ISO 527-4 复合材料的拉力测试

ISO 527-4 复合材料的拉力测试

如何根据 ISO 527-4 执行复合材料的拉力测试

作者:Ian McEnteggart

ISO 527-4 是用于测定纤维增强塑料复合材料拉伸性能的国际测试标准。ISO 527-4 涵盖各向同性和正交各向异性非单向复合材料的测试条件,并参考了 ISO 527-1。本指南旨在向您介绍 ISO 527-4 拉力测试的基本要素,包括概述所需的设备、软件和样品。但是,计划进行 ISO 527-4 测试的任何人员都不应认为参阅本指南后便不必再阅读完整标准。

ISO 527-4 测量什么?

ISO 527-4 测试是对试样施加拉力并测量试样在应力下的各种性能。该测试在通用测试机(也称为拉力测试机)上以固定的十字头速度进行,该速度取决于试样的几何形状和所选的测试类型。ISO 527-4 可测量以下拉伸性能:

  • 泊松比 - 横向应变与轴向应变变化的比率,介于 0.05% 至 0.25% 应变之间
  • 弹性模量 - 试样应力/应变响应的斜率,通常在 0.05% 至 0.25% 应变之间
  • 抗拉强度下的拉伸应变 - 与抗拉强度相对应的拉伸应变
  • 抗拉强度 - 测试过程中施加的最大应力(通常为断裂应力)

 ISO 527-4 复合材料

ISO 527-4 标准是否适合您?

为全面描述各向异性和异质复合材料的特性,需要进行各种不同的测试。ISO 527-4 是对复合材料进行的最基本测试之一,广泛用于评估、鉴定和认证复合材料的拉伸性能。ISO 527-4 可用于测试连续和不连续纤维增强复合材料,而 ISO 527-5 则用于测试单向连续纤维复合材料。由颗粒或短纤维增强的塑料可以采用 ISO 527-2 来进行测试。在英斯特朗的 Bluehill® Universal 测试软件中,可以找到针对所有这些标准以及更多标准的预配置测试方法。

试样

ISO 527-4 定义了三种类型的测试试样。1B 型试样是一种模制的“狗骨型”试样,适合测试具有热塑性基体的短纤维增强材料。2 型试样是具有等截面的矩形,适合测试具有热固性和热塑性基质的连续纤维材料。3 型试样与 2 型试样类似,但增加了端接片,这在复合材料的测试中很常见,目的是防止试样被夹具损坏。

试样测量

在测试前,必须根据 ISO 16012 或 ISO 23529 测量所有试样。大多数常见千分尺都可用于执行此类测量。为了让测试系统能够显示应力测量值而不仅仅是受力测量值,操作员需输入试样的横截面面积(厚度和宽度),因为应力是通过将施加的力除以试样的横截面面积来计算(这种力以 Psi、Pa、kPa、GPa 等为单位显示)。虽然刚性试样的厚度和宽度需要不同的测量精度,但通常对两者使用相同的测量装置即可。可以使用圆柱形或矩形千分尺头,前提是它们的尺寸符合 ISO 16012 的要求。

使用 Bluehill Universal 中的“自动试样测量装置”功能,操作员可以将最多两个装置(千分尺或卡尺)连接到测试软件。操作员可直接将测量数据上传到测试软件中,从而消除出现输入错误的可能性,并提高测试效率。

 

Bluehill Universal 屏幕截图

 

材料测试系统

ISO 527-4 测试可在台式或落地式通用测试机上执行。测试碳纤维复合材料时通常需要 100 kN 或 250 kN 的系统,而测试玻璃纤维复合材料时,采用 30 kN 或 50 kN 的台式系统便足已。

适用于 ISO 527-4 的通用测试系统

 

应变测量

许多不同的装置都可用于在 ISO 527-4 测试期间测量应变。当与合适的仪器一起使用时,粘贴式电阻应变计提供的方法可用于测定应变计有效区域以下(通常为几毫米²)的应变。应变计通常由有机背衬上的薄金属箔网格组成,适用的测试温度范围广泛,从低温到超过 200℃ 均可进行测试。需要对应变计进行调节,以产生有用的电信号,并且易于使用的适配器可与英斯特朗测试机的标准电子设备搭配使用。

应变计

 

根据您实验室的需求,我们还提供一系列引伸计选件。最简单的类型是夹式装置,必须在每次测试开始时将其直接夹在试样上,并在试样断裂前取下。标距长度固定的 2630 系列夹式引伸计适用于轴向应变的测量。双轴夹式引伸计可用于需要测量轴向和横向应变以测定泊松比的测试。

引伸计

AutoX750 引伸计可在没有测试操作员介入的情况下自动连接到试样。它不需要操作员再花费时间手动操作,而且可以确保大量试样的放置位置更一致,因此在具有高测试量需求的实验室中非常有用。一致的放置位置会产生重复性更高的模量值。

复合材料通常用于航空航天工业,因此必须能够适应极端温度条件。为模拟这些条件,可以在高低温测试箱内进行 ISO 527-4 测试;可以使用液氮或二氧化碳对测试箱进行加热或冷却,以达到适合特定应用的温度。应变计或夹式引伸计可在最高 200℃ 的温度条件下使用。也可以使用非接触式高级视频引伸计 (AVE2),其优点是可以放置在高低温测试箱的外部。AVE2 不会与试样进行实际接触,因此在试样失效前不需要从试样上取下它。这样,测试操作员在测试期间便无需打开和关闭高低温测试箱的门。

用于复合材料测试的引伸计

测试高低温测试箱

高低温测试箱使用强制空气对流和电阻加热元件来实现高温,使用液氮或二氧化碳冷却来实现低温。英斯特朗 3119-600 系列的环境箱可提供广泛的温度测试能力,用于评估非环境测试条件下的材料性能。提供全系列的互补夹具、拉杆和引伸计。

 

英斯特朗冷却室

 

测控

ISO 527-4 测试以恒定的十字头速度进行。规定的测试速度取决于试样类型和所执行测试的类型。例如,针对常规质量控制的测试可以采用比鉴定测试(2 mm/分钟)更快的速度(5 和 10 mm/分钟)进行。

计算和结果

在呈现测试结果时,重要的是务必正确定义测量术语,以确保符合 ISO 527-4 的要求并促进不同实验室之间的数据比较。

拉应力/抗拉强度

拉应力用指定点的受力除以试样的平均面积来确定。试样的抗拉强度是试样失效前达到的最大拉应力。

拉伸应变/失效时的拉伸应变

拉伸应变是通过应变测量装置(应变计或引伸计)来测量的工程应变。拉伸失效应变是与抗拉强度相对应的应变。

模量

模量指应力应变响应的斜率,介于 0.05% 至 0.25% 应变之间,材料规范中给出了替代值的情况除外。模量的计算是从 0.05% 应变开始,因此对材料施加适当的预应力,以消除夹持试样引起的任何松弛或压缩力非常重要。该值不应超过材料 0.05% 的应变或 1% 的抗拉强度。

泊松比

泊松比的计算方式是,在用于确定模量(0.05% 至 0.25%)的相同轴向应变范围内,取横向应变变化与轴向应变变化的比率。

6800 系列高级测试系统宣传册

Instron 6800 系列通用测试系统可提供无与伦比的准确性和可靠性。6800 系列以专利申请中的操作员保障系统架构为依托,架构采用全新的 Smart-Close 空气套件并具有碰撞缓解功能,使得材料测试比以往任何时候都更简单、更智能、更安全。

Bluehill Universal 宣传册

Bluehill Universal 软件从头开始构建,旨在提供触摸互动和直观的用户体验。使用诸如预装测试方法、几秒钟内快速测试、增强的数据导出以及 Instron Connect(一种全新功能,可提供与服务的直接通信联系)等功能,发现更简单、更智能的测试。 Bluehill 2 和 Bluehill 3 等以前版本软件的用户可以轻松升级到最新版本的 Bluehill。

3400 系列 - 经济适用的测试解决方案

Instron 3400 系列通用测试系统用于拉伸、压缩、弯曲和其他材料性能测试。

AVE 2 非接触式视频引伸计

第二代高级视频引伸计 (AVE 2) 在最快速、最精确的市售非接触式应变测量装置上采用专利测量技术。

 双轴和平均轴向夹式引伸计

Instron 的双轴和平均轴向夹式引伸计使用应变计进行测量,由高强度铝、钛和不锈钢制成。 

3119-600 系列环境箱

3119-600 系列环境箱使实验室能够在宽泛的非环境温度下进行安全、高效的测试。