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根據 ASTM D5528 和 ISO 15024 標準的 GIc 測試 / DCB 測試

單向纖維強化聚合物基複合材料的層間斷裂韌性

根據 ASTM D5528ISO 15024 標準,G1c 測試可用來測定在模式 I 負載複材層壓板的臨界層間能量釋放率,以評估層壓板中的裂紋起始與裂紋擴展情況。 該測試通常因所採用的試樣幾何形狀而被稱為 DCB(雙懸臂樑)測試

由於此測試方法和此材料特性對於航空產業中的複材結構佈局和設計至關重要,空中巴士(AITM 1-0005)波音(BSS 7273) 也制定有專門的產業標準。 然而,與 ASTM D5528 和 ISO 15024 相比,這些產業標準則是採用稱為面積法的不同程序來計算結果。

測試目標 & 應用 DCB 試樣 執行測試 影片 測試設備 下載 尋求諮詢

GIC 測試目標與應用

纖維複合材料中的分層是指在層壓板中,個別層之間出現分離或未連接的情況。 此類損壞或缺陷會降低層壓板的機械性能,因此對於複材結構來說尤其關鍵。

在不利的負載下,當現有複合材料的層間能量釋放率達到臨界值時,層壓板中就會發生裂紋擴展。 如果這種情況是透過垂直於裂紋平面的拉伸發生,則稱為模式 I 負載

根據 ASTM D5528ISO 15024 標準進行 DCB 測試(雙懸臂樑)時,能夠可靠地測定在模式 I 負載下臨界層間能量釋放率的起始值與擴展值。

雙懸臂樑(DCB )試樣

符合 ASTM D5528ISO 15024 標準的 雙懸臂樑(DCB)試樣是由複材試樣板製成,在層壓板對稱平面一側插有一層薄分離膜。 彎曲有層壓裂紋一側的彎曲樑使其打開,即可由此取出試樣,而複合材料其餘部分的層與層之間仍然保持連接,故而稱為雙懸臂樑。

為了施加負載,通常會將加載塊或鉸鏈片黏貼在試樣上。 根據相關標準規範,需在試樣邊緣做標記,便於在測試過程中目視監測裂紋的進展情況。

根據 ASTM D5528 & ISO 15024 執行測試

DCB 試樣的施力元件(加載塊或鉸鏈突耳)會連接至試驗機的試樣夾具上。 由於層壓離型膜末端所產生的裂紋往往不夠銳利,使得所測定的 G1c 值不具代表性,因此會先稍微撐開裂紋,產生出銳利的預裂紋。 精確測定預裂紋的長度,然後完全移除試樣上的負載。 在 DCB 測試的第二部分中,再次在試樣上加載,直至裂紋達橫向標記的末端

ISO 15024 標準中說明三種不同的準則,用於判定臨界能量釋放率的起始值(適用於預裂紋和完全裂紋擴展):

  • 非線性(NL)的起始: 當試樣兩半僅發生彈性形變時,測試一開始的力-位移曲線是呈線性的。 當力-位移曲線開始呈非線性時,就用此時的力-位移值對來計算起始值。
  • 可見裂紋擴展(VIS): 當開始看到裂紋擴展時,就用此時力-位移曲線中力-位移值對來計算起始值。
  • 合規標準(5% 或 max): 對於該標準來說,當力-位移曲線原線性部分的柔度降低 5% 時,確定此時的力-位移值對。 如果先達到最大力,則使用此時的力-位移值對。

初始裂紋長度用於相應的起始值(從層壓裂紋或從預裂紋)。 在現行版本的 ASTM D5528 中,僅使用合規標準來測定臨界能量釋放速率的起始值。

根據裂紋長度和相應的力-位移值對,即可測定側面標記上的擴展值。 目視監測試樣側面上的裂紋擴展。 必須同步紀錄力、位移和裂紋長度。

裂紋長度可由操作員拿著放大鏡追蹤裂紋進展來手動評估,也可使用錄影系統進行電腦控制

兩種標準採用不同的評估方法來計算 R-曲線(臨界能量釋放率與裂紋長度的關係圖,包括起始值和擴展值):

  • ISO 15024 包含根據校正樑理論 (CBT)的計算,和改良的順應性校正(MCC)法的計算。
  • ASTM D5528 使用順應性校正(CC)法,並在附錄中列出其他方法。 在此簡化為 CC 方法是為了確保在模式 II 負載下根據 ASTM D7905 標準所測定的 G2c 斷裂韌性值之間具備可比性。

影片:根據 ASTM D5528 & ISO 15024 進行 G1c 測試

DCB 測試的網路研討會錄製檔,附有影像錄製和 testXpert III 測試軟體

適用於 GIc 測試並符合 ASTM D5528 和 ISO 15024 的試驗設備

ZwickRoell 單柱桌上型試驗機特別適用於進行符合 ASTM D5528ISO 15024 標準的 GIc 測試

使用電動錄影系統進行 G1c 測試時,讓裂紋擴展測量變得可追溯且更方便。 使用數位相機記錄沿著試樣所產生裂紋的延展,並製作出整個測試的影像。使用所製作的影像,可在有疑問時回顧檢查每個單獨的測試,並可依裂紋延展來修正測量值。

testXpert 測試軟體可大幅簡化 G1c 測試的執行和評估。 一方面,將攝相機連接至 testXpert,即可在螢幕上方便地追蹤裂紋進度。 另一方面,testXpert 有預先配置的標準程序,當中包含所有根據 ASTM D5528 或 ISO 15024 規範的計算方法,用於計算臨界層間能量釋放率的起始值和擴展值。

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