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GB/T 1449-2005 纤维增强塑料弯曲性能试验方法

一、标准概述


GB/T 1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》由国家质检总局发布于 2005 年 5 月 18 日,并于 2005 年 12 月 1 日实施。在中国标准分类中归属于 Q23 纤维增强复合材料,在国际标准分类中归属于 83.120 增强塑料。
该标准引用了 GB/T 1446-2005《纤维增强塑料性能试验方法总则》。其适用范围广泛,适用于测定纤维增强塑料的弯曲强度、弯曲弹性模量、规定挠度下的弯曲应力以及弯曲载荷 - 挠度曲线。
纤维增强塑料作为一种重要的材料,在航空航天、汽车制造、建筑等多个领域都有广泛应用。而 GB/T 1449-2005 标准的制定,为纤维增强塑料的弯曲性能测试提供了科学、规范的方法,确保了测试结果的准确性和可靠性。通过该标准的实施,可以更好地评估纤维增强塑料在不同应用场景下的性能表现,为产品的设计、制造和质量控制提供有力依据。同时,也有助于推动纤维增强塑料行业的技术进步和发展,提高我国在该领域的国际竞争力。

二、试验要素详解


(一)试样要求

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。对于纤维增强热塑性塑料,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。对于纤维增强热固性塑料同样如此。
GB/T 1449 对仲裁试样的规定与常规试样有所不同,对试样厚度和宽度都进行了限定。仲裁试样的厚度和宽度要求更加严格,以确保在争议情况下测试结果的准确性。

(二)试验设备

万能试验机的要求,包括载荷精度和横梁移动速率等。GB/T 1449 - 2005 中试验机要求符合 GB/T 1446 - 2005 要求。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%。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%。

弯曲装置的要求,如加载上压头和支座圆柱半径等。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。

(三)试验条件

跨厚比规定,对比 GB/T 1449 和 ASTM D7264 对跨距的不同要求。GB/T 1449 推荐跨距 l 按照试样厚度 h 换算得到 l = (16±1) h。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。而 ASTM D7264 推荐试样的跨厚比 l/h 为 32∶1,跨距 l = 32h。并且 ASTM D7264 可以在报告中注明的情况下选择其他跨厚比,如 16∶1,20∶1,40∶1,60∶1。

试验温度及环境稳定性要求。一般试验在 10℃ - 35℃的室温范围内进行。对要求在控制条件下进行的试验,试验温度应为 23℃±5℃。稳定的试验温度有助于确保测试结果的准确性和可重复性。

试验速率,常规和仲裁试验速率的差异。GB/T 1449 中规定:常规弯曲试验速率为 10mm・min - 1,仲裁弯曲试验速率为 h/2mm・min - 1。不同的试验速率适用于不同的测试需求,以满足对纤维增强塑料弯曲性能的全面评估。

三、测试流程步骤


(一)设备准备

万能试验机的校准是确保测试准确性的关键步骤。根据标准要求,选择传感器容量为 10kN 的万能试验机,并进行严格校准,以保证其测量的载荷精度控制在 ±1%以内。同时,确保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%。

安装标准塑料三点弯曲夹具。夹具的安装要牢固可靠,确保在测试过程中不会出现松动或位移,影响测试结果。加载上压头应为圆柱面,其半径 R = 5mm。支座圆柱半径根据试样厚度要求进行选择,当试样厚度 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。

准备位移计,设置量程为 10mm,分辨率为 0.1μm。位移计的精度对于准确测量试样的挠度变化至关重要,能够为评估材料的弯曲性能提供关键数据。

(二)样品准备

选取三组玻纤增强型塑料样品。在选取样品时,应确保样品具有代表性,能够反映出该批次材料的整体性能。将样品分别安装于三点弯曲夹具上,确保固定牢固。安装过程中要注意样品的位置和方向,保证测试时载荷能够均匀地施加在样品上。

(三)测试步骤

弹性模量测试

设定试验速度为 2mm/min。这个速度能够较为准确地测量材料在弹性阶段的性能变化。

启动试验机,对样品施加垂直负荷。在加载过程中,要密切观察试验机的载荷变化和样品的变形情况。

使用位移计实时测量样品的挠度变化。位移计能够精确地记录样品在不同载荷下的挠度值,为计算弯曲弹性模量提供数据支持。

屈服后处理

当样品屈服后,停止试验并卸下位移计。此时,样品已经进入塑性变形阶段,继续使用位移计可能会影响测试结果的准确性。

调整试验机横梁速度至 10mm/min。加快加载速度,以获取样品的断裂载荷和变形数据。

数据记录和结果分析

在整个测试过程中,记录位移计测得的挠度数据,以及试验机的负荷与位移数据。这些数据将用于计算材料的弯曲强度、弯曲弹性模量等性能指标。

分析各组样品的测试结果,确保数据的精确性和可重复性。可以通过计算平均值、标准差等统计参数,对测试结果进行评估。同时,与标准要求进行对比,判断材料的弯曲性能是否符合相关标准。

四、标准对比与应用


(一)GB/T 1449 与 ASTM D7264 差异对比

适用范围:GB/T 1449 对应于 ISO 14125,适用于测定纤维增强塑料(包括热塑性和热固性塑料)的弯曲强度、弯曲弹性模量、规定挠度下的弯曲性能,只可采用三点弯曲试验方法,且适用范围不包括长跨距、大尺寸的长梁四点弯曲。而 ASTM D7264 适用于测试聚合物基复合材料的弯曲刚度和强度性能,可采用三点和四点弯曲加载系统,适用范围更广。

原理:两者弯曲性能测试均采用无约束支撑,以恒定的加载速率使试样破坏或达到预定的挠度值,并测量记录试样施加的力值和试样产生的挠度。但四点和三点弯曲加载方式的最大差别在于最大弯矩和最大弯曲应力点的位置不同。采用四点弯曲加载方式时,最大弯矩位置在两个支座的中心位置,而最大弯曲应力位于两个加载头的下方。三点弯曲的最大弯矩和最大弯曲应力位置都在支座的中心位置。

设备要求

试样规定: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,根据试样厚度选择不同的试样宽度,试样最小长度为试样厚度的 20 倍,对仲裁试样的厚度和宽度都进行了限定。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。

(二)标准在不同领域的应用实例

玻纤增强塑料三点弯曲试验:在航空航天、铁道铁路、建筑装饰等领域,玻纤增强塑料得到广泛应用。如在航空领域,玻纤增强塑料的弯曲性能直接关系到飞机部件的强度和可靠性。采用 GB/T 1449 - 2005 标准进行三点弯曲试验,通过在样品中央施加垂直负荷,并使用高精度位移计测量挠度,以评估材料的弯曲应力和弯曲模量。在试验过程中,严格按照标准要求选择和校准万能试验机,安装标准塑料三点弯曲夹具,并准备位移计。选取具有代表性的玻纤增强型塑料样品,安装于夹具上确保固定牢固。通过设定不同的试验速度,分别进行弹性模量测试和屈服后处理,记录试验过程中的挠度数据、试验机的负荷与位移数据,分析计算材料的弯曲性能指标,为航空航天领域的材料选择和设计提供重要依据。

金属管弯曲试验:虽然 GB/T 1449 - 2005 主要适用于纤维增强塑料,但在某些情况下,其测试原理和方法也可以为金属管的弯曲试验提供参考。例如,在建筑领域的金属管道安装中,需要对金属管的弯曲性能进行测试,以确保其在实际使用中的可靠性。可以借鉴 GB/T 1449 中的设备要求和试验步骤,选择合适的试验机和夹具,设定合理的试验参数,对金属管进行弯曲试验。通过测量金属管在弯曲过程中的载荷和变形,计算其弯曲强度和弹性模量等性能指标,为金属管的质量控制和工程应用提供数据支持。

五、总结与展望


GB/T 1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》在纤维增强塑料领域具有至关重要的地位。该标准为纤维增强塑料的弯曲性能测试提供了详细、科学且规范的指导,确保了测试结果的准确性和可靠性。
通过对试样要求、试验设备、试验条件以及测试流程步骤的严格规定,GB/T 1449-2005 使得不同实验室、不同生产厂家之间的测试结果具有可比性,为纤维增强塑料在各个领域的应用提供了坚实的技术支持。例如,在航空航天领域,确保了飞机部件的强度和可靠性;在汽车制造领域,提高了汽车零部件的性能和安全性;在建筑领域,为新型建筑材料的研发和应用提供了保障。
展望未来,随着纤维增强塑料技术的不断发展和应用领域的不断拓展,GB/T 1449-2005 也将面临新的挑战和机遇。一方面,随着新材料的不断涌现,可能需要对标准进行进一步的修订和完善,以适应不同类型纤维增强塑料的测试需求。例如,对于一些高性能纤维增强塑料,可能需要更加精确的测试方法和设备要求。另一方面,随着科技的进步,测试技术也将不断创新。例如,自动化测试设备的应用、在线监测技术的发展等,都将为纤维增强塑料的弯曲性能测试带来新的可能性。
此外,国际间的技术交流与合作也将越来越频繁。GB/T 1449-2005 可以与国际标准进一步接轨,提高我国在纤维增强塑料领域的国际影响力。同时,通过与其他国家的标准对比和交流,可以借鉴先进的测试技术和经验,不断提升我国纤维增强塑料弯曲性能测试的水平。
总之,GB/T 1449-2005 在纤维增强塑料领域发挥着重要的作用,未来它将继续为纤维增强塑料的发展和应用提供有力的支持,推动我国纤维增强塑料行业不断向前发展。