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能量釋放率(G)

斷裂力學特徵值中的能量釋放率在複材特性表徵中起重要的作用。

測試目的

能量釋放率的定義為單位面積材料裂紋延展至一固定長度所需的能量。測試結果是一個描述積層板裂紋延展難易度的值。

根據應用不同,測量中會採用如下幾種不同的負載類型:

  • 模式I:裂紋延展
  • 模式II:面內剪切
  • 模式III:横向於積層板平面的扭轉負載

通常測定模式I的能量釋放率,主要採用ISO、ASTM、EN等標準的測試方法。目前還沒有針對模式III的標準。

ASTM標準的測試方法综合評估模式I和模式II,兩種模式的比例有所不同。

使用DCB測試安排進行模式I測量

  • 通常採用DCB(雙懸臂樑)試片測定模式I能量釋放率ㄍ。
  • 試片通常在面内方向預製裂紋,比如在膠合過程中插入塑膠片造成裂紋。
  • 可以透過黏著試片、鉸鏈或者用於夾持縫隙的特殊裝置施加測試荷重。
  • 測試中,裂紋開口以横樑行程測定,並透過試片腳的變形量矯正。透過對測試測得的力-行程曲線進行積分可以得到斷裂能量。在試片側面透過影片紀錄裂紋延展。
  • 操作員可以透過放大鏡觀察標距面裂紋,以手工計算裂紋長度。為了讓裂紋長度測量有更好的可追溯性,一般採用數位放大鏡。在測試的過程中,數位放大鏡可以追蹤裂紋延展並透過影片紀錄測量過程和結果。
  • 這段紀錄下的影片與測試曲線完全同步,意味著測試完成後還能進行驗證,必要時還能進行修正。
  • 根據測試標準的不同,需要採用不同的測試順序以及評估方式。
  • 測試標準如下所示:ISO 1502、ASTM D5528、AITM 1-0005、AITM 1-0053、Boeing BSS 7273、CRAG方法600、NASA方法RP 1092 ST-5、ESIS TC 4、prEN 6033(已撤銷)

模式II - 使用SENB/ENF測試安排進行測量

模式II載荷可以透過彎曲測試和帶缺口的試片的拉伸和壓縮測試測得。

模式II測量的能量釋放率被標準化為彎曲測試,彎曲測試中產生的剪切應力會引起裂紋延展。試片通常被稱為SENB(單邊缺口彎曲)試片,不過也常被稱為ENF(末端缺口彎曲)試片。偏移可以透過横樑行程(採用剛性校正)或位於試片中心的位移傳感器測定。

裂紋起始點的特徵為在此點的測試力值最大。測量結束後,需要將試片放入液態氮冷卻並完全破壞,才能測量斷裂面。

混合模式彎曲(MMB)

可以對單向積層板測量混合模式彎曲。該方法結合了模式I和模式II,末端裝載支架的位置決定了兩個模式相對應的比例。

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