ASTM D 3518/D 3518M–94（2001年重新批准）
采用45层压板拉伸试验测量聚合物基复合材料 面内剪切特性的标准试验方法1
Standard Test Method for In-Plane Shear Response of Polymer Matrix
Composite Materials by Tensile Test of a ?45? Laminate
本标准以固定的编号D 3518/D 3518M出版；编号后的数字表示最初采用的或最近版本的年号。带括号的数据表明最近批准的年号。上标（
）表明自最近版本或批准以后进行了版本修改。
本标准已被美国国防部（DoD）批准使用。
1 范围
1.1 本试验方法适用于测定高模量纤维增强的聚合物基复合材料的面内剪切性能。复合材料形式限定于x方向承受试验试验的连续纤维增强的复合材料45层压板。
1.2 本标准并未打算提及，如果存在的话，与使用有关的所有安全性问题。在使用本标准之前，本标准的用户有责任建立合适的安全与健康的操作方法，以及确定规章制度的适用性。
1.3 以国际单位（SI）或英制单位（inch–pound）给出的数值可以单独作为标准。正文中，英制单位在括号内给出。每一种单位制之间的数值并不严格等值，因此，每一种单位制都必须单独使用。由两种单位制组合的数据可能导致与本标准的不相符。
2 参考文献
2.1 ASTM标准
D883 与塑料相关的术语2 Terminology Relating to Plastics
D 3039/D 3039M 聚合物基复合材料拉伸性能试验方法3 Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials D 3878 复合材料术语3 Terminology of Composite Materials 1
本试验方法由ASTM的复合材料委员会D30审定，并由单层和层压板试验方法专业委员会D30.04直接负责。当前版本于1994年11月15日批准，1995年出版。最初出版为：D 3518–76。上一版本为：D 3518–91。 2
Annual Book of ASTM Standards, Vol 08.01. 3
Annual Book of ASTM Standards, Vol 15.03.
D 5229/D 5229M 聚合物基复合材料吸湿性能及平衡状态调节试验方法3
Test Method for Moisture Absorption Properties and Equilibrium Conditioning of Polymer Matrix Composite Materials
E6 与力学试验方法相关的术语4
Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing
E111 杨氏模量，正切模量及弦向模量试验方法4 Test Method for Young’s Modulus, Tangent Modulus, and Chord Modulus E177 ASTM试验方法中精度和偏差的使用方法5 Practice for Use of the Terms Precision and Bias in ASTM Test Methods E456 与质量和统计相关的术语5 Terminology Relating to Quality and Statistics E 1309 数据库中纤维增强聚合物基复合材料的标识指南3
Guide for the Identification of Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite Materials in Databases
E1313 金属力学试验数据计算机化数据推荐的记录格式指南6
Guide for Identification of Composite Materials in Computerized Material Property Databases
E 1434 数据库中纤维增强聚合物基复合材料的力学性能试验数据记录指南3
Guide for Recording Mechanical Test Data of Fiber-Reinforced Composite Materials in Databases
E 1471 计算机材料性能数据库中纤维、填料及蜂窝芯材料的标识指南3
Guide for the Identification of Fibers, Fillers, and Core Materials in Computerized Material Property Databases
3 术语
3.1 定义——术语D 3878定义了与高模量纤维及其复合材料有关的术语。术语D 883定义了与塑料有关的术语。术语E 6定义了与力学试验有关的术语。术语E 456和操作规程E 177定义了与统计有关的术语。当各个标准定义的术语之间发生矛盾时，术语D 3878优先于其他标准。 3.2 本标准专用术语定义：
注释——如果术语表示一个物理量，它的分析量纲以基本量纲的形式紧跟在该术语（或文字符号）后面予以说明。方括号内所示的基本量纲采用下面的ASTM标准符号：质量为[M]，长度为[L]，时间为[T]，热力学温度为[Θ]，无量纲量为[nd]。由于不带方括号时以上这些符号可能有其他的定义，因此这些符号在带方括号时的使用仅限于分析量纲。
3.2.1 45层压板——层压复合材料中，仅由+45和-45层组成的均衡对称的铺层。（见铺层方向）
3.2.2 均衡的，adj——在均衡层压板中，对于每一个+?方向的偏轴层，都有一个相同材料体系和形式的-?方向的层。
3.2.3 单层——在层压板复合材料中，单一的薄的均匀的铺层，是层压板的基本构成单元。 3.2.4 材料坐标系——如图1所示，在层压复合材料中，采用123笛卡尔坐标系描述了层压材料的主材料坐标系，其中1-轴与单层主轴一致。（见铺层方向、单层主轴及主材料坐标系）
3.2.5 名义值——名义值—— n–a值，仅存在于名称中，出于方便表示的目的指定了一个可测量的参数。公差可能被作为一个名义值，用于为参数确定一个可接受的范围。 45
Annual Book of ASTM Standards, Vol 03.01 Annual Book of ASTM Standards, Vol 14.02. 6
Annual Book of ASTM Standards, Vol 14.01.
3.2.6 偏轴——层压复合材料中，既不是0也不是90的层的方向。 3.2.7 层——层压复合材料中，单层的同义词。
3.2.8 铺层方向——层压复合材料中，参考方向和铺层主轴之间的角度。角度用表示，大于-90且小于或等于+90。从参考方向到铺层主轴的正方向遵循右手法则。
轴 3轴或Z轴 （层压方向） 2轴 （横向） （铺层方向角） 1轴 ? （纤维方向） （铺层方向角） （铺层方向角） X轴（层压板参考轴）
图1 材料坐标系
3.2.8.1 讨论——参考方向一般对应于主要加载方向。
3.2.9 铺层主轴——层压复合材料中，每一个单层的面内坐标轴，用以定义铺层方向。（见铺层方向和材料坐标系）
3.2.9.1 讨论——对于层压板中的每一个铺层，铺层主轴通常是不同的。该轴相对于参考轴的角度以铺层方向给出。铺层主轴通常与最大刚度的方向一致（例如，单向预浸带的纤维方向或织物增强材料的经向）
3.2.10 主材料坐标系——其轴垂直于材料对称面的坐标系。（见材料坐标系） 3.2.10.1 讨论——至少对于卡迪尔坐标系（例如，123或xyz），主材料坐标系的1轴通常与性能最高值的方向一致。对于弹性性能，弹性模量最高的轴为1轴或x轴。
3.2.11 对称的——层压复合材料中，每一个铺层的组分、材料形式和方向都以层压板中面镜面对称。
3.2.12 过渡区——应力–应变或应变–应变曲线上，在一个很小的应变范围内曲线斜率明显改变的应变区。
3.2.12.1 讨论——加载过程中，许多长丝复合材料呈现出非线性的应力/应变响应，例如在纵向应力-纵向应变或横向应变-纵向应变曲线图中看到的。在特定条件上，非线性响应一般用双线性拟合来逼近。过渡区的存在有许多不同的物理原因,常见的例子是拉伸载荷作用下的基体开裂和分层。 3.3 符号
3.3.1 A——试样的横截面面积。
3.3.2 CV——给定性能的样本的离散系数（以百分数表示）。
?3.3.3 F12（偏移）——当模量沿着剪切应变轴从原点偏移一个给定的应变偏移量时，剪切弦向
弹性模量与应力-应变曲线的交叉点处的剪切应力?12的值，。
3.3.4 G12——面内弹性剪切模量。
3.3.4.1 讨论——如图2所示，1，2分别表示铺层平面内纤维方向和垂直于纤维方向的横向。 3.3.5 n——样本的试件数量。 3.3.6 P——试样承受的载荷。
3.3.7 Pm——试样承受的载荷，取下列两者中较小的值：(1) 试件破坏前的最大载荷；(2) 5%剪切应变时的载荷。
3.3.8 sn-1给定性能的样本的标准差。
x（加载方向） （铺层方向角） 纤维方向 （铺层方向角）
x和y表示试件或参考坐标轴，1和2表示材料或局部坐标轴
图2 试件和材料坐标轴的定义
3.3.9 xi——给定性能在一个样本中单个试样的试验结果。
3.3.10 x——给定性能在一个样本中的平均值或均值（估计平均值）。 3.3.11 ——应变的通用符号，无论是正应变还是剪切应变。 3.3.12
——应变传感器或引伸计上读出的正应变值。
m3.3.13 ?12——垂直于1轴且平行于2轴的平面内的剪切应力。
3.3.14 ?12——剪切应力?12的计算值，取下列两者中较小的值：(1) 试件破坏前的最大剪切应力；(2) 5%剪切应变时的剪切应力。
3.3.15 ?12——垂直于1轴且平行于2轴的平面内的剪切应变。
3.3.16 ?12——取下列剪切应变?12中较小的值：(1)试件破坏前的最大剪切应力对应的剪切应变值；(2) 5%。
m4 试验方法概述
4.1 尽管D 3039对铺层顺序和厚度有明确的限制，还是采用与D 3039一致的方法对?45层压板进行单轴拉伸试验。用该试验方法评估面内剪切响应最初由Petit7提出，后来经过Rosen8改进。采用层压板理论的表达式，材料坐标系中的平面剪切应力可以由轴向载荷和从传感器上得到的纵向或横向正应变数据直接计算得到。这些数据可以用于建立面内剪切应力-剪切应变曲线。
5 意义和用途
5.1 制定本试验方法是为了得到用于材料规范、研究与开发、质量保证以及结构设计和分析的面内剪切性能数据。影响剪切特性并应该在报告中给出的因素包括：材料、材料制备和铺贴方法、试件铺层顺序和总厚度、试件制备、试件状态调节、试验环境、试件对中和夹持、试验速度、在 7
Petit, D. H., “A Simplified Method of Determining the In-plane Shear Stress/Strain Response of Unidirectional Composites,” Composite Materials: Testing and Design, ASTM STP 460, American Society for Testing and Materials, 1969, pp. 83–93. 8
Rosen, B. W., “A Simple Procedure for Experimental Determination of the Longitudinal Shear Modulus of Unidirectional Composites,” Journal of Composite Materials, October 1972, pp. 552–554.
某一温度下的时间、孔隙含量和增强体的体积百分比。从本试验方法可获得以下性能： 5.1.1 面内剪切应力-剪切应变响应 5.1.2 面内剪切弦向弹性模量 5.1.3 偏移剪切性能
5.1.4 ?45层压板的最大面内剪切应力 5.1.5 ?45层压板的最大面内剪切应变
6 影响因素
6.1 应力场的不纯——因为面内正应力分量出现在整个工作段，而在接近试件自由边附近则出现复杂的应力场，因此试件工作段的材料并不处于纯面内剪切应力状态。尽管认为本试验方法可以可靠的提供初始材料响应，也可以建立非线性区域的剪切应力-应变响应，但是，计算出的剪切破坏应力值不能代表真实的材料强度值，使用时应谨慎。尽管尝试将这些影响最小化，即使对其他的不同单层厚度或不同织物面积重量的材料，本试验方法得到的剪切破坏应力，都可能有不同的破坏模式，而不能进行统计处理。在Kellas的论文中9对此作了更进一步的讨论。
6.1.1 面内正应力场的影响——对垂直于纤维方向的面内应力分量要特别关注。该应力分量存在于试件的所有铺层及工作段内。通过邻近层中的增强纤维可以使该应力对给定层的影响最小化。因为单层的约束随着铺层厚度的增加可降低，所以单层的厚度就成为影响剪切应力-剪切应变响应和试件极限破坏载荷的重要参数10。然而，仅受一个邻近层的约束（与内部层不同，内部层受到左右两边的约束）的试件表面层，就成为?45试件最薄弱的环节。在拉伸载荷试验过程中，第一层铺层破坏主要为正应力（或混合模式）破坏，而不是纯剪切破坏。基于此，该试验并不能得到实际的材料剪切强度。除了能承受较大轴向应变（大于3.0%）的材料外，剪切破坏应力一般要低于实际的材料剪切强度。
6.1.2 总厚度的影响——基于上述讨论的破坏过程，高应变水平的剪切应力-剪切应变响应依赖于总铺层数。随着试件的总铺层数的增加，两个弱表面层的承载能力相对减弱。层压板表面铺层破坏以后，表面铺层的部分载荷将被重新分配到剩余的未被破坏的铺层上。层压板中表面层破坏后，这些层螦承受的载荷部分将重新分配到剩余的完好层中。总的铺层数越多，剩余的完好层能继续承载而不立即发生最终破坏的机率就越大。然而，随着单层基体的相继破坏，剩余的完好层的数量也逐渐减少，直到不能承受所施加的载荷。因为这个破坏过程，铺层数量多的试件能够承受较高的破坏载荷。为了将这些影响最小化，本试验方法要求采用均匀的铺层顺序和固定的铺层数，即仅在层压板中面两侧对称铺设两个重复的单层。 6.1.3 大变形的影响——对于具有韧性较好的基体、弱纤维/基体界面、含有大量重复单层的厚试件、或上述因素组合的试件，可能会发生纤维的过度剪切。Kellas得到了该类试件的一个普遍规律，即轴向应变每增加2%（或普通试验材料的剪切应变增加3.5%），纤维偏转增加1。这种剪裁的剪切，如果不恢复，将与本试验方法的名义上?45层压板的假设相违背。即使试件承受的载荷还在增加，但是只要达到大应变水平，就要停止试验，这是一个基本的指导原则。在计算的剪切应变达到5%时，不再记录数据，此时纤维的剪切程度大约为1.5，接近于箔式应变片（如果使用）的极限，并超出了普通工程实践所要求的应变水平。Kellas的文献对试件铺层顺序、试件几何形状、尤其是试件和单层厚度的影响进行了详细讨论。
6.1.4 边缘应力影响——即使层间应力达到层压板自由边缘附近的最大值，但与垂直于试件平面内纤维方向的横向正应力的影响相比，层间应力对45层压板破坏过程的影响并不显著。因 9
Kellas, S., Morton, J., and Jackson, K. E., “Damage and Failure Mechanisms in Scaled Angled-Ply Laminates,” Fourth Composites Symposium on Fatigue and Fracture, ASTM STP 1156, W. Stinchcomb and Ashbaugh, N. E., Eds., American Society for Testing and Materials, 1993, pp. 257–280. 10
Repeating plies (adjacent plies at the same ply orientation) have an effect similar to thick plies, therefore, this test method prohibits constructions with repeating plies.
噶米聚合物基复合材料面内剪切性能标准试验方法(D 3518 45层压板拉伸 单向带)
