ASTM D6641: Zkouška tlakem s kombinovaným zatížením
Norma ASTM D6641 popisuje standardizovanou zkušební metodu pro stanovení modulu pružnosti či pevnosti a deformace při porušení u vláknového kompozitního laminátu při zatížení tlakem. Zkouška je vhodná pro UD lamináty s úhlem sklonu 0°, 90° nebo vícesměrné lamináty, pro kompozity s tkanou a kladenou střiží nebo pro vláknové kompozity s nespojitými a náhodně rozmístěnými výztužnými vlákny (např. kompozity se sekanými vlákny, SMC).
Při kombinované zatěžovací zkoušce tlakem se normálová složka síly vyvine působením upnutí konců vzorku v čelistech a smyková složka sevřenou částí vzorku. Tato aplikace kombinovaného zatížení je zvláště výhodná pro tlakové zkoušky vláknových kompozitních laminátů s vysokou pevností. Pro dosažení optimálních výsledků je nezbytné dodržet tolerance stanovené normou týkající se rovnoběžnosti čelních ploch vzorku a kolmosti čelních ploch ke směru zatížení.
Norma ASTM D6641 dovoluje použít jak vzorky bez proužků (postup A), tak vzorky s proužky (postup B). Pro více informací doporučujeme prostudovat odstavec týkající se zkušebních vzorků a rozměrů viz níže.
Dalšími často používanými zkušebními normami pro tlakové zkoušky plastů s dlouhými nebo kontinuálními výztužnými vlákny jsou také ASTM D695 nebo EN 2850 metoda B na principu čistě čelního zatížení a ASTM D3410 nebo ISO 14126 metoda 1 na principu čistě smykového zatížení. Další standardizovaný postup zkoušky tlakem s kombinovaným zatížením je popsán v ISO 14126 metoda 2.
Účel zkoušky a charakteristické hodnoty Průběh zkoušky Zkušební přípravek CLC Zkušební stroje Měření deformace Požadavky na provedení zkoušky Vzorky
Cíl a charakteristické hodnoty zkoušky podle ASTM D6641
Zkoušky tlakem kompozitních materiálů podle normy ASTM D6641 se provádí za účelem stanovení mechanických vlastností v tlaku pro vývoj a kvalifikaci materiálů, pro stanovení charakteristických hodnot pro návrh kompozitních struktur i pro oblast kontroly kvality.
Zkouškou tlakem při kombinovaným zatěžováním podle ASTM D6641 můžeme získat následující charakteristické hodnoty a výsledky:
- Pevnost v tlaku: tlaková síla vztažená k počátečnímu průřezu vzorku.
- Podélná deformace (prodloužení): změna délky vztažená k počáteční měřené délce ve směru zatěžování
- Modul pružnosti v tlaku: gradient křivky napětí-deformace ve stanovené oblasti elastické deformace. Modul pružnosti bývá někdy nazýván Youngův modul
- Pevnost v tlaku: maximální pevnost v tlaku (nominální) kterému je vzorek vystaven při zkoušce tlakem.
- Deformace po lomu: hodnota tlaku při dosažení pevnosti v tlaku
Pokud se použije dvouosý tenzometr, kterým lze měřit deformaci v podélném a příčném směru, lze při zkoušce tlakem podle normy ASTM D6641 stanovit také Poissonův poměr, který tato norma také definuje. Vzhledem k relativně malé délce volného vzorku v tomto případě je tato metoda nepraktická, a proto se praktikuje jen velmi zřídka. Pro stanovení Poissonova poměru je mnohem výhodnější provést zkoušku tahem podle ISO 527-4,-5 nebo ASTM D3039.
Jak se provádí zkouška tlakem podle ASTM D6641?
Níže naleznete důležité informace o zkouškách tlakem s kombinovaným zatížením kompozitních materiálů a potřebném vybavení – odpovídajících zkušebních strojích, zařízeních a tenzometrech. Pro získání komplexních informací je však nutné si normu ASTM D6641 zakoupit.
Zkušební přípravek pro zkoušky tlakem s kombinovaným zatížením podle ASTM D6641
Pro zkoušku tlakem s kombinovaným zatížením (CLC) podle ASTM D6641 se používá zkušební přípravek, který umožňuje kombinaci zatížení – část tlakového zatížení působí jako smykové síly podél upínací plochy, zbývající část na čelní plochy vzorku.
V této soupravě, kterou uvádí norma, je vzorek upnut pomocí čtyř šroubů v horní a čtyř šroubů v dolní části přípravku vzájemně spojených vodicími sloupky. Koncové plochy vzorku jsou v jedné rovině s koncovými plochami přípravku. Přípravek se vzorkem se poté umístí mezi rovnoběžně vyrovnané tvrzené tlačné desky a zatěžuje se tlakem, dokud nedojde k porušení vzorku.
Podle ASTM D6641 lze pro zkoušku tlakem s kombinovaným zatížením použít také obdobný zkušební přípravek, které odpovídá principu zkoušky a umožňuje kombinované zatížení zkušebního vzorku:
Hydraulický přípravek pro zkoušky tlakem kompozitů (hydraulic composites compression fixture – HCCF) je k dispozici výhradně u ZwickRoell. Lze jej využít pro zkoušky tlakem kompozitních materiálů do 250 kN. Jedná se o univerzální přípravek pro tahové zkoušky, který je vhodný i pro zkoušku tahem s kombinovaným zatížením podle ASTM D6641.
Vlastnosti a výhody hydraulického přípravku pro zkoušky tlakem kompozitů (HCCF)
- Umožňuje provádět zkoušky tlakem s kombinovaným zatížením (ASTM D6641, ISO 14126 metoda 2 nebo Airbus AITM 1-0008
- Umožňuje provádět zkoušky tlakem podle metody čistě smykového zatížení (ASTM D3410 nebo ISO 14126 metoda 1)
- Hodí se pro tlakové zatížení do 200 kN
- Pro vzorky o šířce do 35 mm a lamináty o tloušťce do 10 mm
- Velký objem otestovaných vzorků, protože přípravek HCCF zůstává ve zkušebním stroji
- Vložky do čelistí jsou vzájemně přesně vyrovnané a během zkoušky se vůči sobě neposouvají
- Neomezený výhled na volnou část vzorku umožňuje využít optických metod pro měření deformace, jako je korelace digitálních snímků (DIC).
Upozornění: Norma ASTM D6641 vyžaduje oboustranné měření deformace, které se provádí na protilehlých stranách vzorku v jeho volné části. Vzhledem k relativně malé ploše 13 × 13 mm² jmenovité geometrie vzorku podle ASTM D6641 je obecně nejvhodnější metodou měřit deformaci tenzometry. Více informací naleznete v části měření deformace .
- Deformace při upínání vzorku, které mohou způsobit odchylky v tloušťce lepicí vrstvy nebo lepidla a které lze rozpoznat podle absolutního rozdílu > 150 µe mezi tenzometry měřícími na obou stranách, je možné rychle a snadno korigovat otevřením upínacích čelistí a podložením.
- Lze je použít pro tlakové zkoušky v teplotním rozsahu od -60 °C do +150 °C.
- Ručně ovládané hydraulické systémy umožňují velmi jemné a přesné nastavení tlaku pro upnutí vzorku.
Vložky do čelistí pro mají buď šupinový nebo díky termicky nanesenému povlaku zdrsněný povrch. Pro zkoušení vzorků bez povrchové úpravy (postup A podle normy ASTM D6641) se mají používat vložky termálním povlakem.
Stroje pro zkoušky podle ASTM D6641
Pro zkoušky tlakem podle ASTM D6641 standardizovaných vzorků nebo pro mnoho jiných zkoušek podle normalizovaných metod v oblasti plastů vyztužených vlákny je v mnoha případech naprosto dostačujícím řešením zkušební stroj AllroudLine 100 kN. Na snímku můžete vidět zkušební zařízení pro zkoušky tlakem s přípravkem HCCF a tyčemi prodlouženými jak nahoře, tak i dole, které umožňují provádět tlakové zkoušky v teplotní komoře. Pokud se zkouší při pokojové teplotě, nejsou prodloužené tyče nutné. Konfigurace stroje o kapacitě 100 kN dovoluje pro zkoušku tahem použít mechanické čelisti s přesazením (viz malý obrázek vpravo nahoře) a umožňuje také snadnou změnu různých pracovních profilů a zkušebních přípravků. Upínací čelisti i přípravky lze snadno sundat, a celou pracovní plochu zkušebního stroje je tak možné 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.
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.
Spolehlivé zkoušky podle ASTM D6641 s naším zkušebním softwarem testXpert
Zkušební software testXpert je uzpůsoben pro efektivní provádění zkoušek a získávání spolehlivých výsledků podle ASTM D6641:
- Ušetříte čas potřebný pro studium norem: Zaručená shoda s normami ve zkušebním programu – všechny charakteristické hodnoty a parametry dle ASTM D6641 jsou v našem zkušebním programu již uloženy.
- Práce operátorů je jednodušší díky přímému připojení periferních zařízení: Rozměry vzorku z připojených mikrometrů nebo měřidel jsou odesílány přímo do zkušebního softwaru, čímž se ušetří čas a zamezí se chybám při zadávání.
- Software navíc umožňuje kontrolu a řízení teploty v teplotní komoře. Můžete nastavit rychlost ohřevu či sledovat hodnoty – a to i zpětně. K dispozici je funkce zpětného dohledání.
Měření deformace při zkoušce tlakem podle ASTM D6641
Zkouška tlakem podle normy ASTM D6641 vyžaduje oboustranné měření deformace, tedy měření na protilehlých stranách vzorku v jeho volné nepodepřené oblasti, kterou označujeme jako měřená délka. Tato měření jsou na sobě nezávislá. Vzhledem k relativně malé ploše těles, která činí 13 x 13 mm2 jmenovité geometrie vzorku, je nejvhodnější metodou pro měření deformace použití tenzometrů aplikovaných na obou stranách.
Oboustranné a nezávislé měření deformace vzorku je nutné k rozpoznání jakýchkoli deformací v ohybu udávaných v %, stejně jako k rozlišení platných a neplatných zkoušek. Více informací naleznete v části uvedené níže, která se zabývá zkušebními podmínkami – sledováním superponované deformace v ohybu (v %).
Díky otevřené konstrukci zkušebního přípravku HCCF je možné použít nasazovací průtahoměr, který dokáže měřit nezávisle na obou stranách vzorku. Vyžaduje však volnou délku alespoň 13 mm. Norma ASTM D6641 připouští i větší volnou délku, která je výhodná v případě použití nasazovacího průtahoměru (clip-on) a za předpokladu, že tloušťka vzorku je odpovídajícím způsobem přizpůsobena, aby se zabránilo Eulerovu vzpěru.
Podmínky pro provádění zkoušky podle ASTM D6641
Rychlost zkoušky
Nominální rychlost zkoušky podle ASTM D6641 je 1,3 mm/min.
Platné porušení vzorku
Norma ASTM D6641 definuje kód sestávající ze tří písmen pro dokumentaci porušení vzorku, který jasně stanovuje způsob porušení a polohu podél vzorku. V závislosti na architektuře vláken a zkoušeném laminátu se mohou při zkoušce tlakem vyskytnout různé platné způsoby porušení, např. lom po celé šířce vzorku, úhlový smykový lom přes tloušťku vzorku (obvykle při zkouškách tlakem na laminátech UD 90°), dále pak tzv. kink band, brooming, splitting, delaminace nebo kombinace různých platných způsobů porušení.
Zkouška tlakem se považuje za platnou pouze tehdy, pokud dojde k poškození vzorku v rámci volné délky. V ideálním případě dojde k lomu ve střední oblasti volné délky, ale vzhledem k malé volné délce a částečně šikmým lomovým plochám dochází k poškození také v místě přechodu z upínacích čelistí do volné oblasti nebo na přechodu z lepené oblasti do volné části. I tyto případy jsou považovány za platné porušení vzorku.
Mezi neplatné porušení vzorku patří Eulerův vzpěr, porušení na čelních plochách vzorku nebo jakýkoli typ porušení, dojde-li k němu v upínací oblasti tělesa.
Sledování superponované deformace v ohybu (v %)
Aby se zkouška podle ASTM D6641 dala považovat za platnou, je nutné splnit dvě podmínky. Vedle platného porušení vzorku je dále nutné, aby superponovaná deformace v ohybu při tlakovém zatížení nepřekročila stanovený rozsah. Hodnota ohybu pro tento účel je udávána v procentech a vypočítá se z hodnot deformací ε1 a ε2 stanovených na obou stranách vzorku podle vzorce By=(ε1-ε2)/(ε1+ε2)×100.
Pro uznání zkoušky za platnou je nutné: By < 10 % střední deformace v intervalu stanovení modulu pružnosti při 2000 µε a By < 10 % pro pevnost v tlaku a deformaci při porušení.
Pokud se na záznamu deformace vyskytnou skoky či přerušení v důsledku předčasného porušení laminátu v blízkosti hodnoty lomové pevnosti, považuje se zkouška za platnou, i když je splněno procentní kritérium ohybu při 90 % pevnosti v tlaku.
Teplotní rozsah
Protože mechanické vlastnosti plastů vyztužených vlákny jsou silně závislé na teplotě, provádějí se kromě zkoušek v tlaku při okolní teplotě také zkoušky v teplotně řízeném prostředí, tzn. při nízkých a zvýšených teplotách. Pro tento účel lze použít zkušební zařízení ZwickRoell HCCF pro zkoušky tlakem v teplotním rozsahu od -60 °C do +150 °C. Pokrývá tak obvyklý teplotní rozsah zkoušek prováděných v automobilovém průmyslu od -40 °C do +80 °C (+120 °C) i rozsah teplot od -55 °C do +120 °C pro aplikace v letectví.
ASTM D6641: zkušební vzorky a rozměry
| Typ zkušebního vzorku | Schematické znázornění vzorku | Poznámky |
|---|---|---|
| Bez povrchové úpravy (postup A) |  | Lze použít pro vícesměrné lamináty s méně než 50 % vrstvy 0°, pokud lze zabránit selhání na čelních plochách vzorku a není třeba výrazně zvýšit upínací sílu nad doporučenou úroveň. |
| S povrchovou úpravou (postup B) |  |
|
- Jako materiál proužků lze použít skelný laminát ±45°, který se pomocí vhodného lepidla přilepí ke zkoušenému laminátu. Pro vzorky o tloušťce do 2,5 mm se osvědčila tloušťka proužku přibližně 1,6 mm. Pro silnější vzorky je třeba v případě potřeby zvolit silnější materiál.
- V normě ASTM D6641 není definována žádná jmenovitá tloušťka vzorku. Obvykle se zkouší vzorky o tloušťce 2 až 3 mm. Lze zkoušet i silnější lamináty, avšak za podmínky, že to umožňuje příslušné zkušební zařízení. Pokud se zkouší vzorky s menší tloušťkou, zejména lamináty s nízkou tuhostí, je třeba dodržet rozměry uvedené v normě s ohledem na stabilitu (Eulerova teorie vzpěru).
- Přípravek HCCF byl původně vyvinut pro zkoušku tlakem s kombinovaným zatížením podle Airbus AITM 1-0008. V normě AITM 1-0008 je uvedená délka upínacích čelistí 65 mm. Pro jmenovitou geometrii vzorku podle normy ASTM D6641 jsou tak původní čelisti HCCF o 1,5 mm delší. Pro provedení zkoušky tlakem s kombinovaným zatížením podle normy ASTM D6641 s HCCF je nutné použít vzorky o délce 143 mm. Alternativně lze použít vhodné čelisti určené pro jmenovitou délku vzorku 140 mm.
