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压缩试验和缺口压缩试验(OHC、FHC)

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  • 行业手册:复合材料 PDF 34 MB

试验目的

压缩试验用于测定如压缩模量和抗压强度等压缩性能。主要试验对象为单向纤维增强复合材料(0°或90°方向)、多向层压板、纤维、织物以及合成塑料或热塑性塑料基体材料。

除了对未被破坏的层压复合材料进行测试外,还会采用对预开孔材料进行测试的方法,用以分析破坏带来的影响。缺口压缩试验如开孔试样压缩试验(OHC)填孔试样压缩试验(FHC)都模拟了实际工况中采用螺栓或铆钉连接的复合材料构件。

复合材料的压缩试验对于试样制备、试验人员以及试验技术都提出了很高的要求。当层压复合材料承受压缩载荷时,剪切力会达到峰值,必须避免产生弯曲应变,以确保能够测定材料的真实特性。

近年来发展出许多试验方法,这些方法各有长处。

端面载荷压缩试验

该方法基于ASTM D695标准,并在各种标准中得到进一步改良。

一个优势是设备组合相对简单,工装只需要一个完全垂直固定的支撑块。 

在此方法中,试样纵向放入两块压板之间。支撑块防止材料过早地因弯曲而失效。

该试验包含以下两部分:

  • 没有加强片的试样用于测量压缩模量,而应变使用应变片测量。
  • 试样通过加强片增强,以测量抗压强度。这可防止试样两端受力点材料过早地失效。

该方法在ISO、ASTM、EN、DIN等标准中都有描述。通常,如果试验执行无误,则可以得到可再现的压缩模量值;而测定抗压强度时则常常会发生离散结果。

压缩模量测量: 

如果试样应变小,那么可以得到可再现的压缩模量。如果试样应变较大,那试样两端在受力时会松散开,将会对试验方法产生限制。

在试样两端加装加强片可以让受力点得到加强,试样直至断裂均按照所要求的测试路径变化。在图中可以看到在完全失效之前,材料已经开始分层。该方法要求对试样端面进行非常精确的处理。 

在剪切载荷压缩条件下的压缩试验

该试验中,通过对试样夹持而产生摩擦接触施加压缩力。如果试样足够长,在标距内可以达到均匀的应力分布。

  • 该方法的优势之一是在测试中可以对试样进行精确的轴向导向,同时由于没有端面载荷也可以省去端面的处理过程。 
  • 该方法在80年代被标准化为ASTM D3410,方法中采用塞拉尼斯试验工装以及锥形夹具;方法在其他标准中也有进一步发展。 
  • 塞拉尼斯工装也有缺陷:试样厚度的差异会引起夹具发生不希望出现的线接触夹持。DIN 65375prEN 2850标准改进了塞拉尼斯工装,用平面楔形夹具解决了试样厚度差异产生的问题。

美国IITRI开发的含导向柱试验工装

  • 美国IITRI开发出了类似的采用导向柱的工装,现在在ASTM标准中已经取代了老式的塞拉尼斯压缩工装。该试验工装和塞拉尼斯工装类似,都采用了楔形夹持原理。
  • 试验前,需要先取出夹面,在工装外与试样对中,然后再将夹面和试样整体放入压缩工装。
  • 在测试过程中,通过轴向试验力引起楔形块动作从而生成夹持压力,由于试验中楔形夹具会有移动,可能会引起试样的弯曲。

HCCF液压平推夹具 - IMA Dresden

  • IMA Dresden开发了HCCF液压平推夹具并申请了专利。
  • HCCF夹具方便取放试样,操作简单,对中性精确,即使在测试过程中也能保持对中性能。
  • 液压平推夹具夹持不会产生粘滑运动,而采用楔形原理则会有。采用夹持式引伸计也成为可能。

端面组合载荷压缩试验

该试验方法适合需要更高测试载荷的大截面纤维增强复合材料试样。一部分压缩载荷来源于试样夹持;另一部分为端面加载。试样长度与夹面精确匹配,相比于端面加载压缩试验更长。和端面加载试验一样,该方法对于端面加工处理的要求非常高。

  • ASTM D6641ISO 14126方法2描述了一个由导向柱连接的四部件机械试验工装。夹持力由8个螺栓拧紧产生,螺栓需要用扭矩扳手拧紧。试验装置装载试样后,被放入试验机的两块压板之间。
  • 该方法经过进一步改良后,在空客标准AITM 1.00082010版中得到规定;标准描述了剪切载荷以及组合载荷。夹持力由液压平推原理施加。研究表明,通过夹面的结构设计,避免夹持力峰值出现在钳口处,将得到更有价值的断裂性能。空客标准中,这被称为“轻柔加载”。 
  • IMA Dresden研发的专利HCCF试验工装可以满足ASTM D6641标准要求。该压缩工装的夹持力通过液压装置提供,可以调节压力改变夹持力大小。
  • 对于经常进行压缩试验的实验室来说,此试验工具非常便于从正面取放试样,操作简便,也易于清洁。
  • HCCF试验工装同样符合AITM 1.0008标准要求。这在空客不莱梅工厂得到了测试和批准。

开孔试样压缩试验(OHC),填孔试样压缩试验(FHC)

  • 开孔压缩试验:
    该试验目的在于评估开孔对于层压板抗压强度的影响。测试结果一般以开孔因子K表示,表示试样失效与不失效的比率。根据空客AITM 1.0008标准,该试验需要采用压缩试验工装进行。ASTM和波音标准要求采用液压平推夹具配合固定装置夹持300mm长的试样进行试验。
  • 填孔试样压缩试验(FHC):
    填孔试样压缩试验的试样与开孔试样压缩试验试样相同,不同点在于使用螺纹连接封闭了预制孔。

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