ASTM D3039/D3039M Zugfestigkeitseigenschaften von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen

Die von der American Society for Testing and Materials (ASTM) entwickelte Norm „ASTM D3039/D3039M Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials“ beschreibt die Zugfestigkeit von mit hochmoduligen Fasern verstärkten Polymermatrix-Verbundwerkstoffen in der Ebene. Verbundwerkstoffe sind auf endlosfaser- oder stapelfaserverstärkte Verbundwerkstoffe beschränkt, bei denen das Laminat in Bezug auf die Prüfrichtung ausgeglichen und symmetrisch ist.

Für diese Norm gelten die Begriffe und Definitionen der ASTM D3878 für Hochmodulfasern und deren Verbundwerkstoffe, der ASTM D883 für Kunststoffe, der ASTM E6 für mechanische Prüfungen sowie der ASTM E456 und ASTM E177 für statistische Prüfungen. Im Falle eines Konflikts zwischen den Begriffen hat ASTM D3878 Vorrang vor den anderen Normen. Darüber hinaus gelten die folgenden Definitionen:

• Ein Nominalwert bezeichnet einen Wert, der einer messbaren Eigenschaft zugewiesen wird und nur dem Namen nach existiert, um eine einfache Identifizierung zu ermöglichen. Auf einen Nominalwert können Toleranzen angewendet werden, um einen akzeptablen Bereich für die Eigenschaft zu definieren.
• Der Übergangsbereich ist ein Dehnungsbereich einer Spannungs-Dehnungs- oder Dehnungs-Dehnungs-Kurve, in dem über ein kleines Dehnungsintervall eine signifikante Änderung der Kurvenneigung auftritt.
• Die Übergangsdehnung ist der Dehnungswert im mittleren Bereich des Übergangsbereichs zwischen zwei im Wesentlichen linearen Abschnitten eines Paares linearer Spannungs-Dehnungs- oder Dehnungs-Dehnungs-Kurven. Viele filamentöse Verbundwerkstoffe zeigen bei Krafteinwirkung ein im Wesentlichen bilineares Verhalten, wie beispielsweise in Diagrammen von Längsspannung vs. Längsdehnung oder Querdehnung vs. Längsdehnung zu sehen ist. Es gibt verschiedene physikalische Gründe für die Existenz eines Übergangsbereichs. Typische Beispiele sind Matrixrisse unter Zugkraft und Schichtdelamination.

Bei den Tests wird ein dünner, flacher Materialstreifen mit konstantem rechteckigen Querschnitt in die Spannvorrichtungen einer mechanischen Prüfmaschine eingelegt und monoton unter Zugbelastung belastet, während die Kraft aufgezeichnet wird. Die Bruchfestigkeit des Materials lässt sich anhand der bis zum Versagen erträglichen Maximalkraft bestimmen. Durch Überwachung der Couponspannung mit Zug- oder Wegaufnehmern lässt sich die Spannungs-Dehnungs-Reaktion des Materials bestimmen, aus der sich die Bruchspannung, der Elastizitätsmodul, die Poissonzahl und die Übergangsspannung ableiten lassen.

Dieses Prüfverfahren dient der Ermittlung von Zugfestigkeitsdaten für Materialeigenschaften, Forschung und Entwicklung, Qualitätssicherung sowie Strukturdesign und -analyse. Faktoren, die die Zugfestigkeit beeinflussen und daher gemeldet werden müssen, sind: Material, Materialvorbereitung und -platzierung, Probenstapelreihenfolge, Probenvorbereitung, Probenkonditionierung, Prüfumgebung, Probenausrichtung und -griff, Prüfgeschwindigkeit, Zeit bei Temperatur, Hohlraumgehalt und Volumenprozentverstärkung.

Zu den testorientierten Funktionen, die mit dieser Testmethode gewonnen werden können, gehören:

• Reißfestigkeit
• Zugfestigkeit
• Elastizitätsmodul der Zugsehne
• Poissonzahl
• Übergangsstress

Interventionen werden in dieser Norm wie folgt beschrieben:

• Material- und Probenvorbereitung: Schlechte Materialherstellungsverfahren, mangelnde Kontrolle der Faserausrichtung und Schäden durch unsachgemäße Couponverarbeitung sind bekannte Ursachen für eine hohe Streuung der Materialdaten in Verbundwerkstoffen.
• Retention: Ein hoher Prozentsatz an Retentionsfehlern, insbesondere in Kombination mit einer hohen Streuung der Materialdaten, ist ein Hinweis auf Probleme mit der Probenretention. Methoden zur Probenretention werden in dieser Norm ausführlich erläutert.
• Systemausrichtung: Übermäßige Biegung führt zu vorzeitigem Versagen und stark ungenauen Modulbestimmungen. Es sollten alle Anstrengungen unternommen werden, um übermäßige Biegung im Prüfsystem zu vermeiden. Biegung kann durch falsch ausgerichtete Spannzeuge, unsachgemäß montierte Proben oder Toleranzabweichungen aufgrund mangelhafter Probenvorbereitung verursacht werden. Bei Zweifeln an der Ausrichtung einer bestimmten Prüfmaschine sollte die Ausrichtung gemäß dieser Norm überprüft werden.
• Kanteneffekte in Winkelschichtlaminaten: Laminate mit außeraxialen Schichten weisen aufgrund der Kantenerweichung vorzeitiges Versagen und eine geringere Härte auf. Daher können Festigkeit und Modul von Winkelschichtlaminaten deutlich unterschätzt werden. Bei quasi-isotropen Laminaten mit signifikanten 0-Grad-Schichten ist der Effekt weniger signifikant.

Die Norm ASTM D3039/D3039M ist von entscheidender Bedeutung, da sie eine konsistente und zuverlässige Methode zur Messung der Zugfestigkeit von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen wie Kohlefaser oder glasfaserverstärkten Kunststoffen bietet. Die Hauptgründe für die Bedeutung dieser Norm sind:

• Bietet vergleichbare Daten: Ohne eine standardisierte Methode können verschiedene Labore oder Hersteller unterschiedliche Testaufbauten, Probengrößen oder Dehnungsraten verwenden. Dieser Standard stellt sicher, dass die Ergebnisse von Zugversuchen branchenweit wiederholbar und vergleichbar sind.
• Unterstützt die Materialentwicklung: Ingenieure nutzen Daten aus den in dieser Norm beschriebenen Tests, wie Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Poissonzahl, um:
  • Vorhersage des Werkstoffverhaltens unter Belastung
  • Auswahl geeigneter Materialien für tragende Anwendungen
  • Durchführung von Fehleranalysen und Ermüdungsbewertungen
• Qualitätskontrolle: Hersteller verlassen sich bei der Qualitätssicherung auf diesen Standard und stellen sicher, dass jede Charge Verbundwerkstoff den Design- und Leistungserwartungen entspricht.
• Konformität und Zertifizierung: Viele Branchen, insbesondere die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die Verteidigung, verlangen, dass Materialien und Komponenten bestimmte Standards erfüllen. Dieser Standard bietet einen anerkannten Maßstab für die Einhaltung gesetzlicher und kundenseitiger Anforderungen.
• Strukturelle Sicherheit: Durch die genaue Messung der Zugfestigkeitseigenschaften können Ingenieure eine Unter- oder Überkonstruktion vermeiden und so sowohl das Ausfallrisiko als auch den unnötigen Materialverbrauch reduzieren.

Unser Unternehmen unterstützt seit Jahren Unternehmen aller Branchen mit einem breiten Spektrum an Prüf-, Mess-, Analyse- und Bewertungsaktivitäten. Es verfügt über ein starkes Team von Mitarbeitern, die die globalen Entwicklungen in Wissenschaft und Technologie aufmerksam verfolgen und sich ständig weiterentwickeln. In diesem Zusammenhang bieten wir auch Prüfdienstleistungen gemäß der Norm „ASTM D3039/D3039M Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials“ an.