ASTM D3039: Zkouška tahem kompozitů
Zkoušky tahem podle ASTM D3039 / ASTM D3039M se používají ke stanovení modulu pružnosti v tahu a Poissonova poměru, jakož i pevnosti v tahu kompozitů. Patří sem jednosměrné (UD) a vícesměrné (MD) kompozitní lamináty vyztužené nekonečnými vlákny, přičemž MD lamináty se mohou skládat z jednovrstvých UD laminátů, tkanin nebo jiných struktur textilních vláken. Zkoušejí se také plastové kompozity vyztužené vlákny (FRP) s nespojitými a náhodně rozmístěnými vlákny (např. desky lisovaných kompozitů – SMC).
Běžně aplikované normy pro zkoušky tahem plastů s dlouhými nebo kontinuálními výztužnými vlákny jsou také ISO 527-4 (zkušební podmínky pro izotropní a anizotropní plasty vyztužené vlákny) a ISO 527-5 (zkušební podmínky pro jednosměrné plasty vyztužené vlákny).
Cíl a charakteristické hodnoty Provedení zkoušky a zkušební zařízení Požadavky na zkoušku Vzorky a rozměry Další informace Časté dotazy Ke stažení
Cíl a charakteristické hodnoty zkoušky podle ASTM D3039
Zkoušky tahem kompozitů podle ASTM D3039 se provádějí za účelem určení tahových vlastností v procesu vývoje a schvalování materiálu, pro stanovení charakteristických hodnot, které se používají pro návrh kompozitních konstrukcí a také pro kontrolu kvality.
Bez ohledu na typ vláken výztuže jsou v normách ASTM D3039 stanoveny následující charakteristické výsledky a hodnoty:
- Tahové napětí: síla vztažená k počátečnímu průřezu zkušebního tělesa
- Podélná deformace (prodloužení): změna délky vztažená k počáteční měřené délce ve směru zatěžování
- Příčná deformace: Změna šířky (zúžení): příčná změna je vztažená k počáteční měřené šířce kolmo na směr zatěžování (hodnotí se pouze k určení Poissonova poměru)
- Modul pružnosti v tahu: gradient křivky napětí / deformace ve stanovené oblasti elastické deformace. Modul pružnosti bývá někdy nazýván Youngův modul
- Pevnost v tahu: maximální hodnota tahového napětí změřená při zkoušce tahem
- Tažnost: podélná deformace při porušení vzorku
- Poissonův poměr: poměr příčné a podélné deformace
U kompozitů vyztužených vlákny s bilineárním chováním v závislosti na napětí a deformaci lze vyhodnotit další charakteristickou hodnotu:
- Přechodová deformace: Střední hodnota podélné deformace v přechodové oblasti. Obvykle se určuje z křivky podélného napětí a deformace
Obě normy ASTM D3039 a ISO 527-4/ISO 527-5 definují podmínky pro zkoušku tahem kompozitů. Navzdory podobnosti zkušebních metod nejsou stanovené charakteristické hodnoty plně srovnatelné, protože tvary a rozměry vzorků i stanovení charakteristických hodnot se v některých ohledech liší (např. deformační interval pro modul pružnosti v tahu a přechodovou deformaci).
Pro zjednodušení provádění zkoušek lze použít programy testXpert, které jsou obsahují konfiguraci a definování parametrů podle požadavků ASTM D3039.
Upínací čelisti a přípravek pro seřízení k zajištění spolehlivých výsledků zkoušek podle ASTM D3039
Před provedením zkoušky tahem podle ASTM D3039 se dané zkušební těleso vloží do upínacích přípravků statického zkušebního stroje. Doporučuje se pravidelně kontrolovat správné seřízení upínacích čelistí podle ASTM E1012. Pro akreditované zkušební laboratoře NADCAP v leteckém a kosmickém průmyslu je doklad o seřízení povinný.
Tento požadavek bez problémů splní mechanické nebo hydraulické čelisti s přesahujícími vložkami. Pokud není vyžadován doklad o seřízení, je možné používat i samostředící se klínové šroubovací čelisti.
Modulární zkušební systémy pro kompozitní materiály
Velké zkušební laboratoře s vysokým počtem prováděných zkoušek používají pro jednotlivé zkušební metody několik různých zkušebních strojů, aby minimalizovaly čas a náklady spojené s přestavbou. Jednotlivé zkušební stroje lze přizpůsobit podle rozsahu síly pro různé typy zkoušek. Pokud není dostatečně vysoká a trvalá produktivita, aby měla investice do více zkušebních strojů smysl, je alternativní možností vybavit jeden zkušební stroj tak, aby bylo možné provést co nejvíce zkušebních metod s co nejmenšími nároky na přestavbu.
Společnost ZwickRoell vyvinula systém pro zkoušení kompozitů, který je k dispozici jak pro 100 kN, tak 250 kN verzi. Oba pokrývají 21 zkušebních metod a přibližně 120 zkušebních norem (ISO, EN, ASTM a také Airbus AITM a Boeing BSS). Umožňují komplexní charakterizaci kompozitů vyztužených vlákny při teplotě okolí nebo pro zkoušky při nízkých nebo vysokých teplotách od -80 °C do +360 °C.
Zkušební software testXpert: zaručeně spolehlivé výsledky podle ASTM 3039
Díky našemu zkušebnímu softwaru textXpert je možné snadno dosáhnout efektivních zkoušek a spolehlivých výsledků podle normy ASTM D3039:
- Ušetřete čas při práci s normami: Můžete se spolehnout, že náš standardní zkušební program splňuje požadavky normy ASTM D3039. Všechny charakteristické hodnoty a parametry, které jsou specifikovány v normě ASTM D3039, jsou ve zkušebním programu již uloženy.
- Připojením periferních zařízení můžete zvýšit efektivitu práce: Rozměry vzorku lze odesílat z mikrometru přímo do zkušebního softwaru. Tento způsob šetří čas a minimalizuje chyby, které by mohly vzniknout při zadávání.
- Teplotní komora se nechá pohodlně integrovat do zkušebního softwaru: To umožňuje kontrolovat a řídit teplotu v teplotní komoře, nastavit rychlost ohřevu či sledovat hodnoty – a to i zpětně. K dispozici je funkce zpětného dohledání.
Zkušební stroje pro zkoušky podle ASTM D3039
Pro zkoušky tahem podle ASTM D3039 standardních vzorků a pro mnoho dalších normalizovaných zkušebních metod pro plasty vyztužené vlákny často stačí použít zkušební stroj do Fnom. 100 kN. Konfigurace stroje o kapacitě 100 kN (zobrazený vpravo) umožňuje použití mechanických čelistí s přesazením a snadnou změnu různých pracovních profilů a zkušebních přípravků. Vzhledem k tomu, že upínací přípravky lze snadno sundat, je možné celou pracovní plochu zkušebního stroje využít i pro nestandardní zkoušky. Stavěcí nohy umožňují individuální a ergonomické nastavení výšky pracovního prostoru.
Pokud se zkouší výhradně plasty vyztužené skelnými vlákny (GFRP), obvykle postačí statický stroj s maximální silou 50 kN.
Průtahoměry pro měření prodloužení podle ASTM D3039
Pro správné vyhodnocení elastických charakteristik a deformace při přetržení je nutné měřit deformaci přímo na vzorku. Pro měření Youngova modulu a tažnosti při lomu postačí měření podélné deformace. Pro zjišťování Poissonova poměru je zapotřebí biaxiální systém, který umožňuje měřit podélnou i příčnou deformaci. Měření deformace lze provádět tenzometry, manuálními systémy s raménky nebo nasazovacími snímači clip-on, ty nelze použít až do lomu vzorku. Dále jsou k dispozici automatické kontaktní raménkové extenzometry (makroXtens, multiXtens), ale také bezkontaktní optické systémy (videoXtens).
Zkušební podmínky podle ASTM D3039
Rychlost zkoušky
ASTM D3039 uvádí dvě možnosti nastavení zkušební rychlosti.
Jedna z nich je konstantní rychlost deformace 0,01 min-1 (nominální hodnota). Alternativně lze zkoušku provádět při konstantní rychlosti 2 mm/min (jmenovitá hodnota).
- Platné porušení vzorku
Pro dokumentaci lomu zkušebního tělesa udává norma ASTM D3039 kód tří písmen, který jednoznačně definuje způsob porušení a místo upnutého vzorku. Zkouška se považuje za neplatnou, pokud k porušení vzorku dojde v čelistech, v přechodové oblasti nebo ve vzdálenosti rovnající se jedné šířce vzorku od čelistí. Podélně orientované zkušební tyče při zkoušce tahem 0° UD často vykazují vysokoenergetické, explozivní porušení, při kterém se téměř celá volná (neupnutá) část vzorku roztříští. Zkouška s tímto typem porušení je proto obvykle klasifikována jako platná.
Teplotní rozsah
Protože mechanické vlastnosti plastů vyztužených vlákny mohou být do značné míry závislé na teplotě, provádějí se kromě tahových zkoušek při teplotě okolí také zkoušky při nízkých a zvýšených teplotách. Tento zkušební stroj může být vybaven teplotní komorou s pracovním rozsahem od -80 °C do 360 °C.
Vzorky a rozměry podle normy ASTM D3039
| Typ zkušebního tělesa / laminát | Schematický diagram tvaru vzorku (zjednodušený, bez měřítka) | Poznámka k použití krycích proužků |
|---|---|---|
| 0° jednosměrný laminát |  |
|
| 90° jednosměrný laminát |  |
|
| Vícesměrné UD a tkané lamináty, nespojité lamináty vyztužené vlákny s náhodnou orientací vláken (např. SMC) |  | U vícesměrných UD nebo laminátů z tkanin nebo u vzorků z nespojitých laminátů vyztužených vlákny s jejich náhodnou orientací často postačuje pro snížení upínacího efektu použit brusný papír namísto nalepování pásků |
- Lepené, krycí proužky pro snížení upínacího efektu nejsou povinné, ale u laminátů UD se důrazně doporučují, aby se zabránilo neplatnému způsobu porušení (lom v čelistech nebo v jejich blízkosti).
- Jako vhodný materiál se ukázal laminát z plastu vyztuženého skleněnými vlákny (GFRP) s orientací vláken ±45° vůči směru zatížení v tahu.
- Specifikace uvedené v normě ASTM D3039 pro geometrii vzorků příslušných typů laminátů představují doporučení a umožňují porovnávání výsledků mezi laboratořemi. Odchylky v rozměrech vzorků jsou přípustné za předpokladu, že jsou dodržena obecná doporučení pro geometrii stanovená normou.
- Při použití kontaktního nebo bezkontaktního systému měření deformace by se měřená délka L0 měla pohybovat mezi 10 a 50 mm.
Další informace o ASTM D3039
- Podle normy ASTM D3039 lze pro parametry zkoušek a rozměry vzorků používat jak mezinárodní soustavu jednotek (SI), tak imperiální (palce/libry). Je však důležité vyhnout se kombinaci obou systémů jednotek, protože to může vést k neshodě standardních výsledků.
- Pro stanovení tahových vlastností na úrovni jedné vrstvy se vyrábějí vícevrstvé kompozity, u nichž je každá jednotlivá vrstva orientována stejným způsobem. To platí zejména pro lamináty UD 0° nebo 90°. V případě odpovídajícím způsobem orientovaných vícevrstvých tkaných kompozitů se hodnoty mechanických charakteristik uvádějí také ve směru osnovy a útku.
- Kromě zkoušek tahem pro vývoj a hodnocení a kontroly kvality se charakteristické hodnoty stanovené na úrovni jedné vrstvy používají také při navrhování kompozitních konstrukcí pro analytické výpočtové metody. Pomocí klasické teorie laminátů lze například elastické vlastnosti vícesměrného vícevrstvého kompozitu vypočítat z charakteristických hodnot jednotlivých vrstev. Hodnoty pevnosti na úrovni jedné vrstvy se používají mimo jiné pro výpočet kritérií porušení, jako je maximální napětí, Hashin, Puck nebo LaRC.
- Poněvadž mechanické vlastnosti vícevrstvého kompozitu závisí na orientaci jednotlivých vrstev, má každý vícevrstvý kompozit s různou orientací jednotlivých vrstev odlišné výsledky zkoušky tahem. Mechanické materiálové vlastnosti plastů vyztužených vlákny se proto projeví až během výrobního procesu laminátu. Na výsledné hodnoty charakteristik má významný vliv samotný výrobní proces. Vliv výrobního procesu na mechanické vlastnosti laminátu vyztuženého vlákny se proto často ověřuje mechanickými zkouškami.
Často kladené dotazy ke zkoušení kompozitů podle ASTM D3039
ASTM D638 je standardní zkušební metoda pro stanovení tahových vlastností nevyztužených a vyztužených plastů na vzorcích s hlavami. Pokud jsou pro vyztužení použita kontinuální nebo nekontinuální vlákna s modulem pružnosti > 20 GPa, odkazuje norma ASTM D638 na standardní zkušební metodu ASTM D3039 pro stanovení tahových vlastností kompozitů s polymerní matricí. Podle ASTM D3039 se používají obdélníkové vzorky. Zejména při zkouškách tahem plastů vyztužených uhlíkovými nebo skelnými vlákny (CFRP, GFRP) s nekonečnými vlákny se dosahuje výrazně vyšších zkušebních sil ve srovnání s tahovými zkouškami nevyztužených nebo krátkými vlákny vyztužených plastů, což vyžaduje použití vhodného zkušebního stroje.
ASTM D3039 je standardní zkušební metoda pro stanovení tahových vlastností plastů vyztužených vlákny. Výztužná vlákna s vysokým modulem mohou být kontinuální nebo diskontinuální a náhodně orientovaná. Doporučené rozměry obdélníkových vzorků podle ASTM D3039 závisí na typu zkoušeného kompozitního laminátu (např. jednosměrný 0°, jednosměrný 90°, vícesměrný nebo náhodně nespojitý).
Tloušťka vzorku podle ASTM D3039 závisí na typu laminátu, u něhož se mají tahové vlastnosti vyhodnotit. ASTM D3039 doporučuje tloušťku vzorku 1 mm pro jednosměrné (UD) zkoušky pro úhel 0° a 2 mm pro UD zkoušky v tahu pod úhlem 90°. U vícesměrných laminátů nebo laminátů s náhodnou orientací diskontinuálních vláken je doporučená tloušťka 2,5 mm. Pro vzorky jsou rovněž uvedena odpovídající doporučení, pokud jde o celkovou délku, šířku, délku a tloušťku krycího pásku.