ASTM D3039 Próba rozciągania Materiały kompozytowe
W próbie rozciągania według ASTM D3039 / ASTM D3039M wyznaczane są parametry sprężystości, moduł sprężystości i liczba Poissona, a także wytrzymałość na rozciąganie kompozytów. Obejmuje to laminaty kompozytowe wzmocnione włóknami ciągłymi, jednokierunkowe (UD) i wielokierunkowe (MD), przy czym laminaty MD mogą składać się z pojedynczych warstw UD, tkaniny lub innych włókien tekstylnych. Można również badać kompozyty włókno-plastikowe (FRP) z nieciągłymi i losowo rozmieszczonymi włóknami wzmacniającymi (np. Sheet Moulding Compounds – SMC).
Powszechnie stosowanymi normami dotyczącymi próby rozciągania długich lub nieskończonych tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami są ISO 527-4 (warunki badania dla izotropowych i anizotropowych tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami) oraz ISO 527-5 (warunki badania dla jednokierunkowych tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami).
Cel & Wartości charakterystyczne Przeprowadzenie badania & Środki pomiarowe Warunki badawcze Próby & Wymiary Dodatkowe informacje FAQ Downloads
Cel badania i określone wartości charakterystyczne zgodnie z ASTM D3039
Próby rozciągania kompozytów zgodnie z normą ASTM D3039 przeprowadza się między innymi w celu określenia właściwości rozciągających w procesie opracowywania i kwalifikacji materiałów, w celu określenia parametrów do interpretacji i projektowania konstrukcji kompozytowych oraz w zapewnianiu jakości.
Niezależnie od rodzaju wzmocnienia włókna w normie ASTM D3039 zostają określone charakterystyczne wyniki i wartości :
- Naprężenie rozciągające: Siła w oparciu o początkowy przekrój poprzeczny próbki badanej
- Wydłużenie wzdłużne: Zmiana długości pomiarowej w oparciu o początkową długość pomiarową w kierunku obciążenia
- Wydłużenie poprzeczne: Zmiana długości pomiarowej na podstawie początkowej długości pomiarowej w kierunku poprzecznym (konieczna tylko w przypadku wyznaczania współczynnika Poissona)
- Moduł rozciągania: Nachylenie krzywej naprężenie-wydłużenie w określonym przedziale wydłużenia w zakresie sprężystym. Znany również jako moduł sprężystości lub w skrócie moduł E
- Wytrzymałość na rozciąganie: Maksymalna wartość naprężenia rozciągającego określona w próbie rozciągania
- Wydłużenie niszczące: Wydłużenie wzdłużne po osiągnięciu wytrzymałości na rozciąganie
- Liczba Poissona: ujemny stosunek wydłużenia poprzecznego i wydłużenia wzdłużnego
Dodatkową wartość charakterystyczną można wyznaczyć dla tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami o dwuliniowym zachowaniu naprężenie-wydłużenie:
- Wydłużenie przejścia (transition strain): Wartość średnia osiowego wydłużenia w obszarze przejścia. Określone zostaje z reguły z krzywej osiowego naprężenia-wydłużenia
Zarówno ASTM D3039 , jak i ISO 527-4 / ISO 527-5 określają warunki badania wytrzymałości na rozciąganie kompozytów. Pomimo podobieństwa metod badawczych, wyznaczone wartości charakterystyczne nie są w pełni porównywalne, gdyż kształty i wymiary próbek oraz wyznaczanie wartości charakterystycznych bywają różne (np. przedział wydłużenia dla modułu sprężystości przy rozciąganiu i przejścia charakterystyczna wartość wydłużenia wymieniona powyżej).
Aby uprościć wykonanie badania, można zastosować wstępnie przygotowane programy badawcze testXpert ze wszystkimi ustawieniami zgodnymi z normami ASTM D3039 .
Uchwyt mocujący i jednostka wyrównująca zapewniają wiarygodne wyniki badań zgodnie z ASTM D3039
Do przeprowadzenia próby na rozciąganie zgodnie z ASTM D3039 zostaje odpowiednia próba na rozciąganie zamocowana w uchwytach mocujących statycznej maszyny wytrzymałościowej. Zaleca się regularne sprawdzanie prawidłowego ustawienie uchwytów mocujących zgodnie z normą ASTM E1012. W przypadku akredytowanych przez Nadcap laboratoriów badawczych w sektorze lotniczym obowiązkowe jest świadectwo osiowania.
Mechaniczne uchwyty mocujące Korpus przez klin lub hydrauliczne Korpus przez klin uchwyty mocujące idealnie spełniają te wymagania. Jeśli nie jest wymagane świadectwo osiowania, można również zastosować klinowo-śrubowe uchwyty mocujące , które można ustawić w ograniczonym zakresie.
Modułowy system badania kompozytów
Większe laboratoria badawcze z odpowiednio dużą liczbą badań wykorzystują różne maszyny wytrzymałościowe do bardzo różnorodnych badań kompozytów , dzięki czemu mogą zminimalizować wysiłek związany z przezbrojeniem. Poszczególne maszyny wytrzymałościowe można dostosować do zakresu sił różnych typów badań. Jeśli liczba badań nie jest na tyle duża lub regularna, aby warto było inwestować w kilka maszyn badawczych, korzystne jest wyposażenie jednej maszyny wytrzymałościowej w taki sposób, aby można było przeprowadzić jak najwięcej procedur badawczych przy możliwie najmniejszym wysiłku związanym z przezbrojeniem.
W tym celu firma ZwickRoell opracowała modułową koncepcję , dostępnej jako statyczna maszyna wytrzymałościowa 100kN lub 250kN, z 21 metodami badawczymi i ok. 120 normami badawczymi (ISO, EN, ASTM, a także Airbus AITM i Boeing BSS), który umożliwia szeroką charakterystykę włóknistych materiałów kompozytowych w temperaturze pokojowej lub w badaniach w niskich lub podwyższonych temperaturach od -80°C do +360°C
Oprogramowanie badawcze testXpert: Gwarantowane niezawodne badania zgodnie z ASTM 3039
Efektywne badanie i wiarygodne wyniki badań zgodnie z ASTM D3039 są łatwe do osiągnięcia dzięki oprogramowaniu badawczemu testXpert:
- Zaoszczędź czas na opracowaniu norm: standardowy program badania gwarantuje zgodność z ASTM D3039. Wszystkie cechy i parametry ASTM D3039 są już zapisane w programie badania.
- Podłączając urządzenia peryferyjne pracujesz wydajniej: Wymiary próbki są przesyłane bezpośrednio z mikrometru do oprogramowania badawczego. Oszczędza to czas i eliminuje błędy wprowadzania danych.
- Komora temperaturowa jest również wygodnie zintegrowana z oprogramowaniem badawczym: Sprawdź i steruj temperaturą w komorze, ustaw rampy temperaturowe i zobacz wartości, które zostały utrzymane, nawet później.
Maszyna wytrzymałościowa do prób rozciągania dla ASTM 3039
W przypadku prób rozciągania zgodnie z normą ASTM D3039 ze standardowymi próbkami do badań oraz w przypadku wielu innych znormalizowanych metod badania tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami często wystarczające jest zastosowanie maszyny wytrzymałościowej 100 kN . Dzięki konfiguracji maszyny 100 kN pokazanej po prawej stronie możliwe jest łatwe przełączanie między różnymi konfiguracjami badawczymi i urządzeniami badawczymi dzięki zastosowaniu mechanicznych uchwytów mocujących korpus przez klin . Po prostu usuwając uchwyty mocujące, całą przestrzeń roboczą maszyny wytrzymałościowej można wykorzystać również do badań niestandardowych. Stopy ustawieniowe umożliwiają indywidualną i ergonomiczną regulację wysokości przestrzeni roboczej.
Jeśli badane są tylko tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym (GRP) , zwykle wystarcza statyczna maszyna wytrzymałościowa o maksymalnej sile 50 kN .
Przyrząd do badania pomiaru wydłużenia zgodnie z ASTM D3039
W celu prawidłowego określenia parametrów sprężystych i wydłużenia przy zniszczeniu niezbędny jest bezpośredni pomiar wydłużenia próbki. Do określenia modułu sprężystości i wydłużenia przy zerwaniu wystarczy pomiar wydłużenia wzdłużnego. Jeżeli ma zostać również wyznaczony współczynnik Poissona, wymagany jest dwuosiowy system pomiaru wydłużenia, za pomocą którego można również zmierzyć wydłużenie poprzeczne. Dopuszczalne do pomiaru wydłużenia są przy tym tensometry (DMS), kontaktowe systemy pomiarowe jak ekstensometr Clip-on (Ograniczenie: nie do momentu pęknięcia próbki) lub ekstensometry z automatyką macek pomiarowych (makroXtens , multiXtens) lub także bezkontaktowe optyczne systemy pomiarowe (videoXtens).
ASTM D3039 Warunki badawcze
Prędkość badania
ASTM D3039 zapewnia dwie opcje ustawiania prędkości badawczej.
Z jednej strony poprzez ustawienie stałej szybkości wydłużenia na poziomie 0,01 min-1 (wartość nominalna). Alternatywnie, badanie można przeprowadzić przy stałej prędkości 2 mm/min (wartość nominalna).
- Ważne zniszczenie próbki
Aby udokumentować zniszczenie próbki, norma ASTM D3039 udostępnia 3-literowy kod, który jasno określa rodzaj uszkodzenia i położenie wzdłuż zamocowanej próbki. Nieprawidłowe zniszczenie ma miejsce, jeśli pęknięcie następuje we wkładkach mocujących, na styku lub w odległości jednej szerokości próbki od wkładek. Jednak szczególnie próby rozciągania 0° UD często wykazują uszkodzenie wysokoenergetyczne, wybuchowe, w którym cała wolna powierzchnia próbki pęka. Dlatego zniszczenie to jest zwykle klasyfikowane jako zniszczenie uzasadnione.
Zakres temperatury
Ponieważ właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami silnie zależą od temperatury, oprócz prób rozciągania w temperaturze pokojowej przeprowadza się badania w niskich i podwyższonych temperaturach. W tym celu maszynę wytrzymałościową można wyposażyć w odpowiednią komorę temperaturową dla zakresu temperatur od -80°C do 360°C.
Próba i wymiary zgodnie z ASTM D3039
| Rodzaj próby / Laminat | Schematyczne przedstawienie kształtu próby (uproszczone, nie skalowane) | Uwaga, dotycząca stosowania taśmy klejącej |
|---|---|---|
| Laminat 0° UD |  |
|
| Laminat 90° UD |  |
|
| wielokierunkowe laminaty UD i tkaninowe, nieciągłe laminaty wzmocnione włóknem o losowej orientacji włókien (np. SMC) |  | W przypadku wielokierunkowych laminatów UD lub tkaninowych lub próbek wykonanych z nieciągłych laminatów wzmocnionych włóknem o losowej orientacji włókien często wystarczające jest zastosowanie płótna ściernego zamiast klejonych elementów prowadzących siłę |
- Klejone elementy wprowadzające siłę (kleje naklejane) nie są absolutnie konieczne, ale są wyraźnie zalecane w przypadku laminatów UD, aby uniknąć nieprawidłowych przerw w mocowaniu (pęknięcia w lub w mocowaniu).
- Laminat z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym (GRP) o orientacji włókien wynoszącej ± 45° w stosunku do kierunku obciążenia w badaniu rozciągania okazał się odpowiednim materiałem do klejenia.
- Informacje podane w ASTM D3039 na temat geometrii próbek dla odpowiednich typów laminatów mają charakter zaleceń i umożliwiają porównanie wyników pomiędzy różnymi laboratoriami. Odchylenia wymiarów próbki do badań są dopuszczalne pod warunkiem zachowania ogólnych zaleceń, dotyczących geometrii próbki podanych w normie.
- Długość pomiarowa L0 przy zastosowaniu kontaktowych lub bezkontaktowych systemów pomiaru wydłużenia powinna wynosić od 10 do 50 mm.
Dodatkowe informacje do ASTM D3039
- ASTM D3039 umożliwia stosowanie parametrów badawczych i wymiarów próbek zarówno w układzie jednostek SI, jak i w układzie jednostek cal-funt (imperialny). Jednakże ważne jest, aby unikać mieszania dwóch systemów jednostek, ponieważ może to prowadzić do wyników niezgodnych z normą.
- Aby określić właściwości rozciągające na poziomie poszczególnych warstw, zawsze produkuje się kompozyty wielowarstwowe, w których każda pojedyncza warstwa jest ułożona w ten sam sposób. Dotyczy to w szczególności laminatów UD o kącie 0° lub 90°. W przypadku wielowarstwowych kompozytów wykonanych z kompozytów tkaninowych ułożonych w ten sam sposób mówi się także o właściwościach mechanicznych w kierunku osnowy i wątku.
- Oprócz przeprowadzania prób rozciągania na potrzeby opracowania materiału, kwalifikacji materiału i zapewnienia jakości, parametry określone na poziomie poszczególnych warstw wykorzystywane są również przy projektowaniu konstrukcji zespolonych do analitycznych metod obliczeniowych. Na przykład za pomocą klasycznej teorii laminatów właściwości sprężyste wielokierunkowego wielowarstwowego kompozytu można obliczyć na podstawie charakterystyki poszczególnych pojedycznych warstw. Mocne strony na poziomie poszczególnych warstw wykorzystywane są między innymi do obliczania kryteriów awarii takich jak Max Stress, Hashin, Puck czy LaRC.
- Ponieważ właściwości mechaniczne wielowarstwowego kompozytu zależą od orientacji odpowiednich poszczególnych warstw, każdy wielowarstwowy kompozyt z różnie zorientowanymi pojedynczymi warstwami zapewnia różne właściwości mechaniczne przy rozciąganiu. Właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami powstają dopiero podczas produkcji laminatu. Sam proces produkcyjny ma istotny wpływ na uzyskane wartości charakterystyczne. Dlatego wpływ procesu produkcyjnego na właściwości mechaniczne laminatu z kompozytu włóknisto-plastikowego (FRP) jest często weryfikowany za pomocą badań mechanicznych.
Często zadawane pytania, dotyczące badania rozciągania kompozytów zgodnie z ASTM D3039
ASTM D638 to standardowa metoda badawcza służąca do określania właściwości rozciągających niewzmocnionych i wzmocnionych tworzyw sztucznych przy użyciu próbek wiosełkowych. Jeżeli do wzmocnienia stosuje się włókna ciągłe lub nieciągłe o module >20GPa, ASTM D638 odnosi się do standardowej metody badawczej ASTM D3039 służącej do określania właściwości rozciągających kompozytów z osnową polimerową. Zgodnie z ASTM D3039 stosuje się próbki prostokątne. W próbach rozciągania tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym lub szklanym (CFK, GFK) z włóknami ciągłymi uzyskuje się znacznie większe siły badawcze w porównaniu do prób rozciągania tworzyw sztucznych niewzmocnionych lub wzmocnionych krótkimi włóknami, co wymaga zastosowania odpowiedniej maszyny wytrzymałościowej .
ASTM D3039 to standardowa metoda badawcza służąca do określania właściwości rozciągających tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem. Włókna wzmacniające o wysokim module mogą występować jako włókna ciągłe lub jako włókna nieciągłe o losowej orientacji włókien. Zalecane wymiary próbek prostokątnych w normie ASTM D3039 zależą od rodzaju testowanego laminatu kompozytowego (np. jednokierunkowy 0°, jednokierunkowy 90°, wielokierunkowy lub losowo nieciągły).
Grubość próbki dla ASTM D3039 zależy od rodzaju laminatu, dla którego mają być określone właściwości rozciągające. ASTM D3039 zaleca grubość próbki 1 mm dla badania rozciągania jednokierunkowego 0° (UD) i 2 mm dla badania rozciągania UD 90°. W przypadku laminatów wielokierunkowych lub laminatów o losowo nieciągłej orientacji włókien zalecana grubość próbki wynosi 2,5 mm. Podano również odpowiednie zalecenia dotyczące, całkowitej długości, szerokości, długości kleju i grubości kleju próbki badanej .