ASTM D3039 Zugversuch Composites
Im Zugversuch nach ASTM D3039 / ASTM D3039M werden die elastischen Kennwerte Zugmodul und Poissonzahl sowie die Zugfestigkeit für Composites ermittelt. Dies beinhaltet endlos faserverstärkte unidirektionale (UD) und multidirektionale (MD) Faserverbundlaminate, wobei MD Laminate aus Einzelschichten aus UD, Gewebe oder anderen textilen Faserarchitekturen bestehen können. Auch können Faser-Kunststoff Verbunde (FKV) mit diskontinuierlichen und zufällig verteilten Verstärkungsfasern (z.B. Sheet Moulding Compounds – SMC) geprüft werden.
Ebenfalls häufig verwendete Normen für die Zugprüfung von lang- oder endlos faserverstärkten Kunststoffen sind ISO 527-4 (Prüfbedingungen für isotrop und anistrop faserverstärkte Kunststoffe) und ISO 527-5 (Prüfbedingungen für unidirektional faserverstärkte Kunststoffe).
Ziel & Kennwerte Versuchsdurchführung & Prüfmittel Prüfbedingungen Probekörper & Abmessungen Weiterführende Informationen FAQ Downloads
Ziel der Prüfung und ermittelte Kennwerte nach ASTM D3039
Zugversuche für Composites nach ASTM D3039 werden u.a. zur Ermittlung der Zugeigenschaften bei der Materialentwicklung und Qualifizierung, zur Kennwertbestimmung für Auslegung und Design von Composite Strukturen, sowie in der Qualitätssicherung durchgeführt.
Unabhängig von der Art der Faserverstärkung werden in ASTM D3039 folgende charakteristische Ergebnisse und Kennwerte ermittelt:
- Zugspannung: Kraft bezogen auf den Anfangsquerschnitt des Probekörpers
- Längsdehnung: Änderung der Messlänge bezogen auf die Anfangsmesslänge in Lastrichtung
- Querdehnung: Änderung der Messlänge bezogen auf die Anfangsmesslänge in Querrichtung (nur nötig wenn Poissonzahl ermittelt werden soll)
- Zugmodul: Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve in einem festgelegten Dehnungsintervall im elastischen Bereich. Auch als Elastizitätsmodul oder kurz E-Modul bezeichnet
- Zugfestigkeit: Maximalwert der im Zugversuch ermittelten Zugspannung
- Bruchdehnung: Längsdehnung bei Erreichen der Zugfestigkeit
- Poissonzahl: negatives Verhältnis von Querdehnung und Längsdehnung
Für faserverstärkte Kunststoffe mit bi-linearem Spannungs-Dehnungs-Verhalten kann ein zusätzlicher Kennwert ermittelt werden:
- Übergangsdehnung (transition strain): Mittelwert der axialen Dehnung im Übergangsbereich. Wird in der Regel aus der axialen Spannungs-Dehnungs-Kurve bestimmt
Sowohl ASTM D3039 als auch ISO 527-4 / ISO 527-5 legen die Prüfbedingungen für den Zugversuch von Composites fest. Trotz der Ähnlichkeit der Prüfmethoden sind die ermittelten Kennwerte nicht völlig vergleichbar, da die Probenformen und Probenabmessungen sowie die Kennwert-Bestimmung teils unterschiedlich sind (z.B. Dehnungsintervall für Zugmodul und der oben aufgeführte Kennwert Übergangsdehnung).
Zur Vereinfachung der Versuchsdurchführung können vorkonfektionierte testXpert Prüfvorschriften mit allen Einstellungen entsprechend der ASTM D3039 Normangaben verwendet werden.
Wie wird der Composite Zugversuch nach ASTM D3039 durchgeführt?
Probenhalter und Ausrichteinheit für sichere Prüfergebnisse nach ASTM D3039
Für die Durchführung des Zugversuchs nach ASTM D3039 wird die entsprechende Zugprobe in die Probenhalter einer statischen Prüfmaschine eingespannt. Es wird empfohlen die korrekte Ausrichtung der Probenhalter nach ASTM E1012 regelmäßig zu überprüfen. Für Nadcap akkreditierte Prüflabore im Bereich der Luft- und Raumfahrt ist der Nachweis der Ausrichtung zwingend erforderlich.
Mechanische Körper-über Keil oder hydraulische Körper-über-Keil Probenhalter sind für diese Anforderung optimal geeignet. Ist kein Nachweis über die Ausrichtung erforderlich können auch bedingt ausrichtfähige Keilschraub-Probenhalter eingesetzt werden.
Modulares Composite Prüfsystem
Größere Prüflabore mit entsprechend hohem Prüfaufkommen setzen für die sehr vielfältigen Composites Prüfmethoden unterschiedliche Prüfmaschinen ein und können so den Umbauaufwand minimieren. Die einzelnen Prüfmaschinen können dabei auf den Kraftbereich verschiedener Versuchsarten angepasst werden. Wenn das Prüfaufkommen nicht so hoch oder so regelmäßig ist, dass sich die Investition in mehrere Prüfmaschinen lohnt, ist es vorteilhaft, eine einzige Prüfmaschine so auszustatten, dass möglichst viele Prüfverfahren mit dem geringstmöglichen Umbauaufwand durchgeführt werden können.
Hierfür hat ZwickRoell ein modulares Konzept entwickelt, erhältlich als statische 100kN oder 250kN Prüfmaschine, mit der 21 Prüfmethoden und ca. 120 Prüfnormen (ISO, EN, ASTM, sowie Airbus AITM und Boeing BSS) abgedeckt sind und welches eine umfangreiche Charakterisierung von Faserverbundwerkstoffen bei Raumtemperatur oder bei Versuchen mit niedrigen oder erhöhten Temperaturen von -80°C bis +360°C ermöglicht
Prüfsoftware testXpert: Garantiert zuverlässig Prüfen nach ASTM 3039
Effizientes Prüfen und zuverlässige Prüfergebnisse nach ASTM D3039 gelingen ganz einfach mit der Prüfsoftware testXpert:
- Sparen Sie sich die Zeit für das Aufarbeiten von Normen: die Standard-Prüfvorschrift erfüllt die ASTM D3039 garantiert. In der Prüfvorschrift sind alle Kennwerte und Parameter der ASTM D3039 bereits hinterlegt.
- Indem Sie Peripheriegeräte anbinden arbeiten Sie effizienter: Die Probendimensionen werden von der Bügelmessschraube direkt an die Prüfsoftware geschickt. Das spart Zeit und schließt Eingabefehler aus.
- Auch die Temperierkammer ist komfortabel in die Prüfsoftware integriert: Überprüfen und steuern Sie die Temperatur in der Kammer, setzen Sie Temperaturrampen und sehen Sie nachvollziehbar auch im Nachhinein die eingehaltenen Werte.
Zugprüfmaschinen für ASTM 3039
Für Zugversuche nach ASTM D3039 mit Normprobekörpern und für viele andere genormte Prüfmethoden von faserverstärkten Kunststoffen ist die Verwendung einer 100 kN Prüfmaschine oft ausreichend. Mit der rechts gezeigten 100 kN Maschinenkonfiguration ist durch die Verwendung von mechanischen Körper-über-Keil Probenhaltern ein leichter Wechsel zwischen unterschiedlichen Prüfaufbauten und Prüfvorrichtungen möglich. Durch den einfachen Ausbau der Probehalter kann der gesamte Arbeitsraum der Prüfmaschine auch für Nicht-Standard Versuche verwendet werden. Die Standfüße ermöglichen eine individuelle und ergonomische Anpassung der Arbeitsraumhöhe.
Werden ausschließlich glasfaser-verstärkte Kunststoffe (GFK) geprüft, ist eine statische Prüfmaschine mit einer Maximalkraft von 50 kN in der Regel ausreichend.
Extensometer für die Dehnungsmessung nach ASTM D3039
Für die korrekte Bestimmung der elastischen Kennwerte und der Bruchdehnung ist eine direkte Dehnungsmessung an der Probe erforderlich. Zur Bestimmung von E-Modul und Bruchdehnung ist die Messung der Längsdehnung ausreichend. Soll zusätzlich die Poissonzahl ermittelt werden, ist ein biaxiales Dehnungsmesssystem erforderlich, mit welchem auch die Querdehnung gemessen werden kann. Zulässig für die Dehnungsmessung sind dabei Dehnmessstreifen (DMS), kontaktierende Messsysteme wie Clip-on Extensometer (Einschränkung: nicht bis Probenbruch) oder automatische Fühlerarm Extensometer (makroXtens , multiXtens) oder auch berührungslos messende optische Systeme (videoXtens).
Haben Sie Fragen zur ASTM D3039 oder benötigen Sie Beratung zur Konfiguration Ihrer Composite Prüfmaschine?
Dann nehmen Sie jetzt Kontakt zu unseren Branchenexperten auf!
Wir beraten Sie gerne!
ASTM D3039 Prüfbedingungen
-
Prüfgeschwindigkeit
ASTM D3039 sieht zwei Möglichkeiten zur Einstellung der Prüfgeschwindigkeit vor.
Einerseits durch Einstellung einer konstanten Dehnrate von 0.01 min-1 (nomineller Wert). Alternativ kann der Versuch mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2 mm/min (nomineller Wert) durchgeführt werden.
- Gültiges Probenversagen
Für die Dokumentation des Probenversagens steht in ASTM D3039 ein Code aus 3 Buchstaben zur Verfügung, welcher den Versagensmode und die Position entlang der eingespannten Probe eindeutig definiert. Ungültiges Versagen liegt vor, wenn der Bruch in den Klemmbacken, am Übergang oder innerhalb des Abstands einer Probenbreite zu den Klemmbacken auftritt. Gerade 0° UD Zugversuche zeigen jedoch häufig ein hochenergetisch, explosives Versagen, bei der der gesamte freie Bereich der Probe zersplittert. Dieses Versagen wird daher in der Regel als gültiges Versagen eingestuft.
-
Temperaturbereich
Da die mechanischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe eine starke Temperaturabhängigkeit aufweisen, werden neben Zugversuchen bei Raumtemperatur auch Versuche bei niedrigen und erhöhten Temperaturen durchgeführt. Hierfür kann die Prüfmaschine mit einer geeigneten Temperierkammer für einen Temperaturbereich von -80°C bis 360°C ausgerüstet werden.
Probekörper und Abmessungen nach ASTM D3039
| Probenart / Laminat | Schematische Darstellung der Probenform (vereinfacht, nicht maßstäblich) | Hinweis zur Verwendung von Aufleimern |
|---|---|---|
| 0° UD Laminat |  |
|
| 90° UD Laminat |  |
|
| multidirektionale UD und Gewebe Laminate, diskontinuierlich faserverstärkte Laminate mit zufälliger Faserorientierung (z.B. SMC) |  | Für multidirektionale UD oder Gewebe Laminate oder für Proben aus diskontinuierlich faserverstärkten Laminaten mit zufälliger Faserorientierung ist die Verwendung von Schleifleinen statt verklebter Krafteinleitungselemente oft ausreichend |
- Verklebte Krafteinleitungselemente (Aufleimer) sind nicht zwingend erforderlich, werden für UD Laminate aber ausdrücklich empfohlen, um ungültige Klemmbrüche (Bruch an oder in der Einspannung) zu vermeiden.
- Als Aufleimer-Material hat sich Glasfaser-verstärktes Kunststoff (GFK) Laminat mit einer Faserorientierung von ±45° in Bezug auf die Lastrichtung in der Zugprobe bewährt.
- Die in ASTM D3039 gemachten Angaben zur Probengeometrie für die jeweiligen Laminattypen sind Empfehlungen und ermöglichen eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen unterschiedlichen Laboren. Abweichungen der Probekörper-Abmessungen sind erlaubt, sofern in der Norm angegebene allgemeine Empfehlungen zur Probengeometrie eingehalten werden.
- Die Messlänge L0 bei Verwendung von kontaktierenden oder berührungslos messenden Dehnungsmesssystemen sollte zwischen 10 und 50 mm liegen.
Weiterführende Informationen zur ASTM D3039
- Mit ASTM D3039 ist die Verwendung von Prüfparametern und Probenabmessungen sowohl im SI-Einheitensystem als auch im Inch-Pound (Imperial) Einheitensystem möglich. Eine Vermischung beider Einheitensysteme gilt es aber zu vermeiden, da dies zu nicht-normkonformen Ergebnissen führen kann.
- Zur Bestimmung der Zugeigenschaften auf Einzelschicht-Ebene werden stets Mehrschichtverbunde hergestellt bei denen jede Einzelschicht gleich ausgerichtet ist. Hierzu zählen insbesondere 0° oder 90° UD Laminate. Bei entsprechend gleich ausgerichteten Mehrschichtverbunden aus Gewebe Composites spricht man auch von den mechanischen Kennwerten in Kett- und Schuss-Richtung.
- Neben der Durchführung von Zugversuchen zum Zwecke der Materialentwicklung, Materialqualifizierung und Qualitätssicherung werden die auf Einzelschicht-Ebene ermittelten Kennwerte auch bei der Auslegung von Composite Strukturen für analytische Berechnungsmethoden verwendet. Mit Hilfe der klassischen Laminattheorie können z.B. die elastischen Eigenschaften eines multidirektionalen Mehrschichtverbunds aus den Kennwerten der jeweiligen Einzelschichten berechnet werden. Die Festigkeiten auf Einzelschichtebene werden u.a. für die Berechnung von Versagenskriterien wie Max. Stress, Hashin, Puck oder LaRC verwendet.
- Da die mechanischen Eigenschaften eines Mehrschichtverbundes von der Orientierung der jeweiligen Einzelschichten abhängen, liefert jeder Mehrschichtverbund mit unterschiedlich orientierten Einzelschichten andere mechanische Zugeigenschaften. Die mechanischen Materialkennwerte faserverstärkter Kunststoffe entstehen somit erst während der Herstellung des Laminats. Das Herstellungsverfahren selbst hat dabei einen maßgeblichen Einfluss auf die entstehenden Kennwerte. Der Einfluss des Herstellungsverfahrens auf die mechanischen Eigenschaften eines Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) Laminats wird daher häufig mit der mechanischen Prüfung abgesichert.
Häufig gestellte Fragen zum Composites Zugversuch nach ASTM D3039
ASTM D638 ist das Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Zugeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen unter Verwendung von Schulterstab Probekörpern. Wenn für die Verstärkung Endlosfasern oder diskontinuierlichen Fasern mit einem Modul von >20GPa verwendet werden, verweist ASTM D638 auf das Standardprüfverfahren ASTM D3039 zur Bestimmung der Zugeigenschaften von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen. In ASTM D3039 werden dann rechteckige Probenkörper verwendet. Bei Zugversuchen an insbesondere carbon- oder glasfaserverstärkten Kunststoffen (CFK, GFK) mit Endlosfasern werden im Vergleich zu Zugversuchen an unverstärkten oder kurzfaserverstärkten Kunststoffen deutlich höhere Prüfkräfte erreicht, was den Einsatz einer geeigneten Prüfmaschine erfordert.
ASTM D3039 ist eine Standardprüfmethode zur Bestimmung der Zugeigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen. Die hochmoduligen Verstärkungsfasern können dabei als Endlosfasern oder als diskontinuierliche Fasern mit zufälliger Faserorientierung vorliegen. Die empfohlenen Maße der rechteckigen Probekörper in ASTM D3039 hängen von der Art des zu prüfenden Verbundlaminats ab (z. B. 0° unidirektional, 90° unidirektional, multidirektional oder zufällig-diskontinuierlich).
Die Probendicke für ASTM D3039 hängt von der Art des Laminats ab, für das die Zugeigenschaften bestimmt werden sollen. ASTM D3039 empfiehlt eine Probendicke von 1 mm für 0° unidirektionale (UD) und 2 mm für 90° UD-Zugversuche. Für multidirektionale Laminate oder für Laminate mit zufällig-diskontinuierlicher Faserorientierung beträgt die empfohlene Probendicke 2,5 mm. Entsprechende Empfehlungen für die Gesamtlänge, Breite, Aufleimerlänge und Aufleimerdicke der Probekörper werden ebenfalls gemacht.