ASTM D7078/D7078M − 12 Shear Properties of Composite … · 2018. 7. 2. · ASTM D7078/D7078M–12 Shear Properties of Composite Materials by V-Notched Rail Shear Method , [email protected]

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ASTM D7078/D7078M − 12 Shear Properties of Composite Materials by V-Notched Rail Shear Method

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ASTM D7078/D7078M–12 Shear Properties of Composite Materials by V-Notched Rail Shear Method

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ASTM D7078/D7078M − 12 Shear Properties of Composite Materials by V-Notched Rail Shear Method 1. Scope

1.1 본 구격은 두 쌍의 Loading rail 사이의 V-notched 시편 끝을 고정하여 High-modulus fiber-reinforced

composite 재료의 전단특성을 결정하는데 사용하며 Rails은 시편표면을 통하여 전단응력을 시편에 전달한다.

이에 비하여 ASTM D5379/ D5379M에 사용하는 시편은 상하면을 통하여 하중이 가해진다. Face loading은 높은

전단력을 가할 수 있으며 추가적으로 D5379/D5379M보다 큰 시편에 사용 가능.

양 시험방법 모두 V-notched 시편에서 Grip 근처의 전단응력에 비하여 Gage section에서의 shear stresses를

증가시켜 Notch 없는 시편에서보다 전단응력이 균일하고 Gage section 내에서 파손된다.

이에 비하여 ASTM D4255/D4255M는 인장응력이 가해지는 두 쌍의 Load rail을 Un-notched 시편에 사용되며 시

편에 Hole 가공이 필요 없다. Composite소재는 아래의 경우 Continuous-fiber 또는 Discontinuous-fiber-reinforced

composites 로의 사용이 제한된다.

1.1.1 Fixture rails과 수평 또는 수직인 Fiber 방향을 가지는 일방향 복합재

1.1.2 Fixture rails에 대하여 수평 또는 수직방향에 대하여 0°방향으로 대칭인 복합재

1.1.3 직조한 복합재

1.1.4 불규칙적으로 첨가된 Short-fiber-reinforced 복합재

1.2 SI units 및 Inch-pound units 양쪽을 상호 복합적으로 사용하는 경우는 문제가 발생하므로 독립적으로 사용.

1.3 안전에 관련된 사항은 거론되지 않음

2. Referenced Documents 2.1 ASTM Standards: D792 Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement D883 Terminology Relating to Plastics D2584 Test Method for Ignition Loss of Cured Reinforced Resins D2734 Test Methods for Void Content of Reinforced Plastics D3171 Test Methods for Constituent Content of Composite Materials D3878 Terminology for Composite Materials D4255/D4255M Test Method for In-Plane Shear Properties of Polymer Matrix Composite Materials

by the Rail Shear Method D5229/D5229M Test Method for Moisture Absorption Properties and Equilibrium Conditioning

of Polymer Matrix Composite Materials D5379/D5379M Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method D6856 Guide for Testing Fabric-Reinforced ―Textile‖ Composite Materials E4 Practices for Force Verification of Testing Machines E6 Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing E111 Test Method for Young’s Modulus, Tangent Modulus, 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 E251 Test Methods for Performance Characteristics of Metallic Bonded Resistance Strain Gauges E456 Terminology Relating to Quality and Statistics E1237 Guide for Installing Bonded Resistance Strain Gages E1309 Guide for Identification of Fiber-Reinforced Polymer-Matrix Composite Materials in Databases E1434 Guide for Recording Mechanical Test Data of Fiber- Reinforced Composite Materials in Databases 2.2 Other Documents: ANSI Y14.5M-1982 Geometric Dimensioning and Tolerancing ANSI/ASME B 46.1-1985 Surface Texture (Surface Roughness, Waviness, and Lay) 2.3 ASTM Adjuncts: V-Notched Rail Shear Fixture Machining Drawings

3. 용어

3.1 정의—ASTM D3878은 High-modulus fibers 및 그의 Composites에 대한 용어를 정의하며 ASTM D883은

Plastic, ASTM E6는 Mechanical testing 관련, E456 과 E177은 통계처리에 관련된 용어를 정의한다.

불일치한 경우에는 ASTM D3878을 기준으로 사용.

NOTE 1—용어가 물성을 나타내는 경우에는 Analytical dimensions을 [M] for mass, [L] for length, [T] for time, [Θ]

for thermodynamic temperature, [nd] for non-dimensional quantities 같이 표시. 갈호 안의 값은 Analytical

dimensions 으로는 사용 제한.




3.2 각 용어의 정의

3.2.1 In-plane shear, n— 전단응력이나 1-2 Plane에 가해진 변형에 관련한 층상에서의 전단 (Material coordinate

system 참조)

3.2.2 Interlaminar shear, n—1-3 또는 2-3 Plane에 가해진 변형이나 전단응력의 결과로 나타나는 전단 특성.

3.2.3 Material coordinate system, n—그림 1과 같이 재료의 주 방위를 나타내는 Cartesian coordinate system.

FIG. 1 Material Coordinate System

3.2.4 Offset shear strength [M/(LT2)], n – 특정 Strain에서 결정된 Modulus로 평행한 선을 그어 Shear stress 대

Engineering shear strain curve의 교점에서의 전단응력.

3.2.4.1 Discussion—Offset shear strength는 Stress/strain linearity의 한계를 측정하는 것으로 재료의 Offset

strength를 비교할 때는 같은 Offset strain과 동일한 Modulus를 사용. 특별한 경우가 아니면 0.2% Offset 및

Standard chord modulus를 사용하며 Fig. 2 참조하고 설계를 위하여는 다른 조건도 사용.

FIG. 2 Illustration of Modulus and Offset Strength Determination

3.2.5 Shear strength [M/(LT2)], n—순수 전단조건에서 재료가 파괴될 때의 전단응력

3.3 Symbols

A = 시편의 단면적

CV = 통계적인 분산계수(%)




d1 = Notches사이의 폭

d2 = Notch 깊이

Fsu

= Ultimate shear strength in the test direction F

u = Ultimate strength in the test direction

F°(offset) = 정해진 shear strain에서 shear chord modulus of elasticity를 stress-strain curve에 그어 만나는 점에서

의 Shear stress

G = 응력 Modulus

h = 전체Coupon thickness

L = 전체 Coupon length

n =시편 당 Coupons수

P = 하중

Pf = 파단 시 하중

Pmax = 파단까지의 최대 하중

r = Notch radius

Sn-1 = 표준편차

w = 전체 Coupon width

xi = 측정값

�̅� = 평균

γ = Engineering shear strain ε = Strain

σ = 응력

τ = 전단응력

θ = Ply orientation angle

4. 시험방법

4.1 Fig. 3, Fig.4, ASTM Adjunct ADJD7078 등을 참조. Symmetrical centrally located V-notches를 가지는 Flat

rectangle 시편을 2개의 fixture halves에 고정하고 파괴될 때까지 인장.

4.2 Notch가 하중축에 일치하도록 두 개의 Fixture 사이에 장착하고 파괴 될 때까지 하중을 측정하며 시험.

전단 Strain은 하중축에 ±45º 위치에서 측정

4.3 Notches는 Coupon의 중앙부분에서 Notch 없는 경우에 비하여 균일한 Shear strain distribution에 영향을

주며 Notch로 인한 시편 폭의 감소결과에 따라 평균 전단응력이 증가.

5. Significance and Use

5.1 본 Shear test는 재료의 사양, R&D, Quality assurance, Structural design &analysis를 위한 전단특성을

측정하기 위한 시험. 층내 또는 층간 Shear 특성을 방향에 따라 평가하며 다양한 요소가 전단특성에 영향을

주므로 재료, 재료준비방법, Lay-up, Specimen stacking sequence, 시편준비방법, 시편 Conditioning, 시험분위기,

시편 Alignment 및 Gripping, 시험속도, 온도유지시간, Void content, Volume percent reinforcement 등을 기록.

5.2 이방성 재료에서는 6개의 Shear plane에서 원하는 Plane에서의 물성을 구할 수 있으며 (1-2 또는 2-1, 1-3

또는 3-1, 2-3 또는 3-2) 단지 하나의 Shear plane에서의 물성으로 시편을 평가할 수 있다. 물성에는 다음 사항

을 포함.

5.2.1 Shear stress versus engineering shear strain response 5.2.2 Ultimate shear strength 5.2.3 Ultimate engineering shear strain 5.2.4 Shear chord modulus of elasticity




FIG. 3 V-Notched Rail Shear Test Specimen Schematic

FIG. 4 Partially Assembled Fixture with Specimen and Spacer Blocks 6. Interferences

6.1 재료 및 시편준비—Poor material fabrication practices, Lack of control of fiber alignment, Improper specimen

machining이 복합재에서 Data 변동의 주 요인

6.2 Elastic Modulus 측정- Shear modulus 계산은 Notch tips 사이에서 Shear stress 및 Shear strain이 균일하다는

가정에서 시작하며 균일성은 재료의 직교이방성, 하중의 방향, Notch geometry (Notch angle, Notch depth, Notch

radius)에 따른다. Fig. 6의 Fiber 방향에 따라, 정밀한 응력해석에 따르면 [0]n은 Elastic modulus가 너무 높은

반면 (Carbon/ epoxy에서는5-10 % 상승) . [0/90]ns는 비교적 정확한 Elastic modulus를 보여주고 있다.

응력해석의 결과는 25 % ~ 100 %의 ± 45º Plies 재료의 경우 비교적 정밀한 Elastic laminate modulus 측정 가능.

6.3 시편형상—Notch 형상(Notch angle, Notch depth, Notch radius)의 변화는 Notch 사이의 Shear stress 및

Shear strain의 Non-uniformity에 영향을 주지만 아직 완전히 정립되지 않아 하나의 형상만을 사용. Notch angle,




Notch depth, Notch radius의 변경에 따른 영향분석이 가능하다면 Shear stress/shear strain 분포의 균일성

증가를 위하여 변경이 가능하며 이를 기록.

6.4 편심하중—하중을 가하는 동안 비틀림이 일어난 경우가 있는데 이는 탄성 Modulus에 영향을 준다.

비틀림이 일어나는 이유는 시편, Fixture, 설치 등의 문제로서 기인. 각 시편 당 최소 하나의 시편에 Back-to-

back two-element strain gages를 사용하여 비틀림의 정도를 측정하며 0.004 Engineering shear strain에서 각

면의 전단계수 Ga , Gb로 부터 | (Ga – Gb) / (Ga + Gb) | × 100의 값을 구하여 3%이상인 경우에는 원인파악과

수정을 한다. 그러나 원인 불명인 경우 Shear modulus 측정은 Back-to-back two-element strain gages의 평균값

으로 결정.

6.5 파손결정—Fig. 6의 Fiber orientation 참조

6.5.1 [0]n Unidirectional 시편— [0]n Unidirectional specimens은 Shear modulus값이 너무 높게 측정(5-10 % too

high for carbon/epoxy)되어 추천하지 않는다. 일반적으로 [0]n Unidirectional 시편에서는 Notch root에서 Visible

crack이 발생하여 파단 전에 최대 하중보다 5-10% 정도의 하중감소를 나타낸다. 이를 파괴하중으로 간주하지는

않는다.

6.5.2 [90]n Unidirectional 시편— [90]n Unidirectional 시편은 강화 Fiber가 없기 때문에 역시 추천하지 않는다.

6.5.3 [0/90]ns Tape & Fabric 시편—Shear 파단하중은 시험 시 얻을 수 있는 최대하중보다 낮을 수 있다.

이런 판상형상에서는 Fibers가 전단파괴에 따라 연속적으로 주 하중을 감당하게 된다. 이런 경우 Shear failure

force는 하중저하를 나타내는 파손양상이나 하중-변위 곡선의 기울기의 지속적인 증가에 연관하여 결정

될 수 있다.

6.5.4 Tape and Fabric Specimens with at Least 25 % ± 45º Plies—High shear strength rail shear 시편 중 특별히

얇은 경우에는 Buckling이 일어날 수 있으며 Buckling은 10% 정도의 하중에서 시편의 양쪽에 설치된 Strain

gage의 Data로 알 수 있다. Buckling이 일어난 때의 Data는 전단특성으로 사용할 수 없다.

6.5.5 Ply delamination은 또 다른 유형의 파손으로 ±45° plies를 많이 포함하는 Tape & fabric laminates 에서

나타나며 이는 ±45° plies의 압축응력에 대한 불안정성을 반영하며 Inter-laminar stresses의 결과이다.

이런 파손은 Ply delamination에 의한 Strain gage의 차이는 뚜렷하지 않아 Fiber 파단에 대한 Delaminated ply

에 의하여 평가

FIG. 5 Assembled V-Notched Rail Shear Apparatus

FIG. 6 Fiber Orientations in V-Notched Shear Specimen

7. 시험기

7.1 Micrometers and Calipers— 가능한 시편에 손상을 주지 않는 적절한 Model 선정. 정밀도는 시편의 폭과




두께의 1 % 이내이며 두께는 ±2.5 μm [±0.0001 in.] 폭은 ± 25 μm [60.001 in.]의 정밀도

7.2 Torque Wrench—교정된 기기 사용

7.3 Angle Measuring Device—Notch angle 측정용으로 ±1°의 정밀도

7.4 Radius Measuring Device—Notch radius측정용으로 ± 0.25 mm [± 0.01 in.]의 정밀도

7.5 Testing Machine—E4 에 따라 검증된 시험기로 아래 사항을 포함

7.5.1 Testing Machine Heads—Stationary head 및 Movable head를 포함

7.5.2 Drive Mechanism—11.3의 규정을 만족하도록 Moving head를 움직이는 기능

7.5.3 Force Indicator—정밀도 ±1 %

NOTE 2—가능한 정밀한 Load cell을 사용하나 Modulus및 Strength 측정을 서로 다른 하중 Range를 가지는

Load cell을 사용하여 분리하여 측정할 수도 있다.

7.5.4 Fixturing—Fig. 5, ASTM Adjunct ADJD7078 참조. 각각 Side rail 및 Two gripping plates를 가지며 Gripping

surface는 높은 마찰계수를 가지도록 Thermal spray. 각 Gripping plate에는 3개 Bolts가 시편을 고정하며

Optional spacer blocks은 Alignment 조절용으로 Fig. 4 참조

7.5.5 장착—Alignment를 맞추어 장착하며 필요하면 Universal joint 사용.

7.6 Strain Indicating Device—Bonded resistance strain gages를 사용. 최소 2개가 필요하며 시편의 Notch tip

중앙에 Fig. 6처럼 +45°, -45° 방형으로 장착하여 6장에서 언급한 정밀도를 측정

7.6.1 Bonded Resistance Strain Gage Selection—Strain gage 선택은 재료에 따라 결정되며 Active gage length

1.5 mm [0.062 in.]가 일반적. Textile fabric laminates에는 큰 Strain gage sizes가 유리. Strain gage를 +45°, -45°로

장착하면 Gage의 폭은 전단Strain이 균일한 영역 밖으로 나갈 정도로 크면 안 된다 (Note 3참조).

Gage calibration은 ASTM E251에 따르고 Minimum normal strain range는 3 % (Yielding 6 % engineering shear

strain)를 추천. Textile fabric laminates의 경우는 Gage selection에 주의를 요함. Active gage length는 적어도

Fabric 한 단위의 특성을 측정할 수 있도록 커야 하며 Tuttle and Brinson이 일반적인 조건을 제시하였으며

ASTM D6856 참조

NOTE 3—일반적인 Gage는 0.062~0.125-in. Active gage length, 350-Ω resistance, Strain rating 3 % 또는

그 이상 사용.

7.6.1.1 ASTM E1237에 따른 Fiber-reinforced composite 재료의 표면가공은 기지 조직 및 Reinforcing fibers에

부적절한 손상을 초래. Reinforcing fibers는 표면 준비단계에서 노출되거나 손상을 받으면 안 된다.

Strain gage 제작자는 Fiber-reinforced composite 재료에 Strain gage를 붙이기 위한 표면준비 방법 및 접착제

등에 대한 정보를 제공하여야 한다.

7.6.1.2Low-conductivity 재료에서 전류에 따른 발열을 줄이기 위하여 저항값이 높은 Gage를 고려. 350 Ω 이상이

이상적이며 여기 전압 또한 1 ~ 2 V로 낮은 것이 유리. 열은 재료의 특성에도 영향을 주며 Gage의 온도보상

영역 및 열팽창 계수가 시편소재와의 차이로 인하여 Strain에도 영향.

7.6.1.3 표준 실험실 조건에서 실험을 하는 경우에도 온도보상 문제를 고려하여야 하며 상온 조건이 아닌 경우

에는 필히 고려.

7.6.1.4 Strain gage의 횡축 특성도 고려. Strain gage제조사는 복합재에 대한 Transverse sensitivity corrections 및

Effects를 제시.

7.7 Conditioning Chamber— 상온이 아닌 경우 Temperature-vapor-level controlled environmental conditioning

chamber가 요구되며 온도는 ± 3°C [±5°F]이내로 유지하고 Relative vapor level 역시 ±3 %로 조절되며 주기적으

로 측정하고 조절되어야 한다.

7.8 Environmental Test Chamber – 실험실 조건이 아닌 경우 실험 Chamber가 필요하며 시편의 Gage section을

시험 조건으로 유지할 수 있어야 한다.

8. Sampling 및 시편

8.1 Sampling—특별히 검증되지 않은 경우에는 한 조건에서 최소 5개의 시험이 요구되며 ASTM E122 참조하고

Sampling 방법을 기술

NOTE 4—만일 시편이 평형상태까지 도달하는 데에 Conditioning이 요하고 무게 변화의 측정이 적절치 않은

경우(Tabbed mechanical coupon등)에는 같은 두께와 크기를 가지는 Tab이 없는 다른 시편을 사용하여

평형에 도달하는 조건을 결정.

8.2 형상—Special coupon은 Flat rectangle로서 Symmetrical centrally located V-notches를 가지며 너무 얇은

경우는 파괴 전 Buckling이 일어나므로 Laminate는 적어도 1.3 mm [0.050 in.] 두께를 요한다.

±45º plies를 많이 가지는 너무 두꺼운 시편은 전단응력이 Fixture의 Rail clamping 용량을 초과할 수 있다.

강제조항은 8.2.1을 참조하고 그 이외는 8.2.2 참조

8.2.1 시편조건

8.2.1.1 Shape, Dimensions, Tolerances, Configuration—시편의 Shape, Dimensions, Tolerances는 Fig. 7 (SI) 및

Fig. 8 (inch-pound) 참조. 필요하다면 Standard notch angle 90°, Notch depth 12.5 mm [0.50 in.], Notch radius 1.3

mm [0.050 in.]로 수정 가능하나 필히 기록하며 오차는 유지. 6장에서 거론한 바와 같이 [0/90]ns 시편은 정확한

Elastic modulus 및 강도의 낮은 분산에 유리하여 [0]n 또는 [90]n 시편보다 선호.




8.2.2 특별요구사항

8.2.2.1 시편두께—다양한 두께가 가능하나 2 ~ 5 mm [0.080~ 0.200 in.]가 주.

8.3 Material Orientation—Fig. 1의 6개 Shear plane 어느 방향이나 가능하며 Fig. 9에 따라 가공.

NOTE 5—예로 1-2 Plane은 1과 2 Axes에 의하여 형성된 면에 위치하며 따라서 1-Direction (First digit of the

plane)은 시편의 길이 방향 (Fig. 9의 X-direction)

8.3.1 1-2 및 2-1 전단특성—1-2 및 2-1 Planes에서의 재료의 성질은 Laminated composites의 In-plane 특성이다.

[0]n, [90]n, 또는 [0/90]ns laminate로부터 Cutting coupon을 이용하여 이 특성을 평가하기 위하여 시편을 준비하고

0° 방향은 시편의 길이 방향 (X-direction in Fig. 9)이거나 하중 인가 방향이다. 6.2 및 6.5에서 설명하였듯이 [0]n

및 [90]n 일방향 Laminates는 추천하지 않는다.

8.3.2 1-3 및 2-3 전단특성—1-3 및 2-3 Planes은 Laminated composites의 층간 특성이다. 이 특성을 평가하기

위해서는 두꺼운 (56-mm [2.20-in.]) [0]n 또는 [90]n laminate로 부터 시편을 준비한다. 이 두꺼운 Laminate는 몇

가지 방법으로 준비한다. 8.3.2.1 또는 8.3.2.2 과정을 사용. 8.3.2.3 과정은 Bondlines이 결과에 영향을 미침으로

서 앞의 두 공정이 불가능할 경우 사용한다.

8.3.2.1 최종 Panel 두께를 위하여 Laminate를 동시 경화

8.3.2.2 31 mm [1.20 in.]보다 두꺼운 Panel에 붙이거나 Co-bond하여 최종두께 56-mm [2.20-in.] 를 맞춘다.

8.3.2.3 균일한 접착제 층을 이용하여 미리 Curing 된 Laminate를 접착하여 총 두께 56-mm [2.20-in.]를 얻는다.

NOTE 6—Notched section을 가로지르는 Bondline의 수 및 두께를 최소로 하여 결과에 미치는 영향을 최소로

한다. Notched section을 가로지르는 모든 Adhesive bondline의 두께는 Notch사이 Coupon폭의 5 % 이내이어야

한다.

8.3.3 3-1 및 3-2 전단특성—3-1 및 3-2 Planes의 물성은 층간 물성. [0]n 또는 [90]n Laminate로부터 시편준비.

가능한 두꺼운(최소 6mm 이상) 여러 개의 Procured layer를 양쪽에 같은 두께로 붙이거나 동시 경화시켜 시편

을 준비. 총 길이 76mm.

8.4 시편준비

8.4.1 Panel Fabrication—Fiber alignment가 중요. 부적절한 Fiber alignment는 결과에 영향을 주고 분산이 커진다.

준비 방법을 기술.

8.4.2 가공방법—매우 중요. 시편은 Edge effect나 Cutting effect를 방지하기 위하여 Molding하는 경우도 있다.

Plate에서 절단하는 경우에는 Splintering, Chips, Gouges, Undercuts, Rough or uneven surfaces, Delamination

등을 방지. 최종 두께는 Water-lubricated precision sawing, Milling 또는 Grinding 방법을 사용. Diamond tool이

최적. Edges는 평평하고 규정된 오차 내로 가공.

8.4.2.1 Notch Preparation- Notch 만들 때 Delaminating주의. Vise에 물릴 때 Dummy 시편을 사용.

8.4.3 Labeling—구별을 위하여 Labeling

9. Calibration

9.1 모든 측정장비는 교정.

NOTE 1—Interpret Fig. 7 in accordance with ANSI Y14.5M-1982, subject to the following:




(1) All dimensions in millimeters with decimal tolerances as follows: No decimal 0.X 0.XX ±2.5 ±0.75 ±0.25

(2) All angles have a tolerance of ±0.5°. (3) Ply orientation direction tolerance relative to –A- (or to –B-) within ±0.5°. (4) Finish on machined edges not to exceed 1.6 ѵ. Finish on V-notch not to exceed 0.8 ѵ (symbology is in accordance with ANSI/ASME B46.1-1985, with roughness height in micrometers.) (5) Values to be provided for the following, subject to any ranges shown on the field of Fig. 7: material, lay-up, and ply orientation reference relative to –A-, and coupon thickness. FIG. 7 V-Notched Rail Shear Specimen Drawing (SI)

NOTE—Interpret Fig. 8 in accordance with ANSI Y14.5M-1982, subject to the following: (1) All dimensions in inches with decimal tolerances as follows:

0.X 0.XX 0.XXX ±0.1 ±0.03 0.010

(2) All angles have a tolerance of ±0.5°. (3) Ply orientation direction tolerance relative to –A- (or to –B-) within ±0.5°. (4) Finish on machined edges not to exceed 64 ѵ. Finish on V-notch not to exceed 32 ѵ (symbology is in accordance with ANSI/ASME B46.1-1985, with roughness height in μ inch) (5) Values to be provided for the following, subject to any ranges shown on the field of Fig. 8: material, lay-up, and ply orientation reference relative to –A-, and 2.200 coupon thickness. FIG. 8 V-Notched Rail Shear Specimen Drawing (Inch-Pound) notch, d1, to the nearest 25 μm [0.001 in.] and the specimen thickness at the notch, h, to the nearest 2.5 μm [0.0001 in.] 10. Conditioning

10.1 추천하는 사전 시험 조건은 D5229/D5229M에 의하여 습도를 포함하나 정확히 규정되지 않으면

Conditioning 불필요.

10.2 사전 시편 Conditioning 과정은 습도 및 노출시간을 포함하여 시험 Data와 같이 기록

NOTE 7—습도는 ASTM D5229/D5229M에 따르면 기체 및 액체 (Immersion)를 포함.

10.3 특별한 규정이 없다면 Conditioning이 필요 없으며 ―unconditioned‖ 및 습도는 ―unknown.‖으로 표시

11. Procedure

11.1 시험 전 결정할 Parameter

11.1.1 Shear specimen sampling method, Coupon type & geometry, Conditioning travelers (필요 시).

11.1.2 Shear properties, Data reporting format.

NOTE 8—물성, 정밀도, 필요 Data 등은 기기 선정을 위하여 시험 전 결정되어야 한다. Strain gage선정,

기기교정, 기기 Setting 등을 위하여 Stress 및 Strain 역시 예상되어야 한다.

11.1.3 Environmental conditioning test parameters.

11.1.4 Sampling method, Specimen geometry, 밀도와 보강재 부피를 결정한 시험항목

11.2 일반사항

11.2.1본 규격에서 벗어난 사항

11.2.2 Specific gravity, Density, Reinforcement volume, Void volume을 기술한다면 시험 Panel로 부터 시편을 채취.




Specific gravity 및 Density는 ASTM D792방법으로 측정하며 Volume percent of the constituents는 D3171 또는

D2584 Void content는 D2734 및 D2584 참조

11.2.3 Conditioning 후 Notch, d1 사이의 시편 폭을 25 μm [0.001 in.] 두께는 Notch, h에서 2.5 μm [0.0001 in.]

까지 측정하고 기록. 단면적은 아래식으로 계산

A=d1x h (1)

시편의 단면적, A를 기록 mm2 [in

2]. Notch angle, depth, Radius check

11.2.4 시편의 Notch 사이에 Strain gage를 하중 축과 +45°, -45°방향으로 장착

11.3 시험속도—일정 Strain rate로 시험하며 만일 Strain rate control이 안되는 기기라면 하중Control을 이용하여

Strain rate control을 유도. 대략 파단까지 1 ~ 10 분 정도의 속도. 만일 Ultimate strain의 예상이 어려우면 표준

속도로 시험 후 다시 조정. 표준속도는 다음과 같다.

11.3.1 Strain-Controlled Tests—표준 Strain rate는 0.01/ min

FIG. 9 Orientation of Material Planes

11.3.2 Constant Head-Speed Tests—표준속도 2 mm/min [0.05 in./min]

NOTE 9—고정된 Head speed의 시험기를 사용하는 경우에는 원하는 Strain rate 보다 낮다.

11.4 시험환경—시험환경과 동일한 조건에서 Conditioning후 같은 조건에서 시험하고 기록

11.4.1 시편은 Conditioned 환경에 보관

11.5 시편장착 및 Strain Gage 연결

11.5.1 Connect Gages—Strain gages를 Data acquisition circuitry에 연결

NOTE 10—시편을 장착하는 동안 Strain gage output을 측정하여 시편에 원치 않는 하중이 걸리지 않게 한다.

11.5.2 Zero Force—Load-cell 교정 후 영점 조정.

11.5.3 Fixture 검증—Grip area의 마모징후, Clamping bolts, Connecting pins 등을 검사.

Powdered graphite lubricant 및 Oils을 사용.

11.5.4 Loosen Gripping Bolts—각 Grip의 Bolt를 풀어 시편 장착.

11.5.5 First Fixture Half에 시편장착—Spacer block (optional)과 함께 Fixture에 시편을 장착하고Strain gage lead

wires 조정. 단단하게 고정 후 Three clamping bolts를 조정하여 Alignment 조정. 다른 Grip의 Three clamping

bolts를 단단히 고정. Fig. 10 참조. Maximum clamping torque의 1/2로 Bolt를 조이고 마지막으로 원하는 Torque

55 N-m [40 ft-lb] 로 고정.




NOTE 11—필요한 Bolt torque는 재질 및 시편의 두께에 따라 변하며 45 ~ 55 N-m [35 to 40 ft-lb] 정도의

Torque가 일반적인 두께에 적당. Torque가 낮으면 Slip이 발생하고 너무 높으면 응력집중이 일어나 조기 파단이

발생. 따라서Slip이 일어나지 않는 최소한의 Clamping force를 사용하는 것이 중요하며 이는 여러 번의 반복적인

예비실험을 통하여 결정되며 그 폭이 재료에 따라 크게 된다.

11.5.6 Zero Strain Gages—한 쪽 Grip에 시편을 장착하고 Strain gage 출력을 영점으로 잡는다.

11.5.7 Second Fixture Half에 시편장착—시편에 Second fixture half를 위치하고 Two spacer blocks (optional)을

이용하여 적절한 간격을 조절하는데 이때는 Second fixture half에 spacer end blocks을 느슨하게 푼다.

Spacer end blocks을 Fig. 11과 같이 Second fixture half에 단단히 고정한다.

FIG. 10 Use of Spacers for Specimen Alignment

11.6 Fixture 설치—시험기 양단에 설치.

NOTE 12—인장시험으로 수행

11.7 Remove Spacer—Spacer end blocks을 잡아주는 Screw를 제거.

11.8 Loading—정해진 속도로 파단까지 부하하면서 Data 기록.

11.9 Data Recording—Force 대 Strain (또는 Displacement)을 연속적 또는 간헐적으로 기록하며 Sampling rate는

초당 2 ~개로 최소 100개 이상의 Data를 받는다. 만일 변곡점이나 Initial ply failures가 발생하면 그때의 Force,

Strain 및 파단Mode를 기록. 만일 시편이 파단 되면 최대하중, 파단하중, Strain을 기록. 만일 5% Shear strain

내에서 최종 파단이 일어나지 않으면 더 이상 Data를 받지 않는다. 파단하중의 설명은 6장 참조.

11.10 파손 Mode—시편의 형상을 기록하며 가능하면 Fig. 12의 Three-part failure mode code를 사용하여 기록

12. Validation

12.1 명백한 결함에서 시편이 파단 되면 최대 물성은 계산할 수가 없으므로 다시 실험.

12.2 파손의 현저한 부분이 수용할 수 없는 파손 Mode이라면 부하 방법을 고려한 재시험이 필요.

고려 대상은 Fixture alignment, fixture 와 Specimen의 Gap, Specimen thickness taper, Uneven machining 등

13. 계산

13.1 Shear Stress/Ultimate Strength—Eq 2를 사용하여 Ultimate strength를 계산하고 기록. 만일 Shear modulus를

계산한다면 식 3을 이용하여 각 Point에서 Shear stress를 계산.

F

u = P

u/A (2)

τi =Pi/A (3) F

u = ultimate strength, MPa [psi]

Pu = the lower of ultimate or force at 5 % engineering shear strain, N [lbf]

τi = shear stress at ith data point, MPa [psi] Pi = force at ith data point, N [lbf] A = cross-sectional area from 11.2.3, mm

2 [in

2]

13.2 Shear Strain/Ultimate Strain—만일 Shear modulus 나 Ultimate strain의 계산이 가능하다면 Eq 4를 이용하여

각 Data point에서 +45° 및 -45° 의 Normal strain으로부터 Engineering shear strain을 결정. Ultimate engineering

shear strain은 Eq 5으로 계산. Three significant figures로 결과를 기록




FIG. 11 Use of Spacers For Final Fixture Alignment γi = engineering shear strain at ith data point, με ε+45 = + 45° normal strain at ith data point, με ε-45 = –45° normal strain at ith data point, με γ

u = ultimate engineering shear strain, με

13.3 Shear Modulus of Elasticity

NOTE 13—비틀림 영향을 최소화 하기 위하여 양단의 출력을 평균하여 6장에서 논한 방법으로 계산.

13.3.1 Shear Chord Modulus of Elasticity—1500 ~ 2500 με 을 포함하여 4000 ± 200-με 이상의 영역에서 Eq 6를

사용하여 Shear chord modulus of elasticity를 계산. 만일 정확한 Strain range 위치가 어려운 경우에는 가장

근접한 위치를 선정. Shear chord modulus of elasticity 계산에 사용한 Strain range를 기록. Fig. 2 참조

G

chord = shear chord modulus of elasticity, GPa [psi];

Δτ = difference in applied shear stress between the two strain points; and Δγ = difference between the two engineering shear strain points (nominally 4000 με)

13.3.2 Shear Modulus of Elasticity (Other Definitions)— 사용자의 판단에 의하여 Shear Modulus of Elasticity를

다른 정의에 따라 평가하고 기록할 수 있다. 이런 경우 사용된 정의, 사용된 Strain range, Results to three

significant figures를 기록. ASTM E111 참조

NOTE 14—Bilinear stress-strain 거동을 보이는 재료의 경우 Secondary shear chord modulus of elasticity를 사용

13.4 Offset Shear Strength—특정 Shear strain에서 Shear chord modulus of elasticity line을 그어 Stress-strain

curve와 만나는 점에서의 하중으로 Offset shear strength로 결정하고 아래와 같이 표시.

F° (0.2% offset) = 28 MPa (7)

13.5 통계—각 측정값은 Average value, Standard deviation, Coefficient of variation (%)을 계산

�̅� = sample mean (average) sn-1 = sample standard deviation; CV = sample coefficient of variation, %; n = number of specimens; and xi = measured or derived property




FIG. 12 V-Notched Rail Shear Test Failure Codes/Typical Modes 14. Report

14.1 ASTM E1434 및 E1309에 따라 Mechanical testing data 및 Material identification data를 기록

아래 사항을 포함

14.1.1 본 시험방법의 Revision level이나 개정일자

14.1.2 시험일자 및 장소

14.1.3 시험자 이름

14.1.4 시험 시 문제점이나 예외조항

14.1.5 시험재: Material specification, Material type, Material designation, Manufacturer, Manufacturer’s lot 또는

Batch number, Source (if not from manufacturer), Date of certification, Expiration of certification, Filament diameter,

sizing, tow 또는 Yarn filament counts 및 Twist, Yarn spacings, Fabric type, Fiber areal weight, Matrix type, Prepreg

matrix content, Prepreg volatiles content 포함.

14.1.6 Laminate제조공정: Fabrication start date, Fabrication end date, Process specification, Cure cycle,

Consolidation method, 사용기기이름 포함.

14.1.7 Laminate의 적층 Ply orientation

14.1.8 추가로 요구하면 Density, Volume percent reinforcement, Void content test methods, Specimen sampling

method 및 Geometries, Test parameters, Test results를 포함

14.1.9 Ply 평균 두께.

14.1.10 비피괴 시험 결과

14.1.11 Sampling method, Specimen cutting method, Identification of tab geometry, Tab material, Tab 접착방법,

시편준비 방법, 시편표시방법, 시편형상.

14.1.12 Calibration dates 및 Methods

14.1.13 Type of test machine, Alignment results, Data acquisition sampling rate 및 Equipment type

14.1.14 시편의 Dimensions

14.1.15 Conditioning parameters 및 결과, Travelers 및 Traveler geometry, Procedure

14.1.16 Relative humidity, Temperature

14.1.17 Environmental chamber의 환경 및 유지시간




14.1.18 시편수량

14.1.19 시험속도

14.1.20 Strain-gage type, Resistance, Size, Gage factor, Temperature compensation method, Transverse sensitivity,

Leadwire resistance, 사용한 Correction factors.

14.1.21 Force-displacement 및 Stress-strain curves

14.1.22 Tabulated data of stress versus strain

14.1.23 Percent twisting 결과

14.1.24 Individual strengths 및 Average value, Standard deviation, Coefficient of variation (%)

14.1.25 Individual ultimate engineering shear strains 및 Average value, Standard deviation, Coefficient of variation

(%). 5 % Strain 이상에서는 시험을 종료.

14.1.26 Chord shear modulus를 측정하는데 사용하는 Strain gage

14.1.27 다른 Modulus of elasticity를 사용하면 사용방법과 Resulting correlation coefficient, 사용한 Strain range

14.1.28 모집단을 위한 각 Shear chord modulus of elasticity 및 Average value, standard deviation, Coefficient of

variation (%)

14.1.29 Offset strain, Average, Standard deviation, Coefficient of variation (%) 값을 포함한 Offset shear strength

14.1.30 각 시편의 파손 Mode와 위치

15. Precision and Bias

15.1 Precision—관련자료 없음

15.2 Bias—기준이 없어 계산 불능

16. Keywords 16.1 composite materials; in-plane shear; interlaminar shear; shear modulus; shear properties; shear strength;

shear testing REFERENCES (1) Adams, D. O., Moriarty, J. M., Gallegos, A. M., and Adams, D. F.,

―Development and Evaluation of the V-Notched Rail Shear Test for Composite Laminates,‖ FederalAviation Administration Report DOT/ FAA/AR-03/63, FAA Office of Aviation Research, Washington, D.C., September, 2003.

(2) Adams, D. O., Moriarty, J. M., Gallegos, A. M., and Adams, D. F., ―The V-Notched Rail Shear Test,‖ Journal of Composite Materials, 41, 3, February2007, 281–297.

(3) Hussain, A. K. and Adams, D. F., ―The Wyoming-Modified Two-Rail Shear Test Fixture for Composite Materials,‖Journal of Composites Technology and Research, Vol 21, October 1999, pp. 215-223.

(4) Hussain, A. K. and Adams, D. F., ―An Analytical and Experimental Evaluation of the Two-Rail Shear Test for Composite Materials,‖ University of Wyoming Composite Materials Research Group Report UW-CMRG-R-98-105, February 1998.

(5) Tuttle, M. E., and Brinson, H. F., ―Resistance-Foil Strain-Gage Technology as Applied to Composite Materials,‖ Experimental Mechanics, Vol 24, No. 1, March 1984, pp. 54–65; errata noted in Vol 26, No. 2, June 1986, pp. 153–154.