ASTM D6641, испытание Combined Loading Compression
ASTM D6641 - это стандартный метод испытания для определения модуля упругости, а также прочности и деформации разрушения композитных слоистых материалов при сжатии. Испытание подходит для слоистых материалов под углом 0°, 90° или многонаправленных слоистых материалов UD, для тканевых и однонаправленных композитов или для волокнистых композиционных материалов с прерывистыми и хаотично распределенными армирующими волокнами (например, Chopped Fiber Composites, SMC).
В процессе испытания Combined Loading Compression комбинированное приложение усилия осуществляется посредством составляющей нормального усилия через торцевые поверхности и посредством составляющей усилия сдвига через зажатую часть образца. Это комбинированное приложение усилия особенно полезно для испытаний волокнистых слоистых материалов высокой прочности на сжатие. Соблюдение регламентированных в стандарте допусков параллельности торцевых поверхностей образцов и прямоугольности торцевых поверхностей относительно направления нагружения обязательно необходимо для получения оптимальных результатов.
Согласно стандарту ASTM D6641 можно использовать как образцы без наклеек (процедура A), так и образцы с нанесенными наклейками (процедура B). Подробнее: см. раздел «Образцы и размеры» ниже.
Также для испытаний длинных или бесконечных пластмасс, усиленных стекловолокном, на сжатие часто используют ASTM D695 или DIN EN 2850 метод B, основанные на чистом принципе торцевого нагружения, и ASTM D3410 или ISO 14126 метод 1, основанные на чистом принципе нагружения сдвига. Другое нормативное испытание Combined Loading Compression описано в стандарте ISO 14126 метод 2.
Цель и характеристики Проведение испытания Испытательное приспособление CLC Испытательные машины Измерение деформации Условия испытания Образцы
Цель испытания и полученные характеристики по ASTM D6641
Испытания композитов на сжатие по ASTM D6641 проводят, кроме всего прочего, для определения механических свойств при сжатии при разработке и сертификации материалов, для определения характеристик при компоновке и проектировании композитных структур, а также в области контроля качества.
С помощью испытания Combined Loading Compression по ASTM D6641 можно определять следующие результаты и характеристики:
- Напряжение сжатия: отношение усилия сжатия к начальному поперечному сечению образца
- Осадка: отношение изменения расчетной длины к начальной расчетной длине в направлении нагружения
- Модуль сжатия: наклон кривой напряжения/осадки в процессе испытания на сжатие в упругой зоне регламентированного интервала деформации. Его также называют модулем упругости или Е-модулем
- Прочность при сжатии: максимальное значение полученного в процессе испытания напряжения сжатия
- Деформация разрушения: осадка при достижении прочности при сжатии
При использовании двухосного тензорезистора, с помощью которого можно измерять деформацию в продольном и поперечном направлении, в процессе испытания на сжатие по ASTM D6641 также можно определять коэффициент Пуассона, что соответствующим образом указано в стандарте. Однако по причине относительно малой свободной длины образца при испытании на сжатие это не является практичным, поэтому используется редко. Для определения коэффициента Пуассона значительно лучше подходит испытание на растяжение по ISO 527-4,-5 или ASTM D3039.
Как проводится испытание на сжатие по ASTM D6641?
Ниже приведены важные указания относительно проведения испытания композитов Combined Loading Compression и необходимых для этого испытательных машин, приспособлений и приборов для измерения деформации. Для получения детальной информации о стандарте ASTM D6641 необходимо приобрести этот стандарт.
ASTM D6641, приспособление для испытания Combined Loading Compression
Для проведения испытания Combined Loading Compression (CLC) по ASTM D6641 необходимо приспособление, обеспечивающее комбинированное приложение усилия через торцевые поверхности и через зажатую часть образца.
У приведенного в стандарте приспособления для испытаний Combined Loading Compression зажим образца осуществляется посредством болтов в верхней и нижней части приспособления (по 4 шт.). Торцевые поверхности образца располагаются заподлицо с торцевыми поверхностями приспособления. Приспособление с установленным образцом затем располагается между параллельно выровненными закаленными нажимными плитами и нагружается на сжатие вплоть до разрушения образца.
Согласно ASTM D6641 для испытаний Combined Loading Compression можно также использовать сравнимое приспособление, соответствующее принципу комбинированного приложения усилия к образцу:
Изначально разработанное в испытательном центре IMA Dresden и доступное исключительно на фирме ZwickRoell приспособление Hydraulic Composites Compression Fixture (HCCF) для испытаний композитов на сжатие с усилием до 250кН представляет собой универсально используемое нажимное приспособление, подходящее, в том числе, для проведения испытаний Combined Loading Compression по ASTM D6641.
Некоторые преимущества и характеристики приспособления HCCF
- Позволяет проводить испытания на сжатие по принципу Combined Loading Compression (ASTM D6641, ISO 14126 метод 2 или Airbus AITM 1-0008)
- Позволяет проводить испытания на сжатие по чистому принципу нагружения сдвигом (ASTM D3410 или ISO 14126 метод 1)
- для усилий сжатия до 250кН
- для ширины образца до 35 мм и толщины слоистого материала до 10 мм
- быстрое проведение испытаний, поскольку приспособление HCCF остается в испытательной машине
- точно выровненные относительно друг друга зажимные губки и отсутствие их смещения относительно друг друга во время испытания
- Неограниченный обзор свободной части образца позволяет использовать оптические методы измерения деформации (например, Digital Image Correlation (DIC))
Указание: стандарт ASTM D6641 требует двустороннего измерения деформации на противоположных поверхностях свободной части образца. Для этого по причине относительно малой площади номинальной геометрии образца в 13x13мм² по стандарту ASTM D6641, как правило, самым оптимальным средством измерения деформации является тензорезистор.Подробнее: см. раздел « Измерение деформации » ниже.
- Вызванную погрешностью толщины клеевого слоя или наклейки деформацию при зажиме образца, которую можно распознать по абсолютной разнице между показаниями измеряющих с обеих сторон тензорезисторов в >150 µe, можно быстро и легко устранить, открыв зажимные губки и установив прокладки.
- можно использовать для испытаний на сжатие в температурном диапазоне от -60°C до +150°C
- гидравлические насосы обеспечивают очень точно дозированный зажим образца
Для приспособления HCCF предлагаются губки с чешуйчатой насечкой или с шероховатой поверхностью, созданной посредством термического нанесения покрытия. Губки с термически нанесенным покрытием следует использовать для испытаний образцов без наклеек (ASTM D6641, процедура A).
Машина для испытаний по ASTM D6641
Для испытаний на сжатие по ASTM D6641 с номинальными образцами и для многих других стандартных методик испытаний усиленных стекловолокном пластмасс зачастую достаточно применения испытательной машины AllroundLine на 100 кН. Слева представлена конструкция с приспособлением HCCF и удлинительными тягами сверху и снизу, позволяющими проводить испытания на сжатие в термокамере. Для проведения испытаний на сжатие при комнатной температуре удлинительные тяги не требуются. Показанная конфигурация машины на 100 кН благодаря использованию механических захватов «корпус с клиньями» для испытаний на растяжение (см. изображение выше) позволяет осуществлять быструю смену различных испытательных конструкций и приспособлений. Кроме того, 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.
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
Надежное проведение испытаний по ASTM D6641 благодаря программному обеспечению testXpert
Программное обеспечение testXpert поддерживает эффективное проведение испытаний и получение надежных результатов по ASTM D6641:
- Экономьте время на изучение стандартов: гарантированное соответствие стандарту благодаря стандартным программам испытаний - там уже сохранены все характеристики и параметры стандарта ASTM D6641.
- Максимальную эффективность испытаний обеспечивает функция «Привязка периферийных приборов»: если микрометр или штангенциркуль передает размеры образцов напрямую в программное обеспечение, это экономит время и исключает ошибки при вводе.
- Проверка и управление температурой в камере также осуществляется в программном обеспечении. Установите диапазоны температур и даже по прошествии времени смотрите, как соблюдаются значения.
Измерение деформации в процессе испытания на сжатие по ASTM D6641
Испытание на сжатие по ASTM D6641 требует двухстороннего и не зависимого друг от друга измерения деформации в свободной зоне образца (Gauge Length). По причине относительно малой площади номинальной геометрии образца в 13x13 мм2 самым оптимальным средством измерения деформации являются нанесенные с обеих сторон тензорезисторы (DMS).
Двустороннее независимое измерение деформации на образце необходимо для распознавания возможных наложенных деформаций изгиба на образце и различения действительных и недействительных испытаний. См. раздел «Условия испытания – контроль наложенной деформации изгиба (Percent Bending) ниже».
Благодаря открытой конструкции приспособления HCCF в качестве альтернативы можно использовать проводящий двусторонние независимые измерения экстензометр Clip-on. Тем не менее все равно необходима свободная длина минимум в 13 мм. Увеличенная свободная длина допускается по ASTM D6641 и является предпочтительной для использования экстензометра Clip-on, если толщина образца выбрана соответствующим образом, чтобы избежать продольного изгиба Эйлера.
Условия испытания по ASTM D6641
Скорость испытания
Номинальная скорость испытания по стандарту ASTM D6641 составляет 1.3 мм/мин.
Действительное разрушение образцов
Для документирования разрушения образца в стандарте ASTM D6641 доступен код из 3 букв, однозначно определяющий режим разрушения и позицию вдоль образца. В зависимости от структуры волокна и испытываемого слоистого материала при испытании на сжатие могут возникать различные допустимые типы разрушения (например, разрушение поперек ширины образца, разрушение с наклонным сдвигом по толщине образца (обычно при испытаниях на сжатие слоистых материалов UD под углом 90°), полоса излома, растрескивание, расщепление, расслоение или комбинация различных допустимых типов разрушения).
Испытание на сжатие считается действительным только в том случае, если образец разрушается в пределах свободной длины. Разрушение в центральной зоне свободной длины соответствует идеальному случаю, но из-за малой свободной длины и частично проходящих под углом поверхностей разрушения возникают также разрушения на переходе от зажимных губок к свободной зоне или на переходе от наклейки к свободной зоне. Это также считается действительным разрушением образца.
Недействительными типами разрушения являются продольный изгиб Эйлера или разрушение на торцах образца, а также любой тип разрушения образца в зоне зажима.
Контроль наложенной деформации изгиба (Percent Bending)
Помимо действительного разрушения образца для действительного испытания на сжатие по ASTM D6641 в целом наложенная на сжимающую нагрузку деформация сжатия не должна выйти за пределы регламентированной зоны. Для этого значение процента изгиба (Percent Bending) рассчитывается с использованием полученных с обеих сторон образца сигналов деформации ε1 и ε2 по формуле: By=(ε1-ε2)/(ε1+ε2)×100.
Условия для действительного испытания: By <10% в среднем интервале деформации определения Е-модуля при 2000µε и By <10% для прочности при сжатии и деформации разрушения.
Если в результате предварительного разрушения слоистого материала возникают скачки и разрывы в сигнале деформации, то испытание считается действительным даже при соблюдении критерия процента изгиба при 90% прочности при сжатии.
Температурный диапазон
Поскольку механические свойства усиленных стекловолокном пластмасс проявляют сильную зависимость от температуры, то испытания на сжатие проводят не только при комнатной, но также и при низкой и повышенной температуре. Для этого можно использовать приспособление HCCF фирмы ZwickRoell в температурном диапазоне от -60° до +150°C, что соответствует обычному диапазону температур от -40° до +80°C (+120°C) в автомобильной промышленности, а также диапазону от -55°C до +120°C в авиационной отрасли.
ASTM D6641: образцы и размеры
| Тип образца | Схематичное изображение образца | Примечания |
|---|---|---|
| без наклеек (процедура A) |  | можно использовать для многонаправленных слоистых материалов с менее чем 50% слоев под углом 0°, если можно избежать разрушения на торцевых поверхностях образца и не требуется значительного увеличения зажимного усилия сверх рекомендуемого уровня. |
| с наклейками (процедура B) |  |
|
- В качестве материала наклеек можно использовать слоистый материал GFK с ориентацией волокон ±45°, фиксируемый на испытываемом образце с помощью подходящего клея. Для толщины образца до 2.5 мм хорошо себя зарекомендовала толщина наклеек примерно в 1.6 мм. Для более толстых образцов следует выбирать более толстые наклейки.
- Стандарт ASTM D6641 не регламентирует номинальную толщину образца. Обычно испытывают образцы толщиной от 2 до 3 мм. Можно также испытывать более толстые слоистые материалы, если используемое испытательное приспособление это позволяет. Для образцов с меньшей толщиной особое внимание следует уделять размерам, указанным в стандарте, чтобы предотвратить продольный изгиб Эйлера, особенно это касается слоистых материалов с низкой жесткостью
- Приспособление HCCF изначально было разработано для испытаний Combined Loading Compression по Airbus AITM 1-0008. При этом регламентированная в стандарте AITM 1-0008 длина зажимных губок составляет 65 мм. Поэтому оригинальные зажимные губки приспособления HCCF на 1,5 мм длиннее номинальной геометрии образца по ASTM D6641. Для проведения испытаний Combined Loading Compression по ASTM D6641 с приспособлением HCCF необходимо использовать образец длиной 143 мм. В качестве альтернативы можно воспользоваться подходящими зажимными губками, предусмотренными для номинальной длины образца 140 мм.
