技術(shù)專欄 | 為復(fù)合材料做“體檢”（一）——拉伸試驗
復(fù)合材料是由兩種或多種物理和化學(xué)性質(zhì)不同的材料，通過人工復(fù)合工藝組合而成的新型固體材料，具有單一材料無法比擬的優(yōu)異綜合性能。
隨著材料科學(xué)的發(fā)展以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的日益完善，國內(nèi)外已形成了較為系統(tǒng)的復(fù)合材料力學(xué)性能測試體系，例如我國的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）以及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
系統(tǒng)、精準(zhǔn)的試驗方法是保障復(fù)合材料性能可靠性、推動其研發(fā)創(chuàng)新與工程應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)。為此，中機(jī)試驗特別推出系列專欄，從國際常用的ASTM標(biāo)準(zhǔn)體系切入，介紹幾種常見的復(fù)合材料力學(xué)性能測試方法，敬請持續(xù)關(guān)注。
一、拉伸試驗簡介
拉伸試驗是了解復(fù)合材料基本“性情”的首要試驗，一般用于測試復(fù)合材料的以下力學(xué)性能：
1.極限拉伸強(qiáng)度：施加的最大應(yīng)力（通常為斷裂時的應(yīng)力）。
2.極限拉伸應(yīng)變：載荷方向上初始標(biāo)距單位長度的增量（通常指斷裂時）。
3.拉伸模量（弦線模量）：材料剛度。
4.泊松比：橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對值的比值。
5.過渡應(yīng)變：雙線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線中線性段交點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變值，反映材料損傷起始(如基體開裂或?qū)娱g剝離)。
6.失效模式：斷裂試樣的失效類型、區(qū)域和位置。
二、標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)
國際上通常將ASTM D3039/D3039M-2017《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能測試方法》作為聚合物基復(fù)合材料面內(nèi)拉伸性能的測試標(biāo)準(zhǔn)。
此外，還有針對長纖維增強(qiáng)塑料或連續(xù)纖維增強(qiáng)塑料拉伸試驗的ISO 527-4《各向同性和各向異性纖維增強(qiáng)塑料的試驗條件》和ISO 527-5《單向纖維增強(qiáng)塑料的試驗條件》。
三、拉伸試驗注意事項
以ASTM D3039/D3039M-2017為例：該標(biāo)準(zhǔn)要求試樣尺寸為寬度:15-25mm(單向材料)或25mm(織物材料)；厚度1-2.5mm，需確保纖維分布均勻；長度:250mm(單向材料)或175mm(橫向測試)。
圖1：復(fù)合材料試樣形狀（寬度、長度、厚度）示意??
一般選用直條型試樣且需要明確標(biāo)識并記錄尺寸公差(寬度±1%，厚度±4%)。
另外，ASTM D3039/D3039M-2017對試樣加強(qiáng)片的使用提出了建議：“將單向材料(或一個方向占主導(dǎo)作用的層壓板)在纖維方向加載到破壞時，強(qiáng)烈推薦使用加強(qiáng)片。”
ASTM D3039/D3039M-2017要復(fù)合材料拉伸試驗設(shè)備應(yīng)為符合ASTM E4標(biāo)準(zhǔn)的電子萬能試驗機(jī)，力值精度±1%，具備位移/應(yīng)變控制功能。
同時，ASTM D3039/D3039M-2017還規(guī)定了復(fù)合材料拉伸試驗速度：一種是0.01min-1（標(biāo)稱值）恒定應(yīng)變速率，另一種選擇是以2mm/min（標(biāo)稱值）的恒定速度執(zhí)行試驗。
對于依照ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)或ISO 527-4和ISO 527-5所涉及的纖維增強(qiáng)塑料等其他標(biāo)準(zhǔn)化試驗方法執(zhí)行的復(fù)合材料拉伸試驗，通常使用100kN或300kN試驗機(jī)即可。
中機(jī)試驗裝備股份有限公司（以下簡稱“中機(jī)試驗”）為復(fù)合材料性能測試提供一套先進(jìn)解決方案。
圖2：中機(jī)試驗復(fù)合材料拉伸試驗解決方案??
方案采用的中機(jī)試驗DF系列電子萬能試驗機(jī)，能夠依照GB、ASTM、ISO和其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行復(fù)合材料拉伸試驗，擁有業(yè)界領(lǐng)先的精確性和可靠性：
①方案兼容性強(qiáng)：可滿足各種形式、各種標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)材試驗；
②模塊化設(shè)計：可快速更換復(fù)材夾具以滿足其他標(biāo)準(zhǔn)的試驗條件；
③高精度：可達(dá)到0.5級精度；
④非標(biāo)夾具適配：可針對特殊尺寸復(fù)合材料試樣進(jìn)行適配；
⑤主機(jī)速度范圍廣：可滿足絕大部分試驗速度。
圖3：中機(jī)試驗解決方案依照ASTM D3039形成的相關(guān)曲線??
ASTM D3039/D3039M-2017建議采用自對中夾具，以避免邊緣應(yīng)力集中，或按照ASTM E1012-19《驗證拉伸和壓縮軸向力作用下的測試框架和試樣對齊情況》定期檢查試樣夾具對中是否正確。楔形夾具要做好防滑工作。
中機(jī)試驗為復(fù)合材料拉伸試驗配備多種模塊化夾具，適配多力值、多溫域測試需求。
ASTM D3039/D3039M-2017要求力值、位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)連續(xù)采集(推薦2-3點(diǎn)/秒)，同時記錄試樣破壞模式(如纖維斷裂、層間剝離)及破壞位置(標(biāo)距內(nèi)或夾具附近)。數(shù)據(jù)采集后，根據(jù)公式計算對應(yīng)參數(shù)，公式可參考ASTM D3039/D3039M-2017。
中機(jī)試驗采用接觸式引伸計、非接觸式視頻引伸計或電阻應(yīng)變片來測量軸向和橫向應(yīng)變。
圖6：中機(jī)試驗電阻應(yīng)變片使用實例??
完成數(shù)據(jù)采集后，中機(jī)試驗定制化試驗軟件可靈活自定義計算公式，實時計算多個應(yīng)變通道的和值、差值、平均值、自定義計算值，以及彎曲百分比等，并使用這些通道數(shù)據(jù)顯示各種關(guān)系的曲線、計算標(biāo)準(zhǔn)要求的各個結(jié)果數(shù)據(jù)。
四、結(jié)語
本期文章呈現(xiàn)了復(fù)合材料性能測試方法中的拉伸試驗，中機(jī)試驗復(fù)合材料系列專欄的下一期，我們將為您闡述復(fù)合材料壓縮試驗的相關(guān)內(nèi)容，期待與您繼續(xù)同行。
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