ISO 527-4 a ISO 527-5: Stanovení tahových vlastností kompozitů vyztužených vlákny
Zkoušky tahem kompozitů podle ISO 527-4 a ISO 527-5 se používají ke stanovení modulu pružnosti v tahu a Poissonova poměru, jakož i pevnosti v tahu v hlavních směrech materiálů z plastů vyztužených vlákny. Norma ISO 527-4 popisuje zkušební podmínky pro izotropní a anizotropní plasty vyztužené vlákny. Patří sem kompozitní a jednosměrně vyztužené materiály, jako jsou rohože, tkaniny nebo řezaná vlákna a také vícesměrné lamináty z jednosměrných jednotlivých vrstev. Norma ISO 527-5 popisuje zkušební podmínky pro jednosměrné plasty vyztužené vlákny. Obě normy se odvolávají na ISO 527-1, kde jsou uvedeny obecné zásady pro stanovení tahových vlastností.
Další často používanou normou pro zkoušky tahem dlouhých nebo kontinuálních plastů vyztužených vlákny je norma ASTM D3039, která uvádí zkušební podmínky pro izotropní a anizotropní plasty vyztužené vlákny a také pro jednosměrné plasty vyztužené vlákny.
Cíl a charakteristické hodnoty Video Provedení zkoušky a zkušební zařízení Požadavky na zkoušku Vzorky a rozměry Další informace Ke stažení
Cíl zkoušky a charakteristické hodnoty podle ISO 527-4 a ISO 527-5
Zkoušky tahem plastů vyztužených vlákny se provádějí za účelem stanovení tahových vlastností v procesu vývoje a schvalování materiálu, pro stanovení charakteristických hodnot, které se používají pro návrh kompozitních konstrukcí a také pro zajištění kvality. Bez ohledu na typ vláken výztuže jsou v normách ISO 527-4 a ISO 527-5 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
ISO 527-4, ISO 527-5 a ASTM D3039 popisuje zkušební podmínky pro zkoušku tahem plastů vyztužených vlákny. 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).
Spolehlivé zkoušky podle ISO 527-4 a ISO 527-5 se zkušebním softwarem testXpert
testXpert přispívá k efektivnímu provádění zkoušek a spolehlivým výsledkům v souladu s normami ISO 527-4 a ISO 527-5:
- Ušetřete čas potřebný pro studium standardů: zaručená shoda s normami ve zkušebním programu – všechny charakteristické hodnoty a parametry dle ISO 527-4 a ISO 527-5 jsou v našem zkušebním programu již uloženy.
- Další zjednodušení práce obsluhy je dosaženo přímým připojením periferních zařízení: Pokud jsou rozměry vzorku z mikrometru odesílány přímo do zkušebního softwaru, ušetří se 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.
Upínací čelisti a přípravek pro seřízení k zajištění spolehlivých výsledků zkoušek podle ISO 527-4 a ISO 527-5
Před zkouškou tahem podle ISO 527-4 a ISO 527-5 se zkušební těleso upne v čelistech statického zkušebního stroje. Doporučuje se pravidelně kontrolovat správné nastavení upínacích čelistí vzorků podle ISO 23788 nebo 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.
Zkušební stroj pro zkoušky tahem podle ISO 527-4 a ISO 527-5
Pro zkoušky tahem podle ISO 527-4 a ISO 527-5 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.
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.
Průtahoměry pro měření prodloužení podle ISO 527-4 a ISO 527-5
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 ISO 527-4 a ISO 527-5
Rychlost zkoušky
Nastavení konstantní zkušební rychlosti závisí na typu vzorku a účelu zkoušky. Při zkoušce tahem pro účely kontroly kvality lze nastavit vyšší rychlosti než pro zkoušky používané pro hodnocení vlastností materiálu.
- Platné porušení vzorku
Zkušební tyče, které prasknou v čelistech nebo v místě přechodu ke zkoušené délce blízko čelistí, jsou neplatné a musí být provedeny znovu s novým vzorkem. Je nutno získat alespoň pět platných výsledků zkoušky.
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.
Rozměry zkušebních těles podle ISO 527-4/-5
- l = celková délka vzorku
- L = vzdálenost upínacích čelistí
- b = šířka vzorku
- h = tloušťka vzorku
- L0 = doporučená měřená délka průtahoměru (kontaktního i bezkontaktního): ISO 527-4 typ vzorku 4 L0 = 25 mm, pro všechny ostatní výše uvedené typy vzorků L0 = 50 mm
| Norma | Typ zkušební tyče | Schematický diagram (zjednodušený, bez měřítka) | Použití |
|---|---|---|---|
| ISO 527-4 | Typ 1B s hlavami |  |
|
| Typ 2 pravoúhlé vzorky bez krycích proužků |  |
| |
| Typ 3* pravoúhlé s krycími proužky |  |
| |
| Typ 4** kuželové bez krycích proužků |  |
| |
| ISO 527-5 | Typ A, typ B *** |  |
|
- * U vzorku typu 3 podle normy ISO 527-4 a vzorků typu A a B podle normy ISO 527-5 se na obě strany vzorku nanesou krycí pásky. Tyto pásky, které jsou obvykle přilepeny ke zkoušenému laminátu, snižují přímou sílu působící na vzorek a koncentraci napětí v čelistech, aby nedošlo k lomu vzorku nebo vložek v čelistech. Pro tento účel se osvědčily krycí pásky z laminátu GFRP ±45°. Vždy se používají rovné krycí proužky, zatímco norma ASTM D3039 připouští i použití krycích pásků se zkosením. Lze použít i jiné sílu tlumící prvky, včetně těch, které nejsou lepené (např. brusné plátno nebo smirkový papír), pokud se prokáže, že je dosaženo stejné pevnosti a že nedochází k výraznému rozptylu charakteristických hodnot.
- ** U vzorku typu 4, nově zařazeného do ISO 527-4:2023, který je určen pro tahové zkoušky bez krycích pásků na vícesměrných termoplastech vyztužených nekonečnými vlákny, se výsledky musí přepočítat, pokud dojde k přetržení mimo měřenou délku L0 = 25 mm střední části vzorku. Výpočet pevnosti v tahu podle porušení pro typ vzorku 4 uvedený v příloze E normy ISO 527-4 je již zahrnut v předdefinovaném zkušebním programu testXpert pro normu ISO 527-4:2023.
- *** Typy vzorků A a B v normě ISO 527-5 se liší tloušťkou laminátu a šířkou vzorku. Vzorek typu A, určený pro zkoušku tahem jednosměrného laminátu ve směru 0°, má šířku 15 mm a tloušťku 1 mm. Naproti tomu typ B, pro zkoušku tahem jednosměrného laminátu ve směru 90°, má šířku 25 mm a tloušťku 2 mm. Tím je zajištěno, že síly naměřené při zkoušce tahem při úhlu 0° nejsou příliš velké a síly při úhlu 90° jsou dostatečné. Proto lze oba typy vzorků zkoušet pomocí stejného pracovního uspořádání. Tato geometrická úprava je nezbytná, protože jednosměrné lamináty vykazují extrémní rozdíly v pevnosti ve směru vláken a napříč vlákny.
Více informací o normě ISO 527-4 a ISO 527-5
- Pro stanovení tahových vlastností na úrovni jedné vrstvy se vyrábějí vícevrstvé kompozity, u nichž je každá jednotlivá vrstva orientována stejným způsobem. Patří mezi ně jednosměrné lamináty 0° nebo 90° označené v normě ISO 527-5. V případě odpovídajícím způsobem orientovaných vícevrstvých tkaných kompozitů v normě ISO 527-4 se hodnoty mechanických charakteristik uvádějí také ve směru osnovy a útku.
- Kromě zkoušek tahem pro vývoj, hodnocení a kontrolu 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.