪
4.2.1平直等截面矩形试件由两个相似的二等分部分组成，通过靠近每半个试件一个端部的一个或两个中线位置的孔用紧固件将两部分组合在一起，试件示意图如图5～图8所示。
此外，在试件每一个夹持端粘贴一块垫板，可以使载荷作用线沿着试件两部分之间的界面，并通过孔的中心线，从而将载荷的偏心度降到最小。
图注：
1图纸标注与ANSIY14.5M-1982一致，并遵循下列条件：
2以mm为单位的所有带小数的尺寸的公差如下：
无小数
.x
.xx
±3
±1
±0.3
3所有角度的公差为：
±0.5°；
4铺层方向公差为：
相对于基准面-A-小于±0.5°；
5机械加工边缘的光洁度不超过
（符号与ASAB46.1一致，粗糙度以μm为单位）；
6下面提供的值，适用于绘图区所示的所有范围：
材料、铺层、相对于-A-的铺层方向、总长度、孔直径、沉头细节、试样厚度、垫板材料、胶粘剂。
参数
试件标准尺寸，mm
无支持夹具
有支持夹具
紧固件直径，d
6+0.00/-0.03
6+0.00/-0.03
孔直径，φ
6+0.03/-0.00
6+0.03/-0.00
厚度范围，h
3~5
3~5
长度，L
135
189
宽度，w
36±1
36±1
端距，e
18±1
18±1
沉头
无（可选择）
无（可选择）
垫板长度，s
75
129
图5单剪、单紧固件试件图9（SI）（双紧固件试件细节见图7）
图注：
1图纸标注与ANSIY14.5M-1982一致，并遵循下列条件：
2以in为单位的所有带小数的尺寸的公差如下：
.x
.xx
.xxx
±0.1
±0.03
±0.003
3所有角度的公差为：
±0.5°；
4铺层方向公差为：
相对于基准面-A-小于±0.5°；
5机械加工边缘的光洁度不能超过
（符号与ASAB46.1一致，粗糙度以μin为单位）；
6下面提供的值，适用于绘图区所示的所有范围：
材料、铺层、相对于-A-的铺层方向、总长度、孔直径、沉头细节、试样厚度、垫板材料、胶粘剂。
参数
试件标准尺寸，in
无支持夹具
有支持夹具
紧固件直径，d
0.250+0.000/-0.001
0.250+0.000/-0.001
孔直径，φ
0.250+0.001/-0.000
0.250+0.001/-0.000
厚度范围，h
0.125~0.208
0.125~0.208
长度，L
5.5
7.5
宽度，w
1.5±0.03
1.5±0.03
端距，e
0.75±0.003
0.75±0.003
沉头
无（可选择）
无（可选择）
垫板长度，s
3.0
5.0
图6单剪、单紧固件试件图（英制）（双紧固件试件细节见图8）
图注：
1图纸标注与ANSIY14.5M-1982一致，并遵循下列条件：
2以mm为单位的所有带小数的尺寸的公差如下：
无小数
.x
.xx
±3
±1
±0.3
3所有角度的公差为：
±0.5°；
4铺层方向公差为：
相对于基准面-A-小于±0.5°；
5机械加工边缘的光洁度不能超过
（符号与ASAB46.1一致，粗糙度以μm为单位）；
6下面提供的值，适用于绘图区所示的所有范围：
材料、铺层、相对于-A-的铺层方向、总长度、孔直径、沉头细节、试样厚度、垫板材料、胶粘剂。
参数
试件标准尺寸，mm
无支持夹具
有支持夹具
紧固件直径，d
6+0.00/-0.03
6+0.00/-0.03
孔直径，φ
6+0.03/-0.00
6+0.03/-0.00
厚度范围，h
3~5
3~5
长度，L
210
210
宽度，w
36±1
36±1
端距，e
18±1
18±1
沉头
无（可选择）
无（可选择）
垫板长度，s
108
108
图7单剪、双紧固件试件图（SI）
图注：
1图纸标注与ANSIY14.5M-1982一致，并遵循下列条件：
2以in为单位的所有带小数的尺寸的公差如下：
.x
.xx
.xxx
±0.1
±0.03
±0.003
3所有角度的公差为：
±0.5°；
4铺层方向公差为：
相对于基准面-A-小于±0.5°；
5机械加工边缘的光洁度不能超过
（符号与ASAB46.1一致，粗糙度以μin为单位）；
6下面提供的值，适用于绘图区所示的所有范围：
材料、铺层、相对于-A-的铺层方向、总长度、孔直径、沉头细节、试样厚度、垫板材料、胶粘剂。
参数
试件标准尺寸，in
无支持夹具
有支持夹具
紧固件直径，d
0.250+0.000/-0.001
0.250+0.000/-0.001
孔直径，φ
0.250+0.001/-0.000
0.250+0.001/-0.000
厚度范围，h
0.125~0.208
0.125~0.208
长度，L
8.25
8.25
宽度，w
1.5±0.03
1.5±0.03
端距，e
0.75±0.003
0.75±0.003
沉头
无（可选择）
无（可选择）
垫板长度，s
4.25
4.25
图8单剪、双紧固件试件图（英制）
4.2.1.1无支持构型（无支持夹具）——试件的两端直接夹持在试验机的夹头中，并施加拉伸载荷。
4.2.1.2支持构型（使用支持夹具）——试件安装于通过螺栓组合在一起的支持夹具中，以对试件表面进行支持，如图9所示。
试件/夹具装配件夹持在液压楔形夹头中，载荷以剪切的形式传递给支持夹具，然后再以剪切的形式传递到试件上。
虽然试件/夹具装配件既可受拉伸也可受压缩加载，但支持构型主要用于压缩加载。
图9方法B支持夹具组合件
4.2.2监测施加的载荷及其伴随的孔变形。
孔变形除以孔直径（用于对两个二等分部分的孔变形进行修正的系数等于2）来得到有效挤压应变，另外，施加的载荷除以孔的投影面积来得到有效挤压应力。
为了确定更有代表性的失效模式，试件加载直到载荷清楚地达到最大值，停止试验，以防止大范围的孔变形掩盖真实的失效模式。
绘出整个加载范围内的挤压应力-挤压应变曲线，并记录失效模式。
由试验结束前承受的最大载荷确定材料的极限挤压强度。
4.2.3本方法的标准试验构型不允许对主要试验参数做任何修改。
然而，构型的下列变化是允许的，但仅在所有变化的试验参数与结果一起明确地予以说明时，可以认为这些参数与本试验方法是一致的。
参数
标准
变化
载荷条件
单剪
否
支持夹具
无
是，如果说明
孔数量
1
1或2
沉头孔
非
是，如果说明
垫圈
无
是，如果说明
匹配材料
同样的层压板
任意，如果说明
配合
紧
任意，如果说明
紧固件力矩
2.3～3.4Nm[20～30lbf-in]
任意，如果说明
层压板
准各向同性
任意，如果说明
紧固件直径
6mm[0.250in]
任意，如果说明
端距比
3
任意，如果说明
W/D比
6
任意，如果说明
D/h比
1.2～2
任意，如果说明
5意义和用途
5.1制定本试验方法是为了得到用于材料规范、研究和开发、质量保证以及结构设计和分析的挤压响应数据。
每种试验方法的标准构型是很明确的，主要目的是定量地建立进行材料比较和制订材料规范用的双剪和单剪挤压响应数据。
方法A的单钉双剪形式特别推荐用于基本的材料评价和比较，而方法B的单钉或两钉连接形式对评价具体的连接构型更为有用。
试件可以采用无支持（无支持夹具）或者有支持的构型，无支持的构型计划用于拉伸加载，而有支持的构型计划用于压缩加载（虽然也允许用于拉伸加载）。
这些构型广泛用于建立设计许用值数据。
任何一种方法的改变使试验具有灵活性，并允许对试验进行调整以适应具体的应用。
但是，如果试验数据不是基于同样的试验参数而得到的，试验参数的灵活性将使得数据集之间很难进行有意义的比较。
5.2影响复合材料层压板力学响应、并应当记录的一般因素包括：
材料、材料制备和铺贴方法、试件铺层顺序、试件制备、试件状态调节、试验环境、试件对中度和夹持、试验速率、在环境温度中的时间、空隙含量和增强体体积含量。
5.3影响复合材料层压板挤压响应、并应当记录的特殊因素不仅包括加载方法（方法A和方法B），而且包括以下因素（对两种方法）：
端距比、宽度直径比、直径厚度比、紧固件拧紧力矩、紧固件或销钉材料、紧固件或销钉间隙、沉头角度和沉头深度（仅对于方法B）、垫圈类型（如果使用）、匹配材料类型、紧固件的数量、支持夹具类型（如果使用）。
从本试验方法可以得到试验方向的如下性能：
5.3.1极限挤压强度，Fbru，
5.3.2弦向挤压刚度，Ebr
5.3.3偏移挤压强度，
；
5.3.4挤压应力/挤压应变曲线。
6影响因素
6.1材料和试件制备——挤压响应对于差的制造工艺（包括缺少对纤维准直度的控制）、由于不恰当的试件加工方法引起的损伤（孔的制备尤其关键）和拧紧的紧固件的安装等因素敏感。
尽管目前还没有标准方法保证或确定纤维的准直度，但还是应尽可能仔细地保持相对于试件坐标轴的纤维准直度。
实践表明，在0︒方向添加少量的示踪纱，并作为预浸料制造或者壁板制造的一部分，对于许多材料可以获得令人满意的效果。
关于推荐的试件制备方法更多的信息参见指南D5687/D5687M。
6.2表面约束——已经表明，缺少夹具或紧固件限制可能引起的孔面外变形程度会影响试验结果。
6.3光洁度——已经发现匹配表面的光洁度能显著地改变试验结果。
6.4偏心（仅方法B）——单剪试验中，加载偏心是由试件两部分之间载荷作用线的偏移而产生的。
这种偏移将产生一个力矩，力矩将使紧固件旋转（特别在间隙孔试验中），从而使得沿试件厚度方向的接触应力分布不均匀。
偏心对试验结果的影响主要取决于孔的间隙度、紧固件端头的尺寸、配合面积、试件和配合材料之间的摩擦系数、试件的厚度和刚度、匹配材料的厚度和刚度以及支持夹具的构型。
因此，从采用支持夹具的试验方法得到的结果也许不能精确地再现其他结构构型的行为。
6.5孔的制备——由于充填孔的存在，由这种方法得到的结果对于在无缺口拉伸与压缩性能试验中所关心的参数相对不敏感。
但是，因为充填孔控制强度，因此制孔的一致性且不损伤层压板对于有意义的结果很重要。
孔制备时导致的损伤将影响强度结果，也降低计算强度。
6.6紧固件-孔间隙——由于孔和紧固件直径之间的差别而产生的间隙将对结果产生影响。
间隙推迟了挤压损伤的起始，因此能改变观察到的试件行为。
紧固件安装时不适当的间隙会影响试验结果。
沉头的平齐度（紧固件端头在沉头孔中的深度和突起）将影响强度结果，也可影响观测到的失效模式。
基于这些理由，必须精确地测量和记录孔和紧固件的直径。
对于结构的紧固件孔，航宇紧固件-孔间隙通常的公差是+75/-0μm[+0.003/-0.000in]。
6.7紧固件拧紧力矩/预载荷——紧固件安装的预载荷（夹持压力）将对结果产生影响。
承受挤压载荷时，紧固件预载荷的变化使得层压板的破坏载荷和失效模式都呈现显著的不同。
临界预载条件（即高或者低的夹持压力）的变化依赖于载荷类型、层压板铺层顺序和期望的失效模式。
名义试验构型采用一个比较低的紧固件拧紧力矩，以便给出保
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