ASTM D3039, испытание композитов на растяжение
В процессе испытания композитов на растяжение по ASTM D3039 / ASTM D3039M определяют такие упругие характеристики, как модуль растяжения и коэффициент Пуассона, а также прочность при растяжении. Сюда относятся усиленные стекловолокном слоистые материалы из однонаправленных (UD) многонаправленных (MD) волокон, при этом материалы MD могут состоять из отдельных слоев UD, ткани или других текстильных волокнистых конструкций. Также можно испытывать соединения пластика со стекловолокном (FKV) с прерывистыми и хаотично распределенными армирующими волокнами (например, Sheet Moulding Compounds – SMC).
Также часто используемыми стандартами для испытаний длинных или бесконечных усиленных стекловолокном пластмасс на растяжение являются ISO 527-4 (условия испытаний изотропных и анизотропных усиленных стекловолокном пластмасс) и ISO 527-5 (условия испытаний однонаправленных усиленных стекловолокном пластмасс).
Цель и характеристики Проведение испытания и оборудование Условия испытаний Образцы и размеры Более подробная информация Часто задаваемые вопросы Загрузки
Цель испытания и полученные характеристики по ASTM D3039
Испытания композитов на растяжение по ASTM D3039 проводят, кроме всего прочего, для определения свойств при растяжении при разработке и сертификации материалов, для определения характеристик при компоновке и проектировании композитных структур, а также в области контроля качества.
Вне зависимости от типа армирования в стандарте ASTM D3039 определяют следующие результаты и характеристики:
- Напряжение растяжения: отношение усилия к начальному поперечному сечению образца
- Продольная деформация: отношение изменения расчетной длины к начальной расчетной длине в направлении нагружения
- Поперечная деформация: изменение расчетной длины относительно начальной расчетной длины в поперечном направлении (используется только при определении коэффициента Пуассона)
- Модуль растяжения: наклон кривой напряжения/деформации в упругой зоне регламентированного интервала деформации. Его также называют модулем упругости или просто Е-модулем
- Прочность при растяжении: максимальное значение определенного в процессе испытания напряжения растяжения
- Деформация разрушения: продольная деформация при достижении прочности при растяжении
- Коэффициент Пуассона: отрицательное отношение поперечной деформации к продольной
Для усиленных стекловолокном пластмасс с билинейной характеристикой напряжения/деформации можно определять дополнительную характеристику:
- Переходная деформация (transition strain): среднее значение аксиальной деформации в области перехода. Определяется, как правило, из аксиальной кривой напряжения/деформации
Как в ASTM D3039, так и в ISO 527-4 / ISO 527-5 регламентированы условия испытания композитов на растяжение. Несмотря на схожесть испытательных методик, полученные характеристики нельзя сравнивать в полной мере, так как формы и размеры образцов, а также способы определения характеристик частично различаются (например, интервал деформации для модуля растяжения и приведенная выше характеристика «Переходная деформация»).
Для упрощения проведения испытаний можно использовать стандартную программу испытаний testXpert со всеми настройками согласно ASTM D3039.
Захваты и выравнивающий модуль для получения надежных результатов испытаний по ASTM D3039
Для проведения испытания на растяжение по ASTM D3039 соответствующий образец зажимают в захватах статической испытательной машины. Рекомендуется регулярно проверять корректное выравнивание захватов по ASTM E1012. Для аккредитованных по Nadcap испытательных лабораторий в области авиации и космонавтики подтверждение выравнивания обязательно необходимо.
Механические захваты «корпус с клиньями» или гидравлические захваты «корпус с клиньями» оптимально подходят для удовлетворения этого требования. Если подтверждение выравнивания не требуется, можно также условно применять пригодные к выравниванию клино-винтовые захваты.
Модульная система для испытаний композитов
Большие лаборатории с высокой интенсивностью проведения испытаний используют для самых разных методик испытаний композитов различные машины, сводя к минимуму затраты времени на переоборудование. При этом отдельные испытательные машины можно адаптировать к диапазону усилия различных видов испытаний. Если же интенсивность испытаний не так высока, или регулярность их проведения такова, что приобретение нескольких машин не имеет смысла, лучше оснастить единственную машину таким образом, чтобы на ней можно было проводить как можно больше видов испытаний с малыми затратами времени на переоборудование.
Для этого на фирме ZwickRoell была разработана модульная концепция. Эта статическая испытательная машина на 100кН или 250кНe охватывает 21 методику и примерно 120 стандартов (ISO, EN, ASTM, а также Airbus AITM и Boeing BSS), с ее помощью можно определять большое количество характеристик композитных материалов при комнатной температуре или в температурном диапазоне от -80°C до +360°C
Программное обеспечение testXpert: гарантированное надежное проведение испытаний по ASTM 3039
Эффективное проведение испытаний и получение надежных результатов по стандарту ASTM D3039 очень легко достижимы с программным обеспечением testXpert:
- Экономьте время на изучение стандартов: стандартная программа испытаний гарантированно выполняет требования стандарта ASTM D3039. В программе испытаний уже сохранены все характеристики и параметры стандарта ASTM D3039.
- С функцией Привязка периферийных приборов Ваша работа становится более эффективной: размеры образца, снятые микрометром, передаются непосредственно в программное обеспечение. Это экономит время и позволяет избежать ошибок при вводе.
- Термокамера также удобно интегрирована в программное обеспечение: проверка и управление температурой в камере; установите диапазоны температур и даже по прошествии времени смотрите, как соблюдаются значения.
Машины для испытаний на растяжение по ASTM 3039
Для испытаний на растяжение по ASTM D3039 с нормативными образцами и для многих других стандартных методик испытаний усиленных стекловолокном пластмасс зачастую достаточно применения испытательной машины на 100 кН. Показанная справа конфигурация машины на 100 кН благодаря использованию механических захватов «корпус с клиньями» позволяет осуществлять быструю смену различных испытательных конструкций и приспособлений. Благодаря простоте демонтажа захватов комплексную рабочую зону испытательной машины можно использовать также для нестандартных испытаний. Опоры позволяют проводить индивидуальную эргономическую адаптацию высоты рабочей зоны.
Если испытывают исключительно усиленные стекловолокном пластмассы (GFK), то, как правило, достаточно статической испытательной машины на 50 кН.
Экстензометры для измерения деформации по ASTM D3039
Для корректного определения упругих характеристик и деформации разрушения необходимо прямое измерение деформации на образце. Для определения Е-модуля и деформации разрушения достаточно измерения продольной деформации. Если дополнительно нужно определять коэффициент Пуассона, то требуется двухосная система, с помощью которой можно также измерять поперечную деформацию. При этом для измерения деформации допустимо использовать тензорезисторы (DMS), контактные измерительные системы (например, экстензометр Clip-on, но только не до разрушения образца) или экстензометры с автоматическими рычагами щупов (makroXtens, multiXtens), или даже бесконтактные оптические системы (videoXtens).
ASTM D3039, условия испытаний
Скорость испытания
В стандарте ASTM D3039 предусмотрены две возможности для настройки скорости испытания.
С одной стороны, посредством настройки постоянной скорости деформации в 0.01 мин-1 (номинальное значение). В качестве альтернативы можно проводить испытание с постоянной скоростью в 2 мм/мин (номинальное значение).
- Действительное разрушение образцов
Для документирования разрушения образца в стандарте ASTM D3039 доступен код из 3 букв, однозначно определяющий режим разрушения и позицию вдоль зажатого образца. Разрушение не действительно, если оно происходит в зажимных губках, на переходе или в пределах расстояния от ширины образца до зажимных губок. Однако испытания на растяжение 0° UD зачастую проявляют высокоэнергетическое взрывное разрушение, при котором вся свободная площадь образца раскалывается. Поэтому такое разрушение классифицируется, как правило, как действительное.
Температурный диапазон
Поскольку механические свойства усиленных стекловолокном пластмасс проявляют сильную зависимость от температуры, то испытания на растяжение проводят не только при комнатной, но также и при низкой и повышенной температуре. Для этого испытательную машину можно оборудовать подходящей термокамерой с температурным диапазоном от -80°C до 360°C.
Образцы и размеры по ASTM D3039
| Тип образца / слоистый материал | Схематичное изображение формы образца (упрощенное, не в масштабе) | Указание по применению наклеек |
|---|---|---|
| Слоистый материал 0° UD |  |
|
| Слоистый материал 90° UD |  |
|
| Многонаправленные UD и тканевые слоистые материалы, прерывистые усиленные стекловолокном слоистые материалы со случайной ориентацией волокон (например, SMC) |  | Для многонаправленных UD или тканевых слоистых материалов или для образцов из прерывистых усиленных стекловолокном слоистых материалов со случайной ориентацией волокон зачастую достаточно применения абразивной ткани вместо наклеенных элементов приложения усилия |
- Применение наклеенных элементов приложения усилия (наклеек) не обязательно, однако настоятельно рекомендуется для слоистых материалов UD, чтобы предотвращать недействительное разрушение образцов в зажимах.
- В качестве материала наклеек хорошо себя зарекомендовала усиленная стекловолокном пластмасса (GFK) с ориентацией волокон ±45° относительно направления нагружения в образце.
- Приведенные в стандарте ASTM D3039 данные геометрии образцов для соответствующих типов слоистых материалов являются рекомендациями, они обеспечивают сопоставимость полученных результатов в разных лабораториях. Отклонения в размерах образцов допустимы, если соблюдаются указанные в стандарте общие рекомендации относительно геометрии образцов.
- Расчетная длина L0 при использовании контактных или бесконтактных систем измерения деформации должна составлять от 10 до 50 мм.
Более подробная информация по стандарту ASTM D3039
- В стандарте ASTM D3039 можно использовать параметры испытания и размеры образцов как в системе единиц СИ, так и в системе «дюйм-фунт» (Imperial). Однако следует избегать смешивания обеих систем единиц, так как это может привести к получению не соответствующих стандарту результатов.
- Для определения характеристик растяжения на уровне отдельного слоя всегда изготавливают многослойные соединения, у которых каждый отдельный слой выровнен одинаково. Сюда относятся особенно слоистые материалы 0° или 90° UD. В случае соответственно одинаково выровненных многослойных соединений из тканевых композитов также учитываются механические характеристики в направлениях основы и утка.
- Помимо проведения испытаний на растяжение в целях разработки и сертификации материалов, а также для контроля качества полученные на уровне отдельных слоев характеристики также используют при компоновке композитных структур для аналитических методик расчета. С помощью классической теории слоистых материалов можно, например, рассчитывать упругие свойства многонаправленного многослойного соединения из характеристик соответствующих отдельных слоев. Значения прочности на уровне отдельных слоев используются, кроме всего прочего, для расчета таких критериев разрушения, как «Max. Stress», «Hashin», «Puck» или «LaRC».
- Поскольку механические свойства многослойного соединения зависят от ориентации соответствующих отдельных слоев, то каждое многослойное соединение с по-разному ориентированными отдельными слоями обладает другими механическими свойствами при растяжении. Поэтому механические характеристики усиленных стекловолокном пластмасс возникают лишь во время изготовления слоистого материала. При этом сам процесс изготовления обладает значительным влиянием на возникающие характеристики. Поэтому влияние процесса изготовления на механические свойства соединения пластика со стекловолокном (FKV) зачастую проверяют посредством механического испытания.
Часто задаваемые вопросы по теме испытаний композитов на растяжение по ASTM D3039
ASTM D638 - это стандартная методика испытания для определения характеристик растяжения неусиленных и усиленных пластмасс с использованием образцов-лопаток. Если для армирования используют бесконечные или прерывистые волокна с модулем >20ГПа, то ASTM D638 ссылается на методику ASTM D3039 для определения характеристик полимерно-матричных композитов при растяжении. В стандарте ASTM D3039 указаны прямоугольные образцы. При проведении испытаний на растяжение усиленных углеродом или стекловолокном пластмасс (CFK, GFK) с бесконечными волокнами, в отличие от испытаний на растяжение неусиленных или усиленных коротким волокном пластмасс, достигаются значительно более высокие усилия испытания, что требует наличия подходящей испытательной машины.
ASTM D3039 - это стандартная методика испытаний для определения характеристик усиленных стекловолокном пластмасс при растяжении. При этом высокомодульные армирующие волокна могут быть бесконечными волокнами или прерывистыми волокнами со случайной ориентацией волокон. Рекомендованные размеры прямоугольных образцов, регламентированных в ASTM D3039, зависят от типа испытываемого слоистого материала (например, однонаправленные 0°, однонаправленные 90°, многонаправленные или случайно-прерывистые).
Толщина образцов в стандарте ASTM D3039 зависит от типа слоистого материала, свойства которого при растяжении необходимо определить. Стандарт ASTM D3039 рекомендует толщину образца 1 мм для испытаний на растяжение однонаправленных композитов 0° (UD) и 2 мм для 90° UD. Для многонаправленных слоистых материалов или слоистых материалов со случайно-прерывистой ориентацией волокон рекомендованная толщина образцов составляет 2,5 мм. Также приводятся рекомендации относительно общей длины, ширины образцов и длины и толщины наклеек.