www.randb.co.kr, [email protected]ASTM D6671/D6671M − 13 Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites R&B Inc. 편집자 주 ▪ 본 한글 본은 R&B Inc. 내부재료로 일부 용어는 표준용어가 아닐 수 있고 해석이 자의적일 수 있음을 고지합니다 ▪ 전문용어는 이해가 쉬운 경우 원래 영어단어 사용을 원칙으로 합니다. ▪ 일부 회사가 자신들의 재료처럼 가공하여 사용하는 경우가 있어 아래와 같이 법적 책임을 밝혀둡니다. ▪ 본 재료는 R&B Inc. 지적재산권으로 무단사용 시 민/형사상의 책임이 따를 수 있습니다.
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ASTM D6671/D6671M − 13 Standard Test Method for Mixed ......ASTM D6671/D6671M − 13 Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional
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ASTM D6671/D6671M − 13 Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites
R&B Inc.
편집자 주
▪ 본 한글 본은 R&B Inc. 내부재료로 일부 용어는 표준용어가 아닐 수 있고 해석이 자의적일 수 있음을 고지합니다
▪ 전문용어는 이해가 쉬운 경우 원래 영어단어 사용을 원칙으로 합니다.
▪ 일부 회사가 자신들의 재료처럼 가공하여 사용하는 경우가 있어 아래와 같이 법적 책임을 밝혀둡니다.
▪ 본 재료는 R&B Inc. 지적재산권으로 무단사용 시 민/형사상의 책임이 따를 수 있습니다.
ASTM D6671/D6671M − 13 Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites
1. 범위
1.1 MMB (Mixed-mode Bending) 시험을 사용하여 다양한 ModeI, Mode II Mixed-mode Bending 비율로 연속
Fiber 보강 복합재료의 층간 파괴인성(Gc)을 측정하는 방법을 설명.
1.2 탄소 Fiber Tape Laminate로 이루어진 단단한 고분자 Matrix로 구성된 복합재료에 사용하는 것으로 제한.
이 시험방법은 박리 Insert에서 시작되는 파괴인성 측정으로 더 제한되며 이 제한된 범위는 Round robin
시험에서 얻은 경험을 반영. 이 시험방법은 다른 유형의 인성 및 다른 종류의 복합재료에 사용가능하나
문제점을 내포하며(6 절 참조) 유리 Fiber 복합재료와 접착 Joint 인성시험에도 적합
1.3 SI Unit 또는 Inch-pound Unit로 표시된 값은 별도로 표준으로 사용된다.
각 system에 명시된 값은 정확히 일치하지 않으며 각 System은 서로 독립적으로 사용.
두 system의 값을 결합하면 표준과 일치하지 않을 수 있다.
1.4 안전문제를 다루지 않으며 사용자의 책임.
2. Referenced Documents 2.1 ASTM Standards
D883 Terminology Relating to Plastics D2651 Guide for Preparation of Metal Surfaces forAdhesive Bonding D2734 Test Methods forVoid Content of Reinforced Plastics D3171 Test Methods for Constituent Content of Composite Materials D3878 Terminology for Composite Materials D5229/D5229M Test Method for MoistureAbsorption Properties and Equilibrium Conditioning of Polymer Matrix
Composite Materials D5528 Test Method for ModeI Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix
Composites E4 Practices for Force Verification of Testing Machines E6 Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing E122 Practice for Calculating Sample Size to Estimate, With Specified Precision, the Average for a Characteristic
of a Lot or Process E177 Practice for Use of the Terms Precision and Bias in ASTM Test Methods E456 Terminology Relating to Quality and Statistics
3. 용어
3.1 D3878은 High modulus fibers 및 그 복합체관련 용어정의. D883은 플라스틱관련 용어정의, E6은 기계적
시험관련 용어정의, E456과 E177은 통계관련 용어정의. 용어 간 상충하는 경우 D3878이 우선.
NOTE 1 - 용어가 물리량을 나타내는 경우, 분석치수는 ASTM 표준기호를 사용하여 기본치수 형식의 용어
(또는 문자기호) 뒤에 대괄호 안에 표시. [M] 질량, [L] 길이, [T] 시간, [u] 열역학 온도, [nd] 무 차원 수량을 의미.
이 기호는 대괄호와 함께 사용할 때 분석치수로 제한되며 대괄호 없이 사용할 때 다른 정의를 표시가능.
3.2이 표준에 특정조항의 정의
3.2.1 Crack opening mode (Mode I)– 박리면이 서로 멀어지며 상대적 균열면 미끄럼이 발생하지 않는 파손Mode.
a = delamination length, mm [in.] b = width of specimen, mm [in.] G = total Strain energy release rate, kJ/m
2 [in.-lbf/in.
2]
U = total elastic strain energy in the test specimen, N-mm [in.-lbf]
3.3 기호
a = delamination length, mm [in.] ao = initial delamination length, mm [in.] a1-25 = propagation delamination lengths, mm [in.] b = width of specimen, mm [in.] bcal = width of calibration specimen, mm [in.] c = lever length of the MMB test apparatus, mm [in.] cg = lever length to center of gravity, mm [in.] C = compliance, δ/P, mm/N [in./lbf] Ccal = calibration specimen compliance, δ/P, mm/N [in./lbf] Csys = system compliance, δ/P, mm/N [in./lbf] CV = coefficient of variation, % E11 = longitudinal modulus of elasticity measured in tension, MPa [psi] E22 = transverse modulus of elasticity, MPa [psi] Ecal = modulus of calibration bar, MPa [psi] E1f = modulus of elasticity in the fiber direction measured in flexure, MPa [psi] G = total Strain energy release rate, kJ/m
2 [in.-lbf/in.
2]
G13 = shear modulus out of plane, MPa [psi] G12 = shear modulus in plane, MPa [psi] GI = opening (Mode I) component of Strain energy release rate, kJ/m
2 [in.-lbf⁄in
2]
GII = shear (Mode II) component of Strain energy release rate, kJ/m2 [in.-lbf⁄in
= estimated value of total Mixed-mode fracture toughness, kJ/m2 [in.-lbf⁄in
2]
h = half thickness of test specimen, mm [in.] L = half-span length of the MMB test apparatus, mm [in.] m = slope of the load displacement curve, N/mm [lb/in.] mcal = slope of the load displacement curve from calibration test, N/mm [lbf/in.] P = applied load, N [lbf] P5 % ⁄max = critical load at 5 %⁄max point of Mixed-mode Bending curve, N [lbf] Pest = estimated value of critical load, N [lbf] Pg = weight of lever and attach apparatus, N [lbf] Pnl = critical load at nonlinear point of Mixed-mode Bending curve, N [lbf] Ptab = expected load on the Mixed-mode Bending tab, N [lbf] Pvis = critical load when delamination is observed to grow, N [lbf] SD = standard deviation t = thickness of calibration bar, mm [in.] U = strain energy, N-mm [in.-lbf] V = fiber volume fraction, % α = mode mixture transformation parameter for setting lever length β = non-dimensional crack length correction for mode mixture χ = crack length correction parameter,
δ = load point deflection, mm [in.] δ
est = estimated load point deflection, mm [in.]
δmax
= maximum allowable load point of deflection, mm [in.] Γ = transverse modulus correction parameter
4. 시험방법 요약
4.1 그림1에 나타낸 Mixed-mode Bending (MMB) 시험장치는 Mode I에서 Mode II Mixed-mode Bending의 다양한
비율에서 박리 파괴인성을 결정하기 위해 분할 Laminate 시편을 Mixed-mode Bending에 사용.
그림2에 도시된 복합시험 시편은 박리 Initiator 역할을 하는 Mid plane에 비 점착성 Insert를 함유하는 사각의
a = delamination length, mm [in.] b = width of specimen, mm [in.] c = lever length of the MMB test apparatus, mm [in.] E11 = longitudinal modulus of elasticity measured in tension, MPa [psi] E22 = transverse modulus of elasticity, MPa [psi] G13 = shear modulus out of plane, MPa [psi] Gc
est = estimated value of total Mixed-mode fracture toughness, kJ/m
2 [in.-lbf⁄in.
2]
h = half thickness of test specimen, mm [in.] L = half-span length of the MMB test apparatus, mm [in.], Pest = estimated value of critical load, N [lbf] x = crack length correction parameter
𝛿
est = estimated load point of deflection, mm [in.]
Γ = transverse modulus correction parameter
8.5 Void 함량과 Fiber 량 보고 권장. Void 함량은 D2734의 식을 사용하여 결정.
Fiber 체적비율은 D3171에 따라 Digestion 공정을 사용하여 결정.
8.6 Sampling - 적은 수의 시편을 사용하여 유효한 결과를 얻을 수 없는 한, 시험조건당 최소 5개 시편 시험.
통계자료의 경우, E122에 요약된 절차를 참고하고 Sampling 방법을 기록.
8.7 하중부가 - 하중은 Tab을 통해 부가하며 그림6 ~ 7같이 피아노 Hinge 또는 End block으로 제조.
Tab은 Load line에서부터 Insert 끝까지 측정된 초기 박리길이가 0.45L <a <L -3h가 되도록 적용.
Tab은 시편 폭(20 ~ 25 mm [0.8 ~ 1.0“])과 동일하며 60,000 MPa보다 큰 탄성계수를 가진 금속으로 만들며
하중을 견딜 수 있어 파손되지 않아야 한다. Tab은 접착 결합되거나 기계적으로 부착되며 하중 전달영역은
시편보강 효과를 줄이기 위해 박리 끝을 향해 Mixed-mode Bending 축 중심을지나 3 mm [0.1 in] 이상
연장되어서는 안 된다. 비선형성을 줄이기 위해 Mixed-mode Bending 축 중심은 시편다리 중앙 면의 4 mm
[0.15 in] 이내이며 MMB 시험에서 Tab의 하중 추정치는 다음 공식을 사용하여 Modulus E11 및 인성, Gc의
추정된 값으로부터 계산.
Ptab = expected load on the Mixed-mode Bending tab, N [lbf].
8.7.1 접착 Tab - 시험 중 시편에서 Tab이 분리되지 않고 하중전달을 위해 접착 전 Tab과 시편표면을 세척.
본드가 떨어질 때 박리시작 증거나 재시험 시 증가된 Compliance 관찰증거가 있는 경우 시편 재사용 불가
8.7.1.1 시편 표면처리 - 시편표면을 가볍게 Grit blasting 또는 사포로 닦은 다음 아세톤이나 Methylethylketone
(MEK)과 같은 휘발성 Solvent로 닦아서 오염제거.
8.7.1.2 Mixed-mode Bending Tab의 표면처리 - 8.7.1.1에서와 같이 세척. 이 절차로 인해 시편과 Tab사이
접착불량이 발생하는 경우 탈지 및 화학부식을 기반으로 한 정교한 세척절차 적용.
Tab에 사용되는 특정금속에 적합한 표면처리 절차는 D2651 참조.
8.7.1.3 접착 - 시편과 Tab 접착은 표면처리 직후에 수행. 상온 경화 접착제를 권장하며 Cyanoacrylate와 같은
"superglue"로 충분. Tab을 Insert 한 후 시편을 말리면 접착제가 보완.
Bond line두께를 제어하기 위해 유리 Bead를 접착제에 추가하거나 필요 시 다른 형태의 Bond line 조절을 사용.
Mixed-mode Bending Tab은 시편과 서로 평행하게 정렬하고 접착제가 경화되는 동안 Clamp로 고정.
11.1 시편 폭과 두께를 중간과 양끝 25 mm [1 in]위치에서 0.025 mm [0.001 in]까지 측정.
시편길이에 따른 두께변화는 0.1 mm [0.004 in] 미만. 폭과 두께측정 평균값을 기록.
11.2 (Propagation 옵션에만 해당) - 박리 Insert 끝을 표시. 시편을 열어 Insert 끝 부분을 찾으려고 하면 안되며
시편 가장자리 또는 Panel 원래 표시에서 Insert 끝 부분 확인이 어려울 경우 다음 과정을 적용.
(1) Insert 근처에서 시편의 가장자리를 부드러운 연필로 문지른다
(2) 시편 가장자리를 연마.
11.3 (Propagation 옵션만 해당) – 박리시작을 보기 위하여 수용성 타자기 수정액 또는 유사한 얇은 층으로
Insert 바로 앞쪽 시편양면 가장자리를 코팅하고 양쪽 가장자리의 Insert 끝에 얇은 수직선을 표시하며 Insert
끝을 지나 처음 5mm [1/4 인치]는 1mm [1 / 16in]마다, 이후는 25mm [1”]까지 5mm [1/4 인치]마다 표시.
11.4 MMB 장치의 Lever길이, c를 설정하여 원하는 Mode mixture GII/G를 계산.
다음 식은 올바른 Lever길이 제공(8).
11.5 Crosshead 변위를 Load point 변위에 사용하고 Mixed-mode Bending system의 Compliance가 현재
Lever길이 설정에 대해 결정되지 않은 경우 Mixed-mode Bending system의 Compliance, Csys를 측정.
11.5.1 MMB시편 대신 MMB 장치에 교정시편을 사용. 교정시편은 알려진 계수 값을 가진 균일한 재료의
Rectangular bar를 사용하며 MMB시편과 유사하게 한쪽 끝에 Tab이 붙어 있어야 하며, 최소 I = 450 mm4
[0.001“4]인 Steel bar 강성이 필요. 다음 식을 사용하여 교정시편의 Compliance 계산.
bcal = width of calibration specimen, mm [in.] Ccal = compliance of calibration specimen, δ/P, mm/N [in./ lbf] Ecal = modulus of the calibration bar (published value), MPa [psi] t = thickness of the calibration specimen, mm [in.].
11.5.2 보정시편이 Insert 된 MMB장치에 하중을 가하고 하중 - 변위거동을 기록하며 박리시험을 위해 식3의
예상하중의 약 75 %로 교정시편을 시험.
식3에 대한 입력은 교정시편이 아닌 시험시편에 대한 것으로 박리길이는 초기 박리길이(ao)
11.5.3 하중곡선의 기울기, mcal을 측정. 다음 식을 사용하여 MMB시험 System의 Compliance를 계산.
mcal = slope of calibration curve, P/δ, N/mm [lbf/in.] Csys = system compliance, δ/P, mm/N [in./lbf].
MMB Mixed-mode Bending system의 Compliance는 사용할 Lever길이 c의 각 설정에서 결정
11.6 MMB시편을 장치에 장착하여 시편 반대편에 접촉이 이루어질 때 시편 한쪽 면에 0.05 mm [0.002 in]
간격이 남지 않도록 시편을 중앙에 배치하고 정렬. 시편과 접촉하는 Roller와 Lever를 위해 만들어진 접촉부분
모두에 적용(부록 X2에 제공된 예제 MMB장치에 대한 정렬절차는 부록 X3참조)
11.7 (Propagation 옵션만 해당) - 박리성장을 관찰할 수 있는 위치에 광학현미경 (7.6 참조) 또는 동등한
확대장치를 설정. 이 장치는 최소한 ±0.5 mm [± 0.02 in]의 정확도로 박리전단을 측정.
11.16.2 5 % Offset / 최대하중(5%/Max) - 표시된 5%/Max를 사용하여 Gc를 계산하면 일반적으로 가장 재현
가능한 값을 측정하지만 이 값도 일반적으로 높기 때문에 보수적이지 않다.
11.16.3 육안관찰 (VIS) (Propagation 옵션만 해당) - 표시된 VIS 포인트를 사용하여 Gc를 계산하면 박리가
7.6에서 설명한 현미경을 이용하여 관찰된 첫 번째 지점의 인성을 제공하며 일반적으로 NL과 5%/Max 값
사이의 중간 값.
11.16.4 Propagation (Propagation 옵션만 해당) - 박리가 증가함에 따라 측정된 하중과 변위 및 균열길이로부터
계산된 Gc 값은 종종 Fiber Bridging 결과로 인위적으로 높지만 (5.3.2 참조) Propagation 값이 떨어지면 불량
박리 Insert의 표시가능. 높은 Mode II 영역에서, 얇은 Insert 경우에도 일부 재료는 Insert 값보다 Propagation
값이 낮다. Bridging은 높은 Mode II 영역에서 파괴인성을 높이는데 효과적일 것으로 예상되지 않으므로
Propagation 인성은 때때로Mixed-mode Bending 에 대해 보다 보수적
12. 검증
12.1 인성은 박리성장 이외의 다른 방법으로 파괴된 시편(예: 시편변수를 구성하지 않는 한 명백한 결함에서의
파단)은 계산에서 제외 후 재시험
13. 계산
13.1 Bending Modulus, E1f - Laminate 강성은 파괴인성 및 Mode mixture의 후속 계산에 사용.
E1f = modulus of elasticity in the fiber direction measured in flexure, MPa [psi] ao = initial delamination length, mm [in.] m = slope of the load displacement curve, N/mm [lbf/in.]
E1f 및 후속 G계산은 E11, E22 및 G13의 약한 함수이기 때문에 재료에 대한 공개 값을 사용.
위의 식은 일방향 복합재료에 대한 In plane 전단계수(G12)와 같을 수 있는 평면 외 전단계수 (G13)를 요구.
𝑥= sample mean (average) Sn-1 = sample standard deviation CV = sample coefficient of variation, in percent n = number of specimens xi = measured or derived property.
14. 보고서
14.1 Data Sheet - 권장 Data 보고Sheet는 부록 X1참조. 보고서에는 다음 정보가 포함.
(재료 세부사항 또는 Panel 제조변수와 같이 주어진 실험실의 통제를 벗어난 항목에 대한 보고는 의뢰인 책임)
14.1.1 재료 - Prepreg제조업체, 재료, 제조공정, Fiber부피 분율 및 Void 함유량을 포함하여 시험재료의 정보.
Fiber 체적비율 및 Void비율 결정에 사용되는 방법. Transverse 및 Longitudinal modulus.
14.1.2 시편 Data - 각 시편의 평균 공칭두께와 폭 및 Beam 길이, 유형 및 Insert 두께의 최대 두께차이.
14.1.3 Test Setup - Mixed-mode Bending system의 유형. Mixed-mode Bending system의 Compliance, Csys, Lever
arm 길이, c 및 반 Span 길이, L.
14.1.4 시험절차 - 건조절차, 상대습도, 시험온도 및 Mixed-mode Bending rate.
14.2 시험결과
14.2.1 하중, 변위 및 임계점을 나타내는 하중 - 변위 곡선: 비선형성 첫 번째 편차(NL), 5 % Offset (5 %) 및
최대하중(Propagation 옵션을 사용하여 기록된 곡선은 시각적 시작점 (VIS)과 박리가 시편 모서리의 각 마크를
지나서 증가하는 지점 (1-25)을 표시).
하중제거 시 하중이 0으로 돌아가지 않으면 Beam arm에 파손유발 추정. Data 축소 Sheet에 기록.
14.2.2 기울기, m, 각 임계점과 관련된 하중 및 박리길이를 포함한 측정결과.
14.2.3 각 임계점에 대한 보정계수, Γ 및 χ, 굽힘 하중계수, E1f, Inertia Moment, I 및 인성 값, Gc 및 GII/G를
포함한 계산결과.
14.3 시편 수와 평균, 표준편차 및 Gc 및 GII/G에서의 분산계수(표준편차를 평균으로 나눈 값)를 포함한
시험의 요약 보고서.
14.4 여러 Mode mixture을 시험할 경우 그림3과 같이 결과를 나타내며 Gc는 Mode mixture GII/G에 대해 Plot.
15. 정밀도와 Bias
15.1 정밀도 – 정밀도 계산에 필요한 Data 사용이 불가
15.2 Bias - 복합 Laminate 판의 혼합 Mode 층간 파괴인성을 결정하기 위한 다른 표준 시험방법이 없으며
REFERENCES (1) Reeder, J. R. and Crews, J. H. J., “Redesign of the Mixed-mode Bending Delamination Test to Reduce Nonlinear
Effects,” Journal of Composites Technology and Research, Vol 14, 1992, pp. 12-19. (2) Reeder, J. R., “A Criterion to Control Nonlinear Error in the Mixed-mode Bending Test,”
Composite Materials: Testing and Design, Fourteenth Volume, ASTM STP 1436 , C. E. Bakis, Ed., ASTM International, W. Conshohocken, PA, 2003.
(3) de Charentenay, F. X., J. M. Harry, Prel,Y. J., and Benzeggagh, M. L., “Characterizing the Effect of Delamination Defect by Mode I DelaminationTest,” The Effect of Defects in Composite Materials, ASTM STP 836, D. J. Wilkins, Ed., American Society for Testing and Materials, 1984, pp. 84-103.
(4) Russell, A. J., “Factors Affecting the Opening Mode Delamination of Graphite Epoxy Laminates,” Defense Research Establishment Pacific, Victoria, BC, Canada, 1982.
(5) Johnson, W. S. and Mangalgari, P. D., “Investigation of Fiber Bridging in Double Cantilever Beam Specimens,” Journal of Composite Technology and Research, Vol 9, 1987, pp. 10-13.
(6) Smiley, A. J. and Pipes, R. B., “Rate Effects on Mode I Interlaminar Fracture Toughness in Composite Materials,” Journal of Composite Materials, Vol 21, 1987, pp. 670-687.
(7) Brandt, F., “New Load Introduction Concept for Improved and Simplified Delamination Beam Testing,” Experimental Techniques, Vol 22, 1998, pp. 17-20.
(8) Blanco, N., Turon, A., Costa, J., “An Exact Solution for the Determination of the Mode Mixture in Mixed-mode Bending Delamination Test,” submitted for publication consideration to Composite Science and Technology, 1992.
(9) de Kalbermatten, T., Jaggi, R., Flueler, P., Kausch, H. H., and Davies, P., “Microfocus Radiography Studies During Mode I Interlaminar Fracture Tests on Composites,” Journal of Materials Science Letters, Vol 11, 1992, pp. 543-546.
(10) Williams, J. G., “The Fracture Mechanics of Delamination Tests,” Journal of Strain Analysis, Vol. 24, 1989, pp. 207-214.
(11) Wang, Y. and Williams, J. G., “Corrections for Mode II Fracture Toughness Specimens of Composite Materials,” Composites Science and Technology, Vol 43, 1992.
(12) Kinloch, A. J. and Wang, Y., “The Mixed-mode Delamination of Fibre-Composite Materials,” Composites Science and Technology, 1992 .
(13) Bhashyan, S. and Davidson, B. D., “Evaluation of Data Reduction Methods for the Mixed-mode Bending Test,” AIAA Journal, Vol 35, 1997, pp. 546-552.