ASTM D6641：組合負載壓縮
ASTM D6641 是測定纖維複材層壓板在壓縮負載下之楊氏模量、強度和斷裂應變的標準測試方法。 此測試適用於 0°、90° 或多向 UD 層壓板、編織和無緯稀鬆布複材，或具有不連續且隨機分佈強化纖維的纖維複材（如短切纖維複材、SMC）。
在組合負載壓縮測試中，施加的綜合測力是通過端面施加的法向力分量，再加上通過試樣夾持部分施加的剪切力分量。 這種綜合施力方式對於高強度纖維複材層壓板的壓縮測試特別有利。 要達到最佳結果，必須遵守標準中對試樣端面平行度規定的公差，以及對端面垂直於負載方向規定的公差。
根據 ASTM D6641 標準，未帶標籤試樣（程序 A）和帶標籤試樣（程序 B）均可使用。 詳情請參閱下文「試樣和尺寸」一節。
其他常用於長纖維或連續纖維增強塑膠壓縮測試的測試標準包括：根據純端部加載原理的 ASTM D695 或 DIN EN 2850 方法 B，以及根據純剪切負載原理的 ASTM D3410 或 ISO 14126 方法1。 ISO 14126 方法 2 中描述了另一種標準化的組合負載壓縮測試。
符合 ASTM D6641 的測試目標與測定的特徵值
根據 ASTM D6641 標準對複材進行壓縮測試，是為了在材料開發和驗證過程中測定機械壓縮性能，並為複材結構的佈局和設計、在品保中測定特徵值。
根據 ASTM D6641 標準進行的組合負載壓縮測試，可用於測定以下特徵結果和數值：
- 壓縮應力：與試樣初始橫截面相關的壓縮力
- 壓縮應變：根據負載方向上初始標距長度確立的標距長度變量
- 壓縮模量：在彈性範圍內的指定應變區間內，壓縮測試中的應力-壓縮曲線斜率。 又稱為彈性模量或楊氏模量
- 壓縮強度：壓縮測試過程中試樣所受的最大壓縮應力
- 斷裂應變：達到抗壓強度時的壓縮
如果使用可測量縱向和橫向應變的雙軸應變計，還可以在根據 ASTM D6641 標準進行的壓縮測試中測定泊松比，並在該標準中進行相應討論。 然而，由於壓縮測試中試樣的自由長度相對較短，這在實際操作中不太可行，因此很少採用。 根據 ISO 527-4,-5 或 ASTM D3039 進行的拉伸側試 更適用於測定泊松比。
如何根據 ASTM D6641 標準進行壓縮測試？
以下是關於對複材進行組合負載壓縮測試的重要資訊，以及所需的測試機器、測試裝置和應變計。 如需 ASTM D6641 標準的詳細資訊，必須購買該標準。
ASTM D6641 組合負載壓縮測試治具
對於根據 ASTM D6641 標準進行的組合負載壓縮 (CLC) 測試<，需要能夠通過端面和試樣的夾持部分綜合施力的測試治具。
在該標準所示的組合加載壓縮治具中，試樣是通過治具上下相互導引部分的 4 個螺栓夾緊。 試樣的端面與裝置的端面齊平。 然後將裝有試樣的測試治具放置在平行對齊的硬化壓縮板之間，並在壓力下加載直至試樣斷裂。
根據 ASTM D6641 標準，也可以使用類似的測試治具來進行組合負載壓縮測試，該測試治具符合試樣的綜合施力原理：
ZwickRoell 獨家提供的油壓複材壓縮治具 (HCCF)，適用於高達 250 kN 的複材壓縮測試，是一種用途極為廣泛的壓縮治具，也適用於符合 ASTM D6641 標準的組合負載壓縮測試。
HCCF 的一些優勢與特點
- 可根據組合負載壓縮原理（ASTM D6641、ISO 14126 方法 2 或 Airbus AITM 1-0008）進行壓縮測試
- 可根據純剪切負載原理（ASTM D3410 或 ISO 14126 方法 1）進行壓縮測試
- 適用於高達 250 kN 的壓縮力
- 適用於寬度最大 35 mm 的試樣，厚度最大 10 mm 的層壓板
- 由於 HCCF 仍留在試驗機中，因此測試期間可快速處理試樣
- 夾面彼此精確對齊，測試過程期間夾面彼此之間沒有位移
- 要對試樣自由部分進行無限制視角的觀察，可使用數位影像相關法 (DIC) 等光學應變測量方法
備註：ASTM D6641 要求在試樣自由部分的對向表面上進行雙面應變測量。由於 ASTM D6641 標準試樣幾何尺寸相對較小（13×13 mm²），應變計通常是最合適的應變測量方法。。
- 夾持試樣時，由於黏著層或標籤厚度的偏差所造成的形變（當兩側測量應變計的絕對差異 >150 µe 時可辨別出）可以通過打開夾面和墊片來快速輕易地修正。
- 壓縮測試可在 -60°C 至 +150°C 的溫度範圍內進行
- 手動操作的油壓泵可以非常精確地夾持試樣
HCCF 可選配具有刻度圖案或經熱塗層製程粗糙表面的夾面嵌件。 測試未帶標籤試樣（ASTM D6641 程序）時，應使用有熱塗層的夾面。
適用於 ASTM D6641 標準的試驗機
對於使用標準試樣進行的ASTM D6641壓縮測試，以及纖維增強塑料的許多標準化測試方法，通常使用 100 kN AllroundLine 試驗機即可滿足。 圖中顯示的是壓縮測試的測試裝置，包括 HCCF 壓縮治具和上下延長桿，可在溫箱中進行壓縮測試。 在室溫下進行壓縮測試時，不需要使用延長桿。 在如圖所示的 100 kN 機器配置中，使用機械楔形試樣夾具進行拉伸測試（見右上角小圖），可簡單地在不同的測試設置和測試治具之間切換。 只要移除試樣夾具，試驗機的整個工作區域也可用於非標準測試。 支撐腳有助於對工作區域的高度進行個別人體工學調整。
如果只對玻璃纖維增強塑料（GFRP）進行測試，通常使用最大力50 kN的靜態試驗機便已足夠。
適用於複合材料的模組化測試系統
具有相應高測試量的較大測試實驗室使用不同的測試機器來實現非常多樣化的複合材料測試方法，從而可最大程度地減少轉換工作。 各試驗機的力度調整至各類型測試所需的範圍。 如果測試量不夠大或不夠穩定，除了可以添購多台試驗機，另一個選項是購置一台盡可能滿足多種測試方法的試驗機，以盡量減少試驗機的轉換工作。
ZwickRoell 開發了一種模組化設計，可與100 kN 或 250 kN試驗機搭配使用，不僅涵蓋21種測試方法及大約120種測試標準（ISO、EN、ASTM 以及 Airbus AITM和 Boeing BSS），還能在環境溫度下獲得纖維增強複材的全面特徵，或在-80 °C至+360 °C 的低溫至高溫範圍內進行測試。
透過我們的 testXpert 測試軟體進行符合 ASTM D6641 標準的可靠測試
我們的 testXpert 測試軟體支持符合 ASTM D6641 標準的高效測試，並提供可靠的測試結果：
- 不需要研究標準： 通過標準測試程式保證符合標準要求－已儲存 ASTM D6641 標準的所有特徵值和參數。
- 通過連接週邊設備，可以實現最高的測試效率： 從千分尺或卡尺直接將試樣尺寸傳送至測試軟體，可節省時間並消除輸入錯誤。
- 也可通過軟體來檢查和控制溫箱中的溫度。 設定溫度升降速率並查看先前維持的值，確保可追溯性。
在試樣上進行雙面獨立的應變測量是必要的，以偵測任何彎曲百分比，並區分有效和無效的測試。 請參閱以下章節測試條件 - 監測疊加彎曲形變（彎曲百分比）。
由於 HCCF 壓縮治具採用開放式設計，因此也可以使用夾式延伸計，在兩側進行獨立測量。 然而，這需要至少 13 mm 的自由長度。 根據 ASTM D6641，允許較長的自由長度，這有利於使用夾式延伸計，但前提是試樣厚度要按相應的尺寸裁切，以避免歐拉挫曲 (Euler buckling)。
根據 ASTM D6641 的測試條件
測試速度
根據 ASTM D6641 標準的標稱測試速度為 1.3 mm/min。
有效的試樣失效
ASTM D6641 提供三字母代碼來記錄試樣破壞，明確定義了失效模式和沿著試樣的位置。 視纖維結構和待測的層壓板而定，壓縮測試中可能會出現不同的有效破壞模式，例如試樣寬度的橫向斷裂、試樣厚度的斜向剪切斷裂（通常發生在 90° UD 層壓板的壓縮測試中）、扭結帶、刷狀開裂、劈裂、層間剝離或不同有效破壞模式的組合。
只有當試樣在自由長度內斷裂時，壓縮測試才有效。 自由長度中間區域的斷裂與理想情況相符，但由於自由長度較短、部分斜切的斷裂面，斷裂也會發生在夾面到自由區域的過渡處，或在標籤到自由區域的過渡處。 這也被視為有效的試樣破壞。
無效的破壞類型包括歐拉挫曲 (Euler buckling) 或試樣端面的破壞，以及發生在夾持區域內任何類型的試樣破壞。
監測彎曲百分比
除了有效的試樣破壞外，根據 ASTM D6641，為了確保壓縮測試整體有效，壓縮負載的彎曲百分比不得超過規定範圍。 使用試樣兩側所測定的應變訊號 ε1 和 ε2，即可通過以下公式計算出彎曲百分比： By=(ε1-ε2)/(ε1+ε2)×100。
對於有效的測試來說： 在 2000 µε 、楊氏模量測定的平均伸長率區間情況下，By<10%，而在斷裂情況下的抗壓強度和應變，By<10%。
如果由於層壓板在接近斷裂強度時發生預破壞，導致應變訊號出現跳躍和不連續，即使在 90% 抗壓強度下滿足百分比彎曲準則，測試仍然是有效的。
溫度範圍
由於纖維增強塑料的機械性能受到溫度很大的影響，所以除了在室溫下進行壓縮測試外，還須在低溫和高溫下進行測試。 為此，ZwickRoell HCCF 壓縮治具可在 -60° 至 +150 °C 的溫度範圍內使用，這涵蓋了汽車應用中 -40° 至 +80 °C (+120 °C) 和航空應用中 -55°C 至 +120°C 的常見溫度測試範圍。
ASTM D6641試樣及尺寸
| 試樣類型 | 試樣示意圖 | 備註： |
|---|---|---|
| 未帶標籤 （程序 A） |  | 如果可以避免試樣端面的破壞， 且不需要大幅提高超過建議水平的夾持力，則可用於 0° 層數低於 50% 的多向層壓板。 |
| 帶標籤 （程序 B） |  |
|
- 可以使用 ±45° GRP 層壓板作為標籤材料，使用合適的黏合劑將其黏貼到待測的層壓板上。 對於厚度 2.5 mm 內的試樣，證明合適的標籤厚度約為 1.6 mm。 對於較厚的試樣厚度，必要時應選擇較厚的標籤。
- ASTM D6641 並未定義標準試樣厚度。 通常測試的試樣厚度為 2 至 3 mm。 較厚的層壓板也可以進行測試，但前提是用於測試的壓縮測試治具合適。 對於較薄的試樣厚度，必須遵守標準中對歐拉挫曲 (Euler buckling) 規定的尺寸要求，特別是對剛度較低的層壓板
- HCCF 壓縮治具最初是為了進行符合 Airbus AITM 1-0008 標準的組合負載壓縮測試而開發的。 AITM 1-0008 中規定的夾面長度為 65 mm。因此，HCCF 的原始夾面對於標準 ASTM D6641 試樣幾何形狀來說，長度多了 1.5 mm。 在使用 HCCF 進行符合 ASTM D6641 標準的組合負載壓縮測試時，必須使用長度為 143 mm 的壓縮試樣。 另外，也可以使用專為 140 mm 標稱試樣長度設計的合適夾面。
