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V型槽轨道剪切方法测复合材料剪切性能测试标准1.范围1.1这篇测试方法适用于确定高模量纤维增强复合材料的剪切性能，V型槽口试样通过加载轨道的两对夹具夹持试样。当施加拉力时，轨道通过试样表面将剪切载荷传递给试样。相对而言，测试方法D5379是在试样上下端部施加载荷。面内加载可以对试样提供更高的剪切载荷。另外，当前测试方法比D5379使用更大的测试截面积。在这两种测试方法中，使用V型槽口，相对于夹具附近提高了试样测试截面积的剪切应力。因此，当V型槽口试样剪应力比未用V型槽口试样分布均匀，实现测试截面部位发生破坏。测试方法D4255利用两个加载轨道夹持无槽口的试样提供拉伸加载。和测试方法D4255相比，本文所使用的测试方法在试样夹持时无须在试样表面打孔。复合材料局限于如下形式的连续纤维或非连续纤维增强构成：1.11层合板由单一方向的纤维层合板构成，纤维排列方向平行或垂直于夹具轨道。1.12层合板是个对称平衡结构，并且0°方向平行或垂直于夹具轨道。1.13层合板通过编织物、编制状纤维丝线层合板组成。1.14短纤维增强材料由大多数按随机分布方式排列的纤维组成。1.2SI单位和英尺-磅单位制里的数值，被认为是二个独立的数值标准。本文出现的英尺-磅数值由括号里面标示出来。这两个标准里面的数值并不完全相等，每个标准里的数值都必须独立使用。如果把两个标准的数值结合在一起，可能会得到不符合标准的结果。1.3这个标准不支持所有的安全系数考虑问题，如果实验操作者需要的话必须自行确定。因此在实验操作之前先做好安全步骤，是实验员实验前做好准备工作的一项重要责任。2.参考文献2.1美国材料实验协会标准D792塑料密度和特殊比重（相对密度）位移测定方法D883塑料专业术语D2584聚氯乙烯树脂烧失量测试方法D2734塑料增强材料失效测试方法D3171复合材料构成成分的测试方法D3878复合材料专业术语D4255通过横杆剪切法测定非平面聚合母体复合材料剪切性能测试方法D5229母体聚合复合材料的吸水性和平衡条件D5379通过V字型凹槽梁测试法测定复合材料剪切性能的测试方法D6856纤维增强织物复合材料的测试指导E4测试仪器力学检测方案E6力学测试相关的专业术语E111杨氏模量、剪切模量、割线模量测试方法E122计算要求特殊偏差试样尺寸方案，各个性能平均值E177ASTM测试方法里各项物理量的精度偏差使用方法E251金属连结体电阻应变仪性能测试方法演示E456质量分析相关的专业术语E1237连接电阻应变仪安装指导E1309确定数据库里纤维增强母体聚合复合材料指导E1434纤维增强复合材料性能数据指导2.2其它文献ANSIY14.5M-1982几何尺寸和偏差ANSI/ASMEB46.1-1985表面材质（表面粗糙、起伏、褶皱）2.3美国材料实验协会标准附录：V字型凹槽横杆剪切固定装置示意图3.专业术语3.1定义—D3878专业术语里详细说明了和高模量纤维相关的各项含义以及它们的组成。专业术语D883详细说明了和塑料相关的各项含义。E6专业术语里详细介绍了和力学测试相关的各项含义。专业术语E456和方案E177详细介绍了和分析学相关各项含义。如果里面各项出现冲突，专业术语D3878作为各项的总则。备注1—如果一项术语代表一个物理含义，那么它的分析量纲由基础量纲形式来表达，使用美国材料实验协会标准系统。表达形式如方括号里所示：[M]代表质量，[L]代表长度，[T]代表时间，[]代表热力学温度，[nd]代表无量纲参数。当使用方括号住明这些符号的时候要求严格按照分析上定义的量纲，如果不使用方括号，这些符号可能具有其它含义。3.2这个标准里定义的特殊术语3.2.1面内剪切，n—和剪切力或者1-2材料平面上的变形相关的剪切（参考材料坐标系）。3.2.2层合板剪切，n—任一剪切性能描述当加载剪切力时发生的反应或给定1-3、2-3平面上的变形（同样视材料坐标系统而定）3.2.3材料坐标系统，n-用来描述主要材料坐标的笛卡儿坐标系。用1、2、3来代表各个坐标轴方向，如图1所示。图1材料坐标体系3.2.4偏移剪切强度[M/(LT2)]，n-给定一个初始的剪切变形和固定的模量，从起始变形位置开始，按固定的模量所画切线和剪应力曲线的交点。3.2.4.1讨论-偏移剪切强度是用来判定材料应力应变线性程度关系的。（按照这个定义，如果材料非线性或者假设显示的是早期破坏。）当比较材料的预设强度时，必须使用相同的预设应变，定义相同的模量。当比较的时候缺少合适的数据建议前提下，使用较为合适的数值，应采用0.2％偏移应变和标准割线模量。偏移剪切强度的几何图例如图2所示。在设计上，其它的偏移剪切强度结合模量定义可能更适合特殊的材料和应用。图2模量和偏移强度定义描述3.2.5剪切强度[M/(LT2)]，n-在纯剪切条件下，一个材料在屈服点上的剪应力。3.3符号A=试样截面积CV=离散率1d=凹槽间试棒的宽度2d=凹槽深度suF=测试方向上剪切强度uF=测试方向上强度补偿）(0F=给定一个初始的剪切变形和固定的模量，从起始变形位置开始，按固定的模量所画切线和剪应力曲线的交点G=测试方向上弹性部分剪切模量h=试棒总厚度L=试棒总长度n=每个试样母体的试棒数P=测试试棒载荷fP=屈服点上测试试棒载荷maxP=测试试棒在屈服前极限载荷r=凹槽半径1nS=给定性能试样标准差w=试棒总宽度ix=给定性能母体样板中每个独立试样的测试结果X=平均值=工程剪切应变=通过应变仪位移传感器测得的实际形变=拉应力=剪应力=层间方向角度4.概括和测试方法4.1具有对称加载中心的V字型矩形平面材料试样，如图3所示，被加紧在加载仪器的两个试样夹头上（固定夹头如图4所示），示意图如图5所示，关于仪器方面的更详细操作可以参考美国材料实验协会标准附录ADJD7078。当在力学测试仪器上加载力时，这个试样夹头会传递剪应力给试样，导致试样在字型凹槽部位发生破坏。名义试样尺寸d1=31.0mmd2=12.7mmh=按要求L=76.0mmr=1.3mmw=56.0mm图3V型草轨道剪切测试试样简图图4有试样和垫块的部分装配图4.2试样沿着V字型凹槽口对着加载力的方向插入到两个试样夹头内。两个相同的试样夹头在装置了应力监视器的测试机器上产生变形。两个试样夹头之间的相对位移将会在试样字型凹槽内产生剪应力。4.3试样的凹槽凹槽会影响剪应变比无凹槽试样更均匀分布在试样中心部位。由于试样宽度的降低，平均剪应力相对无凹槽试样有所提高。5.意义和使用5.1这篇剪切测试设计是用来获得剪切性能数据用于材料规格、研发、质量保证和结构的设计分析。依靠材料坐标系和加载方向之间的位置关系可以得出材料的层间剪切和面内剪切。影响剪切反应的因素需要记录下来，包括：材料、材料准备和铺层方法、试样堆积顺序、试样准备、试样状态、测试时环境条件、试样纤维排列和夹持、测试速度、温度下的时间、试样空隙程度、增强材料体积含量。5.2各向异性材料的性能可以通过六个可能的剪切平面得到，通过把试样按不同要求放置（1-2或2-1，1-3或3-1，2-3或3-2）。对于一个给定的试样，只能评估一个剪切平面。按照测试方向，这个试样可以得到以下性能：5.2.1剪切应力和工程剪切应变的比5.2.2极限剪切强度5.2.3极限工程剪应变5.2.4割线剪切弹性模量5.2.5过渡应变图5装配V型槽的轨道剪切配件6.影响因素6.1材料和试样的准备工作，材料制备操作不好、纤维取向不对、不合适的实验操作对试样造成的破坏，可以导致复合材料数据偏差较大。6.2弹性模量测试，这篇文章剪切模量计算是在假设凹槽试样两端之间的剪应变和剪应力均匀的前提下得到的。实际均匀度依赖于材料的异向性，应力加载方向和凹槽几何尺寸（凹槽角度、凹槽深度和半径）。参考如图六所示纤维的方向，详细的应力分析显示出在0°方向试样产生的弹性模量数值偏高（高出碳纤维环氧树脂5-10％），而[0/90]方向上测得相对准确的弹性模量。另外，应力分析显示在±45°铺层占25％-100％范围层合板体的模量相对准确。6.3试样几何尺寸修正，凹槽几何尺寸（角度、深度和半径）的改变影响着凹槽口之间剪应力剪应变分布的均匀性。凹槽的尺寸和材料各向异性程度的建议还未发展完全。因此，采用简单的凹槽几何尺寸。在提高特定材料和层合板的剪应力剪应变能均匀分布的前提下，凹槽的角度、深度和半径的改变是可以接受的，当实验报告中明显标明出了尺寸的改变量。6.4加载的偏心，当试样在加载时可能会发生扭转，影响强度特别是弹性模量值。扭转可能是因为夹具的精度偏差、试样尺寸偏差，或者由于试样固定时不合理安装在固定夹上。建议每组试样至少用一个试件在试件两侧贴2-element应变片来测扭转度。从两侧的数据代替剪切模量来估算扭转程度，把aG和bG带入公式/100ababGGGG，估计工程剪应变为0.004。如果扭转的总量超过3％，那么试样就要求检测造成扭转的原因，并且做出必要的修正。如果扭转不明显或不能做合理的修正，那么剪切模量可以通过取各个两侧应变片应变平均值来确定。6.5确定破坏，参考如图6中纤维的方向标准：图6V型槽剪切试样纤维方向6.5.10°单向试样——利用0°单向试样是不推荐的，因为他们产生的剪切模量太高（高出碳纤维环氧树脂5-10％）。0°单向试样会在凹槽底部产生明显的裂缝，导致在极限破坏前加载力的下降（5-10％极限应力）。伴随着凹槽底部小裂缝引起的应力下降是不考虑在加载破坏中的。而加载导致在测试部位的破坏侧是考虑为加载破坏的。6.5.290°单向试样——利用90°单向试样是不推荐的，因为试样没有增强纤维横跨两个加载夹头之间宽度。因此，试样在加载到测试夹头上时就发生了破坏。6.5.390°织布或者纤维试样——在加载过程中可以达到的剪切破坏加载可能会比极限加载小。对于这种层合板，纤维可能在破坏过程中伴随有旋转，随后纤维在加载过程中承担大部分载荷。在这种情况下，剪切加载破坏经常可以结合观察测试截面和载荷下降，或者在应力位移曲线中产生突变来发现。6.5.4±45°至少占25％的试样——高剪切强度轨道剪切试样，特别是薄的试样，在加载时可能会产生弯曲。弯曲可以通过加载过程中两个相反试样表面的应变测量仪数据差超过10％来判定。试样弯曲状态测得的数据不能代表材料的剪切性能。模量测试中要确定在模量测试范围内试样没有发生弯曲。强度测试要保证剪切强度没有受试样弯曲影响。弯曲破坏是不能够判定最大剪切强度的。6.5.5分层是含大量±45°纤维的层合板的另外一种破坏类型，相比于前面提到的整体试样弯曲破坏来讲，该破坏反应出±45°层的不稳定性，这是因为纤维受压缩应力而不是先前所讲的整体试样失稳破坏。另外，分层可能是由于在剪切加载下多向层合板产生的层间导致的。由于分层导致的不同的应变仪读数差别是不容易察觉的，但是破坏可能是由于分层导致的而非纤维断裂引起的。但是这种破坏可以通过纤维层分离而不是纤维断裂确定下来。7.仪器7.1测微计——测微计具有名义直径的双球界面4－5mm[0.16-0.20]。测微计具有平面夹头表面可以用来测定试样的宽度。仪器的精度必须达到试样厚度和宽度的1％。对于一般的试样尺寸，测量厚度的仪器的精度为2.5m[±0.0001in]就足够了，宽度精度侧要达到25m[±0.001in]就足够了。7.2扭力扳手——用于测量螺钉扭矩，是否在要求扭力值范围内。7.3角度测量仪。测试凹槽角度，具有精度1。7.4半径测量仪。测顶凹槽半径，具有2.5mm[±0.01in]。7.5测试机。测试机应该满足标准E4并且满足下面条件：7.5.1测试机头。测试机头必须具有一个固定头和一个移动头。7.5.2动力器。测试机的驱动仪必须能够传给可移动头一个可以控制的固定速度，并且可移动头的速度可以通过11.3阐述的方法测得。7.5.3力传感器。测试机的力传感器仪需要能够显示加载在测试试样上总的加载力的数值大小。这个仪器需要在固定速度加载下解除初始延迟，并且能显示的加载力具有超过加载力