ASTM D6641 compressione con carico combinato
ASTM D6641 è un metodo di prova standardizzato per la determinazione del modulo di Young, della resistenza e della deformazione a rottura di laminati compositi fibrorinforzati sottoposti al carico di compressione. La prova è adatta per laminati UD a 0°, 90°, multidirezionali, compositi scrim posati, o compositi di fibre con fibre di rinforzo discontinue e distribuite in modo casuale (ad esempio, compositi di fibre tagliate, SMC).
Nella prova di compressione con carico combinato, viene applicato un carico combinato costituito da una componente di forza normale, introdotta attraverso le facce terminali, e da una componente di taglio, introdotta attraverso la parte bloccata del campione. L'applicazione di questa forza combinata è particolarmente vantaggiosa per le prove di compressione su laminati compositi fibrorinforzati ad alta resistenza. Per ottenere risultati ottimali, è essenziale rispettare le tolleranze previste dalla norma in termini di parallelismo delle facce finali del campione e di perpendicolarità delle facce finali rispetto alla direzione di carico.
Secondo la norma ASTM D6641, si possono utilizzare sia campioni senza tabs (procedura A) sia campioni con tabs (procedura B). Per ulteriori informazioni, consultare la sezione “Provini e dimensioni”.
Altri standard di prova comunemente utilizzati per le prove di compressione sulle plastiche con fibre lunghe o continue sono l'ASTM D695 o la DIN EN 2850 Metodo B secondo il principio del carico assiale puro e l'ASTM D3410 o la ISO 14126 metodo 1 secondo il principio del carico di taglio puro. Un'altra prova di compressione standardizzata con carico combinato è descritta nel metodo 2 della norma ISO 14126.
Obiettivo e valori caratteristici Eseguire un test Dispositivo di prova CLC Macchine di prova Misurazione della deformazione Requisiti di prova Provini
Obiettivo della prova e valori caratteristici determinati secondo ASTM D6641
Le prove di compressione sui compositi secondo la norma ASTM D6641 vengono eseguite per determinare le proprietà meccaniche di compressione durante lo sviluppo e la qualificazione dei materiali, per determinare i valori caratteristici per la progettazione di strutture in composito e per il controllo della qualità.
La prova di compressione con carico combinato secondo la norma ASTM D6641 può essere eseguita per la determinazione dei seguenti risultati e valori caratteristici:
- Stress a compressione: forza di compressione relativa alla sezione trasversale iniziale del provino
- Deformazione a compressione: variazione base di misura con riferimento alla base di misura iniziale in direzione di carico.
- Modulo di compressione: pendenza della curva sforzo-deformazione nel test di compressione 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 nella prova di compressione.
- Deformazione a rottura: compressione quando viene raggiunta la resistenza a trazione.
Se si utilizza uno strain gage biassiale, con il quale è possibile misurare la deformazione in direzione longitudinale e trasversale, il rapporto di Poisson può essere determinato anche durante una prova di compressione secondo ASTM D6641. Tuttavia, difficilmente si riesce a mettere in pratica in quanto la lunghezza del campione, durante la prova di compressione, è piuttosto ridotta. Per determinare il rapporto di Poisson si ritiene più adatta la prova di trazione secondo le norme ISO 527-4,-5 o ASTM D3039.
Come viene eseguita la prova di compressione secondo ASTM D6641?
Di seguito sono riportate importanti informazioni sull'esecuzione della prova di compressione sui compositi con carico combinato, sulle macchine, i dispositivi di prova e gli strain gage necessari. Per informazioni complete sulla norma ASTM D6641, è indispensabile acquistarla.
ASTM D6641 Dispositivo per prove di compressione con carico assiale
La prova di compressione con carico combinato (CLC) secondo ASTM D6641 richiede un dispositivo di prova che consenta l'applicazione di forze combinate attraverso le facce finali e la parte bloccata del campione.
Nel dispositivo di compressione con carico combinato lo strumento di carico combinato, il campione è bloccato in alto e in basso tramite 4 bulloni ciascuno nella parte guidata dello strumento. Le parti terminali del campione combaciano con quelle del dispositivo. Il dispositivo di prova viene posizionato con il campione inserito tra i piatti di compressione temprati allineati parallelamente e caricati sotto compressione fino alla rottura del campione.
Secondo la norma ASTM D6641, per la prova di compressione con carico combinato è possibile utilizzare anche un altro dispositivo di prova che corrisponde allo stesso principio di carico combinato nel campione:
Il dispositivo a compressione idraulica su compositi (HCCF), disponibile in esclusiva da ZwickRoell, per prove di compressione su compositi fino a 250 kN, strumento di prova estremamente versatile, è adatto per la prova di compressione con carico combinato secondo la norma ASTM D6641.
Vantaggi e caratteristiche del dispositivo HCCF
- Consente di effettuare prove di compressione utilizzando il principio del carico combinato (ASTM D6641, ISO 14126 metodo 2 o Airbus AITM 1-0008).
- Consente di eseguire prove di compressione con carico di taglio puro (ASTM D3410 o ISO 14126 metodo 1).
- Forze di compressione fino a 250 kN.
- Per campioni con larghezza fino a 35 mm e spessore del laminato fino a 10 mm.
- Processo rapido dei campioni durante le prove, poiché l'HCCF rimane nella macchina di prova.
- Le guancette sono allineate con precisione l'una all'altra e non possono muoversi l'una rispetto all'altra durante la prova.
- Visione senza ostacoli della parte libera del campione per l'uso di metodi di misurazione ottica della deformazione come la correlazione digitale dell'immagine (DIC)
Nota: ASTM D6641 richiede la misurazione della deformazione su due lati delle superfici opposte nella parte libera del provino.A causa dell'area relativamente piccola di 13x13 mm² della geometria standard del provino ASTM D6641, gli strain gage sono generalmente il metodo più adatto per la misurazione delle deformazioni. Per maggiori informazioni vai alla sezione “ Misurazione della deformazione ” .
- Una deformazione causata da deviazioni nello strato adesivo o nello spessore dei tabs durante il bloccaggio del provino - riconoscibile da una differenza assoluta di >150 µe tra gli strain gage che misurano su entrambi i lati - può essere corretta in modo rapido e semplice aprendo le guancette e spessorando.
- Può essere utilizzato per prove di compressione in un intervallo di temperatura da -60 °C a +150 °C.
- Le pompe idrauliche ad azionamento manuale consentono un serraggio molto preciso del provino.
Per l'HCCF sono disponibili inserti di guancette con un pattern graduato o con una superficie ruvida applicata utilizzando un processo di rivestimento termico. Le guancette con rivestimento termico devono essere utilizzate quando si testano campioni senza tabs (ASTM D6641 procedura A).
Macchine di prova per ASTM D6641
Per le prove di trazione secondo ASTM D6641 con provini standard e per molti altri metodi di prova standardizzati per le materie plastiche fibrorinforzate, è spesso sufficiente l'uso di una macchina di prova AllroundLine da 100 kN . L'immagine mostra la configurazione per le prove di compressione con un dispositivo HCCF e barre di prolunga in alto e in basso, per eseguire le prove di compressione nella camera di temperatura. Le barre di prolunga non sono necessarie per le prove di compressione a temperatura ambiente. Con la configurazione della macchina da 100 kN, l'uso di morse meccaniche body-over-wedge consente di passare facilmente da una configurazione di prova all'altra e da un dispositivo di prova all'altro. Semplicemente rimuovendo le morse, l'intera area di lavoro della macchina di prova può essere utilizzata anche per prove non standard. Le gambe di supporto consentono una regolazione individuale ed ergonomica dell'altezza dell'area di lavoro.
Se le prove vengono eseguite esclusivamente su materiali plastici rinforzati con fibre di vetro (GFRP), di norma è sufficiente una macchina statica con una forza massima di 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 affidabili secondo ASTM D6641 grazie al nostro software di prova testXpert
Il nostro software di prova testXpert supporta prove efficienti e risultati affidabili in conformità alla norma ASTM D6641:
- Viene eliminata la necessità di studiare le norme: garanzia di conformità alle norme attraverso programmi di prova standard: tutti i valori e i parametri caratteristici della norma ASTM D6641 sono già memorizzati.
- È possibile ottenere la massima efficienza di prova collegando dispositivi periferici: quando le dimensioni del campione dal micrometro vengono inviate direttamente al software di prova, si risparmia tempo e si evitano errori di immissione.
- Verifica e controllo della temperatura nella camera anche tramite il software. Impostazione delle rampe di temperatura e chiara visualizzazione dei valori raggiunti, con tracciabilità.
Misurazione della deformazione mediante prova di compressione secondo la norma ASTM D6641
La prova di compressione secondo la norma ASTM D6641 richiede la misurazione della deformazione su entrambi i lati e indipendente nell'area libera non supportata del provino (base di misura). A causa dell'area relativamente piccola di 13x13 mm2 della geometria nominale del provino, l'uso di strain gage applicati su entrambi i lati è il metodo più adatto per la misurazione delle deformazioni.
Per rilevare qualsiasi flessione percentuale e distinguere le prove valide da quelle non valide, è necessaria una misurazione della deformazione indipendente e su entrambi i lati del provino. Per maggiori informazioni vai alla sezione Condizioni di prova - Monitoraggio della deformazione di flessione sovrapposta (percentuale di flessione) .
Grazie al design aperto del dispositivo di compressione HCCF, è possibile utilizzare anche un estensimetro clip-on che misura in modo indipendente su entrambi i lati. Tuttavia, è necessaria una lunghezza libera di almeno 13 mm. Una lunghezza libera maggiore è consentita secondo la norma ASTM D6641 ed è vantaggiosa per l'uso di un estensimetro clip-on, a condizione che lo spessore del provino sia dimensionato di conseguenza per evitare l'instabilità euleriana.
Condizioni di prova secondo ASTM D6641
Velocità di prova
La velocità di prova secondo ASTM D6641 è 1,3 mm/min.
Rottura di un provino valido
ASTM D6641 fornisce un codice di 3 lettere per la documentazione della rottura del provino, che definisce chiaramente la modalità di cedimento e la posizione lungo il provino. In base all'architettura delle fibre e del laminato testato, il campione può cedere in modi diversi durante la prova di compressione, ad esempio rottura lungo la larghezza del provino, rottura a taglio ad angolo attraverso lo spessore del provino (di solito nelle prove di compressione su laminati UD a 90°), kink band, brooming, spaccatura, delaminazione o combinazioni di diverse modalità di rottura valide.
La prova di compressione è valida solo se il provino si rompe entro la lunghezza libera. Una frattura nell'area centrale della lunghezza libera corrisponde al caso ideale, ma a causa della lunghezza libera ridotta e delle superfici di frattura parzialmente angolate, le rotture si verificano anche nel passaggio dalle guancette all'area libera o nel passaggio dal tab all'area libera. Anche queste sono fratture valide.
I tipi di rottura non validi sono l'instabilità euleriana o la rottura sulle facce terminali del provino e qualsiasi tipo di rottura del provino nell'area di serraggio.
Controllo della flessione percentuale
Oltre al cedimento del provino valido, per una prova di compressione complessivamente valida in conformità alla norma ASTM D6641, la percentuale di flessione sul carico di compressione non deve superare un intervallo specifico. Il valore di flessione percentuale calcolato a tal fine è determinato utilizzando i segnali di deformazione ε1 e ε2 determinati su entrambi i lati del provino utilizzando la formula By=(ε1-ε2)/(ε1+ε2)×100.
Per un test valido: By<10% nell'intervallo di allungamento medio della determinazione del modulo di Young a 2000 µε e By<10% per la resistenza alla compressione e la deformazione a rottura.
Se nel segnale di deformazione si verificano salti e discontinuità dovuti a pre-cedimenti nel laminato in prossimità del carico di rottura, la prova è valida anche se il criterio di flessione percentuale è soddisfatto al 90% della resistenza alla compressione.
Range di temperatura
Poiché le proprietà meccaniche dei materiali plastici fibrorinforzati possono dipendere in larga misura dalla temperatura, oltre alle prove di compressione a temperatura ambiente, vengono eseguite anche prove a temperature basse ed elevate. A questo scopo, il dispositivo di compressione HCCF ZwickRoell può essere utilizzato in un intervallo di temperatura compreso tra -60° e +150 °C, che copre i comuni intervalli di test di temperatura tra -40° e +80 °C (+120 °C) per le applicazioni automobilistiche e tra -55 °C e +120 °C nell'aviazione.
ASTM D6641 provini e dimensioni
| Tipo provino | Schema del provino | Note: |
|---|---|---|
| Senza tabs (Procedura A) |  | Può essere utilizzato per laminati multidirezionali con meno del 50% di strati a 0° se è possibile evitare il cedimento sulle facce finali del provino e non richiede un forte aumento della forza di serraggio oltre il livello raccomandato. |
| Con tabs (Procedura B) |  |
|
- Come materiale per il tab si può usare un laminato in PRFV a ±45°, che viene incollato al laminato da testare usando un adesivo idoneo. Per spessori di provino fino a 2,5 mm, si consideri uno spessore del tab di circa 1,6 mm. Per campioni di spessore maggiore, possono essere utilizzati tab più spessi.
- La norma ASTM D6641 non definisce uno spessore standard per i provini. Di solito vengono testati provini di spessore compreso tra 2 e 3 mm. È possibile testare anche laminati più spessi, a condizione che il dispositivo per le prove di compressione utilizzato a tale scopo sia adatto. Per i provini di spessore inferiore, è necessario rispettare il dimensionamento contro l'instabilità euleriana specificato nella norma, soprattutto per i laminati con bassa rigidità.
- Il dispositivo di compressione HCCF è stato originariamente sviluppato per la prova di compressione a carico combinato secondo la norma Airbus AITM 1-0008. La lunghezza delle guancette specificata nell'AITM 1-0008 è di 65 mm, quelle originali dell'HCCF sono quindi troppo lunghe di 1,5 mm per la geometria del provino standard ASTM D6641. Per eseguire la prova di compressione con carico combinato secondo la norma ASTM D6641 con l'HCCF, è necessario utilizzare provini di compressione lunghi 143 mm. In alternativa, è possibile utilizzare guancette adeguate progettate per la lunghezza nominale del provino di 140 mm.
