ASTM D695, испытание композитов и пластмасс на сжатие
Стандарт ASTM D695 содержит описание испытания на сжатие для определения механических характеристик (например, Е-модуля и прочности) у неармированных и армированных пластмасс по принципу «End-Loading Compression» (торцевое приложение усилия). Приложение усилия осуществляется исключительно через концевые поверхности образца. Стандарт ASTM D695 можно применять для испытаний волокнистых композитов с прочностью до 41 ГПа, куда входят, например, тканевые композиты, армированные стекловолокном.
Приведенный ниже текст ограничивается конструкцией испытания по ASTM D695 с опорным механизмом для высокомодульных и армированных пластмасс толщиной < 3.2мм. Кроме того, приводится описание выходящих за рамки стандарта ASTM D695 испытаний End-Loading Compression по DIN EN 2850 метод B, Boeing BSS 7260 тип III и IV (модифицированный ASTM D695), а также SACMA SRM-1R-94. Последние также позволяют проводить испытания однонаправленных (UD) слоистых материалов, армированных углеродным волокном, с соответственно высокими жесткостью и прочностью на сжатие.
Другие, часто используемые для армированных бесконечным волокном композитов нормативные испытания на сжатие без ограничения по жесткости указаны в стандартах ISO 14126 метод 1 и ASTM D3410 (Shear Loading Compression), а также ISO 14126 метод 2 и ASTM D6641 (Combined Loading Compression).
Характеристики Проведение испытания и оборудование Образцы Загрузки Часто задаваемые вопросы Запросить консультацию
ASTM D695: цель и характеристики
С помощью испытания на сжатие по ASTM D695 с опорой и особенно с помощью разработанных на базе ASTM D695 вариантов (EN 2850 метод B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260 тип III и IV) испытательной конструкции можно определять следующие результаты и характеристики армированных волокном пластмасс:
- Напряжение сжатия: отношение усилия сжатия к начальному поперечному сечению образца
- Осадка: отношение изменения расчетной длины к начальной расчетной длине в направлении нагружения (только при использовании подходящей системы для измерения деформации, см. ниже)
- Модуль сжатия: наклон кривой напряжения/осадки в упругой зоне регламентированного интервала деформации. Его также называют модулем упругости или просто Е-модулем
- Прочность при сжатии: максимальное значение полученного в процессе испытания напряжения сжатия
Важные указания для определения результатов
Стандарт ASTM D695 предусматривает для неармированных и армированных пластмасс толщиной < 3.2 мм суженную в средней части геометрию образцов, с помощью которой в процессе одного испытания можно определять модуль сжатия (при использовании подходящей системы для измерения деформации) и прочность при сжатии. Для этого необходимо дополнительно использовать опорный механизм.
Однако суженные в средней части образцы не подходят для испытаний однонаправленных (UD) композитов. Поэтому разработанные на базе ASTM D695 варианты (EN 2850 метод B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260 тип III и IV) используют два различных прямоугольных образца:
- образец без наклеек для определения модуля сжатия. Этот образец нельзя использовать для определения прочности при сжатии, поскольку всегда происходит преждевременное разрушение торцевых поверхностей при напряжении сжатия, меньшем, чем прочность испытываемого материала при сжатии.
- образец с нанесенными наклейками для определения прочности при сжатии. Испытание признается действительным, если образец разрушается в пределах свободной длины образца. Этот образец, в свою очередь, не подходит для определения модуля сжатия, потому что нанесение тензометрических датчиков в зоне свободной длины образца (ок. 5 мм) едва ли возможно.
Так как приложение усилия всегда осуществляется исключительно через концевые поверхности образца, во всех случаях обязательно необходима очень точная обработка концевых поверхностей образцов.
Приспособление для испытаний «End-Loading Compression»
Для испытаний материалов толщиной < 3.2 мм стандарт ASTM D695 предусматривает опорный механизм для образцов. Затем получивший эту опору образец помещается в подходящее приспособление для испытаний на сжатие (в стандарте ASTM D695 его также обозначают как «Subpress» или «Compression Tool»).
У разработанных для усовершенствованных композитов на базе ASTM D695 вариантов (EN 2850 метод B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260) этот опорный механизм жестко соединен с соответствующим приспособлением для испытаний на сжатие, что исключает перекос или изгиб образца с опорным механизмом.
- Это разработанное приспособление «End-Loading Compression» также обозначается в стандарте Boeing BSS 7260 как модифицированное приспособление по ASTM D695.
- В стандартах DIN EN 2850 метод B и SACMA SRM-1R-94 также используется этот принцип, с небольшими отличиями в размерах опорного механизма и образцов.
- Следует помнить, что длина опорного механизма по DIN EN 2850 метод B составляет 70 мм, в то время как во всех других стандартах (ASTM D695, Boeing BSS 7260 тип III и IV, SACMA SRM-1R-94) опорный механизм обладает длиной 73 мм. Поэтому в стандарте DIN EN 2850 метод B указано собственное испытательное приспособление.
В любом случае опорный механизм не участвует в приложении усилия к образцу. Трение между образцом и опорным механизмом сводится к минимуму благодаря соответствующему оформлению контактных поверхностей. В стандарте ASTM D695 этого крепления опорного механизма на образце «от руки» вполне достаточно. Во всех разработанных испытательных методиках «End-Loading» регламентированы небольшой момент затяжки или усилие прижима крепежных винтов.
Приспособление фирмы ZwickRoell для испытания «End-Loading Compression» по ASTM D695 и вариантам:
- Конструкция фирмы ZwickRoell для испытаний «End-Loading Compression» представляет собой расположенное между двумя нажимными плитами приспособление для испытаний на сжатие. Направляющие элементы на приспособлении постоянно обеспечивают точную центровку образца на оси нагружения. Из-за высокой прочности при сжатии, иногда превышающей 1000 МПа, особенно при испытаниях на сжатие однонаправленных композитов, армированных углеродным волокном в направлении волокон, необходимо использовать соответственно закаленные нажимные плиты.
- Приспособления фирмы ZwickRoell для испытаний «End-Loading Compression» можно применять в температурном диапазоне от -80°C до +300°C.
Машины для испытаний по ASTM D695
- При использовании номинальной геометрии образцов из однонаправленных армированных углеродным волокном композитов в процессе испытания «End-Loading Compression» вследствие постоянного совершенствования механических свойств волокон и матрицы сегодня получается достичь максимального усилия до 50кН. Так как, как правило, помимо испытаний на сжатие также проводят испытания на растяжение, при которых максимальные усилия еще выше, рекомендуется использовать статическую испытательную машину с номиналом до 100кН или 250кН.
- Если же, напротив, испытываются исключительно композиты, армированные стекловолокном, то достаточно испытательной машины на 50кН.
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 «End-Loading Compression» благодаря программному обеспечению testXpert
Наше программное обеспечение testXpert поддерживает эффективное проведение испытаний и получение надежных результатов по ASTM D695 и разработанным на базе ASTM D695 вариантов испытаний на сжатие «End-Loading Compression»:
- Экономьте время на изучение стандартов: гарантированное соответствие стандарту благодаря стандартным программам испытаний - там уже сохранены все характеристики и параметры стандартов ASTM D695 и DIN EN 2850.
- Максимальную эффективность испытаний обеспечивает функция Привязка периферийных приборов: если микрометр 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 по стандарту ASTM D695 и другим вариантам
Подходящие методики измерения деформации для испытания «End-Loading Compression» по ASTM D695 предусматривают установленные в центре на поверхность образца тензорезистор (DMS) или контактный датчик, измеряющие осадку на кромке образца. При использовании DMS элементы опорного механизма должны располагать в центре подходящей выемкой, чтобы исключить контакт с измерительной решеткой DMS и кабелями DMS.
Благодаря точному позиционированию образца по центру оси нагружения и выемкам в корпусе приспособления фирмы ZwickRoell для испытаний «End-Loading Compression» также можно использовать проводящий измерения на кромках образца с обеих сторон автоматический экстензометр makroXtens со щупами.
Измерение деформации при разработанных на базе ASTM D695 вариантах испытания «End-Loading Compression» осуществляется только на образце, предусмотренном для измерения модуля сжатия. При этом в соответствующих стандартах указаны различные данные максимальной осадки в процессе испытания и области, в которой следует определять Е-модуль
- DIN EN 2850 метод B: нагружение сжатия до минимальной осадки в 0,5 % (5000 µe); определение E-модуля между 0.1 % и 0.5 % (предпочтительный метод, если не указано иное)
- Boeing BSS 7260: нагружение сжатия до минимальной осадки 3000 µe; определение E-модуля между 1000 и 3000 µe.
- SACMA SRM-1R-94: нагружение сжатия до 5000 µe; определение E-модуля между 1000 и 3000 µe; рекомендуется использование нанесенных с обеих сторон DMS для контроля наложенного нагружения изгиба; при отклонении между обоими сигналами DMS более 10 % испытание считается недействительным, его следует повторить.
Как указано выше, измерение деформации на образце с нанесенными наклейками для определения прочности при сжатии по причине слишком малой свободной расчетной длины в этих стандартах не предусмотрено.
Для используемых в стандарте ASTM D695 суженных в средней части образцах с толщиной менее 3.2 мм, применяемых для определения как Е-модуля, так и прочности при сжатии, подходит контактный датчик, проводящий измерения на кромках образца.
| Стандарт | Тип образца | Схематичное изображение (не в масштабе) | Применение и указания |
|---|---|---|---|
| ASTM D695 | суженный в средней части, толщина образца менее 3,2 мм |  | Неармированные и армированные пластмассы с жесткостью до 41 ГПа (например, также тканевые композиты GFK) |
DIN EN 2850 метод B Boeing BSS 7260 SACMA SRM-1R-94 | B1 тип III Compression Strength Specimen |  | UD* и тканевые композиты (GFK, CFK)
|
DIN EN 2850 метод B Boeing BSS 7260 SACMA SRM-1R-94 | B2 тип IV Compression Modulus Specimen |  |
Часто задаваемые вопросы относительно испытаний на сжатие по ASTM D695
В стандарте ASTM D695 приводится описание испытания на сжатие для определения механических характеристик (например, Е-модуля и прочности) у жестких пластмасс по принципу «End-Loading Compression» (торцевое приложение усилия), при котором приложение усилия осуществляется исключительно через концевые поверхности образца. Стандарт ASTM D695 можно применять для испытаний композитов с прочностью до 41 ГПа, куда входят, например, тканевые композиты, армированные стекловолокном. Для высокомодульных и армированных пластмасс толщиной < 3.2мм необходим опорный механизм.
В стандарте ASTM D695 приводится описание испытания на сжатие для определения механических характеристик (например, Е-модуля и прочности) жестких пластмасс. Стандарт ASTM D695-15 был опубликован в 2015 году, но уже был актуализирован и заменен на стандарт ASTM D695-23 / ASTM D695:2023.
Стандарт ASTM D695 предусматривает для неармированных и армированных пластмасс толщиной < 3.2 мм суженную в средней части геометрию образцов длиной L=79,4 мм и шириной B=19 мм, с помощью которой в процессе одного испытания можно определять модуль сжатия (при использовании подходящей системы для измерения деформации) и прочность при сжатии. Однако суженные в средней части образцы не подходят для испытаний однонаправленных (UD) композитов. Поэтому разработанные на базе ASTM D695 варианты используют два различных прямоугольных образца: один образец без наклеек для определения модуля сжатия и один образец с нанесенными наклейками для определения прочности при сжатии.
