ISO 527-4 | ISO 527-5 Badanie na rozciąganie materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami
W badaniu na rozciąganie zgodnie z ISO 527-4 i ISO 527-5 wyznacza się charakterystykę elastyczną modułu sprężystości i współczynnika Poissona oraz wytrzymałość na rozciąganie w głównych kierunkach materiałowych tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem. ISO 527-4 zawiera badania izotropowych i anizotropowych tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami. Obejmuje to materiały kompozytowe ze wzmocnieniami niejednokierunkowymi, np. maty, tkaniny lub włókna cięte, a także wielokierunkowe laminaty składające się z jednokierunkowych pojedynczych warstw. ISO 527-5 zawiera warunki badania jednokierunkowych (UD) tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami. Obie normy odnoszą się do normy ISO 527-1w celu zapoznania się z ogólnymi zasadami określania właściwości przy rozciąganiu.
Inną powszechnie stosowaną normą dotyczącą prób rozciągania tworzyw sztucznych wzmacnianych długimi lub nieskończonymi włóknami jest ASTM D3039, która obejmuje warunki badania zarówno dla izotropowych, jak i anizotropowych tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami, a także dla jednokierunkowych tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami.
Cel i wartości charakterystyczne Film Przeprowadzenie badania & Środki pomiarowe Warunki badawcze Próba & Wymiary Dodatkowe informacje Downloads
Cel badania i wyznaczone parametry zgodnie z normami ISO 527-4 i ISO 527-5
Próby rozciągania tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem 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 normach ISO 527-4 i ISO 527-5 określono następujące 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
- Współczynnik Poissona: ujemny stosunek wydłużenia poprzecznego i wydłużenia wzdłużnego
Zarówno ISO 527-4, ISO 527-5 jak i ASTM D3039 określają warunki badania próby rozciągania tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami. 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).
Niezawodne badanie zgodnie z ISO 527-4 i ISO 527-5 dzięki oprogramowaniu badawczemu testXpert
testXpert wspiera wydajne badanie i wiarygodne wyniki badań zgodnie z ISO 527-4 i ISO 527-5:
- Oszczędź sobie trudu studiowania norm: Gwarantowana zgodność z normami dzięki standardowym programom badawczym - Wszystkie cechy i parametry ISO 527-4 i ISO 527-5 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.
Uchwyty mocujące i jednostka wyrównująca zapewniają wiarygodne wyniki badań zgodnie z ISO 527-4 i ISO 527-5
Do przeprowadzenia próby na rozciąganie zgodnie z ISO 527-4 i ISO 527-5 zostaje odpowiednia próba na rozciąganie zamocowana w uchwytach mocujących statycznej maszyny wytrzymałościowej. Zaleca się regularne sprawdzanie prawidłowego ustawienie uchwytów mocujących zgodnie z normą ISO 23788 lub 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.
Maszyny wytrzymałościowe do prób rozciągania do ISO 527-4 i ISO 527-5
W przypadku prób rozciągania zgodnie z normami ISO 527-4 i ISO 527-5 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 .
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
Ekstensometr do pomiaru wydłużenia zgodnie z ISO 527-4 i ISO 527-5
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).
Warunki badawcze zgodnie z ISO 527-4 i ISO 527-5
Prędkość badania
Stała prędkość badania, którą należy ustawić, zależy od rodzaju próbki i motywacji do badania. W przypadku prób rozciągania w celu kontroli jakości można ustawić wyższe prędkości niż w przypadku prób rozciągania w celu charakteryzacji materiału.
- Ważne zniszczenie próbki
Próbki, które pękają we wkładkach zaciskowych lub na przejściu wkładki zaciskowej do niezaciśniętego obszaru próbki, są nieważne i należy je wymienić na nowe próbki do badań, aby uzyskać co najmniej 5 ważnych wyników badań.
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.
Próby i wymiary zgodnie z ISO 527-4 / ISO 527-5
- l = Długość łączna próby
- L = Odstęp między wkładkami uchwytu mocującego
- b = Szerokość próby
- h = Grubość laminatu FKV
- L0 = Zalecana długość pomiarowa dla ekstensometru (kontaktowych i bezkontaktowych): ISO 527-4 Próba Typ 4 L0 = 25 mm, dla wszystkich pozostałych typów próbek wymienionych powyżej L0 = 50 mm
| Norma | Typ próby | Schematyczne przedstawienie (uproszczone, nie skalowane) | Zastosowanie |
|---|---|---|---|
| ISO 527-4 | Typ 1B Wiosełko |  |
|
| Typ 2 prostokątna bez kleju |  |
| |
| Typ 3 * prostokątna z klejem |  |
| |
| Typ 4 ** stożkowa bez kleju |  |
| |
| ISO 527-5 | Typ A, Typ B *** |  |
|
- * Dla prób typ 3 w ISO 527-4 i prób typ A i B w ISO 527-5 klej zostaje naniesiony na obydwie strony próby. Celem tych elementów prowadzących siłę, które są zwykle przyklejane do badanego laminatu, jest zmniejszenie koncentracji naprężeń w mocowaniu, tak aby uniknąć pęknięć zaciskających (pęknięć na lub we wkładkach zaciskowych uchwytu mocującego). W tym przypadku skuteczne okazały się kleje wykonane z laminatu GRP ±45° . Zawsze stosuje się kleje proste, natomiast ASTM D3039 dopuszcza również kleje biznesowe. Dopuszczalne są inne elementy prowadzące siłę, także nieklejone (np. płótno ścierne lub papier ścierny), o ile można wykazać, że uzyskuje się te same wytrzymałości i że nie ma większego rozrzutu wartości charakterystycznych.
- ** W normie ISO 527-4:2023 dla nowo uwzględnionej, próbki typ 4, która jest przeznaczona do badania rozciągania bez kleju na wielokierunkowych tworzywach termoplastycznych wzmacnianych włóknami ciągłymi, wyniki należy przeliczyć ponownie, jeżeli przerwanie znajduje się poza linią prostą o długości L0 = 25 mm nastąpił pomiar długości w środku próbki. Obliczenia wytrzymałości na rozciąganie dotyczące punktu zerwania dla próbki do badań typu 4 wymienione w załączniku E do normy ISO 527-4 są już zawarte we wstępnie przygotowanym programie badawczym testXpert dla normy ISO 527-4:2023.
- *** Próby typu A i B w ISO 527-5 mają różne grubości laminatu i szerokości próby. Przeznaczony do badania rozciągania w kierunku 0° laminatu UD typ A ma szerokość 15 mm i grubość laminatu 1 mm. Przeznaczony do badania rozciągania w kierunku 90° laminatu UD typ B ma natomiast szerokość 25 mm i grubość laminatu 2 mm. Gwarantuje to, że siły zmierzone w próbie rozciągania pod kątem 0° nie będą zbyt duże, a siły zmierzone w próbie rozciągania pod kątem 90° będą wystarczająco duże i że obydwa typy próbek będą mogły być badane w tym samym układzie badawczym. Ta geometryczna regulacja jest konieczna, ponieważ laminaty UD charakteryzują się ekstremalnymi różnicami w wytrzymałości włókna i w kierunku włókien.
Więcej informacji o ISO 527-4 & ISO 527-5
- Aby określić właściwości rozciągające na poziomie poszczególnych warstw, zawsze produkuje się kompozyty wielowarstwowe, w których każda pojedyncza warstwa jest ułożona w ten sam sposób. Należą do nich laminaty UD 0° lub 90° określone w normie ISO 527-5. W przypadku odpowiednio ułożonych wielowarstwowych kompozytów wykonanych z kompozytów tkaninowych w normie ISO 527-4 odniesiono się także do właściwości 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.