ISO 527-4 | ISO 527-5, испытание композитов на растяжение
В процессе испытания на растяжение по ISO 527-4 и ISO 527-5 определяют такие упругие характеристики, как модуль растяжения и коэффициент Пуассона, а также прочность при растяжении в главных направлениях усиленных стекловолокном пластмасс. Стандарт ISO 527-4 содержит описание условий испытаний изотропных и анизотропных усиленных стекловолокном пластмасс. Сюда входят композиты с неоднонаправленным армированием (например, маты, ткани или разрезанные волокна), а также разнонаправленные слоистые материалы, состоящие из однонаправленных отдельных слоев. Стандарт ISO 527-5 содержит описание условий испытаний однонаправленных (UD) усиленных стекловолокном пластмасс. Оба стандарта ссылаются на ISO 527-1, где указаны общие принципы определения свойств при растяжении.
Другим часто используемым стандартом для испытаний длинных или бесконечных пластмасс, усиленных стекловолокном, на растяжение является ASTM D3039, содержащий описание условий испытаний изотропных и анизотропных усиленных стекловолокном пластмасс, а также однонаправленных композитов.
Цель и характеристики Видео Проведение испытания и оборудование Условия испытания Образцы и размеры Дополнительная информация Загрузки
Цель испытания и полученные характеристики по ISO 527-4 и ISO 527-5
Испытания усиленных стекловолокном пластмасс 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 стандартах ISO 527-4 и ISO 527-5 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
Как в ISO 527-4, ISO 527-5, так и в ASTM D3039 регламентированы условия испытаний усиленных стекловолокном пластмасс 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).
Надежное проведение испытаний по ISO 527-4 и ISO 527-5 благодаря программному обеспечению testXpert
testXpert поддерживает эффективное проведение испытаний и получение надежных результатов по ISO 527-4 и ISO 527-5:
- Экономьте время на изучение стандартов: гарантированное соответствие стандарту благодаря стандартным программам испытаний - там уже сохранены все характеристики и параметры стандартов ISO 527-4 и ISO 527-5.
- 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.
Захваты и выравнивающий модуль для получения надежных результатов испытаний по ISO 527-4 и ISO 527-5
Для проведения испытания на растяжение по ISO 527-4 и ISO 527-5 соответствующий образец зажимают в захватах статической испытательной машины. Рекомендуется регулярно проверять корректное выравнивание захватов по ISO 23788 или 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.
Машины для испытаний на растяжение по ISO 527-4 и ISO 527-5
Для испытаний на растяжение по ISO 527-4 и ISO 527-5 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.
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
Экстензометры для измерения деформации по ISO 527-4 и ISO 527-5
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).
Условия испытаний по ISO 527-4 и ISO 527-5
Скорость испытания
Настраиваемая постоянная скорость испытания зависит от типа образцов и мотивации испытания. Для испытаний на растяжение в области контроля качества можно настраивать более высокие скорости, чем для испытаний на растяжение в целях определения характеристик материала.
- Действительное разрушение образцов
Образцы, разрушение которых происходит внутри губок или на участке между губкой и незажатой зоной образца, являются недействительными, их следует заменить на новые и получить с ними минимум 5 действительных результатов.
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 ISO 527-4 / ISO 527-5
- l = общая длина образца
- L = расстояние между зажимными губками захватов
- b = ширина образца
- h = толщина слоистого материала FKV
- L0 = рекомендованная расчетная длина для экстензометра (контактного или бесконтактного): по стандарту ISO 527-4 для образцов типа 4 L0 = 25 мм, для всех остальных указанных выше типов образцов расчетная длина L0 составляет 50 мм
| Стандарт | Тип образца | Схематичное изображение (упрощенное, не в масштабе) | Применение |
|---|---|---|---|
| ISO 527-4 | Тип 1B лопатка |  |
|
| Тип 2 прямоугольный без наклеек |  |
| |
| Тип 3 * прямоугольный с наклейками |  |
| |
| Тип 4 ** конический без наклеек |  |
| |
| ISO 527-5 | Тип A, тип B *** |  |
|
- * Для образцов типа 3 в ISO 527-4 и образцов типа A и B в ISO 527-5 наклейки наносят с обеих сторон образца. Целью приклеивания этих элементов на испытываемый материал является, как правило, снятие концентрации напряжения в зажимах, чтобы предотвратить в них разрушение образца (то есть в губках или рядом с ними). Для этого хорошо себя зарекомендовали наклейки из слоистого материала ±45° GFK. Используются исключительно прямые наклейки, хотя стандарт ASTM D3039 допускает также применять косые наклейки. Другие, в том числе не наклеиваемые элементы также разрешены (например, абразивная ткань или наждачная бумага), если можно доказать, что достигаются одинаковые значения прочности и при этом нет большого разброса характеристик.
- ** Для нового принятого в стандарт ISO 527-4:2023 типа образца 4, предусмотренного для испытаний многонаправленных бесконечных усиленным стекловолокном термопластов без наклеек на растяжение, результаты следует рассчитывать дополнительно, если разрушение произошло вне расчетной длины L0 = 25 мм в центре образца. Приведенный в стандарте ISO 527-4 (приложение E) зависимый от места разрушения расчет прочности при растяжении для типа образца 4 уже включен в стандартную программу испытаний testXpert для ISO 527-4:2023.
- *** Образцы типа A и B в ISO 527-5 обладают различными значениями толщины материала и ширины образца. Предусмотренный для испытания слоистого материала UD на растяжение в направлении 0° тип A обладает шириной 15 мм и толщиной материала 1 мм. Предусмотренный для испытания слоистого материала UD на растяжение в направлении 90° тип B обладает, напротив, шириной 25 мм и толщиной материала 2 мм. Это гарантирует, что измеренные в процессе испытания на растяжение в направлении 0° усилия не слишком высоки, а измеренные в процессе испытания на растяжение в направлении 90° усилия достаточно высоки, вследствие чего оба типа образцов можно испытывать посредством одной и той же испытательной конструкции. Эта геометрическая адаптация необходима, поскольку слоистые материалы UD обладают экстремальной разницей по прочности в направлении волокон и поперек направлению волокон.
Дополнительная информация по стандартам ISO 527-4 и ISO 527-5
- Для определения характеристик растяжения на уровне отдельного слоя всегда изготавливают многослойные соединения, у которых каждый отдельный слой выровнен одинаково. Сюда относятся указанные в стандарте ISO 527-5 слоистые материалы UD 0° или 90°. В случае соответственно одинаково выровненных многослойных соединений из тканевых композитов в стандарте ISO 527-4 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.