ASTM D3039/D3039M Właściwości rozciągające materiałów kompozytowych z matrycą polimerową

Norma „ASTM D3039/D3039M Standardowa Metoda Badania Własności Rozciągania Materiałów Kompozytowych z Osnową Polimerową”, opracowana przez Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów (ASTM), opisuje właściwości rozciągania w płaszczyźnie materiałów kompozytowych z osnową polimerową, wzmocnionych włóknami o wysokim module sprężystości. Formy materiałów kompozytowych ograniczają się do kompozytów wzmocnionych włóknami ciągłymi lub ciętymi, w których laminat jest zrównoważony i symetryczny względem kierunku badania.

Do celów niniejszej normy stosuje się terminy i definicje podane w normach ASTM D3878 dla włókien o wysokim module sprężystości i ich kompozytów, ASTM D883 dla tworzyw sztucznych, ASTM E6 dla badań mechanicznych oraz ASTM E456 i ASTM E177 dla statystyk. W przypadku konfliktu między terminami, norma ASTM D3878 ma pierwszeństwo przed innymi normami. Ponadto obowiązują następujące definicje:

• Wartość nominalna odnosi się do wartości przypisanej mierzalnej właściwości, która istnieje tylko z nazwy, w celu ułatwienia identyfikacji. Do wartości nominalnej można zastosować tolerancje, aby określić dopuszczalny zakres dla danej właściwości.
• Obszar przejściowy to obszar odkształcenia krzywej naprężenie-odkształcenie lub odkształcenie-odkształcenie, w którym następuje znacząca zmiana nachylenia krzywej w małym przedziale odkształceń.
• Odkształcenie przejściowe to wartość odkształcenia w środku zakresu obszaru przejściowego między dwoma zasadniczo liniowymi fragmentami pary liniowych krzywych naprężenie-odkształcenie lub odkształcenie-odkształcenie. Wiele włókienkowych materiałów kompozytowych wykazuje zasadniczo dwuliniowe zachowanie podczas przyłożenia siły, co widać na przykład na wykresach zależności naprężenia podłużnego od odkształcenia podłużnego lub odkształcenia poprzecznego od odkształcenia podłużnego. Istnieje kilka fizycznych przyczyn występowania obszaru przejściowego. Typowymi przykładami są pękanie osnowy pod wpływem siły rozciągającej oraz rozwarstwienie warstw.

Podczas badań cienki, płaski pasek materiału o stałym, prostokątnym przekroju poprzecznym umieszczany jest w uchwytach mechanicznej maszyny wytrzymałościowej i poddawany monotonicznemu rozciąganiu, rejestrując jednocześnie siłę. Wytrzymałość graniczną materiału można określić na podstawie maksymalnej siły, jaka działa przed zniszczeniem. Monitorując naprężenie próbki za pomocą przetworników rozciągania lub przemieszczenia, można określić odpowiedź materiału naprężenie-odkształcenie, na podstawie której można wyznaczyć graniczne naprężenie rozciągające, moduł sprężystości przy rozciąganiu, współczynnik Poissona i naprężenie przejściowe.

Niniejsza metoda badawcza została opracowana w celu uzyskania danych dotyczących właściwości rozciągających na potrzeby badań i rozwoju, zapewnienia jakości oraz projektowania i analizy konstrukcji. Czynniki wpływające na reakcję na rozciąganie, które muszą zostać uwzględnione, to: materiał, metody przygotowania i ułożenia materiału, kolejność układania próbek, przygotowanie próbek, kondycjonowanie próbek, środowisko badawcze, ułożenie i przyczepność próbki, prędkość badania, czas w danej temperaturze, zawartość pustych przestrzeni oraz procentowy udział objętościowego zbrojenia.

Cechy zorientowane na testowanie, które można uzyskać za pomocą tej metody testowania, obejmują:

• Wytrzymałość na rozciąganie
• Graniczne naprężenie rozciągające
• Moduł sprężystości cięciwy rozciąganej
• Współczynnik Poissona
• Naprężenie przejściowe

W niniejszej normie interwencje opisano w następujący sposób:

• Przygotowanie materiałów i próbek: Złe praktyki produkcyjne materiałów, brak kontroli nad ułożeniem włókien i uszkodzenia powstałe w wyniku niewłaściwej obróbki próbek to znane przyczyny dużego rozrzutu danych dotyczących materiałów kompozytowych.
• Retencja: Wysoki odsetek błędów związanych z retencją, zwłaszcza w połączeniu z dużym rozproszeniem danych materiałowych, wskazuje na problemy z retencją próbki. Metody retencji próbek są szczegółowo omówione w niniejszej normie.
• Wyrównanie systemu: Nadmierne ugięcie prowadzi do przedwczesnej awarii i rażąco niedokładnych wyników pomiaru modułu sprężystości. Należy dołożyć wszelkich starań, aby wyeliminować nadmierne ugięcie systemu badawczego. Ugięcie może być spowodowane przez niewspółosiowość uchwytów, nieprawidłowe zamocowanie próbek w uchwytach lub przekroczenie tolerancji z powodu nieprawidłowego przygotowania próbki. W przypadku wątpliwości co do wyrównania na konkretnej maszynie wytrzymałościowej, należy je sprawdzić zgodnie z opisem w niniejszej normie.
• Efekty krawędziowe w laminatach kątowych: Laminaty zawierające warstwy pozaosiowe charakteryzują się przedwczesnym zniszczeniem i niższą twardością z powodu zmiękczenia krawędzi. W związku z tym wytrzymałość i moduł sprężystości laminatów kątowych mogą być znacznie niedoszacowane. W przypadku laminatów quasi-izotropowych zawierających znaczące warstwy o nachyleniu 0 stopni, efekt ten jest mniej znaczący.

Norma ASTM D3039/D3039M jest niezbędna, ponieważ zapewnia spójną i wiarygodną metodę pomiaru wytrzymałości na rozciąganie materiałów kompozytowych z matrycą polimerową, takich jak tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym lub szklanym. Główne powody, dla których ta norma jest tak ważna, to:

• Zapewnia porównywalne dane: Bez znormalizowanej metody różne laboratoria lub producenci mogą stosować różne konfiguracje testowe, rozmiary próbek lub szybkości odkształcania. Norma ta gwarantuje powtarzalność i porównywalność wyników badań wytrzymałości na rozciąganie w całej branży.
• Wsparcie projektowania materiałów: Inżynierowie wykorzystują dane z testów opisanych w tej normie, takie jak wytrzymałość na rozciąganie, moduł sprężystości i współczynnik Poissona, aby:
  • Prognozowanie zachowania się materiałów pod wpływem naprężeń
  • Wybór odpowiednich materiałów do zastosowań nośnych
  • Przeprowadzanie analizy awarii i oceny zmęczenia
• Kontrola jakości: Producenci opierają się na tej normie w celu zapewnienia jakości, gwarantując, że każda partia materiału kompozytowego spełnia oczekiwania dotyczące projektu i wydajności.
• Zgodność i certyfikacja: Wiele branż, zwłaszcza lotnictwo, motoryzacja i obronność, wymaga, aby materiały i komponenty spełniały określone normy. Norma ta stanowi uznany punkt odniesienia w zakresie zgodności z przepisami i wymaganiami klientów.
• Bezpieczeństwo konstrukcyjne: Dzięki dokładnemu pomiarowi właściwości rozciągających inżynierowie mogą uniknąć niedoprojektowania lub przeprojektowania konstrukcji, zmniejszając ryzyko awarii i zbędnego zużycia materiałów.

Nasza organizacja, która od lat wspiera przedsiębiorstwa z wszystkich sektorów, oferując szeroki zakres usług testowych, pomiarowych, analitycznych i ewaluacyjnych, dysponuje silnym zespołem pracowników, którzy uważnie śledzą światowe osiągnięcia w dziedzinie nauki i technologii oraz stale się rozwijają. W tym kontekście świadczymy również usługi testowe zgodnie z normą „ASTM D3039/D3039M Standardowa Metoda Badań Właściwości Rozciągania Materiałów Kompozytowych o Osnowie Polimerowej”.