欢迎访问学兔兔标准下载网，学习、交流 分享 ！
返回首页 |
ICS 49.025.99 V 15
航空用聚合物基复合材料多向层合板
剪切性能试验方法
Test method for shear properties of aviation polymer matrix composite
multi-directional laminates
2021-04-19 发布 2021-07-01 实施
中华人民共和国工业和信息化部 发 布
前 言
标准按照 GB/T 1. 1 给出的规则修订。
本标准代替 HB 7237-1995《复合材料层合板面内剪切试验方法》。本标准与 HB 7237-1995 相比，主要变化如下：
——标准名称由《复合材料层合板面内剪切试验方法》改为《航空用聚合物基复合材料多向层合板剪切性能试验方法》。
——标准框架按照 GB/T 1. 1 进行修订，框架由“主要内容和适用范围、引用标准、试验原理、试样、试验条件、试验步骤、计算、试验结果、试验报告”改为“范围、规范性引用文件、术语和定义、方法原理、试验设备、试样、试验条件、试验步骤、计算、试验报告 ”。
——第 1 章名称“主要内容和适用范围”改为“范围”。内容由“本标准规定了树脂基复合材料层合板面内剪切试验的试样、试验条件、试验步骤及试验结果计算。本标准适用于测定树脂基复
合材料层合板面内剪模量、剪切强度及剪切应力-应变曲线”改为“本标准规定了航空用聚合物基复合材料层合板剪切性能方法原理、试验设备、试样、试验条件、试验步骤、计算和试验报告。本标准适用于连续纤维增强聚合物基复合材料多向层合板，包括：1)均衡对称层合板，其 0˚方向平行或垂直夹具轨道均可;2)由织物、编织或针织织物层组成的层合板。其他复合材料可参照使用 ”。
——第 2 章名称“引用标准”改为“规范性引用文件”。内容增加了“下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件， 仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件”，增加了“GB/T 3961 纤维增强塑料术语 ”。
——增加“术语和定义”为第 3 章。
——将原标准第 3 章章号改为第 4 章，章名称“试验原理”改为“方法原理”，内容由原标准“本方法通过专用夹具对带有双 V 形槽的试样左右两部分施加载荷，在试样工作区形成均匀的面内剪切应力场”改为“将双 V 形缺口梁试样夹持在对称的夹具中，对其施加拉伸载荷 P，在试样 V 形缺口处产生接近纯剪应力状态，并在缺口处破坏，见图 2。力、剪力和弯矩图见图 3。”，增加示意图和力、剪力和弯矩图。
——增加“试验设备”为第 5 章。
——将原标准中第 4 章章号改为第 6 章，内容全部修改，将试样的几何尺寸由 76mm ×20mm ×
(1.0mm～2.0mm)改为 76mm ×56mm ×(2.0mm～5.0mm)，厚度推荐 2.0mm～5.0mm。
——将原标准中第 5 章的章号改为第 7 章，内容全部修订，包括两部分内容：试验环境条件和试样状态调节。
——将原标准中第 6 章的章号改为第 8 章，内容全部修订，修改后内容包括：试验前准备、试样应变计粘贴、试样安装、试验和破坏模式。
——在“试样安装”中对夹具的拧紧力矩给出了推荐值“45N ·m～85N ·m ”。
——在“破坏模式”一节中给出了 V 形缺口梁剪切试验的常见破坏模式示意图。
——将原标准中第 7 章的章号改为第 9 章，内容全部修订，增加了 “偏移剪切强度和偏移剪切应变”
的计算。
——原标准中第 8 章删除。
——原标准中第 9 章章号改为第 10 章。
本标准由中国航空综合技术研究所归口。
本标准起草单位：中国飞机强度研究所、中国航空综合技术研究所。
本标准主要起草人：沈 薇、李 磊、程鹏飞、宋贵宾、王 俭、冯福兴、杨胜春。
航空用聚合物基复合材料多向层合板
剪切性能试验方法
1 范围
本标准规定了航空用聚合物基复合材料层合板剪切性能方法原理、试验设备、试样、试验条件、试验步骤、计算和试验报告。
本标准适用于连续纤维增强聚合物基复合材料多向层合板剪切性能的测定，聚合物基复合材料包括：均衡对称层合板，其 0˚方向平行或垂直夹具轨道均可;以及由织物、编织或针织织物层组成的层合板。其他复合材料可参照使用。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 1446 纤维增强塑料性能试验方法总则
GB/T 3961 纤维增强塑料术语
HB 7401 航空用聚合物基复合材料吸湿试验方法
3 术语和定义
GB/T 3961 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
偏移剪切强度 offset shear strength
过剪应变轴上偏离零点 0.2% 剪应变，作平行于剪切应力-应变曲线线性段的直线，该直线与剪切应力-应变曲线交点所对应的剪应力值即偏移剪切强度，见图 1。
40
0.2%剪切强度 S0.2
20
Δr Δr
图 1 剪切模量及偏移剪切强度测量示意图
4 方法原理
将双 V 形缺口梁试样夹持在对称的夹具中，对其施加拉伸载荷 P，在试样 V 形缺口处产生接近纯剪应力状态，并在缺口处破坏，见图 2。力、剪力和弯矩图见图 3。
说明：
1——夹具;
2——试样。
图 2 V 型缺口剪切示意图
图 3 力、剪力和弯矩图
5 试验设备
5.1 总则
试验设备主要包括：试验机、环境箱、浸润箱、扭矩扳手和试验夹具。试验设备均需检定/校准合格，并在有效期内使用。
5.2 试验机
试验机应符合 GB/T 1446 中的规定。
5.3 环境箱/浸润箱
环境箱与浸润箱应符合 GB/T 1446 中的规定，环境箱与浸润箱温度控制在所规定温度的±3℃范围内，浸润箱湿度控制在所规定湿度的±5%RH 范围内。
5.4 扭矩扳手
扭矩扳手应满足精度为 4 级。
5.5 试验夹具
剪切试验夹具示意图见图 4。
说明：
1——试样;
2——过渡转接;
3——夹具块 I;
4——夹紧螺栓;
5——垫块;
6——对中块;
7——夹具块 II。
图 4 V 形缺口梁试验夹具示意图
6 试样
6.1 试样形状与尺寸
试样厚度建议 2mm～5mm，试样的形状与尺寸见图 5。
单位为毫米
图 5 试样形状与尺寸
6.2 铺层形式
试样铺层形式为多向层合板，n 为层数，s 为对称铺层构型。
6.3 试样制备
试样制备按 GB/T 1446 中的要求进行。缺口加工后， 试样不应出现切口、沟槽、不平表面或者分层。试样制备尺寸要求见图 5。
6.4 试样数量
每组有效试样不少于 5 个。
7 试验条件
7.1 试验环境条件
7.1.1 实验室标准环境条件
实验室标准环境条件应满足 GB/T 1446 中的要求。
7.1.2 非实验室标准环境条件
7.1.2.1 高温试验环境条件
高温试验环境条件要求如下：
a) 应先将环境箱和试验夹具预热到规定的试验温度，然后将试样加热到规定的试验温度;
b) 试样工作段应设置直接接触的温度传感器，随时校验温度;
c) 由温度传感器测得的试样表面温度应在规定试验温度的±3℃范围内;
d) 对于干态试样，应在试样达到规定试验温度后，保温 5min～10min 开始试验;对于湿态试样，应在试样达到规定试验温度后，保温 2min～3min 开始试验。
7.1.2.2 低温(低于零度)试验环境条件
低温试验环境条件要求如下：
a) 应先将环境箱和试验夹具冷却到规定的试验温度，然后将试样冷却到规定的试验温度;
b) 试样工作段应设置直接接触的温度传感器，随时校验温度;
c) 试样达到规定试验温度后，保温 5min～10min 开始试验;
d) 由温度传感器测得的试样表面温度应在规定试验温度的±3℃范围内。
7.2 试样状态调节
7.2.1 干态试样状态调节
试验前，试样在实验室标准环境条件下至少放置 24h。
7.2.2 湿态试样状态调节
试验前，应将试样放置在浸润箱中吸湿，并在规定的温度和湿度条件下使试样达到所要求的吸湿状态。推荐的温度和湿度条件如下：
a) 温度：70℃±3℃;
b) 相对湿度：85%RH±5%RH。
调节结束后，可以直接开始力学性能试验，或者将试样连同潮湿纸巾放入密封袋内保存，试样在密封袋内的储存时间应不超过 14d。
若在温态试样状态调节结束后对试样粘贴应变计，则可在实验室标准环境下进行，但应变计粘贴时间不应超过 2h。
8 试验步骤
8.1 试验前准备
试验前准备要求如下：
a) 按 GB/T 1446 的规定检查试样外观，对每个试样编号;
b) 按 7.2 的规定对试样进行状态调节;
c) 在试样状态调节后，测量 V 形缺口处的试样宽度 w 和试样厚度 h，厚度测量精确到 0.01mm，其余均为±0.02mm。
8.2 试样应变粘贴
试样应按图 6 所示的位置粘贴应变计。
单位为毫米
图 6 应变计粘贴位置
8.3 试样安装
试样安装如下：
a) 松开夹紧螺栓——充分松开每个夹具块中的夹紧螺栓使试样能自由插入夹具凹槽;
b) 把试样插入第一个夹具块，将对中块插入试样的 V 型缺口内并固定;
c) 调整试样在夹具凹槽内的位置，使得试样表面的中心线与试样夹块上的中心对齐，试样侧边与
V 形缺口对中块的标记线对齐，用手拧紧轨道夹具侧边的夹紧螺栓，初步固定试样;
d) 夹紧垫块，使得试样与夹具可靠地连接，确认试样对中后，用最大拧紧力矩的一半拧紧每个夹紧螺栓，然后再按要求的拧紧力矩再次拧紧螺栓，推荐的拧紧力矩为 45N ·m～85N ·m;
e) 在完成所要求的拧紧力矩后，对试样再次进行对中检验;
f) 把试样插入第二个夹具块，重复 b)～e)完成第二个夹具块与试样的安装;
g) 完成第二个夹具块安装后，检查试样是否对中;
h) 将夹具与试样组合件对中安装在试验机上。
8.4 试验
试验如下：
a) 对于在实验室标准环境条件下进行的试验，满足 7.1. 1 的规定进行;而对于在非实验室标准环境条件下进行的试验，则满足 7.1.2 的规定进行。
b) 预加载，对试样连续施加拉伸载荷直至剪应变为 0.004，连续记录载荷-应变数据。卸载到零。
c) 以 2mm/min 的加载速率对试样连续施加拉伸载荷，连续记录载荷-应变数据，直到试样破坏，记录最大载荷和试样的破坏模式。
d) 如果达到 5%应变仍未发生破坏，则停止试验。
8.5 破坏模式
试样的破坏模式如图 7 所示。当 V 形缺口剪切试验破坏模式为不可接受的破坏模式时，所得数据
不进行数据统计处理。
a) 不可接受的破坏模式
b) 可接受的破坏模式
图 7 V 形缺口梁剪切试验的常见破坏模式
9 计算
9.1 剪应力/剪切强度
剪应力/剪切强度分别用式(1)和式(2)计算。
τ = P/wh …………………………………………………(1)
τmax = Pmax /wh ……………………………………………(2)
式中：
τ ——剪应力，单位为兆帕(MPa);
P ——载荷，牛顿(N);
τmax ——剪切强度，单位为兆帕(MPa);
Pmax ——5%剪应变内最大载荷，单位为牛顿(N);
w ——试样宽度，单位为毫米(mm);
h ——试样厚度，单位为毫米(mm)。
9.2 剪应变/极限应变
计算剪切模量或极限应变，则用式(3)通过所要求的每一个数据点处+45˚和-45˚的正应变来确定剪应变。用式(4)确定极限剪应变，结果保留三位有效数字。
γi = ε+45 + ε-45 ………………………………………………(3)
γ12 = min 载荷对应的 γ ………………………………………
式中：
γi ——剪应变，με;
ε+45 —— +45˚正应变算术平均值，με;
ε-45 —— -45˚正应变算术平均值，με;
γ12 ——最大剪应变，με。
9.3 剪切弹性模量
剪切弹性模量在 0.0015με~0.002με 范围内选取一个较低的应变作为起始点，使剪应变增加 0.004，在该区间内用式(5)计算剪切弹性模量，结果保留三位有效数字。
式中：
Gxy ——剪切弹性模量，单位为吉帕(GPa);
Δτ ——两个应变点之间的剪应力差值，单位为兆帕(MPa);
Δγ ——两个应变点之间的剪应变差值(一般为 0.004)。
9.4 偏移剪切强度/偏移剪切应变
过剪应变轴上偏离零点 0.2% 剪应变，作平行于剪切应力-应变曲线线性段的直线，该直线与剪切应力-应变曲线交点所对应的剪应力值即偏移剪切强度，见图 1，对应的剪应变值为偏移剪切应变。
9.5 统计
对于每一组试验，按 GB/T 1446 中的规定，计算平均值、标准差和离散系数(以百分比表示)。
10 试验报告
试验报告一般包括下列内容：
a) 试验项目名称、执行标准和方法。
b) 试验人员、试验时间和地点。
c) 试样来源及制备情况，材料品种及规格。
d) 试样编号、形状和尺寸、外观质量及数量。
e) 试验温度、相对湿度、试样状态调节参数和结果。
f) 试验设备及仪器的型号、规格及计量情况。
g) 螺栓的拧紧力矩。
h) 试验机型号、夹头、夹持力、数据采集系统与设备型号。
i) 状态调节参数及结果。
j) 实验室的相对湿度与温度。
k) 试验速率。
l) 每个试样的应力-应变曲线。
m) 每个试样的强度值以及母体的平均值、标准差与离散系数(以百分数表示)。如果破坏载荷低于破坏前的最大载荷，应注明。
n) 每个试样的极限应变以及母体的平均值、标准差与离散系数(以百分数表示)。如果到 5%应变后对数据进行了删除，应注明。
o) 每个试样的剪切弹性模量值以及母体的平均值、标准差和离散系数(以百分数表示)。
p) 每个试样的偏移剪切强度和对应的偏移应变值以及母体的平均值、标准差和离散系数(以百分数表示)。
q) 每件试样的破坏模式。
