ICS 49.025.99 V 15
HB 8619-2021
航空用聚合物基复合材料落锤冲击损伤
阻抗试验方法
Test method for measuring the damage resistance of aviation polymer matrix
composite to a drop-weight impact
2021-04-19 发布 2021-07-01 实施
中华人民共和国工业和信息化部发布
前言
本标准按照 GB/T 1.1 给出的规则起草。
本标准由中国航空综合技术研究所归口。
本标准起草单位：中国飞机强度研究所、中国航空综合技术研究所、沈阳飞机设计研究所。本标准主要起草人：李磊、黄光启、隋晓东、杨胜春、谢佳卉、郭江、沈薇。
航空用聚合物基复合材料落锤冲击损伤
阻抗试验方法
1 范围
本标准规定了复合材料落锤冲击损伤阻抗试验方法原理、试验设备、试样、实验条件、试验步骤、计算和试验报告。
本标准适用于航空用聚合物基复合材料层合板损伤阻抗的测定、材料的评价和比较、为复合材料结构损伤容限评定提供损伤引入以及与其他的力学性能试验标准(如冲击后压缩试验等)相结合来建立复合材料结构的设计许用值。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 1446 纤维增强塑料性能试验方法总则
GB/T 3961 纤维增强塑料术语
3 术语和定义
GB/T 3961 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
凹坑深度 dent depth
试样受冲击表面所形成的凹坑，从凹坑最低点到试样表面的垂直距离。
3.2
冲击头 impactor
冲击试验中与试样表面接触的半球形钢质物体。
3.3
落锤 drop-weight
用提升机构或类似方法提升，用于自由落体冲击的物体，由冲击头和配重组成。
4 方法原理
采用自由落体的方式，将势能转化为动能，用带有半球形冲击头的落锤对试样表面进行冲击，并以损伤的尺寸和形式对损伤阻抗进行评价，如图 1 所示。
说明：
1——配重;
2——冲击头;
3——冲击点;
4——试样;
5——试样支撑板;
H——落锤下落高度。
图 1 落锤冲击装置示意图
5 试验设备
5.1 总则
试验设备主要包括：速度测量装置、凹坑深度测量装置、电子秤和试验夹具。试验设备均需检定/校准合格，并在有效期内使用。
5.2 速度测量装置
速度测量装置应符合 GB/T 1446 的规定。
5.3 凹坑深度测量装置
应符合 GB/T 1446 的规定。可采用深度尺或百分表等进行凹坑深度的测量，仪器的端部为半球形，半径不大于 6 mm。精度要求为 0.01mm。
5.4 电子秤
电子秤精度为 0. 1g。
5.5 试验夹具
试验夹具包括：
a) 冲击装置——主要由冲击支架、释放机构、导向管和速度测量装置组成。
b) 冲击支持夹具——由底板、支柱、支撑板和试样固定夹子组成。在支撑板的中心位置处设有(75±1)mm ×(125±1)mm 的开口，与试样接触的支撑板平面度要求不大于 0.1mm。用固定在
支撑板上的 4 个试样固定夹子对试样进行约束。夹子的夹紧力应足够大， 以防止试样由于冲击的作用产生位移。冲击支持夹具示意图见图 2。
说明：
1——试样;
2——试样固定夹子;
3——试样支撑板;
4——试样定位销;
5——支持夹具立柱;
6——支持夹具底板。
图 2 冲击支持夹具示意图
c) 落锤——由冲击头和配重组成，评价和比较材料的损伤阻抗特性的冲击能力时，冲击头直径推荐采用 16mm;其他可根据设计要求来确定冲头尺寸，可选用 12.7mm、25.4mm 等。冲击头硬度为(60～62)HRC。落锤示意图见图 3。落锤冲击头与导向杆内径的间隙不大于 1mm，落锤冲击头和导向杆的同轴度均为 0.25mm。
1
说明：
1——配重;
2——冲击头。
图 3 落锤示意图
d) 防二次冲击装置——要求落锤对试样一次冲击后，将落锤接住，防止落锤对试样二次冲击。
6 试样
6.1 试样形状与尺寸
试样尺寸为 100mm ×150mm，推荐厚度为 4mm～6mm，目标厚度 5mm。试样的形状与尺寸见图 4。
单位为毫米
B
3.2
\
3.2
铺层方式： [45/0/-45/90]ns
厚度允许的范围：4mm～6mm
注：铺层方向公差为：相对于基准面 R 小于±0.5˚;机械加工边缘的粗糙度 Ra 值不超过 3.2m。
图 4 试样几何尺寸
6.2 铺层形式
为了评价和比较材料的损伤阻抗特性，推荐的标准试样为准各向同性层合板[45/0/-45/90]ns，为建立复合材料结构的设计许用值，或对飞机结构损伤的评估过程中定义损伤类别，试样可采用与实际结构一致的铺层顺序和厚度。
6.3 试样制备
试样制备按 GB/T 1446 的规定。
试样在制备过程中，应采取相应的措施以避免由于不适当的加工方法而引起切口、沟槽、粗糙或不平的表面、或者分层，并通过水润滑的精确切割、铣削或磨削，得到最终尺寸。
6.4 试样数量
每组有效试样应不少于 5 个。
7 试验条件
7.1 试验环境条件
试验环境条件应满足 GB/T 1446 的规定。
7.2 试样状态调节
试样状态调节应满足 GB/T 1446 的规定。
8 试验步骤
8.1 试验前准备
试验前准备应满足如下要求：
a) 按 GB/T 1446 的规定检查试样外观，对每个试样编号。
b) 按 7.2 的规定对试样进行状态调节。
c) 在试样状态调节后，在冲击点附近测量试样的 2 个宽度和 4 个厚度，厚度测量精确到 0.01mm，其余均为 0.02 mm。
d) 在试样预产生凹坑的表面标注凹坑测量基准点，基准点要选取试样表面远离损伤的位置，即凹坑深度测量装置的基座支撑点距离压痕点最少 25mm。基准点位置见图 5。
单位为 mm
图 5 凹坑深度测量基准点位置
e) 根据要求确定冲击头直径。
f) 确定冲击能量。评价和比较材料的损伤阻抗特性的冲击能力，推荐冲击能量与厚度比为
6.67J/mm。其他能量可根据设计要求来确定。
g) 根据规定的冲击能量，调配落锤质量，计算落锤下落高度，并调节冲击装置释放机构的高度。
h) 连接速度测量装置，使其为工作状态。
8.2 试样安装
试样安装应满足如下要求：
a) 将试样放入支持夹具中，贴模面向上，用 4 个试样固定夹子将试样固定;
b) 移动支持夹具使试样冲击点与冲击装置导向管中心对中，保证冲击头能够冲击在试样规定的冲击点处。
8.3 冲击试验
冲击试验应满足如下要求：
a) 将落锤置于冲击装置的导向管中;
b) 速度测量装置处于启动状态;
c) 按动释放机构开关，落锤下落，对试样进行一次冲击，同时启动防二次冲击装置，以防止二次冲击，如果没有防二次冲击装置，在落锤离开试样向上反弹时，在落锤和试样之间插进一个刚性材料;
d) 将落锤离开试样复位，打开试样固定夹子，取出试样;
e) 根据速度测量装置的数值，计算冲击能量;
f) 试样冲击试验完成后用无损检测技术确定冲击引起的损伤范围。
8.4 凹坑深度测量
将落锤离开试样复位，打开试样固定夹子，取出试样，立即测量凹坑的深度，精确到 0.02 mm。凹坑深度测量装置的基座支撑点与试样上的基准点重合。
8.5 凹坑回弹
如果希望得到短期的凹坑回弹信息，在完成试验后按要求对凹坑深度重复测量并记录。每次进行凹坑回弹测量时，凹坑深度测量装置的基座支撑点应与试样上的基准点重合。
8.6 损伤检测
完成试验后需对试样进行损伤检测，采用目视检查并记录试样外观损伤模式，采用无损检测(NDI)确定试样的内部损伤范围，记录损伤面积、损伤宽度、损伤长度和/或损伤最大直径。损伤范围的测量见图 6。
图 6 损伤范围的测量
8.7 损伤模式
损伤试样可能存在不止一种损伤模式，对每个试样应记录观察到的损伤模式，常见的损伤模式见图7。
图 7 通常观察到的面外落锤冲击损伤模式
9 计算
9.1 名义冲击能量
名义冲击能量按公式(1)计算，结果保留 3 位有效数字：
Em = C×hm………………………………………………(1)
式中：
Em ——名义冲击能量，单位为焦耳(J);
C ——冲击能量与厚度比，6.67J/mm;
hm ——名义试样厚度，单位为毫米(mm)。
9.2 冲击能量
冲击能量按公式(2)计算，结果保留 3 位有效数字：
E mv2………………………………………………(2)
式中：
E ——冲击能量，单位为焦耳(J);
m ——落锤冲击头的质量，单位为千克(kg);
v ——速度，单位为米每秒(m/s)。
9.3 统计
对于每一组试验，按 GB/T 1446 的规定计算算术平均值、标准差和离散系数。
10 试验报告
试验报告一般包括下列内容：
a) 试验项目名称、执行标准和方法。
b) 试验人员、试验时间和地点。
c) 试样来源及制备情况，材料(包括复合材料、紧固件和垫板)品种及规格。
d) 试样铺层形式、编号、形状和尺寸、外观质量及数量。
e) 试验温度、相对湿度、试样状态调节参数和结果。
f) 试验设备及仪器的型号、规格及计量情况。
g) 与本标准的不同之处，试验时出现的异常情况。
h) 试验数据，包括：
1) 冲击头的直径;
2) 落锤冲击头的总质量;
3) 名义冲击能量;
4) 实际冲击能量;
5) 凹坑深度;
6) 每个试样观察到的损伤模式;
7) 无损检测试验的结果，包括冲击前后使用的方法、规范、检测参数和操作人员。
