如何根据ASTM D3039对复合材料进行拉伸试验

标准概览

材料

• 复合材料

测试类型

• 张力

标准

• ASTM D3039

ASTM D3039是一个广泛使用的测试标准，用于确定复合材料的拉伸性能。由于其轻量化和高抗拉强度，复合材料越来越受到航空航天和汽车工业的青睐，并在许多应用中被用来取代金属。虽然有许多不同类型的复合材料，但ASTM D3039仅适用于由高模量纤维增强的聚合物基体组成的复合材料。本指南旨在向您介绍ASTM D3039拉伸试验的基本要素，包括设备，软件和所需样品的概述。然而，任何计划进行ASTM D3039测试的人都不应认为本指南足以替代阅读完整的标准。

它衡量什么?

ASTM D3039测试是通过对试样施加拉伸力并测量试样在应力下的各种特性来进行的。它是在通用试验机(也称为拉力试验机)上进行的，并将英寸-磅和SI单位结合在一个标准中。ASTM D3039测量以下拉伸性能:

• 抗拉强度-测试过程中施加的最大应力(通常是断裂应力)
• 极限拉伸应变-断裂时的应变
•  拉伸模量-多少材料可以变形(拉伸)响应于应力。
• 泊松比:两个纵向应变点之间的横向应变变化与纵向应变变化之比(通常与用于测定模量的点相同，即0.1至0.3%)
• 过渡应变:在材料呈现屈服行为的情况下(表现为应力-应变响应中的斜率变化)，过渡应变是斜率变化处的应变值。
• 失效模式:必须对破碎的试样进行检查，并通过三个字符的代码记录其失效类型、区域和位置。

ASTM D3039是适合您的标准吗?

ASTM D3039是专门针对用颗粒或短纤维增强的塑料，是用于表征，鉴定和认证这些材料的拉伸性能的最基本测试之一。然而，为了充分表征各向异性和非均质复合材料的许多不同力学性能，还需要进行广泛的其他测试。任何需要测试复合材料压缩性能的人都应该参考ASTM D695。需要对复合材料进行在线剪切测试的人员应遵循ASTM D3846。软件中通用复合材料应用模块中包含了D3039的预配置测试方法，以及许多其他复合材料测试方法。

试样类型

ASTM D3039试样呈矩形，截面恒定。试样的最小长度等于总夹持长度的2倍宽规长度，但建议更大的长度，以尽量减少弯曲应力。试样的宽度和厚度应代表纤维量方面的散装材料。0⁰单向、90⁰单向、平衡、对称和随机不连续材料类型有四种推荐的试样几何形状。ASTM D3039可用于连续和不连续纤维增强，但层压试样的铺设必须相对于测试方向是平衡和对称的。

在复合材料测试中，通常使用标签来保护试样材料不受握把的损坏。ASTM D3039不要求标签，但它确实建议在测试单向材料时使用标签。膜片既可以粘接在试样上，也可以通过摩擦(如砂布)固定在原位。

试样测量

在测试前必须测量试样的横截面积——这是通过测量量规长度内三个地方的宽度和厚度并取平均值来完成的。当一个或两个表面不规则时，需要使用带球接口的千分尺测量厚度。如果两个表面都是平的，那么可以使用带有球形或平面接口的千分尺。测量试样宽度需要使用带有平砧界面的千分尺或卡尺。试验软件的自动标本测量设备功能允许操作员将多达两个设备(千分尺或卡尺)连接到计算机并将数据直接输入软件。这消除了输入错误的可能性并提高了效率。

材料测试系统

ASTM D3039测试是在台式或地板型万能试验机上进行的。对于玻璃纤维复合材料的测试，30kn或50kn的系统就足够了，但是对于碳纤维复合材料的测试，则需要100或250kn的系统。

夹具和试样对准

用于握住复合材料试样的握把必须提供足够的强度和均匀的压力，以防止试样在测试过程中滑动。颚面图案应与材料相适应，并处于良好状态。在中等应变水平(>1000µ/)下，握把的对准应将弯曲应变限制在3-5%以内。

适合ASTM D3039的握把设计包括Instron®精密手动楔形握把(2716-028 / 2716-030)和液压楔形握把(2742-401 / 2742-501)。这两种握把都采用移动体设计，并结合试样定位停止，以提供可靠的夹紧复合材料和其他材料，同时实现所需的对准。

引伸计

在测试过程中，有许多不同的设备可用于测量应变。最常见的是引伸计，根据您实验室的需要，它有各种不同的选择。最简单的是测量轴向应变的固定量规长度2630夹式引伸计。操作者必须在每次试验开始时将其直接夹在试样上，并在试样破裂前将其取下。

如果测试泊松比，还必须加一个横向引伸计来测量试样整个弹性区域的宽度变化。一个独立的横向引伸计可以用来补充现有的夹式或自动引伸计，或者一个双轴装置可以用来同时测量轴向和横向应变。 

AutoX750自动附着在试样上，不受测试操作人员的干扰。该引伸计在有高通量需求的实验室中非常有用，因为它消除了操作员手动操作的耗时需求，并且还提供了更一致的放置在大量标本上。一致的放置导致更可重复的模数值。

通常，被测试的复合材料最终注定要在非环境条件下使用。为了模拟这些最终用途应用，ASTM D3039在可以使用加热或冷却(LN2或CO2)的温度室中进行。应变计或夹式引伸计的最高温度可达200°C。或者，可以使用非接触式视频引伸计，安装在温度室外部，并使用摄像头在整个测试过程中跟踪试样的变形，其优点是测试操作员在测试过程中不需要打开和关闭舱门。 

 应变仪

电阻应变计在ASTM D3039测试中也可用于确定应变。与拉伸计不同，应变计是可用于测量失效时应变的消耗品。这些量规通常由一个用粘合剂粘在试样上的薄金属箔网格组成。应变片可以在从低温到200°C以上的环境条件下使用，但需要调节才能产生有用的电信号。一个易于使用的适配器可用于在试验机的标准控制器。由于复合材料在失效前不会发生实质性变形，因此粘合应变片的极高精度有时比ASTM D3039测试中使用延伸计更可取。

试验箱

在非环境条件下测试复合材料通常在环境箱中进行。这些腔室使用强制空气对流以及电阻加热元件来实现高温和液氮或二氧化碳冷却来实现低温。环境箱提供广泛的温度测试功能，用于评估非环境测试条件下的材料性能。全系列的夹具，拉杆，和引伸计是可用的。

测试控制

ASTM D3039要求试验应在1 ~ 10分钟内产生失效。建议的测试速度是应变速率为0.01 min-1或恒定的十字速度为2mm /min (0.05 in/min)。一般做法是以恒定的十字速度进行试验。要阅读完整的测试程序，请购买ASTM D3039。

计算及结果

在提供测试结果时，重要的是要确保术语的正确定义，以确保符合标准，并便于不同实验室之间的数据比较。

失效模式

ASTM D3039要求测试人员记录和报告试样失效的模式和位置。软件可以配置为在测试完成后向操作员提供三部分故障代码的推荐列表。

拉伸应力/拉伸强度/极限拉伸应变

拉伸应力为力/平均试样面积，拉伸强度为破坏前的最大力/平均试样面积。极限拉伸应变是破坏时的应变值。

模量

对于具有线性应力-应变响应且应力-应变曲线斜率不变的材料，模量定义为应变范围为1000至3000µ/(0.1至0.3%)的弦模量。如果材料的应力-应变响应在1000 ~ 3000µ/(0.1 ~ 0.3%)范围内显示斜率变化，则应使用更合适的应变范围。弹性模量的其他定义也可以使用。

泊松比

泊松比通常是通过在用于确定模量的相同轴向应变范围内取横向应变与轴向应变之比来确定的，即1000至3000µ/(0.1至0.3%)。可以使用其他应变范围，也可以使用泊松比的其他定义。