【检测表征】如何根据ASTM D3039对复合材料进行拉伸试验

ASTM D3039标准的主要测试内容

ASTM D3039试验是通过向试样施加拉力并测量试样在应力下的各种性能来进行的。它是在通用试验机（也称为拉伸试验机）上进行的，并将英寸、磅和 SI 单位结合在一个标准中。ASTM D3039测量的拉伸性能主要包括以下内容：

材料测试系统

ASTM D3039试验在台式或落地式万能试验机上进行。30 kN或50 kN系统可能足以测试玻璃纤维复合材料，但测试碳纤维复合材料需要100 kN或250 kN系统。

夹具和样本对齐

用于固定复合材料试样的夹具必须提供足够大且均匀的压力，以防止试样在试验过程中滑动。颌面图案应适合材料，并处于良好状态。在中等应变水平 (>1000μ?) 下，夹具的对齐应将弯曲应变限制在 3%-5% 以内。

适用于ASTM D3039的夹具设计包括Instron^®精密手动楔形夹具（2716-028/2716-030）和液压楔形夹具（2742-401/2742-501）。这两种夹持器均采用移动式主体设计，并包含试样定位挡块，以在实现所需对准的同时，可靠地夹持复合材料和其他材料。

引伸计

在试验过程中，有许多不同的装置可用于测量应变。最常见的是引伸计，根据实验室的需要，有多种不同的选择。最简单的是一个固定标距长度2630的夹式伸长计，用于测量轴向应变。操作员必须在每次试验开始时将其直接夹在试样上，并在试样断裂前将其移除。

如果测试泊松比，还必须添加横向伸长计，以测量试样整个弹性区域的宽度变化。一个独立的横向伸长计可以用来补充现有的夹式或自动伸长计，或者一个双轴装置可以用来同时测量轴向和横向应变。

AutoX750自动连接到试样上，无需测试操作员的干扰。这种伸长计在需要高通量的实验室中很有用，因为它消除了操作员手动操作的耗时需求，并且在大量样本上提供了更一致的放置。一致的放置会产生更多可重复的模量值。

通常，被测试的复合材料最终将在非环境条件下使用。为了模拟这些最终用途，ASTM D3039在可使用加热或冷却（LN₂或CO₂）的温度室内进行。应变计或夹式伸长计的最高使用温度可达200°C。或者可以使用非接触式高级视频伸长计（AVE 2）。AVE 2安装在温度室外部，并在整个试验过程中使用摄像头跟踪试样的变形，其优点是试验操作员在试验过程中无需打开和关闭室门。

应变计

在ASTM D3039测试期间，电阻应变计也可用于测定应变。与伸长计不同，应变计是可用于测量故障时应变的耗材。这些压力计通常由薄金属箔网格组成，该网格用粘合剂粘合到试样上。

应变计可在低温至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。由于复合材料在失效前不会发生实质性变形，因此在ASTM D3039测试中，粘结应变计的极端精度有时比使用伸长计更可取。

试验环境和测试条件

在非环境条件下测试复合材料通常在恒温室内进行。这些腔室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。

ASTM D3039 要求测试应在 1 到 10 分钟内完成，建议的测试速度是 0.01 min^-1 的应变速率或 2 mm/min (0.05 in/min) 的恒定速度。

测试结果和计算

拉伸应力/拉伸强度/极限拉伸应变：

拉伸应力是力/平均试样面积，拉伸强度是破坏前的最大力/平均试样面积，极限拉伸应变是失效时的应变值。

模量：

对于具有线性应力-应变响应且应力应变曲线斜率没有变化的材料，模量定义为 1000μ? 至 3000 μ?（0.1% 至 0.3%）应变范围内的弦模量。如果材料的应力-应变响应显示在 1000μ? 到 3000 μ?（0.1% 到 0.3%）范围内的斜率变化，则应使用更合适的应变范围。

泊松比：

泊松比通常通过在与用于确定模量相同的轴向应变范围内，取横向应变与轴向应变之比来确定，即1000μ?到3000μ?（0.1%到0.3%）。