ASTM D695 Badanie na ściskanie kompozytów i tworzyw sztucznych
Norma ASTM D695 opisuje badanie na ściskanie w celu określenia mechanicznych cech charakterystycznych jak moduł E i wytrzymałość dla niewzmocnionych i wzmocnionych tworzyw sztucznych zgodnie z zasadą End-Loading Compression (prowadzenie siły od czoła). Siła jest wprowadzana wyłącznie poprzez końcowe powierzchnie próbki do badań. ASTM D695 można stosować do kompozytów włóknistych o sztywności do 41 GPa, do których zalicza się np. kompozyty z tkaniną wzmocnioną włóknem szklanym.
Poniższy tekst ogranicza się do ASTM D695 Układ badawczy z urządzeniem podtrzymującym do tworzyw sztucznych o wysokim module i wzmocnionych o grubości laminatu < 3,2 mm. Rozwinięte w oparciu o normę ASTM D695, gdzie opisano badanie End-Loading Compression DIN EN 2850 Metoda B, Boeing BSS 7260 Typ III & IV (zmodyfikowana ASTM D695) jak i SACMA SRM-1R-94 . Te ostatnie umożliwiają także badania ściskania jednokierunkowych (UD) laminatów wzmocnionych włóknem węglowym o odpowiednio dużej sztywności i wytrzymałości.
Inne znormalizowane badania ściskania, często stosowane w przypadku kompozytów wzmocnionych włóknami ciągłymi bez ograniczeń dotyczących sztywności laminatu, to ISO 14126 Metoda 1 i ASTM D3410 (Shear Loading Compression) jak i ISO 14126 Metoda 2 i ASTM D6641 (Combined Loading Compression).
Wartości charakterystycznePrzeprowadzenie badania i środki pomiarowePróbkiDownloadFAQProszę o poradę
ASTM D695: Cel i wartości charakterystyczne
W przypadku badania na ściskanie zgodnie z ASTM D695 ze wspomaganiem ściskającym, a w szczególności z wariantami rozwiniętymi na podstawie ASTM D695 (EN 2850 metoda B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260 typ III i IV) układu badawczego, następujące charakterystyczne wyniki i parametry dla tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami można wyznaczyć jako:
- Naprężenie ściskające: Siła ściskająca w oparciu o początkowy przekrój poprzeczny próbki badanej
- Skrócenie względne: Zmiana długości pomiarowej w oparciu o początkową długość pomiarową w kierunku obciążenia (tylko przy zastosowaniu odpowiedniego systemu pomiaru naprężeń, patrz poniżej)
- Moduł ściskania: Nachylenie krzywej naprężenie-skrócenie w określonym przedziale wydłużenia w zakresie sprężystym. Znany również jako moduł sprężystości lub w skrócie moduł E
- Wytrzymałość na ściskanie: Maksymalna wartość naprężenia ściskającego określona w próbie ściskania
Ważna informacja, dotycząca określania wyników
ASTM D695 zapewnia zwężoną geometrię próby do badań niewzmocnionych i wzmocnionych tworzyw sztucznych o grubości < 3,2 mm, za pomocą której można w jednym badaniu określić moduł ściskający (przy zastosowaniu odpowiedniego układu do pomiaru wydłużenia) i wytrzymałość na ściskanie . W tym celu należy zastosować dodatkowe urządzenie podtrzymujące.
Zwężone próbki nie są jednak odpowiednie do kompozytów UD. Dlatego też warianty opracowane na podstawie ASTM D695 (EN 2850 Metoda B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260 typ III i IV) zawsze wykorzystują dwie różne prostokątne proste próbki badawcze:
- Próbkę badaną bez kleju w celu określenia modułu ściskania. Ta próbka nie może być używana do określania wytrzymałości na ściskanie, ponieważ przedwczesne zniszczenie zawsze następuje na powierzchniach końcowych przy naprężeniu ściskającym niższym niż wytrzymałość na ściskanie badanego materiału.
- Próbkę badaną z nałożonym klejem w celu określenia wytrzymałości na ściskanie. Badanie jest ważne, jeśli próbka nie mieści się w wolnej długości próbki. Próbka ta z kolei nie nadaje się do wyznaczania modułu ściskania, gdyż zastosowanie tensometrów na swobodnej długości próbki (ok. 5mm) jest prawie niemożliwe.
Ponieważ prowadzenie siły zawsze następuje wyłącznie poprzez końcowe powierzchnie próbki, we wszystkich przypadkach absolutnie konieczna jest bardzo precyzyjna obróbka końcowych powierzchni próbki.
Urządzenie badawcze End-Loading Compression
ASTM D695 wymaga urządzenia podtrzymującego dla próbki do badania materiałów o grubości < 3,2 mm. Tak opartą próbkę badawczą umieszcza się następnie w odpowiednim urządzeniu ściskającym (w ASTM D695 opisywanym jako Subpress lub Compression Tool).
W wariantach opracowanych dla Advanced Composites z rozwiniętymi wariantami ASTM D695 (EN 2850 metoda B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260) to urządzenie podtrzymujące jest trwale połączone z odpowiednim urządzeniem ściskającym, tak że próbka wraz z urządzeniem podtrzymującym nie może przechylić lub wyboczyć.
- To udoskonalone urządzenie End-Loading Compression w normie badawczej Boeing BSS 7260 jest również określane jako urządzenie zmodyfikowane ASTM D695 .
- Także normy badawcze DIN EN 2850 Metoda B i SACMA SRM-1R-94 również wykorzystują tę zasadę, z mniejszymi różnicami w wymiarach urządzenia podtrzymującego i badanych próbek.
- Należy zauważyć, że długość urządzenia podpierającego zdefiniowana jest jako 70 mm zgodnie z normą DIN EN 2850 Metoda B, natomiast długość urządzenia podpierającego jest zdefiniowana we wszystkich pozostałych normach badawczych (ASTM D695, Boeing BSS 7260 Typ III i IV, SACMA SRM -1R-94) jako 73 mm. Dlatego w przypadku metody B według normy DIN EN 2850 należy zastosować oddzielne urządzenie kontrolne.
W żadnym przypadku urządzenie podtrzymujące nie przyczynia się do przenoszenia siły na próbkę. Tarcie pomiędzy próbką a urządzeniem podporowym jest minimalizowane poprzez odpowiednią konstrukcję powierzchni stykowych. W normie ASTM D695 wystarczające jest „dokręcenie ręką” mocowania urządzenia podtrzymującego do próbki. We wszystkich udoskonalonych metodach badania End-Loading zdefiniowano określony moment dokręcający lub siłę docisku dla śrub mocujących.
Urządzenie ZwickRoell do badania End-Loading Compression zgodnie z ASTM D695 i warianty:
- Układ badawczy ZwickRoell do badania End-Loading Compression składa się z urządzenia do ściskania ulokowanego między dwoma płytami ściskającymi. Elementy prowadzące na urządzeniu ściskającym zawsze zapewniają dokładne wycentrowanie próbki badanej w osi obciążenia. Ze względu na dużą wytrzymałość na ściskanie, czasami znacznie powyżej 1000 MPa, szczególnie w badaniach ściskania kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym UD w kierunku włókien, należy zastosować odpowiednio utwardzane płyty ściskające.
- Urządzenie ZwickRoell do End-Loading Compression może być stosowane w zakresie temperatur od -80°C do +300°C.
Maszyny wytrzymałościowe do ASTM D695
- Przy stosowaniu nominalnej geometrii próby, w przypadku kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym UD można obecnie w badaniu End-Loading Compression, dzięki ciągłemu dalszemu rozwojowi i doskonaleniu właściwości mechanicznych włókien i osnowy osiągnąć siły maksymalne do ok. 50kN . Ponieważ oprócz prób ściskania zwykle przeprowadza się próby rozciągania, w których maksymalne siły są jeszcze większe, zaleca się stosowanie maszyny wytrzymałościowej statycznej o nośności do 100 kN lub 250 kN .
- Jeśli jednak badane są wyłącznie kompozyty wzmocnione włóknem szklanym , wystarczy maszyna wytrzymałościowa 50 kN .
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
Niezawodne badania End-Loading Compression dzięki oprogramowaniu badawczemu testXpert
Nasze oprogramowanie badawcze testXpert obsługuje wydajne badanie i wiarygodne wyniki badań zgodnie z ASTM D695 i wariantami badania End-Loading opracowanymi na podstawie ASTM D695:
- Oszczędź sobie trudu studiowania norm: Gwarantowana zgodność z normami dzięki standardowym programom badawczym - Wszystkie cechy i parametry ASTM D695 i DIN EN 2850 są już tam zapisane.
- Maksymalną efektywność badawczą można osiągnąć podłączając urządzenia peryferyjne: Przesyłanie wymiarów próbki z mikrometru bezpośrednio do oprogramowania badawczego oszczędza czas i eliminuje błędy wprowadzania.
- Sprawdzaj i kontroluj temperaturę w komorze również za pomocą oprogramowania. Ustaw rampy temperaturowe i zobacz wartości, które zostały utrzymane, nawet później.
Pomiar wydłużenia według ASTM D695 i warianty
Odpowiednimi metodami pomiaru wydłużenia w badaniu End-Loading Compression zgodnie z ASTM D695 są umieszczone na środku powierzchni próbki tensometry (DMS) lub czujniki nakładane, które mierzą skrócenie na krawędzi próbki. W przypadku stosowania tensometrów elementy urządzenia wspomagającego muszą mieć pośrodku odpowiednie wgłębienie, aby uniknąć kontaktu z siatką pomiarową tensometru i kablami tensometru.
Ze względu na dokładne centralne położenie próbki w osi obciążenia oraz wgłębienia w korpusie urządzenia ZwickRoell End-Loading Compression, zastosowanie automatycznego ekstensometru z mackami pomiarowymi makroXtens który dokonuje pomiarów po obu stronach krawędzi próbki, jest również możliwe.
Pomiar wydłużenia osiąga się przy optacowanych wariantach ASTM D695 badania End-Loading Compression tylko dla prób dla których przewidziano pomiar modułu ściskającego. Odpowiednie normy badawcze czasami podają różne informacje na temat maksymalnego ściskania w badaniu i zakresie, w którym należy określić moduł E
- DIN EN 2850 Metoda B: Obciążenie ściskające do co najmniej 0,5% (5000 µe) skrócenia; Oznaczanie modułu E w zakresie od 0,1% do 0,5% (preferowana metoda, jeśli nie określono inaczej)
- Boeing BSS 7260: Obciążenie ściskające do co najmniej 3000 µe skrócenia; E-Oznaczanie modułu E w zakresie od 1000 do 3000 µe.
- SACMA SRM-1R-94: Obciążenie ściskające do 5000 µe; Określanie modułu E pomiędzy 1000 a 3000 µe; Zalecane stosowanie tensometrów umieszczonych po obu stronach w celu monitorowania nałożonego obciążenia zginającego; Jeżeli różnica pomiędzy dwoma sygnałami DMS jest większa niż 10 %, próba jest nieważna i należy ją powtórzyć.
Jak opisano powyżej, w niniejszych normach badawczych nie przewidziano pomiaru odkształcenia próbki z naniesionymi klejami w celu określenia wytrzymałości na ściskanie ze względu na bardzo małą swobodną długość pomiarową.
W przypadku zwężonej próbki badawczej stosowanej w normie ASTM D695 dla próbek o grubości mniejszej niż 3,2 mm, która jest wykorzystywana zarówno do wyznaczania modułu sprężystości, jak i wytrzymałości na ściskanie, odpowiedni jest również czujnik nakładany, dokonujący pomiarów na krawędziach próbki.
| Norma | Typ próby | Schematyczne przedstawienie (rysunek nie jest skalowany) | Stosowanie i wskazówki |
|---|---|---|---|
| ASTM D695 | Zwężone, do próbek o grubości mniejszej niż 3,2 mm |  | Niewzmocnione i wzmocnione tworzywa sztuczne o sztywności do 41 GPa (np. także kompozyty tkaninowe GRP) |
DIN EN 2850 Metoda B Boeing BSS 7260 SACMA SRM-1R-94 | B1 Typ III Compression Strength Specimen |  | UD* i kompozyty tkaninowe (GFK, CFK)
|
DIN EN 2850 Metoda B Boeing BSS 7260 SACMA SRM-1R-94 | B2 Typ IV Compression Modulus Specimen |  |
Często zadawane pytania dotyczące ASTM D695 badania na ściskanie
ASTM D695 opisuje próbę ściskania mającą na celu określenie parametrów mechanicznych, takich jak moduł sprężystości i wytrzymałość sztywnych tworzyw sztucznych, zgodnie z zasadą End-Loading Compression (prowadzanie siły od przodu), podczas której siła jest wprowadzana wyłącznie przez końcowe powierzchnie badanej próbki. ASTM D695 można stosować do kompozytów o sztywności do 41 GPa, do których zalicza się np. kompozyty z tkaniną wzmocnioną włóknem szklanym. W przypadku wysokomodułowych i wzmocnionych tworzyw sztucznych o grubości laminatu < 3,2 mm wymagane jest urządzenie podporowe.
Norma ASTM D695 opisuje próbę ściskania w celu określenia parametrów mechanicznych, takich jak moduł sprężystości i wytrzymałość sztywnych tworzyw sztucznych. ASTM D695-15 odnosi się do roku publikacji 2015, ale została już zaktualizowana i zastąpiona przez ASTM D695-23 lub ASTM D695:2023.
ASTM D695 przewiduje dla niewzmocnionych i wzmocnionych tworzyw sztucznych o grubości < 3,2 mm dostosowaną geometrię próbki do badań o długości L = 79,4 mm i szerokości B = 19 mm, za pomocą której można zmierzyć moduł sprężystości w jednym badaniu (przy użyciu odpowiedniego system pomiaru wydłużenia) i można określić wytrzymałość na ściskanie. Zwężone próbki nie są jednak odpowiednie do kompozytów UD. Dlatego też warianty opracowane na podstawie ASTM D695 zawsze wykorzystują dwie różne prostokątne, proste próbki badawcze: Próbka do badań bez kleju do określenia modułu sprężystości na ściskanie oraz próbka z naniesionym klejem do określenia wytrzymałości na ściskanie.
