ASTM D3039 Trektest op composieten
De trektest volgens ASTM D3039 / ASTM D3039M wordt gebruikt voor het bepalen van de trekmodulus en de poissonverhouding, maar ook de treksterkte van composietmaterialen. Dit zijn met continue vezels versterkte unidirectionele (UD) en multidirectionele (MD) composietlaminaten. MD laminaten kunnen bestaan uit lagen UD laminaten, geweven materialen of andere textielvezelarchitecturen. Vezelversterkte composieten met discontinue en willekeurig verdeelde vezels (bv. Sheet Molding Compounds - SMC) kunnen ook getest worden.
Andere normen die frequent gebruikt wordt voor trektests op met lange of continue vezels versterkte kunststoffen zijn ISO 527-4 (testcondities voor isotropische en anisotropische vezelversterkte kunststoffen) en ISO 527-5 (testcondities voor unidirectionele vezelversterkte kunststoffen).
Doel en karakteristieke waarden Uitvoeren van de test & testuitrusting Testcondities Samples & afmetingen Bijkomende informatie FAQ Downloads
Doel van de test en karakteristieke waarden volgens ASTM D3039
Trektests op composieten volgens ASTM D3039 worden uitgevoerd voor het bepalen van de trekeigenschappen tijdens de ontwikkeling en het kwalificatieproces van materialen. Ze leveren de karakteristieke waarden voor de samenstelling en het ontwerp van structuren uit composiet, maar ook voor kwaliteitscontrole.
Los van het soort vezelversterking worden de volgende karakteristieke resultaten en karakteristieke waarden bepaald in ASTM D3039:
- Trekspanning: kracht ten opzichte van de initiële doorsnede van het sample
- Axiale rek: verandering van de meetlengte ten opzichte van de initiële meetlengte in de belastingsrichting
- Transverse rek: Verandering van de meetlengte ten opzichte van de initiële meetlengte in dwarsrichting (enkel nodig voor bepaling van de Poissonverhouding)
- Trekmodulus: helling van de spanning/rekcurve in een bepaald rekinterval in het elastische gebied. Ook elasticiteitsmodulus of Young’s modulus genoemd
- Treksterkte: maximale waarde van de trekspanning tijdens de trektest
- Rek bij breuk: axiale rek wanneer de treksterkte bereikt wordt
- Poissonverhouding: negatieve verhouding van dwarsrek ten opzichte van langsrek
Bij vezelversterkte composieten met bi-lineair spanning-rek gedrag kan een bijkomende karakteristieke waarde bepaald worden:
- Transitierek: Gemiddelde waarde van de axiale rek in de transitiezone. Wordt gewoonlijk bepaald uit de axiale spanning/rekcurve
Zowel ASTM D3039 als de ISO 527-4/ISO 527-5 normen leggen testcondities vast voor trektests op composieten. Ondanks de gelijkenissen tussen de testmethoden, zijn de bepaalde karakteristieke waarden niet volledig vergelijkbaar, aangezien de samplevorm, de afmeting en de bepaling van de eigenschappen afwijken op sommige vlakken (bv. rekinterval voor de trekmodulus en de hierboven vermelde transitierek).
Om het uitvoeren van de test te vergemakkelijken, zijn testXpert testprogramma’s beschikbaar met vooraf ingestelde parameters volgens de norm ASTM D3039.
Sampleklemmen en uitlijneenheid voor betrouwbare testresultaten volgens ASTM D3039
Voor het uitvoeren van een trektest volgens en ASTM D3039 wordt het passende treksample geklemd in de sampleklemmen van een statische testmachine. Het is aanbevolen regelmatig de correcte uitlijning van de sampleklemmen te controleren volgens ASTM E1012. Voor Nadcap geaccrediteerde testlaboratoria in de lucht- en ruimtevaartsector is een bewijs van uitlijning verplicht.
Mechanische body-over-wedge of hydraulische body-over-wedge klemmen zijn ideaal voor deze toepassing. Als een bewijs van uitlijning niet noodzakelijk is, kunnen ook uitlijnbare wig-schroefklemmen gebruikt worden.
Modulair testsysteem voor vezelversterkte composieten
Grotere testlaboratoria met hoge testvolumes gebruiken verschillende testmachines voor de zeer diverse testmethoden voor composieten, en kunnen daardoor besparen op ombouwwerkzaamheden. De individuele testmachines zijn afgestemd op het krachtbereik dat nodig is voor de verschillende testtypes. Bij kleinere hoeveelheden samples is de investering in meerdere testmachines niet zo rendabel, en is het voordelig één testmachine zo uit te rusten dat zo veel mogelijk testmethodes uitgevoerd kunnen worden met zo weinig mogelijk ombouwwerk.
ZwickRoell heeft een modulair design ontwikkeld dat beschikbaar is met een 100 kN of 250 kN testmachine en geschikt is voor meer dan 21 testmethoden en ongeveer 120 testnormen (ISO, EN, ASTM maar ook Airbus AITM en Boeing BSS). Met deze machines kunnen vezelversterkte composieten uitgebreid gekarakteriseerd worden bij kamertemperatuur of bij lage en hoge temperaturen van -80 °C tot +360 °C.
testXpert testsoftware: gegarandeerd betrouwbaar testen volgens ASTM 3039
Efficiënte tests en betrouwbare testresultaten volgens ASTM D3039 zijn makkelijk met onze testXpert testsoftware:
- Bespaar u het bestuderen van de normen: ons standaard testprogramma voldoet aan ASTM D3039, gegarandeerd. Alle vereiste karakteristieke waarden en parameters uit ASTM D3039 zijn al vooraf geconfigureerd in het testprogramma.
- Het verbinden van randapparatuur verhoogt uw efficiëntie nog meer: de afmetingen van het sample worden rechtstreeks van de micrometer naar de testsoftware gestuurd, waardoor u tijd bespaart en ingavefouten vermijdt.
- De temperatuurkast is ook handig in de testsoftware geïntegreerd: controleer en stuur de temperatuur in de kamer, stel temperatuurstijgingen in en bekijk achteraf de aangehouden waarden, met traceerbaarheid.
Trekbanken voor ASTM 3039
Een 100 kN testmachine is vaak voldoende voor trektests volgens ASTM D3039 en vele andere genormeerde testmethoden voor vezelversterkte kunststoffen. Bij de rechts getoonde 100 kN machineconfiguratie maken de mechanische body-over-wedge klemmen het wisselen van testopstellingen en testwerktuigen makkelijk. Aangezien de klemmen makkelijk weg te nemen zijn, kan de hele werkruimte van de machine ook gebruikt worden voor niet-genormeerde tests. Dankzij de steunpoten kan de hoogte van de werkruimte individueel en ergonomisch ingesteld worden.
Als enkel tests uitgevoerd worden op glasvezelversterkte kunststoffen (GFK), volstaat normaal gezien een statische machine met een maximale kracht van 50 kN.
Extensometers voor rekmeting volgens ASTM D3039
Voor een correcte bepaling van de elastische karakteristieke waarden en de rek bij breuk is het nodig de rek rechtstreeks op het sample te meten. Voor bepaling van de Young’s modulus en de rek bij breuk is meting van de axiale rek voldoende. Om ook de Poissonverhouding te bepalen, is een biaxiaal rekmeetsysteem nodig waarmee ook de transverse rek gemeten kan worden. Voor de rekmeting kan u gebruik maken van rekstrookjes, systemen met meetvoelers zoals clip-on extensometers (beperking: niet tot breuk) of automatische extensometers met meetvoelers (makroXtens, multiXtens) of contactloze optische systemen (videoXtens).
ASTM D3039 testcondities
Testsnelheid
ASTM D3039 beschrijft twee mogelijkheden voor het instellen van de testsnelheid.
Bij de ene wordt een constante reksnelheid van 0,01 min-1 ingesteld (nominale waarde). Alternatief kan de test uitgevoerd worden bij een constante snelheid van 2mm/min (nominale waarde).
- Geldige breuk van het sample
Voor het documenteren van de samplebreuk voorziet ASTM D3039 een code met 3 letters die het breuktype en de plaats op het sample uniek definieert. De breuk wordt als ongeldig beschouwd wanneer ze plaatsvindt in de klemmen, in de overgangszone of op een afstand kleiner dan de breedte van een sample ten opzichte van de klemmen. Rechte 0° UD laminaten vertonen echter vaak een explosieve breuk met hoge energie, waarbij de volledige vrije (ongeklemde) zone van het sample versplintert. Hier wordt de breuk gewoonlijk als geldig beschouwd.
Temperatuurbereik
Aangezien de mechanische eigenschappen van vezelversterkte kunststoffen zeer afhankelijk van de temperatuur kunnen zijn, worden naast diegene bij kamertemperatuur ook tests uitgevoerd bij verlaagde en verhoogde temperaturen. Hiervoor kan de testmachine uitgerust worden met een temperatuurkast voor een temperatuurbereik van -80 °C tot 360 °C.
Samples en afmetingen volgens ASTM D3039
| Sampletype / laminaat | Schematische voorstelling van de samplevorm (vereenvoudigd, niet op schaal) | Nota over het gebruik van kopstrips |
|---|---|---|
| 0° UD laminaat |  |
|
| 90° UD laminaat |  |
|
| Multidirectionele UD en geweven laminaten, discontinue vezelversterkte laminaten met willekeurige vezelrichting (bv. SMC) |  | Bij multidirectionele UD of geweven laminaten, of samples uit discontinue vezelversterkte laminaten met willekeurige vezelrichting, is het vaak voldoende een abrasief doek te gebruiken in plaats van gekleefde krachtinleidingselementen. |
- Gekleefde krachtinleidingselementen (kopstrips) zijn niet vereist, maar worden sterk aanbevolen voor UD laminaten, om ongeldige klembreuken te vermijden (breuk bij of in de klemmen).
- Glasvezelversterkte kunststoflaminaten (GFK) met een vezelrichting van ±45° ten opzichte van de belasting hebben zichzelf bewezen als geschikt materiaal voor de kopstrips.
- De specificaties voor de samplegeometrie bij verschillende laminaattypes in ASTM D3039 zijn aanbevelingen en laten toe resultaten te vergelijken tussen laboratoria. Afwijkende afmetingen van het sample zijn toegelaten op voorwaarde dat de algemene aanbevelingen uit de norm gerespecteerd worden.
- Bij gebruik van rekmeetsystemen met meetvoelers of contactloze rekmeetsystemen moet de meetlengte L0 liggen tussen 10 en 50 mm.
Bijkomende informatie over ASTM D3039
- Met de norm ASTM D3039 kunnen zowel het internationale eenhedensysteem (SI) als het inch-pound (imperiaal) systeem gebruikt worden. Het is echter belangrijk een mix van de twee eenhedensystemen te vermijden, aangezien dit kan leiden tot resultaten die niet conform zijn aan de norm.
- Om de trekeigenschappen te bepalen van een enkele laag, worden meerlagige composieten geproduceerd waarin elke individuele laag op dezelfde manier georiënteerd is. Dit is in het bijzonder het geval voor 0° of 90° UD laminaten. In het geval van geweven meerlagige composieten, worden de mechanische eigenschappen gekenmerkt met schering en inslagrichting.
- Naast het uitvoeren van trektests voor materiaalontwikkeling, materiaalkwalificatie en kwaliteitscontrole, worden de karakteristieke waarden van de enkelvoudige lagen ook gebruikt bij het ontwerp van structuren uit composiet in analytische berekeningsmethoden. Bij de klassieke laminaattheorie kunnen de elastische eigenschappen van een multidirectioneel gelaagd composiet bijvoorbeeld berekend worden uit de karakteristieke waarden van de respectievelijke individuele lagen. De sterktewaarden van de enkelvoudige lagen worden onder andere gebruikt voor de berekening van breukcriteria zoals maximale spanning, Hashin, Puck of LaRC.
- Aangezien de mechanische eigenschappen van een meerlagig composiet afhangen van de oriëntatie van de respectievelijke individuele lagen, heeft elk meerlagig composiet met verschillende oriëntaties verschillende mechanische trekeigenschappen. De mechanische materiaaleigenschappen van vezelversterkte kunststoffen worden daarom pas duidelijk tijdens het productieproces van het laminaat. Het productieproces zelf heeft een aanzienlijke invloed op de resulterende karakteristieke waarden. De invloed van het productieproces op de mechanische eigenschappen van een vezelversterkt kunststoflaminaat wordt daarom vaker gevalideerd met mechanische tests.
Vaak gestelde vragen over het testen van composieten volgens ASTM D3039
ASTM D638 is de standaard testmethode voor bepaling van trekeigenschappen van onversterkte en versterkte kunststoffen met haltervormige samples. Als continue vezels of discontinue vezels met een modulus van >20 GPa gebruikt worden als versterking verwijst ASTM D638 naar de ASTM D3039 standaard testmethode voor bepaling van de trekeigenschappen op composieten met polymeermatrix. Voor ASTM D3039 worden rechthoekige samples gebruikt. Bij trektests op koolstofvezelversterkte of glasvezelversterkte kunststoffen (CFK, GFK) met continue vezels worden aanzienlijk hogere testkrachten bereikt dan bij trektests op onversterkte of met korte vezels versterkte kunststoffen. Hiervoor is een geschikte testmachine nodig.
ASTM D3039 is een standaard testmethode voor de bepaling van trekeigenschappen van vezelversterkte composieten. De vezels met hoge modulus kunnen continu of discontinu met willekeurige vezelrichting zijn. De aanbevolen afmetingen in ASTM D3039 van de rechthoekige samples hangen af van het type composietlaminaat dat getest wordt (bv. 0° unidirectioneel, 90° unidirectioneel, multidirectioneel of willekeurig discontinu).
De sampledikte voor ASTM D3039 hangt af van het type laminaat waarvoor de trekeigenschappen bepaald worden. ASTM D3039 beveelt een sampledikte aan van 1 mm voor 0° unidirectionele (UD) laminaten en 2 mm voor 90° UD trektests. Voor multidirectionele laminaten of voor laminaten met willekeurige discontinue vezelrichting bedraagt de aanbevolen dikte 2,5 mm. Er worden passende aanbevelingen gedaan voor totale lengte en breedte van de samples, en lengte en dikte van de kopstrips.