Zkouška tlakem kompozitních a plastových materiálů podle ASTM D695
Norma ASTM D695 popisuje zkoušku tlakem sloužící ke stanovení mechanických vlastností, Youngova modulu a pevnosti nevyztužených i vyztužených plastů při čelním tlakovém zatížení vzorku. Síla působí výhradně přes čelní plochy zkušebního vzorku. Normu ASTM D695 lze použít v případě, že se zkouší kompozitní materiály s tuhostí do 41 GPa, mezi které patří např. textilní kompozity vyztužené skelnými vlákny.
Tento článek popisuje zkušební sestavu s opěrou dle normy ASTM D695 pro plasty s vysokým modulem a vyztužené plasty s tloušťkou laminátu menší než 3,2 mm. Dále uvádí zkoušky tlakem s čelním zatížením podle norem EN 2850 metoda B, Boeing BSS 7260 typ III & IV (modifikovaná ASTM D695) a SACMA SRM-1R-94, které byly dále vyvinuty na základě normy ASTM D695. Ty také umožňují provádět tlakové zkoušky jednosměrných (UD) laminátů vyztužených uhlíkovými vlákny s odpovídající vysokou tuhostí a pevností.
Mezi další standardizované tlakové zkoušky, které se často používají pro kompozity vyztužené vlákny bez omezení tuhosti laminátu, patří metoda 1 podle normy ISO 14126 a ASTM D3410 (stanovení tlaku při smykovém zatížení) a metoda 2 podle normy ISO 14126 a ASTM D6641 (stanovení tlaku při kombinovaném zatížení).
Charakteristické hodnoty Průběh zkoušky a zkušební vybavení Vzorky Ke stažení Často kladené dotazy Požádat o konzultaci
ASTM D695: Účel zkoušky a charakteristické hodnoty
Na základě zkoušky tlakem podle ASTM D695 lze u plastů vyztužených vlákny s podporou a v různých variantách tlakové zkoušky vyvinutých na základě ASTM D695 (EN 2850 metoda B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260 typ III & IV) stanovit následující charakteristické hodnoty:
- Pevnost v tlaku: tlaková síla vztažená k počátečnímu průřezu vzorku.
- Deformace v tlaku: změna měřené délky ve vztahu k původní měřené délce ve směru zatížení (pouze při použití vhodného měřicího systému, viz níže).
- Modul pružnosti v tlaku: gradient křivky napětí / deformace ve stanovené oblasti elastické deformace. Modul pružnosti bývá někdy nazýván Youngův modul
- Pevnost v tlaku: maximální pevnost v tlaku, které je vzorek vystaven při zkoušce tlakem.
Důležité informace pro stanovení výsledků
Norma ASTM D695 uvádí geometrii vzorku tvaru oboustranných lopatek z nevyztužených či vyztužených plastů o tloušťce < 3,2 mm, na kterém lze při zkoušce stanovit modul pružnosti v tlaku (při použití vhodného systému měření deformace) a pevnost v tlaku. V tomto případě je však zapotřebí použít také podpěrné zařízení.
Nicméně vzorky tvaru oboustranných lopatek nejsou vhodné u UD kompozitů. Normy EN 2850 metoda B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260 typ III & IV), které vznikly na základě ASTM D695, pracují vždy se dvěma různými vzorky s rovnoměrným pravoúhlým průřezem:
- Pro měření modulu pružnosti v tlaku se použije vzorek bez nalepovacích bloků nebo sklopných záložek. Tento zkušební vzorek se nepoužívá pro zkoušku stanovení pevnosti v tlaku, protože k předčasnému porušení tělesa dojde vždy na čelních plochách při nižším napětí v tlaku, než je pevnost v tlaku zkoušeného materiálu.
- Pro měření pevnosti v tlaku se použije vzorek s nalepovacími bloky nebo sklopnými záložkami. Zkouška se považuje za platnou, pokud k poškození vzorku dojde v oblasti jeho volné délky. Tento typ vzorku ale není vhodný pro stanovení modulu pružnosti v tlaku, protože použití tenzometrů na volné délce vzorku (cca 5 mm) je téměř neproveditelné.
Protože síla působí vždy výhradně přes čelní plochy vzorku, je ve všech případech nezbytné velmi přesné opracování těchto ploch.
Přípravek pro zkoušku tahem s čelním zatížením
Norma ASTM D695 uvádí, že při zkoušení materiálů o tloušťce < 3,2 mm je nutné použít opěru. Takto podepřený vzorek se pak umístí do vhodného zkušebního přípravku pro zkoušky tlakem (v normě ASTM D695 označovaného také jako „subpress“).
Ve verzích dále vyvinutých pro pokročilé kompozity podle normy ASTM D695 (EN 2850 metoda B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260) je opora pevně spojena s příslušným zkušebním přípravkem. Tím se zamezí naklonění nebo vybočení vzorku během zkoušky.
- V normě Boeing BSS 7260 je tento pokročilý zkušební přípravek pro zkoušku s čelním zatížením označen jako modifikované zařízení dle ASTM D695.
- Zkušební normy EN 2850 metoda B a SACMA SRM-1R-94 využívají stejný princip, avšak s drobnými rozdíly v rozměrech zkušebního přípravku či vzorků.
- Za zmínku stojí, že délka opory je podle EN 2850 (metoda B) stanovena na 70 mm, zatímco ve všech ostatních uvedených normách (ASTM D695, Boeing BSS 7260 typ III a IV, SACMA SRM-1R-94) činí 73 mm. Pro zkoušky v souladu s normou EN 2850 metodou B je proto nutné použít samostatné zkušební těleso.
Podpěrný přípravek se však žádným způsobem nepodílí na přenosu síly na vzorek. Tření mezi vzorkem a podpěrným přípravkem je minimalizováno vhodnou konstrukcí styčných ploch. Podle ASTM D695 je dostačující, aby byl podpěrný přípravek ke vzorku připevněn ručně. U všech pokročilých metod tlakových zkoušek s čelním zatížením je pro upevňovací šrouby stanoven nízký utahovací moment nebo kontaktní síla.
Zkušební přípravek ZwickRoell pro zkoušky tlakem s čelním zatížením dle ASTM D695 a jejích variant:
- Zkušební zařízení ZwickRoell se skládá ze zkušebního tělesa umístěného mezi dvě tlačné desky. Vodicí prvky na přípravku zajišťují přesné vystředění vzorku v ose zatížení. Vzhledem k vysoké pevnosti v tlaku, která u některých kompozitních materiálů vyztužených uhlíkovými vlákny ve směru vláken přesahuje i 1 000 MPa, je nutné použít speciálně tvrzené tlačné desky.
- Zkušební přípravky ZwickRoell pro zkoušky tlakem s čelním zatížením lze navíc používat v teplotním rozsahu od -80 °C do +300 °C.
Stroje pro zkoušky podle ASTM D695
- Při použití jmenovité geometrie zkušebních těles lze nyní u UD kompozitů, tedy kompozitů vyztužených jednosměrně uloženými uhlíkovými vlákny, dosáhnout při zkoušce tlakem s čelním zatížením maximální síly až přibližně 50 kN, a to díky stále lepším mechanickým vlastnostem vláken a matrice na základě kontinuálního vývoje. Zpravidla se vedle zkoušek tlakem provádí také zkoušky tahem, při nichž je maximální zatížení ještě vyšší, doporučuje se použití stroje pro statické zkoušení s kapacitou až 100 kN nebo 250 kN.
- Pokud se však provádí zkoušky pouze kompozitů vyztužených skleněnými vlákny, postačí zkušební stroj o síle 50 kN.
Modulární zkušební systém pro kompozity
Velké zkušební laboratoře, které provádějí vysoký počet zkoušek, používají pro jednotlivé zkušební metody několik různých zkušebních strojů, aby minimalizovaly čas a náklady spojené s přestavbou. Jednotlivé zkušební stroje lze přizpůsobit podle rozsahu síly potřebné pro různé typy zkoušek. Pokud není dostatečně vysoká a trvalá produktivita, aby měla investice do více zkušebních strojů smysl, je alternativní možností vybavit jeden zkušební stroj tak, aby bylo možné provést co nejvíce zkušebních metod s co nejmenšími nároky na přestavbu.
Společnost ZwickRoell vyvinula systém pro zkoušení kompozitů, který je k dispozici jak pro 100 kN, tak 250 kN verzi. Oba pokrývají 21 zkušebních metod a přibližně 120 zkušebních norem (ISO, EN, ASTM i Airbus AITM a Boeing BSS). Umožňují komplexní charakterizaci kompozitů vyztužených vlákny při teplotě okolí nebo pro zkoušky při nízkých nebo vysokých teplotách od -80 °C do +360 °C.
Spolehlivé zkoušky tlakem s čelním zatížením se zkušebním softwarem testXpert
Náš zkušební software testXpert je uzpůsoben pro efektivní provádění zkoušek a získávání spolehlivých výsledků podle ASTM D695 a na jejím základě vzniklých variant tlakových zkoušek.
- Ušetříte čas potřebný pro studium standardů: zaručená shoda s normami ve zkušebním programu – všechny charakteristické hodnoty a parametry dle ASTM D695 a DIN EN 2850 jsou v našem zkušebním programu již uloženy.
- Další zjednodušení práce obsluhy je dosaženo přímým připojením periferních zařízení: Pokud jsou rozměry vzorku z mikrometru odesílány přímo do zkušebního softwaru, ušetří se čas a zamezí se chybám při zadávání.
- Software navíc umožňuje kontrolu a řízení teploty v teplotní komoře. Můžete nastavit rychlost ohřevu či sledovat hodnoty – a to i zpětně. K dispozici je funkce zpětného dohledání.
Měření deformace podle ASTM D695 a variant této normy
Vhodnými metodami pro měření deformace u zkoušky tlakem s čelním zatížením podle ASTM D695 jsou tenzometry umístěné na středu povrchu vzorku nebo mechanické snímače, které měří tlak na okraji vzorku. Při použití tenzometrů musí mít prvky podpěrného přípravku uprostřed vhodné vybrání, aby nedošlo ke kontaktu s měřicí mřížkou tenzometru nebo jeho kabely.
Díky přesnému vystředění vzorku v ose zatížení a vybrání zkušebního přípravku ZwickRoell je možné použít také automatický kontaktní raménkový extenzometr makroXtens, který měří deformaci na obou stranách vzorku.
Při zkouškách, kde se postupuje podle variant normy ASTM D695 (zkoušky tlakem s čelním zatížením), se deformace měří pouze u vzorků určených pro měření modulu pružnosti v tlaku. Odpovídající zkušební normy uvádí v některých případech různé specifikace pro maximální stlačení při zkoušce nebo pro rozsah, ve kterém se má stanovit modul pružnosti.
- DIN EN 2850 metoda B: Zatížení v tlaku nejméně do 0,5 % (5 000 µe) stlačení; stanovení modulu pružnosti mezi 0,1 % a 0,5 % (upřednostňovaná metoda, pokud není uvedeno jinak).
- Boeing BSS 7260: Zatížení v tlaku nejméně do 3 000 stlačení; stanovení modulu pružnosti mezi 1 000 a 3 000 qe.
- SACMA SRM-1R-94: Zatížení v tlaku je do 5 000 µe; stanovení modulu pružnosti mezi 1 000 a 3 000 µe; pro sledování superponovaného ohybového zatížení se doporučuje použití tenzometrů přiložených na obou stranách; pokud je odchylka mezi signály obou tenzometrů větší než 10 %, považuje se zkouška za neplatnou a měla by se opakovat.
Jak je popsáno výše, není měření deformace vzorku s krycími proužky pro stanovení pevnosti v tlaku v těchto zkušebních normách doporučeno, protože volná měřená délka je velmi krátká.
Pro vzorek tvaru oboustranných lopatek dle ASTM D695 o tloušťce menší než 3,2 mm, který se používá pro stanovení modulu pružnosti i pevnosti v tlaku, je vhodné použít také mechanický průtahoměr.
| Norma | Typ zkušebního vzorku | Schematický diagram (bez měřítka) | Použití a pokyny |
|---|---|---|---|
| ASTM D695 | Vzorek ve tvaru oboustranných lopatek o tloušťce menší než 3,2 mm |  | Nevyztužené a vyztužené plasty s tuhostí do 41 Gpa (např. také kompozity z GFRP tkanin). |
DIN EN 2850 metoda B Boeing BSS 7260 SACMA SRM-1R-94 | B1 Typ III Vzorek pro stanovení pevnosti v tlaku |  | UD kompozity* a kompozity z tkanin (GFRP, CFRP)
|
DIN EN 2850 metoda B Boeing BSS 7260 SACMA SRM-1R-94 | B2 Typ IV Vzorek pro zkoušku modulu pružnosti v tlaku |  |
Často kladené dotazy ke zkoušce tlakem podle ASTM D695
Norma ASTM D695 popisuje zkoušku tlakem pro stanovení mechanických vlastností, jako je modul pružnosti a pevnost tuhých plastů v souladu s metodou čelního zatížení tlakem, při kterém síla působí pouze přes čelní plochy zkušebního vzorku. Normu ASTM D695 lze použít v případě, že se zkouší kompozitní materiály s tuhostí do 41 GPa, což zahrnuje např. textilní kompozity vyztužené skelnými vlákny. Pokud se zkoušky provádí na plastech s vysokým modulem či vyztužených plastech s tloušťkou laminátu < 3,2 mm, je zapotřebí použít podpěrný přípravek.
Norma ASTM D695 definuje tlakovou zkoušku pro stanovení mechanických vlastností, jako je modul pružnosti a pevnost tuhých plastů. Norma ASTM D695-15 byla vydána v roce 2015. Byla již aktualizována a nahrazena normami ASTM D695-23 a ASTM D695:2023.
Vzorek ve tvaru oboustranných lopatek je podle ASTM D695 definován takto: délka L = 79,4 mm a šířka B = 19 mm a tloušťka < 3,2 mm – pokud se jedná o nevyztužené a vyztužené plasty. Na těchto zkušebních vzorcích lze stanovit modul pružnosti v tlaku (při použití vhodného systému pro měření deformace) a pevnost v tlaku. Vzorky ve tvaru oboustranných lopatek se však nehodí pro UD kompozity. Varianty vyvinuté na základě normy ASTM D695 pracují vždy se dvěma různými pravoúhlými rovnými vzorky: Jeden zkušební vzorek bez nalepovacích bloků nebo sklopných záložek pro stanovení modulu pružnosti v tlaku a jeden zkušební vzorek s nalepovacími bloky nebo sklopnými záložkami pro stanovení pevnosti v tlaku.
