ASTM D3039/D3039M Свойства при растяжении полимерных матричных композиционных материалов

Стандарт «ASTM D3039/D3039M Стандартный метод испытаний на растяжение полимерных композиционных материалов», разработанный Американским обществом по испытаниям и материалам (ASTM), описывает свойства полимерных композиционных материалов при растяжении в плоскости, армированных высокомодульными волокнами. Виды композитных материалов ограничены композитами, армированными непрерывными или штапельными волокнами, в которых ламинат сбалансирован и симметричен относительно направления испытания.

Для целей настоящего стандарта применяются термины и определения, приведённые в ASTM D3878 для высокомодульных волокон и композитов на их основе, ASTM D883 для пластмасс, ASTM E6 для механических испытаний, а также ASTM E456 и ASTM E177 для статистики. В случае противоречий между терминами приоритет имеет ASTM D3878. Кроме того, применяются следующие определения:

• Номинальное значение — это значение, присвоенное измеряемому свойству, существующее только номинально и предназначенное для удобства идентификации. К номинальному значению могут применяться допуски для определения приемлемого диапазона для данного свойства.
• Переходная область — это область деформации на кривой напряжение-деформация или деформация-деформация, где существенное изменение наклона кривой происходит в течение небольшого интервала деформации.
• Переходная деформация – это значение деформации в середине переходной области между двумя практически линейными участками пары линейных кривых «напряжение-деформация» или «деформация-деформация». Многие нитевидные композиционные материалы демонстрируют практически билинейное поведение при приложении силы, что видно, например, на графиках зависимости продольного напряжения от продольной деформации или поперечной деформации от продольной деформации. Существует несколько физических причин существования переходной области. К распространённым примерам относятся растрескивание матрицы под действием растягивающей силы и расслоение слоёв.

В ходе испытаний тонкая плоская полоска материала постоянного прямоугольного сечения помещается в захваты механической испытательной машины и монотонно нагружается растяжением, при этом фиксируется прилагаемая сила. Предел прочности материала можно определить по максимальному усилию, выдерживаемому до разрушения. Если деформация образца контролируется датчиками растяжения или смещения, можно определить реакцию материала на напряжение-деформацию, из которой можно определить предельное напряжение растяжения, модуль упругости при растяжении, коэффициент Пуассона и переходное напряжение.

Данный метод испытаний предназначен для получения данных о свойствах при растяжении, необходимых для исследований и разработок, обеспечения качества, а также проектирования и анализа конструкций. К факторам, влияющим на реакцию на растяжение и, следовательно, подлежащим регистрации, относятся: материал, методы подготовки и размещения материала, порядок укладки образцов, подготовка образцов, условия испытаний, выравнивание и сцепление образцов, скорость испытания, время при заданной температуре, пористость и объемный процент армирования.

Ориентированные на тестирование характеристики, которые можно получить с помощью этого метода тестирования, включают:

• Предел прочности на растяжение
• Предельное напряжение растяжения
• Модуль упругости растягивающей хорды
• Пуассон орани
• Переходное напряжение

Вмешательства описаны в настоящем стандарте следующим образом:

• Подготовка материалов и образцов: Неправильные методы производства материалов, отсутствие контроля выравнивания волокон и повреждения, вызванные неправильной обработкой купонов, являются известными причинами большого разброса данных о материалах в композитах.
• Удерживание: Высокий процент отказов, связанных с удержанием, особенно в сочетании с большим разбросом данных о материале, указывает на проблемы с удержанием образцов. Методы удержания образцов подробно рассматриваются в настоящем стандарте.
• Центровка системы: Чрезмерный изгиб приведёт к преждевременному выходу из строя и крайне неточным результатам определения модуля упругости. Необходимо приложить все усилия для исключения чрезмерного изгиба испытательной системы. Изгиб может быть вызван несоосностью захватов, неправильным креплением образцов в захватах или выходом за пределы допуска из-за ненадлежащей подготовки образцов. Если есть сомнения относительно центровки на конкретной испытательной машине, её следует проверить, как описано в настоящем стандарте.
• Краевые эффекты в ламинатах с угловыми слоями: ламинаты, содержащие внеосевые слои, демонстрируют преждевременное разрушение и снижение твёрдости из-за размягчения кромок. Поэтому прочность и модуль упругости ламинатов с угловыми слоями могут быть значительно недооценены. Для квазиизотропных ламинатов, содержащих значительные 0-градусные слои, этот эффект менее значим.

Стандарт ASTM D3039/D3039M имеет важное значение, поскольку он обеспечивает последовательный и надежный метод измерения механических свойств при растяжении полимерных композиционных материалов, таких как углеродное волокно или стеклопластики. Основные причины важности этого стандарта:

• Обеспечивает сопоставимость данных: без стандартизированного метода разные лаборатории и производители могут использовать разные испытательные установки, размеры образцов или скорости деформации. Этот стандарт гарантирует воспроизводимость и сопоставимость результатов испытаний на растяжение в рамках всей отрасли.
• Поддерживает проектирование материалов: Инженеры используют данные испытаний, описанных в этом стандарте, такие как прочность на растяжение, модуль упругости и коэффициент Пуассона, для:
  • Прогнозирование поведения материалов под нагрузкой
  • Выбор подходящих материалов для несущих конструкций
  • Выполнение анализа отказов и оценки усталости
• Контроль качества: Производители полагаются на этот стандарт для обеспечения качества, гарантируя, что каждая партия композитного материала соответствует ожиданиям по конструкции и эксплуатационным характеристикам.
• Соответствие требованиям и сертификация: Во многих отраслях, особенно в аэрокосмической, автомобильной и оборонной, материалы и компоненты должны соответствовать определённым стандартам. Этот стандарт служит признанным эталоном соответствия нормативным требованиям и требованиям заказчиков.
• Безопасность конструкций: Точное измерение прочностных свойств помогает инженерам избегать недостаточного или избыточного проектирования, снижая как риск разрушения, так и ненужный расход материала.

Наша организация, которая на протяжении многих лет оказывает поддержку предприятиям всех отраслей, предлагая широкий спектр услуг по испытаниям, измерениям, анализу и оценке, располагает сильной командой сотрудников, которые внимательно следят за мировыми достижениями в области науки и технологий и постоянно совершенствуются. В связи с этим мы также предоставляем услуги по испытаниям в соответствии со стандартом ASTM D3039/D3039M «Стандартный метод испытаний на растяжение композитных материалов с полимерной матрицей».