英斯特朗复合材料的测试工装

有些材料试验机的测量精度高达毫牛(mN)或微米(μm)。

材料测试的结果是否科学不仅仅取决于试验方法和设备,了解被测材料的特性从而选择正确的工装夹具同样至关重要。

为什么需要测试新材料?

汽车和航空航天工业持续推动轻量型钢材,高强铝材和复合材料的发展。这些行业的工程师在他们的设计中需要确定这些材料的特性时,会信任材料试验机得到的测试结果。有些材料试验机的测量精度高达毫牛(mN)或微米(μm)。

如此高的精度使新材料开发的进展日新月异,使工程师们能够定制材料以满足其特定应用的需求:比如汽车轻量化,为各个零部件定制刚度,从而最终在竞争中脱颖而出。

尽管优秀的材料试验机是测试中最重要的组成部分,但工装夹具也绝不容忽视。不论是看似简单的压盘还是液压拉伸夹具,工装夹具都是材料测试的关键组成部分,且每种类型的测试都不尽相同。


拉伸夹具是破坏性材料测试中最常见的夹具类型之一。

  1. 拉伸

    拉伸夹具是破坏性材料测试中最常见的夹具类型之一。这些夹具的目的很简单:就是将样品固定在设备上,以便进行拉伸测试。尽管基本目的一致,但市场上有无数种具有不同夹持方法,不同对中能力和适合不同温度范围的夹具。

    对复合材料进行测试时,各向异性的特性使碳纤维层压板对弯曲度和样品对中性极为敏感。

    对复合材料进行测试时,各向异性的特性使碳纤维层压板对弯曲度和样品对中性极为敏感。为了消除弯曲度的影响,制造厂商通常使用对中环来确保在测试过程中以纯张力拉伸试样。将配有应变片的试样放入测试系统中,并拉至特定的负载,通过样品的不同侧面上测得的应变来评估加载链是否对中。接着,在软件的指导下调整对中环,以使应变差异最小化,从而使系统加载链对中度满足试验需求。如果更换了测试设置中可能影响系统对中的任何部件,请重复这个过程,这一点很重要。

    Tips

    在选择对对中要求特别高的应用的夹具时,记住以下几点很重要

    1.夹具主体的对称性:不对称的夹具在测试过程中可能会在偏斜的方向上弹性拉伸,从而使样品弯曲。

    2.作动机构:如果选择手动操作的夹具,则在夹紧试样时夹具不能转动,否则会在测试过程中引起扭曲。液压夹具解决方案可提供可重复的夹紧效果以及可调节的夹持力,从而在减少试样打滑现象的同时避免破坏复合材料样品。

    3.试样对中装置:许多夹具提供固定的物理挡块,从而提高操作人员在放置样品时的可重复性。这也可以确保当试样放入夹具时可以平行于加载链轴线。

    考虑以上要点,可以帮助操作人员保证测试过程中试样的弯曲度符合标准要求,因为试样的弯曲度过大时可能会导致提前失效。许多制造商还遵循Nadcap AC7122-1测试非金属航空航天和汽车材料和Nadcap AC7101测试金属材料。

  2. 压缩

    压缩工装可以模拟材料在各种应用中所承受的加载模式。制造商通常会使用多种工装类型,以模拟这些实际场景。与各向同性的金属不同,复合材料的性能在不同的受力状态下可能会发生巨大的变化。事实证明,由于层压板弯曲时产生层与层之间的薄弱点,复合层压板的压缩测试就特别困难。除非正确支撑,否则这些薄弱点会导致层压板弯曲。可以考虑采用ASTM D695,ISO 14126方法2的端部加载,设计固定装置沿层压板长度方向支撑试样,以防止试样在压缩过程中弯曲。

    不同的工装组合了不同类型的加载模式

    不同的工装组合了不同类型的加载模式。例如,ASTM D6641是剪切加载和端部加载结合的复合加载。这些固定工装通常沿层压板样品的一部分长度支撑层压板样品,从而允许剪切应力累积在样品的中心位置。

  3. 剪切

    复合层压板结构中碳纤维编织层的层间强度较弱,其大部分强度取决于结构中使用的环氧树脂的强度。可以考虑使用各种固定工装来确定粘结强度以及编织层本身的剪切强度。

    层间剪切强度(ASTMD2344,ISO 14130)通常在装有导向的弯曲工装下进行测试,而复合结构之间的层测试则通过其他工装,例如夹层结构平面拉伸夹具(ASTM C297)和滚筒剥离夹具(ASTM D1781)。

    层间剪切强度(ASTMD2344,ISO 14130)通常在装有导向的弯曲工装下进行测试,而复合结构之间的层测试则通过其他工装,例如夹层结构平面拉伸夹具(ASTM C297)和滚筒剥离夹具(ASTM D1781)。所有这些配置旨在表征当平面外力施加在组件上时复合材料的强度。剪切装置在V型缺口剪切测试(ASTMD5379,ASTM D7078)中也用于测量面内特性。

  4. 冲击

与汽车和航空航天应用中使用的其他材料不同,复合材料结构通常不具有塑性变形的能力。一次轻微的事故可以导致汽车中的挡泥板产生凹痕,但复合结构可能会直接破裂,从而损害了组件的结构完整性。这使得制造商评估遭受冲击破坏的复合材料的强度极为重要。

冲击后压缩(AITM 1-0010,ASTMD7137)表征了复合材料在层间损坏后的残余强度。

冲击后压缩(AITM 1-0010,ASTMD7137)表征了复合材料在层间损坏后的残余强度。初始冲击测试通常是使用装有防反弹装置的落锤冲击试验机进行(详细信息可参考往期文章“复合材料冲击测试”)。该试验系统通过一次落锤撞击即可损坏复合结构,同样的撞击也可以复制到其他样品上。样品在受到冲击后,通过抗屈曲工装施加压缩载荷,以确定残余强度的变化。

结语

复合材料工装在测试中起着至关重要的作用,如果不注意选择正确的工装夹具,则测试及其结果将变得毫无意义。除了上述讨论的常见工装夹具外,汽车和航空航天业还使用了无数其他工装夹具,以确保材料满足全球制造商的需求。欲咨询更多详细信息欢迎联系INSTRON。最后奉上英斯特朗精确对中楔形夹具的介绍短视频,供您参考。