ASTM完成复合材料夹层结构开孔压缩和开孔弯曲两项测试的标准化，都有哪些变化

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背景

复合材料的开孔测试是指在指定载荷条件下对中心有通孔的样品进行测试，最初是在1980年代初为复合材料层压板开发的，用于评估新型复合材料的韧性。通孔代表理想化的冲击损坏或制造缺陷，可以对不同材料进行韧性比较。

ASTM在2022年对两种开口夹层测试方法进行了标准化：夹层结构开孔压缩 (OHC) 测试ASTM D8454 和夹层结构开孔弯曲 (OHF) 测试ASTM D8453。

为啥两个性能都要测

本质原因：失效模式的不同，即复合材料层合板在拉伸和压缩载荷下的失效模式和由此产生的缺口敏感性不同。

夹层复合材料通常承受弯曲载荷，从而上下蒙皮产生拉伸载荷和压缩载，通常在压缩载荷情况下面板首先失效。当夹层复合材料承受压缩载荷时，其在压缩和弯曲载荷下的缺口强度通常不同。因此，即使失效主要发生在压缩加载的面板中，也需要两种单独的测试方法。

为了验证两者失效模式的不同，ASTM对每种层压板类型进行了3次测试，分别是开孔压缩、未开孔压缩、开孔弯曲和未开孔弯曲。材料选用Hexcel IM7/8552 碳/环氧树脂制备蒙皮，粘接到 12 mm厚、64 kg/m 3 Hexcel Nomex 蜂窝芯材。

可以看出无开孔强度和开孔强度在弯曲载荷和压缩载荷之间存在显著差异（图 1）。夹层开孔弯曲强度缺口强度比（缺口强度除以无缺口强度）为 0.46，夹层开孔压缩强度缺口强度比为 0.43。

 

图1 OHF 和 OHC测试的无开口和开口强度

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夹层开孔压缩 (OHC) 测试试样尺寸变化及解读

1990年，ASTM对复合材料层压板的开孔测试方法进行了标准化，拉伸载荷（ASTM D5766）和压缩载荷（ASTM D6484）。 

两种测试方法都使用36毫米宽的测试样件，测试样件中心有一个直径为 6 毫米的孔，宽度与直径 (w/D) 的比率为 6:1。除了韧性比较之外，这些测试方法还用于确定复合材料层压板的缺口敏感性，定义为由于孔的存在而导致的极限强度或应变许用值的降低。

当用于材料比较时，缺口测试通常使用准各向同性复合材料层压板进行，由相同数量的 0°、45°、-45° 和 90° 铺层组成。

与金属相比，即使使用当前最先进的有限元分析 (FEA) 方法，复合材料的缺口强度也极难预测，因为复合材料孔周围产生的损伤状态比金属孔周围产生的屈服状态复杂得多。因此，缺口测试继续用于通过实验确定复合材料的缺口敏感性。

复合材料夹层结构在航空航天、轨道交通等领域有着较多的应用场景，例如在某些情况下，必须增加芯层厚度以避免试样在压缩载荷下失稳。

与层压板开孔压缩试样类似，夹层结构开孔压缩试样（图 2）用于测试开口对复合材料性能的影响。此外，试样几何形状的设计旨在最大限度地减少有限宽度和有限长度对中心孔产生的应力集中的影响。

图2 标准试样配置（单位：mm）

根据数值和实验研究的结果，选择了与标准层压板开孔压缩测试中的宽度与直径 (w/D) 的比率为 6:1。

然而，试样宽度增加到 72 mm，孔径增加到 12 mm，是标准层压板开孔压缩测试试样尺寸的两倍。宽度增加的目的是为了容纳四个粘接的应变计，以满足测试前应变计与试样对齐。

试样长度与孔径 (l/D) 比为 12:1 ，以最大限度地减少开孔应力集中与试样端部之间的相互作用，夹层试样长度为 144 mm。

用于对齐的四个应变计位于试样一侧（距试样边缘 19 mm，距试样末端 24 mm），应变梯度最小的位置。

夹层结构开孔压缩测试使用带有侧板支撑的末端加载测试夹具（图 3），测试夹具尺寸可容纳 72 mm× 144 mm夹层试样。

底部组件包括一个底板和两个用螺栓固定在底座上的可调角度支架。底板有两个平面可调支撑，可限制平面外旋转以及样品端部的固定，每个角度支撑都附有一组可调节的侧板支撑，为试样弯曲提供平面外约束。

顶部组件由一个顶板组成，该顶板具有与底板上相适应的平面可调支撑件。侧板足够短以确保在测试期间在侧轨和顶板之间保持间隙。

图3 三明治开孔压缩试验夹具和试样

测试细节

将开孔夹层试样插入测试夹具后，试样对齐是通过监测四个应变计输出来确认的，同时施加大约为预期极限力 10% 的压缩力，最好使用具有位置锁定功能的可调节球座压板。

通过调整球座压板或垫片，重复校准过程，直到四个应变计读数都在 10% 以内。然后以恒定速率对试样进行压缩加载，并记录施加的力、横梁位移和应变数据。

一旦达到峰值力并且测得的力从峰值下降超过 30%，则测试结束。测试后，记录每个样本的故障类型、区域和位置，唯一可接受的失效模式是穿过试样中开孔的失效模式。

尽管通孔会减少的净截面，通常的做法是根据总截面应力开发开口设计许用值，以考虑应力分析中未明确考虑的各种应力集中（缺陷、损坏等）。

因此，开孔抗压强度是根据两个面板的横截面积计算的，忽略了通孔产生的面积。虽然这种测试方法也可用于测试无开口夹层试样并确定由于开口敏感性引起的强度降低，但应注意防止不良的失效模式，例如端部压碎。

需要注意的是，无缺口夹层板抗压强度的推荐测试方法仍然是ASTM C364

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夹层开孔弯曲 (OHF) 测试试样尺寸变化及解读

夹层开孔弯曲 (OHF) 测试与夹层压缩测试样件具有相同的12 mm孔径和 72 mm试样宽度。

用于夹层开孔弯曲测试的四点弯曲载荷配置在带开口的内跨度上产生均匀的弯矩和零剪力，同时最大限度地减少外跨度的剪力。

长梁弯曲测试夹具（图 4）使用旋转的 25 mm宽的扁平加载块加载夹层试样。此外，可以在加载块和试样之间使用橡胶压力垫，以防止对试样造成局部损坏。

由于试样中心主要存在 12 mm通孔，因此测试结果对无开口夹层弯曲试验中的参数影响相对较小，例如加载点处的失效和粗糙或不均匀的试样边缘。然而，由于开口对夹层试样强度有显著影响，因此需要在不损坏夹层试样的情况下一致地制备孔，才能获得有意义的结果。

图4 三明治开孔弯曲试验夹具和试样

在 ASTM D7249 中指定为无缺口夹层弯曲测试标准配置的 560 毫米外部支撑跨度和 100 毫米内部加载跨度也用于夹层开孔弯曲测试。600 毫米的总试样长度允许在外部支撑之外延伸 20 毫米。

通过测试和有限元分析，研究内部负载跨度长度对开孔弯曲强度的影响，确定 100 毫米的内部加载跨度长度足以最大程度地减少开孔应力集中与内部加载头之间的相互作用。

唯一可接受的失效模式是发生在一个或两个面板孔处的损坏，开孔强度是使用试样的总宽度计算的，不考虑孔产生的面积。