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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

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ASTM D6671 Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites


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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

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.

3.2.2 Crack sliding mode (Mode II)– 박리면이 박리성장방향으로 서로 미끄러지며 상대적 균열면 열림이

발생하지 않는 파손Mode.

3.2.3 Mixed-mode fracture toughness, Gc [M/T2]- 혼합Mode에서 박리성장에 대한 Strain energy release rate, G의

임계값.

3.2.4 Mixed-mode ratio, GI/GII [nd] - Mode II Strain energy release rate에 대한 Mode I Strain energy release rate

비율.

3.2.5 Mode mixture, GII/G [nd]- 총 Strain energy release rate에 대한 Mode II의 비율로 Mixed-mode ratio, GI/ GII

는 Mode mixture 대신 언급.

3.2.6 Mode I Strain energy release rate, GI [M/T2]- 일정변위 하에서 박리길이 미소증가, da에 대한 시편 폭

단위당 Mode I Strain 에너지 손실.

3.2.7 Mode II Strain energy release rate, GII [M/T2] - 일정변위 박리성장에서 박리길이 미소증가, da에 대한 시편

폭 단위당 Mode II Strain 에너지 손실

3.2.8 Strain energy release rate, G [M/T2]- 일정변위 하에서 박리길이 미소증가, da에 대한 시편 폭 단위당

에너지 손실, dU로서 수식은 아래와 같다.






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

2]

GII/G = mode mixture Gc = total Mixed-mode fracture toughness, kJ/m

2 [in.-lbf/ in

2]

Gcest

= 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






균일두께의 일 방향 Laminate 복합시편으로 구성. MMB시편 박리부분의 끝 부분에 부착된 Tab에 박리하중이

가해지며 비 박리부분의 시편을 지지하는 Roller를 통하여 전달.

MMB 장치바닥은 MMB Lever가 시편을 Mixed-mode Bending 동안 시편을 고정. 베이스는 시편 하단Tab에

부착되며 Roller 옆쪽 끝에 있는 시편에 부착. Lever가 상단 Tab에 부착되고 베이스 Roller와 Tab사이 중간에

시편을 지지. Lever roller는 받침역할을 하므로 Tab 반대쪽의 Lever arm을 아래로 내리면 Tab이 당겨진다.

Lever arm 길이, C는 Tab을 당기는 하중과 Roller를 지나는 하중의 비율을 변경하여 시험 Mode 혼합을 변경.

Mixed-mode Bending이 진행되는 동안 수직으로 유지되도록 Mixed-mode Bending을 Lever에 가한다.

Lever 회전으로 인한 비선형 효과를 줄이기 위해, Lever높이가 시편(1, 2)에 부착되는 Pivot 포인트보다 약간

높도록 Lever를 Insert.

4.2 적용하중 대 개방변위의 기록은 저장되고 사후처리. 층간 파괴인성, Gc 및 Mode mixture GII/G는 하중 변위

곡선에서 측정한 임계하중으로부터 계산.

5. 유의사항 및 사용

5.1 박리에 대한 민감성은 많은 첨단 Laminated 복합구조물의 주요약점 중 하나로 복합재료의 층간

파괴저항에 대한 지식은 제품개발 및 재료선택에 유용. 박리는 넓은 범위의 Mode mixture에 의한 하중에 의해

영향을 받고 확장되기 때문에, 여러 Mode mixture에서 복합인성을 측정하는 것이 중요. 파괴인성이 Mode

mixture (그림 3 참조) 함수로 그려지는 인성은 이러한 재료로 만들어진 복합구조물의 파손 허용분석에

사용되는 파괴기준 설정에 유용.

5.2이 시험방법은 다음과 같은 목적으로 사용.

5.2.1 다양한 복합재료에서의 Fiber 복합재료의 표면처리, Fiber 부피비율의 국소변동, 가공 및 환경변수의 Gc에

대한 영향을 정량적으로 확립

5.2.2 구성성분이 다른 복합재료에 대한 Gc 대 Mode mixture의 정량적 비교

5.2.3 Composite 내구성 및 내구성 분석을 위한 박리파손 기준개발

5.3 이 방법은 다음과 같은 박리인성 결정에 사용

5.3.1 Delamination Initiation - 박리 개시의 두 가지 값을 기록: (1) 하중 - 변위곡선(NL)의 직선으로부터

벗어나는 지점 (2) Compliance가 5 % 증가하거나 하중이 최대값(5%/Max)에 도달하는 점(그림 4 참조).

Delamination개시정의는 해당 임계지점에서의 하중으로부터 계산된 자체 Gc 및 GII/G 값과 관련.

5 %/Max Gc 값은 일반적으로 세 가지 Gc 값 중 가장 반복성이 양호. 그러나 NL 값은 보다 보수적이며

Propagation 값을 수집하는 옵션이 취해지면 (5.3.2 참조), 박리가 시각적으로 관찰되어 시편 가장자리에서

성장하는 시점에서 세 번째 개시인성이 보고되는 VIS 포인트는 종종 NL과 5%/Max 사이에 존재.

5.3.2 Propagation 옵션 - MMB 시험에서 박리는 시험되는 Mode mixture에 따라 안정적이거나 불안정한

방식으로 Insert에서 진전. 옵션으로 박리가 안정적으로 증가할 때 Propagation인성 측정이 가능하나 불안정한

방식으로 성장 시는 Propagation 인성측정 불가. Propagation 인성은 0도 유형시편(3-5)의 인공물인 Fiber

bridging에 의해 영향을 받으며 흔히 인공적인 것으로 분류되기 때문에 Propagation 값은 보고될 때 명확하게

표시. Propagation값의 용도는 박리 Insert의 문제점을 확인하는 것으로 일반적으로 층간 박리인성은 박리가

진행되고 Bridging이 전개됨에 따라 개시인성에서 상승.

박리가 증가함에 따라 인성감소는 불량 박리 Insert가 원인으로 수지 덩어리가 Insert 끝에서 형성되는






방식으로 너무 두껍거나 변형. 정확한 개시인성을 위해 적절하게 삽입되고 검사된 박리 Insert가 중요(8.2

참조).

5.3.3 예비균열 인성 - 드문 경우이지만 박리가 진행됨에 따라 인성이 감소가능 (5.3.2 참조). 이 경우 박리는

8.2의 Insert 권고사항을 만족하는지 검사. 감소하는 인성이 열악한 Insert 때문이 아니라는 것이 확인되면,

예비균열을 선택사항으로 고려. Pre-cracking을 사용하면 Mode I, Mode II 또는 혼합 Mode에서 Insert로부터

박리가 먼저 확장. 시편은 인성측정을 위해 원하는 Mode mixture에서 재 설치.

6. 문제점

6.1 이 시험방법에서 사용된 Gc계산은 선형 탄성거동을 가정하며 이 가정은 박리 전선에서의 파손영역 또는

비선형 Strain 영역이 시편치수(일반적으로 MMB시험의 시편두께)에 비해 작을 때 유효.

6.2 다른 재료, Lay up 및 구조에 대한 적용은 D5528에 설명된 것과 동일.

6.3 인성의 비선형 (NL) 개시인성은 보수적이지만, 몇몇 재료는 특히 높은 Mode II에서 낮은 Propagation

인성을 나타내며 박리성장은 종종 불안정하여 Propagation 인성결정을 방해. 이러한 재료에서의 개시인성은

위험부담이 있는 예측을 초래. 보다 긴 초기박리의 사용은 안정한 박리성장의 경향을 증가.

7. 장치

7.1 Mixed-mode bending fixture는 그림5와 같이 Lever를 사용하여 MMB시편을 Mixed-mode Bending.

Lever 끝에 적용된 하중을 사용하여 Mode II를 측정하는 시편중심에 하향하중을 가하고, Mode I을 측정하는

Laminate 분리부분 끝에 상 방향의 하중이 부가. MMB 장치의 예는 부록 X2와 같지만, 필요기능을 수행하는

다른 설계도 가능. MMB 장치 Span 절반길이, L (그림 2 참조)은 50 mm [2 in]

비선형 효과를 작게 유지하기 위해 하중높이 (그림1과 같이 Lever를 시편에 부착하는 Hinge 지점 위의 Load

point의 높이)는 0.3 L로 하중은 장치와 같이 수직으로 유지하며 하중을 부가.

Lever 및 시편에 가해지는 하중은 최소한의 마찰로 미끄러지며 그림에서 이는 Roller 베어링을 사용하지만

유사방법도 허용.






7.2 시험 - 0.5 ~ 5.0 mm/min [0.02 ~ 0.20 “/min] 일정 변위속도로 보정된 시험기를 사용하며 시험기는 E4의

요구사항을 만족하며 MMB 장치의 Insert Yoke에 부착할 수 있는 Clevis와 MMB 장치의 받침대를 놓을 수

있는 Anvil을 부착.

7.3 하중 표시기 - 하중 감지장치는 하중을 표시하며 시험속도에서 관성지연이 없으며, 측정값의 ± 1 % 이내의

정확도가 필요.

7.4 Load Point Displacement Indicator - 하중 프레임의 Crosshead 변위 또는 MMB 장치에 부착된 외부

Gage에서 측정하며 Crosshead 변위가 Load point 변위의 측정으로 사용되는 경우, 하중 System과 MMB

장치의 Compliance를 포함하는 하중 System의 Compliance, Csys를 보정. 하중 System의 Compliance는 시험

중(11.5 참조) 사용되는 Lever길이, C에서 측정하며 Compliance를 수정하기 위한 시편 모듈 공식에 사용.

7.4.1 Load point 변위는 그림 1에 나타낸 Linearly variable displacement transducer (LVDT)와 같은 MMB 장치에

부착된 교정된 외부 Gage 또는 Transducer로부터 측정. 측정값의 ± 1 % 이내의 정확도가 필요하며 Load point

변위를 외부 Gage 또는 Transducer에서 측정한 경우 시편 모듈 수식 (식 10)에서 Csys 값을 0으로 설정.

7.5 하중 대 Load point 변위 기록 - 하중적용 시 하중 대 변위를 기록

7.6 광학현미경 (Propagation 옵션에만 해당) - 70배 이하의 이동 광학현미경 또는 이와 동등한 확대장치를

시편의 한쪽 면에 설치. 이 장치는 최소한 ± 0.5 mm [± 0.02 in]의 정확도로 박리전단을 측정하며 거울은 시편

양면의 시각적인 불일치 확인에 사용. 박리길이가 위에 명시된 정확도로 측정된다면 박리길이를 측정을 위해

시편 가장자리에 부착한 균열길이 Gage와 같은 다른 방법도 사용가능.

7.7 Micrometer는 Laminate 뒷면과 같이 불규칙한 표면에서는 적절한 직경의 Ball interface를 사용.

정확도는 시편길이와 두께의 1% 이내 측정에 적합하며 일반적인 시편형상의 경우 ± 25μm [± 0.001 in]의

정확도를 갖는 계측기기가 길이측정에 적당.

8. Sample채취 및 시편

8.1 시험 Laminate 판은 짝수 Ply로, 일 방향이며 0 ° 방향으로 층 분리 성장 발생.

8.2 Laminate 중간 면에 비 점착성 Insert을 삽입하여 박리 개시지점을 형성(그림 6 및 7 참조)하며 Film두께는

13μm [0.0005 “] 이하로 시편은 예비균열 하지 않는다. Pre-cracking을 하지 않음으로써, Fiber Bridge가 없는

개시인성을 얻을 수 있다(5.3.2 참조) D5528 (6)의 Round robin시험의 DCB 시편 중 알루미늄 호일 Insert에서

관찰된 것처럼 Insert 절단 끝에서 Folding 또는 Clamping 문제를 피하기 위해 Insert에 Polymer Film을 권장.

상대적으로 낮은 온도인 177°C (350°F) 이하에서 경화되는 Epoxy Matrix Composite의 경우 PTFE으로 만든

얇은 Film을 권장. 177°C (350°F) 이상의 비교적 높은 온도에서 제조되는 Polyimide, Bismaleimide 또는

열가소성 Matrix가 있는 복합재료의 경우 얇은 Polyimide Film 사용을 권장.

표준범위를 벗어나는 재료의 경우, 다른 Film 재료가 필요. Polyimide Film을 사용하는 경우 Laminate에 Film을

Insert하기 전 Film에 페인트 또는 분무제를 분사(경고 - 실리콘을 포함하는 이형제는 개별 층을 통과하여






Laminate 오염이 가능하므로 Film을 최소 한 번 이상 코팅한 다음 Baking 한 후 복합체 위에 Film을 놓으면

복합체 내에서 실리콘 이동방지)

8.3 시편치수

8.3.1 그림6~ 7과 같이 시편 전체길이는 중요하지 않지만 약 137mm. 시편 폭은 20 ~ 25 mm [0.8 ~ 1.0 in].

NOTE 2 – Round robin 시험결과는 D5528과 같은 광범위한 시험방법으로 비슷한 결과.

MMB시편이 비슷하기 때문에 MMB시편 폭은 중요한 변수로 사용되지 않는다.

8.3.2 그림6~ 7과 같이 Panel로부터 시편을 절단. Insert 길이는 약 50 mm [2 in]로 초기 박리길이 약 25 mm [1”]

Tab을 적용하는데 필요한 추가길이를 더한 길이. Insert 끝은 시편절단 전 Panel에 정확하게 표시.

8.4 Laminate 두께는 3 ~ 5 mm [0.12 ~ 0.2 in]로 두께차이는 0.1 mm [0.004 in] 미만. 시편두께는 큰 적용변위 및

13.2에서 설명한 비선형 오차를 피하기 위해 증가가 필요하며 식2~ 3은 허용변위를 얻기 위해 시편두께

결정에 사용.






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.

8.7.2 기계적으로 부착된 Tab - Tab이 Gage 영역(7)에서 하중이 시편 폭에 걸쳐 균일하게 전달되도록 Tab 부착.

Clamping은 폭에 걸쳐 시편을 굽히는 방법은 사용 불가

9. 교정

9.1 모든 측정장비는 정확도를 위하여 교정.

10. Conditioning

10.1 표준 Conditioning 절차 - D5229 절차 C에 따른 Conditioning.

다른 환경을 명시하지 않는 한 23 ± 3°C [73 ± 5°F] 및 50 ± 10 % 상대습도에 시편보관 및 시험.

10.2 건조 - 건조상태에서 Laminate에 대해 층간 파단강성 Data가 필요한 경우 D5229 절차D 사용.

NOTE 3 - D5229의 "수분"이라는 용어는 액체 및 응축 물의 증기뿐만 아니라 액체침지 포함

10.3 Conditioning 과정이 분명하지 않으면 시편 Conditioning 과정은 " unconditioned", 수분함량은






"unknown"으로 기록.

11. 절차

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.

11.8 시편을 변위제어로 연속적으로 Mixed-mode Bending 시험. Crosshead (또는 Servo 유압 램) 변위속도

0.5mm/min [0.02”/min]로 시편에 하중을 가하고 그림 4와 같이 하중 대 변위 추적을 기록.

11.9 (Propagation 옵션만 해당) - 양쪽 가장자리 Insert 끝에 있는 박리전단을 관찰.

박리가 Insert의 끝에서부터 증가할 때 하중 대 개방 변위의 Plot에서 VIS 위치를 표시(그림 4).

11.3에 설명된 것처럼 시편에 배치된 각 표식에서 박리가 증가함에 따라 하중 변위 Plot에 추가 표시.






11.10 박리가 충분히 진행되어 하중이 감소하기 시작하면 (박리가 마지막 표시를 지나거나 a = L -3h

균열길이까지 진행되었을 때 Propagation옵션을 위해) 하중을 줄이고 시험기 정지.

하중 및 변위는 Unmixed-mode Bending Cycle을 포함하여 시험을 기록.

Unmixed-mode Bending 은 보다 신속하게 수행

11.11 (Propagation 옵션만 해당) - 시편 모서리에 부착한 균열성장 Gage와 같은 박리성장을 측정하기 위한

대체방법이 사용되는 경우 위에 명시된 원리, 정확도 및 확대에 따라 Data를 수집.

11.12 시험완료 후, MMB장치에서 시편을 꺼내어 박리길이가 연장되도록 벌린 후 시편의 절반을 취하여 Tab의

Mixed-mode Bending pin 중앙에서 박리 Insert까지 측정. 전체에 걸쳐 세 군데 위치에서 ±0.25 mm [0.01 in]

정확도로 측정하고 평균을 최초 박리길이 ao로 기록.

박리 Insert에 찢김, 주름 또는 불규칙한 모양이 있는 경우(즉, 박리가 시작된 곳에서 Insert가 직선 및

평행하지 않은 경우) 기록에서 제외.

11.13 박리표면에 순간적인 박리전단 성장을 나타내는 라인이 있는지 검사하여 시편표면에 존재한다면, 표식은

박리가 박리 Insert로부터 균일하게 성장함을 의미. 시편 두 옆면 성장라인에서 박리 Insert까지의 거리가 2mm

[1/16 인치] 이상 차이가 나면 불균일한 성장으로 간주하여 시험결과를 폐기.

11.14 (Propagation 옵션만 해당) - Hinge pin 중앙에서 박리Propagation을 추적하기 위해 시편 옆면의 각

마크까지 거리측정.

11.15 하중 변위곡선을 취하여 하중 변위곡선의 초기부분 기울기를 표시하고(그림 4), 하중곡선의 처음

20 %에서 발생할 수 있는 초기 비선형성을 무시. 이 표시된 선의 기울기를 결정하고 이를 m으로 기록.

Mixed-mode Bending curve에서 표시된 기울기 선이 벗어나는 점을 결정하고 이 점을 비선형 점 NL로 표시.

무 하중에서 첫 번째 표시된 선과 5 %만큼 기울어진 두 번째 선을 표시. 두 번째로 표시된 선이 Mixed-mode

Bending커브와 교차점을 측정하여 최대점보다 먼저 발생하면 교차점을 5%/Max로 표시하고, 그렇지 않으면

최대하중 점을 5 %/Max로 표시.

11.16 시험결과 해석 - 여러 Gc 값은 하중 - 변위 도표로부터 결정.

11.16.1 Deviation from Linearity (NL)- 표시된 NL점을 사용하여 Gc를 계산할 때 이 지점 (9)에서 시편내부

Insert에서 박리가 시작을 의미(9). NL 값은 Gc 하한값을 표시. 취성 Matrix 복합체의 경우, 이는 전형적으로

박리가 Insert로부터 성장하는 것이 시편 모서리에서 관찰되는 점과 동일. 그러나 강인한 복합재료의 경우

Unmixed-mode Bending curve가 선형일지라도 비선형 거동영역이 시편 모서리에서 박리 시작점을 시각적으로

관찰하기 전에 선행.

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.

13.2 기하학적 비선형 오차 확인 - 파괴인성 계산은 시편의 선형 탄성거동을 가정.

적용변위가 너무 커지면 이 가정은 위반되며 기하학적 비선형으로 인해 심각한 파손이 발생.






이 기하학적 비선형 오차는 적용변위가 δMax

(2)보다 작으면 5 % 이하로 추정

𝛿

Max = maximum allowable applied displacement, mm [in.].

적용하중은 매우 강인한 재료 및 특히 얇은 시편을 사용할 때를 제외하고는 δMax

아래로 유지.

적용변위가 δMax보다 커지면 허용되는 파괴인성 계산이 불가.

적용변위가 δMax보다 큰 경우 8.4 식을 사용하여 문제를 피하기 위한 시편 재설계 가능.

박리길이에 따라 적용변위가 증가하므로, 박리길이가 δMax보다 커지지 않고 인성이 계산되는 가장 긴 값에

도달할 수 있도록 시편크기를 결정.

13.3 파괴인성, Gc 및 Mode mixture, GII/G- 파괴인성 및 Mode mixture는 다음 식을 사용하여 계산.

이 식은 유한 요소결과(13)와 잘 일치하는 것으로 보이는 박리전단에서의 Laminate 회전에 대한 박리길이

보정(10-12)에 의존.

GI = mode I component of Strain energy release rate, kJ/m

2 [in.-lbf⁄in.

2]

GII = mode II component of Strain energy release rate, kJ/m2 [in.-lbf⁄in.

2 ]

G = total Mixed-mode Strain energy release rate, kJ/m2 [in.-lbf⁄in.

2]

박리성장과 관련된 임계하중 Conditioning이 식12-15에서 사용되는 경우, 모든 하중 Conditioning에 대해 Strain

energy release rate 및 Mode mixture 계산가능. Strain energy release rate는 파괴인성과 동일.

Pc = either Pnl, P5%max, or Pvis , N [lbf] ao = initial delamination length, mm [in.] a1-25 = propagation delamination lengths, mm [in.]

초기 박리길이, ao는 박리된 시편의 면에서 측정되며, Propagation 박리길이 a1-25는 박리가 진행됨에 따라

확인된 하중과 변위와 연관된 시편 가장자리의 표시로 측정.

13.3.1 Lever 중량보정 - Lever 및 Mixed-mode Bending 장치는 알루미늄과 같은 경량소재로 제작.

인성이 낮은 재료 시험 시 Lever무게가 MMB시편에 상당한 하중을 가할 수 있으므로 측정인성에 영향.

이것은 Lever 및 부착된 Mixed-mode Bending 장치(Pg)의 무게가 Mixed-mode Bending 하중 (P)의 3 %를

초과할 때 보정이 필요하며 다음 식을 사용하여 Lever 중량을 정확하게 계산가능.

cg는 그림1과 같이 무게중심에서 중앙 Roller까지의 거리(cg는 Lever 하중위치와 함께 변경)

시험에서 Lever중량에 대한 보정이 필요한 경우 모든 시험에 대해 보정.

Lever중량에 대한 보정을 추가하는 것은 주어진 Mode mixture에 대한 Lever길이가 식 5에 의한 예측에서

벗어나는 원인이며 임계하중이 추정될 수 있으면, Lever길이는 식 19로 설정.

13.4 통계- 시험에 대해 결정된 각 물성에 대한 평균값, 표준편차 및 변동계수(백분율)를 계산.






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

따라서 MMB 시험 Bias 결정 불가

16. Keywords 16.1 composite materials; delamination; interlaminar fracture toughness; Mixed-mode bending; Mode I–Mode II

부록 (필수정보)

X1. MMB Data Sheet

X2. 실시 예 MMB 장치의 도면

X3.1 하부 Roller Holder와 Hinge Clamp를 베이스에 부착하여 Span 길이 2L을 원하는 값으로 설정(Span

길이는 Roller 중심과 Hinge Clamp의 Hinge pin 중심 사이의 Transverse 거리)

Roller 축이 Hinge Clamp 축과 평행한지 확인(부록 X2그림 참조)

X3.2 Hinge pin 중심과 Roller 중심 사이 측면거리가 X3.1에 설정된 Span 길이의 절반이 되도록 상부 Roller

Holder와 상부 Hinge Clamp를 Lever에 장착하며 Roller 중심선이 Hinge Clamp의 축에 평행하고 양쪽이

Lever의 길이 방향 축에 수직이 필수.

X3.3 상단 Roller와 Saddle Roller 중심선 사이의 Lever 선을 따라 길이가 원하는 Lever길이, c와 같도록

Saddle을 Lever에 부착. Saddle Roller 베어링 중심선과 상부 Roller의 중심선이 서로 평행.

두 개의 수직선이 Lever길이에 수직이 되도록 확인.

X3.4 하부 Hinge Clamp에서 Hinge를 조이는 동안 시편을 하부 Roller에 대고 시편을 바닥에 설치.

Hinge는 시편길이 방향 축이 베이스의 상단평면에 평행하도록 Hinge Clamp에 충분히 Insert.

X3.5 상부 Hinge Clamp의 Hinge를 조이면서 상부 Roller를 시편에 접촉하고 Lever 부착.






Hinge는 Hinge Clamp에 충분히 Insert되어 Lever 아래쪽 평면이 시편의 세로 축과 평행.

X3.6 MMB 장치를 받침대에 넣고 베이스를 기기 바닥 판에 단단히 조여 Saddle 베어링 축이 Mixed-mode

Bending축과 평행(MMB 장치의 배치는 여러 번 조정해야 하기 때문에 MMB베이스 측면에 직선 모서리를

배치하는 것이 편리. 직선 모서리가 Platen에 고정되면 Saddle 축을 유지.

MMB 장치위치에 대한 다른 조정이 이루어지는 동안 Yoke를 평행하게 하중 부가).

X3.7 Mixed-mode Bending Yoke를 Roller 베어링 중 하나에 닿을 때까지 Saddle 위로 하강. 반대쪽 베어링과

Yoke사이의 간격을 확인하려면 0.05 mm [0.002 “] 정도의 Feeler Gage를 사용. Gap이 Feeler Gage가 Gap을

통해 자유롭게 미끄러지도록 충분히 큰 경우, MMB 장치는 하중 프레임과 충분히 정렬되지 않는 상태.

X3.8 MMB Fixture가 잘 정렬되어 있지 않은 경우 하중 프레임에서 Fixture를 제거하고 MMB 장치의 받침대와

받침대 사이의 Fixture 한쪽 면에 Shim을 놓고 다시 설치. X3.6의 Feeler gauge가 더 이상 간격을 통과하지

못할 때까지 Shim 두께 조정.

X3.9 종종 Hinge에 약간의 간극이 생겨 Lever/Saddle assembly가 좌우로 흔들릴 수 있으며 Lever assembly를

이 운동의 중심에 놓고 Yoke가 Saddle 위의 양쪽에 간격을 두고 있는지 확인.

Saddle 중심선은 Yoke 중심선에서 0.1inch 이내에 위치(Lever의 세로축을 따라)

X3.10 Mode mixture가 바뀔 때마다 X3.3 - X3.9를 반복하는 각 시편에 대해 X3.4 - X3.9를 반복.






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