ASTM D3039：聚合物基複合材料的拉伸性能
用於測試符合 ASTM D3039 的聚合物基增強複合材料的指南
作者： Ian McEnteggart
更新日期： 2025 年 11 月 18 日
ASTM D3039 測量什麼？
保持對準：可靠測試的關鍵
未對準是複合材料測試中變異性的最大來源之一。本白皮書分解了關鍵元件——系統、夾具和對準工具——您需要每次都正確對準。
ASTM D3039 是正確的標準嗎？
ASTM D3039 是表徵複合材料拉伸性能的最基本測試之一。但是，還存在其他標準來評估非均向和非均質複合材料的許多不同機械性能，包括：
- ASTM D3410 和 ASTM D6641 用於壓縮測試
- ASTM D3518 用於平面剪切測試
Instron 的 Bluehill Universal 軟體中的複合材料應用模組包括針對 ASTM D3039 和許多其他標準的預配置測試方法。查看 Bluehill Universal 中可用的方法範本的完整清單。
樣品類型
ASTM D3039 試樣的形狀為矩形，具有恆定的橫截面。
該標準包括針對 0⁰ 單向、90⁰ 單向、平衡和對稱以及隨機不連續材料類型的建議試樣幾何形狀。
ASTM D3039 可用於連續和不連續纖維增強材料，但層壓板試樣的鋪層必須相對於測試方向平衡且對稱，以確保試樣在負載下不會扭曲或變形。
試樣標籤
在複合材料測試中，通常使用標籤來保護試樣材料免受夾具的損壞。ASTM D3039 不要求使用標籤，但建議在測試單向材料時使用。
標籤可以黏合到樣本上，也可以透過摩擦力（例如砂布）固定到位。
試樣測量
在測試之前，必須測量試樣的橫截面積。這是通過在標距段內的三個位置測量寬度和厚度並對測量值進行平均來完成的。
- 當一個或兩個表面不規則時，需要帶有球形介面的千分尺來測量厚度。
- 如果兩個表面都是平的，則可以使用帶有球形或平面介面的千分尺。
- 使用帶有平面砧座的卡尺或千分尺來測量試樣寬度。
最佳實踐：為了消除輸入錯誤的可能性並提高效率，請使用能夠將測量值直接傳輸到測試軟體的自動試樣測量裝置。
Bluehill Universal 中的自動試樣測量裝置功能允許操作員同時連接最多兩個裝置（千分尺或卡尺）。
材料測試系統
ASTM D3039 的測試在萬用試驗機上進行。
- 30 kN 或 50 kN 系統可能足以測試玻璃纖維複合材料。
- 通常需要 100 kN 或 300 kN 系統來測試碳纖維複合材料。
夾具和試樣對齊
應變測量
使用延伸計或應變計測量應變。
夾式延伸計（例如，2630 系列）
- 在每次測試開始時手動連接到試樣
- 如果失效是劇烈的，則可能需要在試樣斷裂之前將其移除
- 可能不適合測量失效時的應變
- 可在高達 200°C 最高溫度的環境試驗箱中使用
非接觸式影像延伸計（例如，AVE3 高級影像延伸計）
- 相機使用試樣上的標記測量變形
- 不會因失效時釋放的能量而損壞
- 可與環境試驗箱一起用於非環境測試 – 安裝在試驗箱外部，無需在測試期間打開和關閉門
橫向延伸計
如果測試蒲松比，則需要橫向延伸計來測量試樣整個彈性區域的寬度變化。
應變計
- 電阻應變計通常用於測量複合材料失效時的應變。
- 通常由一層薄金屬箔網格組成，透過黏合劑將其黏合到樣品上。
- 可在環境試驗箱中使用 – 從低溫到超過 200°C
- 需要調節電子設備才能產生有用的訊號。Instron 為 Instron 測試機中的標準電子設備提供了一個易於使用的適配器。
雖然應變計可以提供非常準確的應變測量，但它們是一種昂貴的消耗品，需要熟練的勞動力才能正確安裝。
環境試驗箱中的非環境測試
複合材料通常需要在非環境條件下進行測試，以表徵材料在應用溫度下的性能。
環境試驗箱使用強制空氣對流以及電阻加熱元件來實現高溫，並使用液氮或二氧化碳冷卻來實現低溫。
Instron 3119-600 系列環境試驗箱提供廣泛的溫度測試功能，用於評估非環境條件下的材料屬性。提供全系列的互補夾具、拉桿和延伸計。
最後說明
ASTM D3039 對於了解聚合物基纖維增強複合材料的拉伸行為至關重要。雖然本指南提供了全面的概述，但始終查閱完整的 ASTM D3039 標準以獲取詳細的程序和合規性。
常見問題
| ASTM D3039 | ASTM D638 | |
|---|---|---|
| 材料 | ASTM D3039 涵蓋了確定由連續或不連續高模量纖維增強的聚合物基複合材料的平面拉伸性能。
連續纖維複合材料的性能可能是高度非均向的，即它們在很大程度上取決於方向。 |
ASTM D638 涵蓋了確定未增強和增強塑膠的拉伸性能。用高模量纖維增強的複合材料應按照 ASTM D3039 進行測試。
使用 ASTM D638 測試的塑膠材料類型預計基本上是均向的，即在所有方向上的性能大致相同。 |
| 試樣 | ASTM D3039 試樣都是扁平且矩形的。這降低了夾具中發生剪切失效的可能性。
對於某些類型的材料，例如單向材料，建議使用黏合或摩擦片，以防止夾面的鉗口面損壞複合纖維並導致過早失效。 試樣通常是通過使用金剛石鋸切割扁平層壓板來生產的。 |
ASTM D638 試樣在標距段中具有減小的寬度，而在夾持段中具有更寬的寬度。
試樣通常通過注塑成型生產。 |
| 應變測量 | ASTM D3039 規定使用根據 ASTM E83 B-1 級校準的引伸計或符合 ASTM E251 的應變計。
大多數複合材料的失效應變小於 5%，因此這些應變測量裝置不需要很大的行程。 |
ASTM D638 要求使用根據 ASTM E83 B-2 級校準的延伸計來進行模量和低伸長率（<20%）測量，並使用十字頭位移來確定高伸長率測量的「標稱應變」。 |
| 計算 | ASTM D3039 包括以下計算：
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ASTM D638 包括以下計算：
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