ASTM D3039 natezni preskus na kompozitih
Natezni preskus v skladu z ASTM D3039 / ASTM D3039M se uporablja za določanje nateznega modula in elastičnih karakterističnih vrednosti Poissonovega količnika ter natezne trdnosti kompozitnih materialov. To vključuje enosmerne (UD) in večsmerne (MD) kompozitne laminate, ojačane z neprekinjenimi vlakni, pri čemer so lahko MD laminati sestavljeni iz enoslojnih UD laminatov, tkanih ali drugih arhitektur tekstilnih vlaken. Preskusiti je mogoče tudi z vlakni ojačane plastične kompozite (FRP) z diskontinuiranimi in naključno razporejenimi ojačitvenimi vlakni (npr. mase za oblikovanje plošč – SMC).
Tudi pogosto uporabljena standarda za natezno preskušanje dolgih ali neprekinjenih plastik, ojačanih z vlakni, sta ISO 527-4 (preskusni pogoji za izotropne in anizotropne plastike, ojačane z vlakni) in ISO 527-5 (preskusni pogoji za enosmerne plastike, ojačane z vlakni).
Objektivne in značilne vrednosti Izvajanje preskusa in preskusna oprema Preskusne zahteve Vzorci in dimenzije Dodatne informacije FAQ Prenosi
Cilj preskusa in določanje karakteristične vrednosti po ASTM D3039
Natezni preskusi na kompozitih v skladu z ASTM D3039 se izvajajo za določitev nateznih lastnosti v procesu razvoja materiala in kvalifikacije, za določitev značilnih vrednosti, ki se uporabljajo za postavitev in načrtovanje kompozitnih struktur, kot tudi pri zagotavljanju kakovosti.
Ne glede na vrsto ojačitve z vlakni so v ASTM D3039 določeni naslednji karakteristični rezultati in karakteristične vrednosti:
- Natezna napetost: sila, povezana z začetnim prerezom vzorca
- Osna deformacija: sprememba dolžine profila glede na začetno dolžino profila v smeri obremenitve
- Prečna deformacija: Sprememba merilne dolžine glede na začetno merilno dolžino v prečni smeri (potrebno le za določitev Poissonovega količnika)
- Natezni modul: naklon krivulje napetost-deformacija v določenem intervalu deformacije v elastičnem območju. Imenuje se tudi modul elastičnosti ali Youngov modul
- Natezna trdnost: največja vrednost natezne napetosti, ugotovljena pri nateznem preskusu
- Deformacija pri porušitvi: osna deformacija, ko je dosežena natezna trdnost
- Poissonov količnik: negativno razmerje med prečno in osno deformacijo
Za z vlakni ojačene kompozite z bilinearnim obnašanjem napetosti in deformacije je mogoče določiti dodatno karakteristično vrednost:
- Prehodna napetost: Srednja vrednost osne deformacije v prehodnem območju. Običajno se določi iz krivulje osne napetosti in deformacije
Standarda ASTM D3039 in ISO 527-4/ISO 527-5 določata preskusne pogoje za natezno preskušanje kompozitov. Kljub podobnosti v preskusnih metodah ugotovljene karakteristične vrednosti niso popolnoma primerljive, saj se oblike in dimenzije vzorca ter določitev karakteristične vrednosti v nekaterih vidikih razlikujejo (npr. interval deformacije za natezni modul in zgoraj omenjena prehodna deformacija).
Za poenostavitev izvedbe preskusa je mogoče uporabiti preskusne programe testXpert, ki so vnaprej konfigurirani z vsemi nastavitvami v skladu s standardnimi zahtevami ASTM D3039.
Čeljusti in pritrditev za poravnavo za zanesljive rezultate preskusa po ASTM D3039
Za izvedbo nateznega preskusa po ASTM D3039 se ustrezni natezni vzorec prime v čeljustih stroja za statično preskušanje. Priporočljivo je, da redno preverjate pravilno poravnavo čeljusti v skladu z ASTM E1012. Za laboratorije za preskušanje, akreditirane s strani Nadcap v vesoljski industriji, je dokaz o usklajenosti obvezen.
Za to zahtevo so idealne mehanske body-over-wedge ali hidravlične body-over-wedge čeljusti. Če dokaz poravnave ni potreben, se lahko uporabijo tudi klinasto vijačne čeljusti s pogojno poravnavo.
Modularni sistem za preskušanje kompozitov
Večji preskusni laboratoriji z ustrezno velikim obsegom preskušanja uporabljajo različne preskusne stroje za zelo raznolike sestavljene preskusne metode in tako lahko zmanjšajo prizadevanja za pretvorbo. Posamezne preskusne naprave je mogoče prilagoditi razponu sile, potrebnemu za različne vrste preskusov. Če stopnje prepustnosti niso dovolj visoke ali dosledne, da bi bila naložba v več preskusnih strojev smiselna, je alternativna možnost, da opremite en sam preskusni stroj, tako da lahko izvedete čim več preskusnih metod z najmanjšim naporom pri predelavi stroja.
ZwickRoell je razvil modularno zasnovo, ki je na voljo kot preskusni stroj s 100 kN ali 250 kN, ki pokriva 21 preskusnih metod in približno 120 preskusnih standardov (ISO, EN, ASTM ter Airbus AITM in Boeing BSS) in ki omogoča celovito karakterizacijo z vlakni ojačenih kompozitnih materialov pri sobni temperaturi ali za preskuse pri nizkih ali visokih temperaturah v razponu od -80 °C do +360 °C.
Programska oprema za preskušanje testXpert: zajamčeno zanesljivo preskušanje po ASTM 3039
Učinkovito preskušanje in zanesljive rezultate preskušanja ASTM D3039 je enostavno doseči z našo programsko opremo za preskušanje testXpert:
- Prihranite si čas, ki je potreben za preučevanje standardov: naš standardni preskusni program zajamčeno ustreza ASTM D3039. Vse zahtevane karakteristične vrednosti in parametri, navedeni v ASTM D3039, so že vnaprej konfigurirani v preskusnem programu.
- Priključitev perifernih naprav še poveča vašo raven učinkovitosti: dimenzije vzorca se pošljejo neposredno iz mikrometra v programsko opremo za preskušanje, kar vam prihrani čas in prepreči napake pri vnosu.
- Temperaturna komora je tudi priročno integrirana v programsko opremo za preskušanje: preverite in nadzirajte temperaturo v komori, nastavite temperaturne hitrosti in si oglejte vrednosti, ki so bile ohranjene za nazaj, s sledljivostjo.
Stroji za natezno preskušanje za ASTM 3039
Za natezne preskuse po ASTM D3039 s standardnimi vzorci in za številne druge standardizirane preskusne metode za plastiko, ojačano z vlakni, pogosto zadostuje uporaba preskusnega stroja 100 kN. S konfiguracijo stroja 100 kN, prikazano na desni, uporaba mehanskih body-over-wedge čeljusti omogoča preprosto preklapljanje med različnimi preskusnimi ureditvami in preskusnimi napravami. Ker je čeljusti enostavno odstraniti, se lahko celotno delovno območje preskusne naprave uporablja tudi za nestandardne preskuse. Podporne noge omogočajo individualno in ergonomsko nastavitev višine delovnega prostora.
Če se preskušanje izvaja izključno na plastiki, ojačani s steklenimi vlakni (GFRP), običajno zadostuje statični stroj z največjo silo 50 kN.
Ekstenziometri za merjenje deformacije po ASTM D3039
Za pravilno določitev elastičnih karakterističnih vrednosti in deformacije pri porušitvi je potrebno deformacijo izmeriti neposredno na vzorcu. Za določitev Youngovega modula in deformacije pri porušitvi zadošča meritev osne deformacije. Za dodatno določitev Poissonovega količnika je potreben dvoosni sistem za merjenje deformacij, ki omogoča tudi merjenje prečnih deformacij. Za merjenje deformacije lahko uporabite merilnike napetosti, merilne sisteme s tipali, kot so nasadni ekstenziometri (omejitev: ne do preloma vzorca) ali avtomatske ekstenziometre s tipali (makroXtens, multiXtens), kot tudi brezkontaktne optične sisteme (videoXtens).
Preskusni pogoji ASTM D3039
Preskusna hitrost
ASTM D3039 navaja dve možnosti za nastavitev preskusne hitrosti.
Eden je z nastavitvijo konstantne stopnje deformacije 0,01 min-1 (nazivna vrednost). Alternativno se lahko preskus izvaja pri konstantni hitrosti 2 mm/min (nazivna vrednost).
- Napaka veljavnega vzorca
Za dokumentiranje okvare vzorca ASTM D3039 zagotavlja 3-črkovno kodo, ki enolično opredeljuje način okvare in položaj vzdolž prijetega vzorca. Napaka se šteje za neveljavno, če do zloma pride v vložkih, v prehodnem območju ali na razdalji, ki je enaka eni širini vzorca od vložkov Vendar ravni natezni preskusi UD 0° pogosto pokažejo visokoenergijsko, eksplozivno okvaro, pri kateri se razbije celotno prosto (neoprijeto) območje vzorca. Ta napaka je zato običajno razvrščena kot veljavna napaka.
Temperaturno območje
Ker so mehanske lastnosti z vlakni armirane plastike lahko v veliki meri odvisne od temperature, se poleg nateznih preskusov pri sobni temperaturi izvajajo tudi preskusi pri nizkih in povišanih temperaturah. Tukaj je preskusni stroj lahko opremljen s temperaturno komoro za temperaturno območje od -80 °C do 360 °C.
Vzorci in mere v skladu z ASTM D3039
| Vrsta vzorca / laminat | Shematski diagram oblike vzorca (poenostavljeno, brez merila) | Opomba o uporabi trakov za pokrove |
|---|---|---|
| 0° UD laminat |  |
|
| 90° UD laminat |  |
|
| Večsmerni UD in tkani laminati, diskontinuirani laminati, ojačani z vlakni, z naključno usmerjenostjo vlaken (npr. SMC) |  | Za večsmerne UD ali tkane laminate ali za vzorce, izdelane iz diskontinuiranih laminatov, ojačanih z vlakni, z naključno usmerjenostjo vlaken pogosto zadostuje uporaba abrazivne tkanine namesto vezanih elementov za nanašanje sile |
- Vezani elementi za nanašanje sile (pokrivni trakovi) niso potrebni, vendar so močno priporočljivi za UD laminate, da preprečite nepravilne zlome vložkov (zlom na ali v vložkih).
- Laminat iz plastike, ojačane s steklenimi vlakni (GFRP) z orientacijo vlaken ±45° glede na smer obremenitve v nateznem vzorcu se je izkazal kot ustrezen material za pokrovček.
- Specifikacije v ASTM D3039 za geometrijo vzorcev ustreznih vrst laminata so priporočila in omogočajo primerjavo rezultatov med laboratoriji. Odstopanja v dimenzijah vzorca so dovoljena, če so upoštevana splošna priporočila za geometrijo vzorca, ki jih določa standard.
- Pri uporabi tipal ali brezkontaktnih sistemov za merjenje deformacij mora biti merilna dolžina L0 med 10 in 50 mm.
Dodatne informacije o ASTM D3039
- S standardom ASTM D3039 se lahko za preskusne parametre in dimenzije vzorca uporablja tako mednarodni sistem enot (SI) kot tudi sistem enot inč-funt (imperialni). Vendar je pomembno, da se izognete mešanju obeh sistemov enot, saj lahko to privede do nestandardnih skladnih rezultatov.
- Za določanje nateznih lastnosti na ravni enega sloja se izdelujejo večplastni kompoziti, pri katerih je vsaka posamezna plast orientirana na enak način. To še posebej velja za 0° ali 90° UD laminate. V primeru ustrezno usmerjenih večplastnih tkanih kompozitov se vrednosti mehanskih karakteristik nanašajo tudi na smer osnove in votka.
- Poleg izvajanja nateznih preskusov za namene razvoja materialov, kvalifikacije materialov in zagotavljanja kakovosti se karakteristične vrednosti, določene na nivoju ene plasti, uporabljajo tudi pri načrtovanju kompozitnih struktur za analitične računske metode. Z uporabo klasične teorije laminata je na primer mogoče izračunati elastične lastnosti večsmernega večslojnega kompozita iz karakterističnih vrednosti posameznih slojev. Vrednosti trdnosti na ravni enega sloja se med drugim uporabljajo za izračun kriterijev porušitve, kot so največja napetost, Hashin, Puck ali LaRC.
- Ker so mehanske lastnosti večplastnega kompozita odvisne od orientacije posameznih plasti, ima vsak večplastni kompozit z različnimi orientacijami posameznih plasti različne mehanske natezne lastnosti. Mehanske lastnosti materiala plastike, ojačane z vlakni, torej pridejo na dan šele med proizvodnim procesom laminata. Sam proces izdelave ima pomemben vpliv na dobljene karakteristične vrednosti. Vpliv proizvodnega procesa na mehanske lastnosti laminata iz plastike, ojačane z vlakni (FRP), se zato pogosto potrdi z mehanskim preskušanjem.
Pogosta vprašanja o preskušanju kompozitov v skladu z ASTM D3039
ASTM D638 je standardna preskusna metoda za določanje nateznih lastnosti nearmirane in armirane plastike z uporabo veselc vzorcev. Kadar se za ojačitev uporabljajo neprekinjena vlakna ali diskontinuirana vlakna z modulom >20 GPa, se ASTM D638 nanaša na standardno preskusno metodo ASTM D3039 za določanje nateznih lastnosti kompozitov s polimerno matriko. Pravokotni vzorci se uporabljajo za ASTM D3039. Pri nateznih preskusih plastike, ojačane s karbonskimi ali steklenimi vlakni (CFRP, GFRP) s kontinuiranimi vlakni, se dosežejo bistveno večje sile v primerjavi s preskusi natezne trdnosti na nearmirani ali s kratkimi vlakni armirani plastiki, kar zahteva uporabo ustreznega preskusnega stroja.
ASTM D3039 je standardna preskusna metoda za določanje nateznih lastnosti kompozitov, ojačanih z vlakni. Ojačitvena vlakna z visokim modulom so lahko kontinuirana vlakna ali diskontinuirana vlakna z naključno usmerjenostjo vlaken. Priporočene dimenzije pravokotnega vzorca v ASTM D3039 so odvisne od vrste kompozitnega laminata, ki ga je treba preskušati (npr. 0° enosmerno, 90° enosmerno, večsmerno ali naključno diskontinuirano).
Debelina vzorca za ASTM D3039 je odvisna od vrste laminata, za katerega je treba določiti natezne lastnosti. ASTM D3039 priporoča debelino vzorca 1 mm za 0° enosmerne (UD) in 2 mm za 90° UD natezne preskuse. Za večsmerne laminate ali za laminate z naključno diskontinuirano usmerjenostjo vlaken je priporočena debelina 2,5 mm. Izdelana so tudi ustrezna priporočila glede skupne dolžine, širine, dolžine pokrova in debeline pokrova za vzorce.