Prova di compressione su compositi e materie plastiche secondo ASTM D695
La normativa ASTM D695 descrive la prova di compressione per la determinazione delle caratteristiche meccaniche come il modulo di Young e la forza per la plastica non rinforzata e rinforzata secondo il principio di compressione del carico assiale. La forza viene applicata unicamente tramite le facce finali del provino. La normativa ASTM D695 può essere utilizzata per i compositi di fibre con una rigidità fino a 41 GPa, che comprende, ad esempio, i compositi in tessuto rinforzati con fibre di vetro.
Il seguente testo è limitato alla configurazione di prova secondo ASTM D695 con dima di supporto per materie plastiche ad alto modulo e rinforzate con uno spessore del laminato di < 3,2 mm. Sono descritte anche le prove di compressione con carico assiale DIN EN 2850 Metodo B, Boeing BSS 7260 tipo III e IV (ASTM D695 modificata) e SACMA SRM-1R-94, ulteriormente sviluppate dalla normativa ASTM D695. Quest’ultima consente anche prove di compressione su laminati unidirezionali (UD) rinforzati in fibra di carbonio con elevate rigidità e forza.
Altre prove di compressione standardizzate utilizzate di frequente per compositi fibrorinforzati senza restrizioni riguardanti la rigidità dei laminati sono disciplinate dalla norma ISO 14126 Metodo 1 e ASTM D3410 (compressione con carico di taglio) nonché le norme ISO 14126 Metodo 2 e ASTM D6641 (compressione con carico combinato).
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ASTM D695: Obiettivi & valori caratteristici
Utilizzando la prova di compressione ASTM D695, con supporti di compressione, e in particolare le varianti sviluppate da ASTM D695 (EN 2850 Metodo B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260 Tipo III e IV), è possibile determinare i seguenti risultati e valori caratteristici per le materie plastiche fibrorinforzate:
- Stress a compressione: forza di compressione relativa alla sezione trasversale iniziale del provino
- Deformazione alla compressione: variazione della base di misura rispetto a quella iniziale nella direzione del carico (solo se si utilizza un sistema di misurazione adeguato, vedi sotto).
- Modulo di compressione: pendenza della curva sforzo-deformazione in un determinato intervallo di deformazione nell'intervallo elastico. Chiamato anche modulo elastico o modulo di Young.
- Resistenza alla compressione: valore massimo dello sforzo a compressione determinato da un provino nella prova di compressione
Informazioni importanti sulla determinazione dei risultati
Per le plastiche non rinforzate e rinforzate con uno spessore < 3,2 mm, la norma ASTM D695 prevede un provino a osso di cane, con cui è possibile determinare in una prova il modulo di compressione (se si utilizza un sistema di misurazione della deformazione adeguato) e la resistenza alla compressione. A tale scopo è necessario utilizzare una dima di supporto aggiuntiva.
Tuttavia, i provini a osso di cane non sono adatti per i compositi UD. Le varianti sviluppate a partire dall'ASTM D695 (EN 2850 Metodo B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260 Tipo III e IV) utilizzano quindi sempre due diversi provini di sezione rettangolare uniforme:
- Un provino senza tab per la determinazione del modulo di compressione. Questo provino non deve essere utilizzato per determinare la resistenza alla compressione, poiché il cedimento prematuro si verifica sempre sulle estremità terminali a una sollecitazione di compressione inferiore alla resistenza alla compressione del materiale da testare.
- Un provino con tab applicato con adesivo per la determinazione della resistenza alla compressione. Affinché la prova sia valida, il provino deve cedere entro la lunghezza libera del provino. Questo provino non è adatto nemmeno per la determinazione del modulo di compressione, poiché è difficile applicare strain gage entro la lunghezza libera del provino (circa 5 mm).
Poiché la forza viene applicata esclusivamente attraverso le estremità del provino, in tutti i casi, è essenziale un trattamento molto preciso delle stesse.
Attrezzatura per prove di compressione con carico assiale
La normativa ASTM D695 prevede una dima di supporto per il provino quando si sottopongono a prova materiali con spessore < 3,2 mm. Il provino viene quindi collocato in un dispositivo di compressione adeguato (denominato anche utensile di pressatura o compressione nella norma ASTM D695).
Nelle versioni per compositi avanzati della norma ASTM D695 (EN 2850 Metodo B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260), questa dima di supporto viene saldamente collegata a un’attrezzatura di compressione adeguata in modo che non si verifichino inclinazioni o cedimenti del provino con la dima.
- Questa attrezzatura di compressione con carico assiale viene anche denominata dispositivo modificato secondo ASTM D695 nella normativa Boeing BSS 7260.
- Anche le normative DIN EN 2850 Metodo B e SACMA SRM-1R-94 utilizzano questo principio con alcune differenze nelle dimensioni della dima di supporto e dei provini.
- Si noti che la lunghezza della dima di supporto secondo DIN EN 2850 Metodo B è stabilita in 70 mm, mentre in tutte le altre normative (ASTM D695, Boeing BSS 7260 Tipo III e IV, SACMA SRM-1R-94) ha una lunghezza di 73 mm. È necessario quindi utilizzare un’attrezzatura di prova separata per DIN EN 2850 Metodo B.
In ogni caso, il dispositivo di supporto non contribuisce alla trasmissione della forza nel provino. L’attrito tra il provino e la dima di supporto viene ridotto al minimo mediante una configurazione adeguata delle superfici di contatto. Nella normativa ASTM D695 è sufficiente un attacco serrato manualmente della dima di supporto al provino. Per tutti gli altri metodi di prova del carico assiale avanzati, viene definita una ridotta torsione di serraggio o forza di contatto per i bulloni di fissaggio.
Attrezzatura di prova ZwickRoell per le prove di compressione con carico assiale secondo ASTM D695 e varianti:
- La configurazione di prova ZwickRoell per la prova di compressione con carico assiale si compone di un’attrezzatura di compressione collocata tra due piatti di compressione. Gli elementi di guida dell’attrezzatura di compressione garantiscono che i provini siano costantemente centrati nell’asse di carico. Per via della resistenza alla compressione elevata, in alcuni casi ben oltre 1000 Mpa, in particolare nelle prove di compressione per compositi UD nella direzione della fibra in fibra di carbonio rinforzata, è necessario utilizzare piatti di compressione adeguatamente induriti.
- Le attrezzature di prova ZwickRoell per la compressione con carico assiale possono essere utilizzate in un range di temperatura da -80°C a +300°C.
Macchine di prova per ASTM D695
- Grazie al continuo sviluppo e miglioramento delle proprietà meccaniche delle fibre e della matrice, nei compositi UD rinforzati con fibre di carbonio si possono ottenere forze massime fino a circa 50 kN con una normale geometria del campione. Poiché le prove di trazione vengono solitamente eseguite in aggiunta a quelle di compressione, dove le forze massime sono ancora più elevate, si raccomanda una macchina per prove statiche con una capacità fino a 100 kN o 250 kN.
- Se vengono testati solo compositi rinforzati con fibre di vetro, è sufficiente una macchina di prova da 50 kN.
Sistemi di prova modulari per compositi
I grandi laboratori di prova, con un volume di prove altrettanto elevato, utilizzano macchine di prova diverse per i vari metodi di prova dei compositi, riducendo così al minimo gli sforzi di conversione. Le singole macchine di prova possono essere regolate in base alla forza richiesta per i vari tipi di test. Se i volumi di produzione non sono alti o abbastanza consistenti da poter investire in diverse macchine di prova, l'alternativa ideale è allestire una singola macchina di prova in modo da poter eseguire più metodi con il minor sforzo di riconfigurazione possibile.
ZwickRoell ha sviluppato un sistema modulare, disponibile come macchina di prova da 100 kN o 250 kN, che copre 21 metodi di prova e circa 120 standard di prova (ISO, EN, ASTM, nonché Airbus AITM e Boeing BSS), e che consente una caratterizzazione completa dei materiali compositi fibrorinforzati a temperatura ambiente o a basse o alte temperature da -80 °C a +360 °C.
Prove di compressione con carico assiale grazie al software di prova testXpert
Il nostro software di prova testXpert consente non solo di eseguire prove efficienti, ma anche di ottenere risultati affidabili in conformità alla norma ASTM D695 e alle varianti della prova di compressione con carico assiale sviluppate a partire dalla norma ASTM D695.
- Evitate la fatica di studiare le norme: i programmi di prova standard garantiscono la conformità alle norme - tutti i valori e i parametri caratteristici di ASTM D695 e DIN EN 2850 sono già registrati.
- La massima efficienza di prova si ottiene grazie al collegamento dei dispositivi periferici: quando le dimensioni del provino dal micrometro vengono inviate direttamente al software di prova, si risparmia tempo e si evitano errori di inserimento.
- Inoltre, è possibile verificare e controllare la temperatura nella camera tramite il software. Impostazione delle rampe di temperatura e chiara visualizzazione dei valori raggiunti, con tracciabilità.
Misurazione della deformazione secondo ASTM D695 e varianti
I sistemi più indicati per misurare la deformazione nelle prove di compressione con carico assiale secondo ASTM D695 sono gli strain gage posizionati centralmente sulla superficie del provino o gli estensimetri meccanici, che misurano la compressione sul bordo del provino. Se si utilizzano gli strain gage, gli elementi di supporto devono avere un intaglio al centro per evitare il contatto con la griglia di misurazione e i cavi.
La precisa centratura del provino nell'asse di carico e gli incavi del corpo del dispositivo per prove di compressione con carico assiale ZwickRoell consentono anche di utilizzare l'estensimetro automatico con braccetto makroXtens che misura entrambi i lati dei bordi del campione.
Nelle varianti sviluppate delle prove di compressione con carico assiale sviluppate da ASTM D695, la deformazione viene misurata solo per i provini destinati alla misurazione del modulo di compressione. Le norme di prova corrispondenti utilizzano talvolta dati diversi per la compressione massima durante la prova e per l'intervallo in cui il modulo di Young deve essere determinato.
- DIN EN 2850 Metodo B: carico di compressione fino ad almeno lo 0,5% (5000 µe) di compressione; determinazione del modulo di Young tra lo 0,1% e lo 0,5% (metodo preferito, se non diversamente indicato).
- Boeing BSS 7260: carico di compressione fino ad almeno 3000 µe di compressione; determinazione del modulo di Young tra 1000 e 3000 µe.
- SACMA SRM-1R-94: carico di compressione fino a 5000 µe; determinazione del modulo di Young tra 1000 e 3000 µe; si raccomanda l'uso di strain gage applicati su entrambi i lati per monitorare un carico di flessione sovrapposto; se la deviazione tra i segnali dei due strain gage è superiore al 10%, la prova non è valida e deve essere ripetuta.
Come descritto in precedenza, la misurazione della deformazione per il provino con “tacchi” applicati, per determinare la resistenza alla compressione, non è prevista per questi standard di prova vista la lunghezza libera di misurazione molto ridotta.
Un estensimetro meccanico che misura i bordi del provino è adatto anche per i provini a osso di cane utilizzati nella norma ASTM D695 per spessori del provino inferiori a 3,2 mm, per determinare sia il modulo di Young che la resistenza alla compressione.
| Normativa | Tipo provino | Disegno schematico (non in scala) | Utilizzo e istruzioni |
|---|---|---|---|
| ASTM D695 | A osso di cane, per spessore del provino inferiore a 3,2 mm |  | Plastiche non rinforzate e rinforzate con rigidità fino a 41 Gpa (ad esempio, anche compositi in tessuto GFRP) |
DIN EN 2850 Metodo B Boeing BSS 7260 SACMA SRM-1R-94 | B1 Tipo III Provino resistenza alla compressione |  | UD* e compositi in tessuto (GFRP, CFRP)
|
DIN EN 2850 Metodo B Boeing BSS 7260 SACMA SRM-1R-94 | B2 Tipo IV Provino modulo di compressione |  |
FAQ
La norma ASTM D695 descrive la prova di compressione per determinare i valori meccanici come il modulo di Young e la resistenza delle plastiche rigide secondo il principio della compressione con carico assiale, in cui la forza viene applicata unicamente attraverso le estremità del campione. La norma ASTM D695 può essere utilizzata per i compositi con una rigidità fino a 41 GPa, che comprende, ad esempio, i compositi in tessuto rinforzati con fibre di vetro. Per le plastiche ad alto modulo e le plastiche rinforzate con uno spessore del laminato < 3,2 mm, è necessario un dispositivo di supporto.
La norma ASTM D695 descrive la prova di compressione per la determinazione dei valori meccanici, come il modulo di Young e la rigidità delle materie plastiche rigide. La norma ASTM D695-15 si riferisce all'anno di pubblicazione 2015, ma da allora è stata aggiornata e sostituita dalla norma ASTM D695-23 o ASTM D695:2023.
Per le plastiche non rinforzate e rinforzate con uno spessore < 3,2 mm, la norma ASTM D695 prevede un provino a osso di cane, lunghezza L = 79,4 mm, larghezza B = 19 mm con cui è possibile determinare il modulo di compressione (se si utilizza un sistema di misurazione della deformazione adeguato) e la resistenza alla compressione. Tuttavia, i provini a osso di cane non sono adatti per i compositi UD. Le varianti sviluppate a partire dall'ASTM D695 utilizzano quindi sempre due diversi provini di sezione rettangolare uniforme: un provino senza tab per la determinazione del modulo di compressione e un provino con tab adesivo per la determinazione della resistenza alla compressione.
