纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验 国标与美标的对比解析

图1　三点弯曲加载示意图

图2　四点弯曲加载示意图

设备要求

试验机要求

01

GB/T 1449-2005中试验机要求符合GB/T 1446-2005要求，主要包括以下两点。

(1)试验机的载荷精度要求控制在±1％以内。机械式和油压式试验机适用吨位的选择应使施加载荷落在满载的10％~90％(尽量落在满载的一边)，且不小于试验机吨位的4％。

(2)试验机横梁能以恒定速率移动，当试验速率不大于10mm·min-1时，误差不应超过20％，当试验速率大于10mm·min-1时，误差不应超过10％。

ASTM D7264中试验机要求精度满足E4试验机力值校准规程。横梁能够以稳定的速率进行移动。

通过对比可见，ASTM D7264对试验机具有更严格的检定要求，而严格的检定要求能够减小测试系统的误差，提高测试结果的有效性。

弯曲装置要求

02

(1).GB/T 1449对弯曲装置的要求

GB/T 1449规定加载上压头为圆柱面，其半径R=5mm。支座圆柱半径根据试样厚度要求分成两类：①试样厚度h＞3mm时，r=(2±0.2)mm；试样厚度h≤3mm时，r=(0.5±0.2)mm，若试样出现明显的支座压痕，r应改为2mm。

(2).ASTM D7264对弯曲装置的要求

ASTM D7264规定加载头和支座半径的尺寸均为(5±0.1)mm，这与GB/T1449的规定具有明显的差异，并且规定了加载头和支座材料的硬度需≥55HRC。

通过大量的试验，笔者发现GB/T 1449规定的支座半径r=2mm尺寸过小，在测试中试验支撑面往往容易出现明显压痕，需要加垫柔性衬物，特别是热固性塑料，因其抗弯载荷较大，最易出现压痕。因此相比于GB/T 1449，ASTM D7264对支座半径的规定更为合理。

弯曲跨厚比规定

(1).GB/T 1449对跨距的规定

GB/T 1449推荐跨距l按照试样厚度h换算得到

l=(16±1)h (1)

GB/T1449规定跨距调节的精度应控制在±0.5mm以内，但同时备注：对于很厚的试样，为避免层间剪切破坏，跨厚比l/h可取32∶1和40∶1；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，跨厚比l/h可取10∶1。

(2).ASTM D7264对跨距的规定

ASTM D7264推荐试样的跨厚比l/h为32∶1，因此跨距l=32h。但是只要在报告中注明，也可以选择其他跨厚比，如16∶1，20∶1，40∶1，60∶1。

ASTM D7264在8.2.1节中规定，在低跨厚比的情况下进行试验，试样容易产生层间剪切变形，显著降低材料的表观弯曲模量。通过大量试验可知低跨厚比确实容易使试样产生层间剪切破坏。因此相比于GB/T 1449，ASTM D7264推荐的试样的跨厚比更为合理。

测试试样规定

(1).GB/T 1449对试样尺寸形状的规定

GB/T 1449将试样分成纤维增强热塑性塑料和纤维增强热固性塑料两大类。由表1可见：根据试样厚度选择不同的试样宽度，随着试样厚度的增加，其宽度也不断增加；试样最小长度为试样厚度的20倍。

表1 GB/T1449对弯曲试样尺寸的规定

GB/T1449对仲裁试样的规定与常规试样的有所不同，对试样厚度和宽度都进行了限定，如表2所示。

表2 GB/T 1449对仲裁弯曲试样尺寸的规定

(2).ASTM D7264对试样尺寸的规定

ASTM D7264中规定，标准弯曲试样的厚度为4mm，宽度为13mm，跨厚比为32∶1，长度为1.2倍跨距长度。同时规定，对于无法满足标准厚度的材料体系，可以采用其他厚度尺寸代替，但是要保证跨厚比为32∶1，试样宽度尺寸为13mm。通过对比可以发现：GB/T 1449 根据试样厚度，设定了不同的试样尺寸，但大型试样件的破坏载荷一般较大，GB/T 1449提供的小尺寸承载支座会使试样表面产生较深的压痕，影响试验结果；ASTM D7264推荐的试样尺寸简单，方便制作与测试。

试验速率要求及失效性判断

1.试验速率要求

GB/T 1449中规定：常规弯曲试验速率为10 mm·min-1， 仲裁弯曲试验速率为h/2mm·min-1。ASTM D7264规定标准试样按照横梁位移速率为1 mm·min-1进行测试，这与GB/T 1499的规定存在较大差异。较快的试验速率，可以缩短试验时间，但不利用观察试验过程。因此对于需要观察破坏过程的试样，推荐采用ASTM D7264进行试验。

2.失效性判断

GB/T 1449对试验破坏的判断没有进行明确的说明，对破坏模式也没有做出规定。ASTM D7264对试样的破坏模式、破坏区域、破坏位置均进行了细致的划分。规定了报告中需要记录每个试样的破坏模式、区域和位置，如表3所示。

表3 弯曲试样破坏模式及识别码

试样的失效性判断是极其重要的报告信息，无效的破坏模式得到的测试结果将无法表征材料的弯曲性能。因此在按照GB/T 1449进行弯曲试验时，可参照ASTM D7264对试样破坏模式的规定记录试验结果。

实例试验对比

试样制备

试验主要原材料有：环氧树脂，E51，工业级，江苏三木集团有限公司生产；固化剂，A-50，工业级，淮安市兴淮固化化工研究所生产；邻苯二甲酸二丁酯，化学纯，西陇化工厂生产；碳纤维布，T300-3k，日本东丽公司生产。采用手糊工艺制备复合材料板材，控制树脂质量分数为40％，真空袋密封，室温固化24h，脱模，得到厚度为2mm的复合材料板材。

按照GB/T 1449和ASTM D7264的推荐尺寸进行试样加工，如图3和图4所示。

图3 按照GB/T 1449加工的试样尺寸示意图

图4 按照ASTM D7264加工的试样尺寸示意图

试验结果及讨论

采用INSTRON 5982设备进行弯曲试验。依照GB/T 1449，对于热固性塑料跨厚比推荐为16∶1，所以跨距为32mm，推荐加载速率为10 mm·min-1。ASTM D7264推荐的跨厚比为32∶1，加载速率为1 mm·min-1。两个标准规定的最少试样数均为5件。为使试验数据更具有研究意义，按照两个标准推荐的加载速率和跨距各进行了10件试样的有效试验。依据GB/T 1449试验的结果见表4，依据ASTM D7264试验的结果见表5。

表4 依照GB/T 1449的弯曲性能测试结果

表5 依照ASTM D7264的弯曲性能试验结果

对比表4和表5的试验结果可见：依据GB/T 1449进行试验采用的跨距为32mm，测得的弯曲强度平均值为927MPa，变异系数为3.60％。依据ASMT D7264进行试验采用的跨距为64mm，测得的弯曲强度平均值为966MPa，变异系数为3.78％。两种测试方法结果的变异系数均低于5％，说明用这两种方法测得的试验数据都较稳定。

图5 依据不同标准测得的复合材料弯曲强度

图5是依据两个标准试验测得的弯曲强度分布图，可以观察到依据GB/T 1449和ASTM D7264测得的弯曲强度都十分稳定，波动幅度较小。但是依据ASTM D7264测得的弯曲强度基本大于依据GB/T 1449测得的。主要原因在于GB/T 1449推荐的跨距较小，容易使试样在试验过程中伴随产生层间剪切破坏，因而测得的弯曲强度较小。

通过对比可见，依据GB/T 1449和ASTM D7264进行弯曲试验均可以得到破坏有效、数据稳定的试验结果，但由于GB/T 1449推荐的跨厚比为16∶1，容易使试样在弯曲过程中伴随产生层间剪切破坏，导致试验测得的弯曲强度偏低。所以对于碳纤维增强的热固性塑料，宜依据ASTM D7264进行弯曲性能试验，或依据GB/T 1449重新选择跨厚比。

采用ZEISS Axio Obsever ZIm体视显微镜对试样厚度方向断口形貌进行观察，结果如图6和图7所示，图中下方为试样受压面，上方为试样受拉面。

图6 依据ASTM D7264试验弯曲试样显微形貌

图7 依据GB/T 1449试验弯曲试样显微形貌

在放大50倍下观察可见：依据ASTM D7264试验弯曲试样受拉表面出现了明显的破坏和分层；依据GB/T 1449试验弯曲试样内部产生了纵向裂纹和分层，而其外表面并未破坏。在放大100倍下观察可见：依据ASTM D7264试验弯曲试样内部并未发生明显破坏，说明其破坏先产生在试样受拉表面，这符合弯曲试验的破坏机理；而依据GB/T 1449试验弯曲试样内部产生了大量的分层和纵向裂纹，说明在其弯曲破坏过程中产生了大量的层间剪切破坏。这一现象与其力学性能表现相吻合。

结束语

(1)依据GB/T 1449-2005和ASTM D7264/ D7264M-15对纤维增强聚合物基复合材料进行弯曲性能试验，都可以得到数据稳定、破坏模式有效的弯曲性能，但由于GB/T 1449-2005推荐的跨厚比为16∶1，跨距过短容易使试样在弯曲过程中伴随产生层间剪切破坏，导致试验测得的弯曲强度偏低。

(2)相比GB/T 1449-2005，ASTM D7264/D7264M-15对试样跨距、支座半径及失效性判断的规定要更为合理、细致。

选自：《理化检验—物理分册》 Vol.55 2019.6

作者：贾仕君，硕士研究生，上海材料研究所上海市工程材料应用与评价重点实验室返回搜狐，查看更多