ASTM D6641 複合荷重圧縮
ASTM D6641は、圧縮荷重を受けた繊維複合材ラミネートのヤング率、強度、破断時のひずみを測定するための標準試験方法です。このテストは、0°、90°、または多方向 UD ラミネート、織り込みおよび積層スクリム複合材、または不連続かつランダムに分散した強化繊維を含む繊維複合材 (チョップド ファイバー複合材、SMC など) に適しています。
複合荷重圧縮試験では、端面を介した垂直力成分と、試験片のクランプ部分を介したせん断力成分によって複合力が加えられます。この複合力の適用は、高強度の繊維複合材ラミネートの圧縮試験に特に有利です。最適な結果を得るには、試験片端面の平行度と、端面と荷重方向の垂直度について、規格で規定されている許容値に準拠することが不可欠です。
ASTM D6641に従って、タブなし試験片 (手順 A) とタブ付き試験片 (手順 B) の両方を使用できます。詳細については、以下の「試験片と寸法」セクションを参照してください。
長繊維または連続繊維強化プラスチックの圧縮試験でよく使用される他の試験規格は、純粋な端部荷重原理によるASTM D695または DIN EN 2850 方法 B、および純粋なせん断荷重原理によるASTM D3410または ISO 14126 方法 1 です。別の標準化された複合荷重圧縮試験は、ISO 14126 方法 2に記載されています。
試験の目的とASTM D6641に基づく決定された特性値
ASTM D6641 に準拠した複合材料の圧縮試験は、材料の開発と認定中に機械的圧縮特性を判定し、複合構造のレイアウトと設計の特性値と品質保証を判定するために実施されます。
ASTM D6641 に準拠した複合荷重圧縮試験は、次の特性結果と値を判定するために使用できます:
- 圧縮応力: 試験片の初期断面に関連する圧縮力
- 圧縮ひずみ: 荷重方向の初期ゲージ長を基準としたゲージ長の変化
- 圧縮係数: 圧縮試験における、弾性範囲内の特定のひずみ間隔での応力-圧縮曲線の傾き。弾性係数またはヤング率とも呼ばれます
- 圧縮強度: 圧縮試験中に試験片が受ける最大圧縮応力 (公称)
- 破断時のひずみ: 圧縮強度に達したときの圧縮
縦方向と横方向のひずみを測定できる 2 軸ひずみゲージを使用する場合、ASTM D6641 に従って圧縮試験でポアソン比も測定でき、この規格でそれについて説明されています。ただし、圧縮試験では試験片の自由長が比較的短いため、非現実的でほとんど実施されません。ISO 527-4、-5 またはASTM D3039に準拠した引張試験は、ポアソン比の判定にはるかに適しています。
ASTM D6641 に準拠した圧縮試験はどのように実施されますか？
以下に、複合材料の複合荷重圧縮試験の実施と、必要な試験機、試験装置、ひずみゲージに関する重要な情報を示します。ASTM D6641 の詳細情報については、規格を購入する必要があります。
ASTM D6641 複合荷重圧縮試験治具
ASTM D6641 複合荷重圧縮 (CLC) 試験では、端面と試験片のグリップ部分を介して力を複合的に適用できる試験治具が必要です。
規格に示されている複合荷重圧縮治具では、試験片は治具の上部と下部の相互にガイドされた部分にある 4 本のボルトでグリップされます。試験片の端面は、デバイスの端面と面一になっています。次に、試験片を取り付けた試験治具を、平行に並んだ硬化圧縮盤の間に置き、試験片が破断するまで圧力をかけます。
ASTM D6641 に従って、試験片に複合力を適用する原理に対応する複合荷重圧縮試験にも、同等の試験治具を使用できます。
ツビックローエルが独占的に提供している油圧複合材圧縮治具 (HCCF) は、最大 250 kN の複合材の圧縮試験に使用でき、非常に汎用性の高い圧縮治具で、ASTM D6641 の複合荷重圧縮試験にも適しています。
HCCF の利点と機能
- 複合荷重圧縮原理 (ASTM D6641、ISO 14126 メソッド 2、または Airbus AITM 1-0008) に従って圧縮試験を実行できます。
- 圧縮試験を純粋なせん断荷重原理 (ASTM D3410 または ISO 14126 方法 1) に従って実行できます
- 250 kNまでの圧縮試験力
- 試験片の幅は最大 35 mm、積層板の厚さは最大 10 mm
- HCCF が試験機内に残っているため、試験中の試験片のスループットが高速
- ジョーは互いに正確に位置合わせされており、試験中にジョーが互いに対してずれることはありません
- 試験片の自由部分を制限なく表示できるため、 デジタル画像相関 (DIC) などの光学的ひずみ測定方法 を使用できます
注記: ASTM D6641 では、試験片の自由部分の反対側の表面で両面ひずみ測定を行う必要があります。標準 ASTM D6641 試験片形状の面積は 13 x 13 mm² と比較的小さいため、ひずみ測定には一般にひずみゲージが最も適した方法です。詳細については、以下の「 ひずみ測定」セクションを参照してください。
- 試験片をクランプする際の接着層またはタブの厚さの偏差によって生じる変形 (両側で測定するひずみゲージ間の絶対差が 150 µe を超えることで認識可能) は、チャック歯を開いてシム調整することで迅速かつ簡単に修正できます。
- -60℃～ +150℃の温度範囲での圧縮試験に使用できます。
- 手動操作の油圧ポンプにより、非常に正確な試験片のクランプが可能になります
HCCFには、スケールパターン付きまたは熱コーティングプロセスを使用して粗い表面を塗布したチャック歯インサートが用意されています。熱コーティング付きのチャック歯は、タブなしの試験片をテストするときに使用する必要があります (ASTM D6641 手順 A)。
ASTM D6641 用試験機
標準試験片を使用したASTM D6641の圧縮試験や、繊維強化プラスチックのその他の多くの標準化されたテスト方法では、 100 kN AllroundLine 試験機を使用すれば十分な場合がよくあります。HCCF 圧縮固定具と上部と下部の延長ロッドを使用した圧縮テストのテスト セットアップを示します。これにより、恒温槽内で圧縮テストを実行できます。室温での圧縮テストでは、延長ロッドは必要ありません。示されている 100 kN のマシン構成では、引張試験用の機械式ボディオーバーウェッジ試験片グリップ (右上の小さな画像を参照) を使用すると、さまざまな試験設定と試験固定具を簡単に切り替えることができます。試験片グリップを取り外すだけで、試験機の作業領域全体を非標準試験にも使用できます。サポート脚により、作業領域の高さを個別に人間工学的に調整できます。
ガラス繊維強化プラスチック (GFRP) のみで試験を行う場合、通常は最大力 50 kN の静的試験機で十分です。
複合材のモジュール試験システム
非常に多様な複合材料の試験方法に対応するため、試験ボリュームの多い大規模な試験ラボでは、異なる試験機を使用することで、変換作業を最小限に抑えることができます。各試験機は、さまざまな試験に必要な力の範囲に調整できます。スループットが高く、または一貫性がない場合、複数の試験機に投資するのは合理的でないかもしれません。その場合、最も少ない機械変換作業でできるだけ多くの試験方法を実施できるよう、単一の試験機を装備するという選択肢が考えられます。
ツビックローエルは、100kNまたは250kNの試験機として利用可能なモジュールデザインを開発しました。この試験機は、常温または-80℃から+360℃までの低温または高温での試験を含む、21の試験方法と約120の試験規格（ISO、EN、ASTM、エアバス AITM、ボーイング BSSを含む）をカバーし、繊維強化複合材料の包括的な特性評価を可能にします。
当社の testXpert 試験ソフトウェアによる ASTM D6641 に準拠した信頼性の高い試験
当社のtestXpert 試験ソフトウェアは、ASTM D6641 に準拠した効率的な試験と信頼性の高い試験結果をサポートします:
- 規格の調査が不要になります: 規格試験プログラムによる規格への準拠が保証されています。ASTM D6641 のすべての特性値とパラメータがすでに保存されています。
- 周辺機器を接続することで、試験効率を最大限に高めることができます。マイクロメータまたはキャリパーから試験片の寸法をテストソフトウェアに直接送信すると、時間が節約され、入力エラーがなくなります。
- チャンバー内の温度もソフトウェアで確認および制御できます。温度勾配を設定し、追跡可能な値で過去にさかのぼって維持された値を確認します。
試験片の両面の独立したひずみ測定は、曲げ率を検出し、有効なテストと無効なテストを区別するために必要です。下記の「試験条件 – 重ね合わせた曲げ変形 (曲げ率) のモニタリング」セクションを参照してください。
HCCF 圧縮固定具はオープン設計のため、両側を独立して測定するクリップオン伸び計を使用することもできます。ただし、これには少なくとも 13 mmの自由長が必要です。ASTM D6641 に従って、より長い自由長が許容され、オイラー座屈を回避するために試験片の厚さが適切に寸法設定されている限り、クリップオン伸び計の使用に有利です。
ASTM D6641 に準拠した試験原理
試験速度
ASTM D6641 に準拠した公称試験速度は 1.3 mm/分です。
有効な試験片の破損
ASTM D6641 は、試験片の破損を記録するための3文字のコードを提供しており、破損モードと試験片に沿った位置を明確に定義しています。繊維構造と試験対象のラミネートに応じて、圧縮試験では、試験片の幅全体にわたる破損、試験片の厚さを通した斜めのせん断破損 (通常、90° UD ラミネートの圧縮試験)、キンク バンド、ブルーミング、スプリッティング、剥離、またはさまざまな有効な破損モードの組み合わせなど、さまざまな有効な破損モードが発生する可能性があります。
圧縮試験は、試験片が自由長内で破損した場合にのみ有効です。自由長の中央領域での破損は理想的なケースに相当しますが、自由長が短く、破損面が部分的に角度が付いているため、ジョーから自由領域への移行部分、またはタブから自由領域への移行部分でも破損が発生します。これも有効な試験片破損と見なされます。
無効な破損タイプは、オイラー座屈または試験片端面の破損、およびクランプ領域でのあらゆる種類の試験片破損です。
曲げ率の監視
有効な試験片破損に加えて、ASTM D6641 に準拠した全体的な有効な圧縮テストでは、圧縮荷重での曲げ率が指定範囲を超えてはなりません。これに対して計算される曲げ率の値は、試験片の両側で決定されたひずみ信号 ε1および ε2 を使用して、By=(ε1-ε2)/(ε1+ε2)×100という式を使用して決定されます。
有効なテストの場合: 2000 µε でのヤング率測定の平均伸び間隔で By<10%、圧縮強度と破断時のひずみで By<10%。破断強度付近で積層体の事前破損により
ひずみ信号にジャンプや不連続性が発生した場合、圧縮強度の 90% で曲げ率基準が満たされていても、テストは有効です。
温度レンジ
繊維強化プラスチックの機械的特性は温度に大きく依存する可能性があるため、常温での圧縮テストに加えて、低温および高温でのテストも実行されます。この目的のために、ツビックローエル HCCF 圧縮治具は -60°～ +150℃の温度範囲で使用できます。これは、自動車用途では -40°～ +80℃ (+120 °C)、航空用途では -55℃～ +120℃の温度テストの一般的な範囲をカバーします。
ASTM D6641 試験片と寸法
| 試験片タイプ | 試験片の概略図 | 注意 |
|---|---|---|
| タブなし (手順 A) |  | 試験片の端面での破損を回避でき、 推奨レベルを超えるグリップ力の大幅な増加を必要としない場合、 0° 層が 50% 未満の多方向ラミネートに使用できます。 |
| タブ付き (手順 B) |  |
|
- タブ材料として ±45° GRP ラミネートを使用でき、適切な接着剤を使用してラミネートに接着してテストします。試験片の厚さが最大 2.5 mm の場合、約 1.6 mm のタブ厚さが適切であることが証明されています。試験片の厚さがさらに厚い場合は、必要に応じてより厚いタブを選択する必要があります。
- ASTM D6641 では、標準の試験片の厚さは定義されていません。通常、試験片の厚さは 2 ～ 3 mm です。より厚い積層板も、この目的で使用される圧縮試験治具が適切であれば試験できます。試験片の厚さが薄い場合、特に剛性の低い積層板の場合、規格で指定されているオイラー座屈に対する寸法設定を遵守する必要があります。
- HCCF 圧縮治具は、もともと Airbus AITM 1-0008 に従った複合荷重圧縮試験用に開発されました。AITM 1-0008 で指定されているチャック歯の長さは 65 mm です。したがって、HCCF の元のチャック歯は、標準 ASTM D6641 試験片形状に対して 1.5 mm 長すぎます。ASTM D6641 に従った複合荷重圧縮試験を HCCF で実行するには、長さ 143 mm の圧縮試験片を使用する必要があります。代わりに、公称試験片長さ 140 mm 用に設計された適切なチャック歯を使用することもできます。
