复合材料的弯曲性能测试，

1.实验目的

（1）了解电子万能试验机的使用方法。

（2）掌握复合材料的弯曲性能测试方法。

（3）学习根据测试曲线进行数据处理和分析。

2.实验原理

复合材料的弯曲实验中试样的受力状态比较复杂，有拉力、压力、剪切力、挤压力等，因而对成型工艺配方、实验条件等因素的敏感性较大。在实验中采用无约束支撑，通过三点弯曲，以恒定的加载速率使试样破坏或达到预定的挠度值。在整个过程中，测量施加在试样上的载荷和试样的挠度，确定弯曲强度、弯曲弹性模量以及弯曲应力-应变的关系。

弯曲应力指标距中点试样外表面的应力。弯曲强度指试样的弯曲破坏达到破坏载荷或最大载荷时的弯曲应力。挠度指标距中点试样外表面在弯曲过程中距初始位置的距离。弯曲应变指标距中点试样外表面的长度变化率。弯曲弹性模量指材料在弹性范围内，弯曲应力与相应的弯曲应变之比。载荷-挠度曲线是弯曲实验中记录的力对变形的关系曲线。根据复合材料的载荷-挠度曲线可以计算复合材料的弯曲强度σb和弯曲弹性模量E b：

式中，σb为弯曲强度（MPa）；P为破坏载荷（或最大载荷）（N）；L 0为标距（mm）；b为试样宽度（mm）；h为试样厚度（mm）；E b为弯曲弹性模量（MPa）；ΔP为载荷-挠度曲线上初始直线段的载荷增量（N）；ΔS为与载荷增量ΔP对应的标距中点处的挠度（mm）。

若考虑挠度S作用下支座水平分力对弯曲的影响，可按下式计算弯曲强度。

式中，S为试样标距中点处的挠度（mm）。

采用自动记录装置时，对于给定的应变ε″=0.002 5、ε′=0.000 5，弯曲弹性模量按式（5-10）计算：

式中，E b为弯曲弹性模量（MPa）；σ″为应变为0.000 5时测得的弯曲应力（MPa）；σ′为应变ε″为0.002 5时测得的弯曲应力（MPa）。如材料说明或技术说明中另有规定，ε′和ε″可取其他值。

试样外表面的应变ε按式（5-11）计算：

3.实验设备及原材料

微控电子万能试验机、游标卡尺、复合材料试样。

复合材料试样加载形式如图5-5所示。加载上压头应为圆柱面，其半径R 为（5±0.1）mm。支座圆角半径r：试样厚度h＞3 mm时，r=（2±0.2）mm；试样厚度h≤3 mm时，r=（0.5±0.2）mm，若试样出现明显支座压痕，r应改为2 mm。

试样尺寸如表5-3所示。仲裁试样尺寸如表5-4所示。

图5-5　试样加载示意图

1—试样支座；2—加载上压头；3—试样；L 0—标距；P—载荷；L—试样长度；d—试样厚度；R—加载上压头圆角半径；r—支座圆角半径。

表5-3　试样的尺寸　单位：mm

表5-4　仲裁试样尺寸　单位：mm

4.操作步骤

（1）给试样编号，在试样上划线，测量试样中间1／3标距处任意三点的宽度b和厚度h，取算术平均值，精确到0.01 mm。(www.xing528.com)

（2）调节标距L 0及上压头的位置，使加载上压头位于支座中间，且上压头和支座的圆柱面轴线相平行。标距L 0可按试样厚度h换算而得，L 0=（16±1）h。

注：对于很厚的试样，为避免层间剪切破坏，L 0／h可大于16，可取值为32或40；对于很薄的试样，为使其载荷落在试验机许可的载荷容量范围内，L 0／h可小于16，可取值为10。

（3）标记试样受拉面，将试样对称地放在两支座上。

（4）将测量变形的仪表置于标距中点处，与试样下表面接触。施加初载（约为破坏载荷的5%），检查和调整仪表，使整个系统处于正常状态。

（5）选择合适的加载速度连续加载。测定弯曲强度时，常规实验速度为10 mm／min；仲裁速度为试样厚度值的一半。测定弯曲弹性模量及载荷-挠度曲线时，实验速度一般为2 mm／min。

（6）测定弯曲强度时，连续加载，若挠度达到1.5倍试样厚度且材料被破坏，记录最大载荷或破坏载荷。若挠度达到1.5倍试样厚度但材料未被破坏，则记录该挠度下的载荷。

（7）若试样呈层间剪切破坏、有明显内部缺陷或在距试样中点三分之一以外处破坏，则其数据予以作废，同批有效试样不足5个时，应重做实验。

5.实验结果

（1）将测得的原材料的宽度、厚度等记录在表5-5中并进行数据处理。

（2）利用计算机画出各个复合材料试样的弯曲力学性能曲线。

（3）按照相应公式计算试样力学性能，并记录在表5-5中。

（4）比较不同复合材料的弯曲力学性能差别，建立影响弯曲性能的各因素之间的关联性。

表5-5　弯曲性能实验数据记录及计算

6.思考题

讨论试样弯曲过程中的应力状态。