ASTM D7137-23 冲击后压缩试验 —— 防屈曲夹具与关键参数控制

1. 试验原理

ASTM D7137的核心原理是：将已引入可控冲击损伤的矩形复合板装入专用防屈曲夹具，在压缩加载条件下测定残余压缩强度。夹具用于抑制试样在压缩加载过程中的整体屈曲和局部屈曲，确保失效发生在损伤区域内部而非夹持端。标准采用一块扁平的矩形复合板，该复合板之前曾遭受过破坏事件，并使用稳定夹具在压缩载荷下进行测试-1。

2. 防屈曲夹具结构与技术要求

防屈曲夹具是该标准测试有效性的关键设备。标准规定夹具须满足以下要求：

• 侧向支撑：夹具须在试样两侧（宽面方向）提供足够的侧向支撑，防止试样在压缩加载过程中整体屈曲

• 滑配间隙：侧向支撑板与试样表面之间的间隙须满足滑配要求（即试样在夹具中可沿加载方向自由滑动，但无可见的横向晃动）。一般设计间隙为0.1 mm～0.25 mm（0.004 in～0.010 in），视试样厚度公差而定

• 开口窗口：夹具侧板须在试样冲击损伤区域对应的位置开设观察窗口，以便在加载过程中观察损伤演化

• 材料硬度：夹具侧板与试样接触的表面硬度建议不低于HRC 50，以减少摩擦和侧板磨损对试验结果的影响

• 对中机构：夹具的加载端与试样端部之间应设置对中垫块，保证试样垂直受压。压缩残余性能测试采用样品侧向压缩方式，为保证样品垂直度，采用专用测试夹具-7

注：防屈曲夹具的间隙选择是关键参数。间隙过大会导致试样在压缩过程中侧向约束不足，发生整体屈曲，失效模式畸变；间隙过小会引入额外摩擦，导致测得的失效载荷偏高。

3. 加载速率与终止条件

• 压缩加载速率：1.25 mm/min ± 0.5 mm/min（0.05 in/min ± 0.02 in/min）。试验机应采用位移控制模式-10

• 终止条件：当压缩载荷从峰值下降至最大载荷的30% 时终止试验，以避免破坏模式畸变，而非加载至试样完全压溃。终止后须检查试样失效模式的有效性-10

• 测试过程中须连续记录力-位移曲线，以及（若配置应变片）应力-应变曲线

4. 对中与装夹要求

试样装夹须保证垂直受压，避免压缩过程中出现试样弯曲是保证测试有效的关键-7。具体要求包括：

• 端部对齐：试样的上下端面须与夹具加载端面完全接触，端面不平行度宜控制在0.05 mm以内

• 侧向对中：试样放置于夹具中时，损伤区域应位于夹具观察窗口的中央位置，偏离中心不超过±1.0 mm

• 弯曲监控：如采用双面应变片方案，可实时监控背对背弯曲百分比，确保加载过程中不发生屈曲，从而获得准确的压缩剩余强度-

• 端部接触方式：加载端与试样端部可采用粘接加强片或直接接触方式，但须在报告中注明

5. 应变测量方法

标准允许采用以下应变测量方案：

• 单面应变片：在试样背面（非冲击面）或冲击损伤区域外贴上单轴应变片，测量压缩应变，用于计算有效压缩模量。但该方案无法消除弯曲效应

• 双面应变片（推荐） ：在试样两个相对的宽面（正面和背面）对称位置粘贴应变片，采用背对背信号平均方法消除试样弯曲对模量测量的影响。该方法可提供更准确的有效压缩模量-7

• 应变片标称电阻宜为120Ω±0.5%，应变片中心应位于试样宽度中心线上

• 应变数据采集频率宜与力值采集同步，以精确计算压缩模量

6. 环境条件

• 标准环境：温度23±2℃，相对湿度<60% （或50%±10%）。ASTM D7137/D7137M规定测试温度为23±2℃，湿度<60%-10

• 如试样的冲击损伤引入与压缩测试不在同一天完成，须在压缩测试前额外在标准环境中调节至少2小时（若温差或湿度差异超过允许范围）

• 如需模拟高温或低温服役环境，须使用环境箱，温度波动控制在±2℃以内

7. 记录的关键测试参数

报告须记载：防屈曲夹具的制造材料、侧板与试样之间间隙（mm）、滑配合格性验证方法、夹具观察窗口尺寸、加载速率（mm/min）、环境温湿度、终止条件（如30%最大载荷）、应变测量方法（单面/双面/无）、应变片位置与规格等。