航空材料层间断裂韧性试验结果

1.试验原理

G_ⅠC本质上是张开型裂纹沿纤维方向开始扩展的临界能量释放率。具体实施方法是在单向复合材料层合板双悬臂梁试样预制有裂纹的一端施加拉伸载荷，使得裂纹向前扩展，期间记录试样尺寸、载荷、位移、裂纹长度等信息，经过计算和处理所记录数据获得材料的G_ⅠC值。

2.标准试验方法

Ⅰ型层间断裂韧性的测定方法主要参考ASTM D5528—2013《单向纤维增强聚合物基复合材料Ⅰ型层间断裂韧度标准试验方法》（Standard Test Method for Mode Ⅰ Inter laminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites），该标准适用于测定单向纤维增强聚合物基复合材料层合板的G_ⅠC。

3.试样

按照图15-11和ASTM D 5528—2013规定的尺寸制备复合材料Ⅰ型层间断裂韧性试样。试样长度L至少为125mm，名义宽度b为20～25mm，厚度h通常应在3～5mm之间，起始分层长度a₀通常为50mm。

4.试验设备与夹具

试验机和夹具应符合ASTM D5528—2013的要求。

5.试验程序

1）按照ASTM D5528—2013的规定准备试样。

2）试验前目视检查每个试样的外观，有明显缺陷的试样应予报废。

3）按照ASTM D5528—2013规定测量并记录用于力学性能计算的试样尺寸。

4）在试样侧面涂上水性修正液或与之功能等效的液体，并在其上按照试验方法要求做出长度标记，以记录试样分层扩展长度。

5）将试样上黏结的铰链或加载块连接到试验机上，确保试样居中对齐。

6）RTD（室温干态）试验应在23℃±2℃、50%±10%R.H.下进行。

图15-11 Ⅰ型层间断裂韧性试样(www.xing528.com)

7）按照ASTM D5528—2013的规定对试样进行预加载直至裂纹扩展5mm卸载。

8）对试样重新加载，在试样侧边观测到裂纹分层扩展时，记录该点载荷和位移值。连续加载，当分层长度在第一个5mm范围内增加时，尽可能多地记录位移和载荷值，最好是每1mm记录一次。接下来记录每5mm分层长度的位移和载荷值，直到从预制裂纹尖端开始的分层至少扩展45mm。然后，对最后5mm的分层裂纹扩展，裂纹每增加1mm记录一次，直到从预制裂纹尖端开始的分层总长度达到50mm，卸载停止试验。期间记录多点的载荷、位移、裂纹长度。

6.试验数据处理与表达

（1）Ⅰ型层间断裂韧度的计算 修正梁理论（MBT）法计算Ⅰ型层间断裂韧度的公式为

式中 P——载荷（N）；

δ——与P对应的加载点位移（mm）；

b——试样宽度（mm）；

a——分层长度（mm）。

Δ——通过图15-12确定，C为柔度，加载点位移与载荷的比值δ/P。

最终的G_ⅠC值通过分层扩展期间的多个G_Ⅰ值平均得到。

（2）破坏模式 记录每个试样的破坏模式，根据破坏模式判断试验结果的有效性：预制裂纹的嵌入物没有与层合板完全脱胶；嵌入物太厚，导致大量富胶区；嵌入物有裂缝或折叠；产生远离中心面的次分层；在梁的悬臂部分破坏等，认为是无效结果。

（3）试验报告 将试验测试值、平均值、破坏模式等相关信息记入报告。

图15-12 修正梁理论