ASTM D3039, prove di trazione sui compositi
Le prove di trazione secondo ASTM D3039 / ASTM D3039M sono utilizzate per determinare i valori caratteristici elastici del modulo di trazione e dell’indice di Poisson, nonché la resistenza alla trazione dei materiali compositi. Sono inclusi i laminati compositi unidirezionali (UD) e multidirezionali (MD) rinforzati con fibre continue, dove i laminati MD possono essere costituiti da singoli strati di UD, tessuto o altre architetture di fibre tessili. Sono possibili anche prove su compositi plastici fibrorinforzati (FRP) con fibre di rinforzo discontinue distribuite in modo casuale (ad esempio, Sheet Moulding Compounds - SMC).
Altri standard frequentemente utilizzati per le prove di trazione su materiali plastici rinforzati con fibre lunghe o continue sono ISO 527-4 (condizioni di prova per i materiali plastici rinforzati con fibre isotrope e anisotrope) e ISO 527- 5 (condizioni di prova per i materiali plastici rinforzati con fibre unidirezionali).
Obiettivo e valori caratteristici FAQ Esecuzione di un test e strumenti di prova Requisiti del test Provini e dimensioni Informazioni aggiuntive FAQ Download
Obiettivo della prova e valori caratteristici determinati secondo ASTM D3039
Le prove di trazione sui compositi secondo la norma ASTM D3039 vengono eseguite per determinare le proprietà di trazione nel processo di sviluppo e classificazione dei materiali, per la determinazione dei valori caratteristici richiesti per la progettazione di strutture composite e per la garanzia della qualità.
Indipendentemente dal tipo di rinforzo utilizzato, la norma ASTM D3039 determina i seguenti risultati e valori caratteristici:
- Resistenza a trazione: forza relativa alla sezione trasversale iniziale del provino
- Deformazione assiale: variazione base di misura con riferimento alla base di misura iniziale in direzione di carico
- Contrattimetro Variazione base di misura con riferimento alla base di misura iniziale in direzione trasversale (necessaria solo per la determinazione dell’indice di Poisson)
- Modulo di trazione: pendenza della curva sforzo-deformazione in un determinato intervallo di deformazione nell'intervallo elastico. Chiamato anche modulo elastico o modulo di Young.
- Resistenza alla trazione: valore massimo dello sforzo di trazione determinato nella prova di trazione.
- Deformazione a rottura: deformazione assiale quando viene raggiunta la resistenza a trazione
- Coefficiente di Poisson: coefficiente di contrazione trasversale alla deformazione longitudinale
Per i compositi fibrorinforzati con comportamento bi-lineare sforzo-deformazione, è possibile determinare un ulteriore valore caratteristico:
- Deformazione di transizione: Valore medio della deformazione assiale nella zona di transizione. Di solito è determinato dalla curva sforzo-deformazione assiale.
Sia la norma ASTM D3039 che la norma ISO 527-4/ISO 527-5 definiscono le condizioni di prova per le prove di trazione sui compositi. Nonostante le somiglianze nei metodi di prova, i valori caratteristici determinati non sono completamente comparabili, poiché le forme e le dimensioni dei provini e la determinazione dei valori caratteristici differiscono in alcuni aspetti (ad esempio, l'intervallo di deformazione per il modulo di trazione e la deformazione di transizione di cui sopra).
Per semplificare l'esecuzione delle prove, è possibile utilizzare programmi di prova testXpert preconfigurati con tutte le impostazioni secondo i requisiti dello standard ASTM D3039.
Afferraggi e dispositivo di allineamento per risultati di prova affidabili secondo ASTM D3039
Per eseguire la prova di trazione secondo le norme e ASTM D3039, il provino di trazione corrispondente viene afferrato dagli afferraggi della macchina per prove statiche. Si raccomanda di verificare regolarmente il corretto allineamento dell’afferraggio secondo la norma ASTM E1012. Per i laboratori di prova accreditati Nadcap del settore aerospaziale, la prova di allineamento è obbligatoria.
Gli afferraggi meccanici body-over-wedge o idraulici body-over-wedge sono ideali per questo requisito. Se la prova di allineamento non è richiesta, si possono utilizzare anche le morse a vite cuneo allineabili in modo condizionato.
Sistemi di prova modulari per compositi
I grandi laboratori di prova, con un volume di prove altrettanto elevato, utilizzano macchine di prova diverse per i vari metodi di prova dei compositi, riducendo così al minimo gli sforzi di conversione. Le singole macchine di prova possono essere regolate in base alla forza richiesta per i vari tipi di test. Se i volumi di produzione non sono alti o abbastanza consistenti da poter investire in diverse macchine di prova, l'alternativa ideale è allestire una singola macchina di prova in modo da poter eseguire più metodi con il minor sforzo di riconfigurazione possibile.
ZwickRoell ha sviluppato un sistema modulare, disponibile come macchina di prova da 100 kN o 250 kN, che copre 21 metodi di prova e circa 120 standard di prova (ISO, EN, ASTM, nonché Airbus AITM e Boeing BSS), e che consente una caratterizzazione completa dei materiali compositi fibrorinforzati a temperatura ambiente o a basse o alte temperature da -80 °C a +360 °C.
Software di prova testXpert: prove affidabili garantite secondo ASTM 3039
Grazie al nostro software di prova testXpert, i test e i risultati di prova secondo ASTM D3039 sono efficienti e affidabili:
- Risparmia il tempo richiesto per studiare le norme: il nostro programma di prova standard è conforme alla norma ASTM D3039, garantito. Tutti i valori caratteristici e i parametri richiesti dalla norma ASTM D3039 sono già preconfigurati nel programma di prova.
- Il collegamento di dispositivi periferici aumenta ulteriormente il livello di efficienza: le dimensioni del campione vengono inviate direttamente dal micrometro al software di prova, risparmiando tempo ed evitando errori di inserimento.
- Inoltre, è possibile verificare e nella camera tramite il software, impostare le rampe di temperatura e vedere i valori che sono stati mantenuti in modo retrospettivo, con tracciabilità.
Macchina per prove di trazione per ASTM 3039
Per le prove di trazione secondo ASTM D3039 con provini standard e per molti altri metodi di prova standardizzati per le materie plastiche fibrorinforzate, è spesso sufficiente l'uso di una macchina di prova da 100 kN . Con la configurazione della macchina da 100 kN qui a destra, l'uso di morse meccaniche body-over-wedge consente di passare facilmente da una configurazione di prova all'altra e da un dispositivo di prova all'altro. Poiché le morse sono facili da rimuovere, l'intera area di lavoro della macchina di prova può essere utilizzata anche per prove non standard. Le gambe di supporto consentono una regolazione individuale ed ergonomica dell'altezza dell'area di lavoro.
Se le prove vengono eseguite esclusivamente su materiali plastici rinforzati con fibre di vetro (GFRP), di norma è sufficiente una macchina statica con una forza massima di 50 kN.
Estensimetri per la misurazione della deformazione secondo ASTM D3039
Per una corretta determinazione dei valori caratteristici elastici e della deformazione a rottura, è necessario misurare la deformazione direttamente sul provino. Per determinare il modulo di Young e la deformazione a rottura, è sufficiente misurare la deformazione assiale. Per determinare anche il rapporto di Poisson, è necessario un sistema di misura della deformazione biassiale, che consenta di misurare anche la deformazione trasversale. La misurazione della deformazione può essere eseguita con strain gage, sistemi di misura a contatto come gli estensimetri clip-on (limitazione: non fino alla rottura del provino) o estensimetri automatici con braccetti (makroXtens, multiXtens) e sistemi ottici non a contatto (videoXtens).
ASTM D3039 condizioni di prova
Velocità di prova
La norma ASTM D3039 prevede due opzioni per l'impostazione della velocità di prova.
Una è l'impostazione di una velocità di deformazione costante di 0,01 min-1 (valore nominale). In alternativa, la prova può essere eseguita a una velocità costante di 2 mm/min (valore nominale).
- Rottura di un provino valido
Per la documentazione della rottura del provino, la norma ASTM D3039 prevede un codice di 3 lettere che definisce in modo univoco la modalità di cedimento e la posizione lungo il provino afferrato. Il cedimento è considerato non valido quando la rottura si verifica nelle guancette, nell'area di transizione o entro una distanza pari a una larghezza del provino dalle guancette. Tuttavia, le prove di trazione UD a 0° mostrano spesso un cedimento esplosivo ad alta energia, in cui l'intera area libera (non afferrata) del provino si frantuma. Questo cedimento viene quindi solitamente classificato come un cedimento valido.
Range di temperatura
Data l'elevata dipendenza dalla temperatura dei materiali plastici fibrorinforzati, oltre alle prove di trazione a temperatura ambiente verranno eseguite prove a bassa e alta temperatura. A tal fine, la macchina di prova può essere dotata di una camera climatica da -80°C a 360°C.
Provini e dimensioni secondo ASTM D3039
| Tipo provino / laminato | Disegno schematico della forma del provino (semplificato, non in scala) | Note sull’utilizzo dei tacchi |
|---|---|---|
| Laminato UD 0° |  |
|
| Laminato UD 90° |  |
|
| Laminati UD e tessuti multidirezionali, laminati rinforzati con fibre discontinue con orientamento casuale delle fibre (ad es. SMC) |  | Per i laminati UD o tessuti multidirezionali, o per i campioni costituiti da laminati rinforzati con fibre discontinue con orientamento casuale delle fibre, spesso è sufficiente l'uso di un panno abrasivo al posto degli elementi di applicazione della forza incollati. |
- Gli elementi di applicazione della forza (tacchi) non sono necessari, ma sono fortemente raccomandati per i laminati UD, per evitare rotture non valide delle guancette (rottura in corrispondenza o all'interno delle guancette).
- Il laminato in plastica rinforzata con fibre di vetro (GFRP) con un orientamento delle fibre di ±45° rispetto alla direzione del carico nel provino di trazione si è dimostrato un materiale adatto per le strisce di copertura (tacchi).
- Le specifiche della norma ASTM D3039 per la geometria dei provini dei rispettivi tipi di laminato sono raccomandazioni e consentono di confrontare i risultati tra i vari laboratori. Sono consentite deviazioni nelle dimensioni dei provini, purché vengano rispettate le raccomandazioni generali per la geometria dei provini fornite dalla norma.
- Quando si utilizzano sistemi di misurazione della deformazione a contatto o non a contatto, la base di misura L0 deve essere compresa tra 10 e 50 mm.
Informazioni aggiuntive relative allo standard ASTM D3039
- Con lo standard ASTM D3039, per i parametri di prova e le dimensioni dei provini è possibile utilizzare sia il sistema internazionale di unità di misura (SI) sia il sistema di unità di misura in pollici e libbre (Imperial). Tuttavia, è importante evitare di mischiare i due sistemi di unità di misura, poiché ciò può portare a risultati non conformi agli standard.
- Per determinare le proprietà di trazione a livello di singolo strato, si producono compositi multistrato in cui ogni singolo strato è orientato allo stesso modo. Questo vale soprattutto per i laminati UD a 0° o 90°. Per i compositi multistrato di tessuti orientati allo stesso modo, i valori delle caratteristiche meccaniche sono riferiti anche in termini di direzione dell'ordito e della trama.
- Oltre a eseguire prove di trazione per il processo di sviluppo e la classificazione dei materiali, e per la garanzia della qualità i valori caratteristici determinati a livello dei singoli strati sono utilizzati anche nella progettazione di strutture composite per i metodi di calcolo analitico. Utilizzando la teoria classica dei laminati, le proprietà elastiche di un composito multistrato e multidirezionale possono essere calcolate dai valori caratteristici dei singoli strati. I valori di resistenza a livello dei singoli strati sono utilizzati, tra l'altro, per calcolare i criteri di rottura, come la sollecitazione massima, Hashin, Puck o LaRC.
- Poiché le proprietà meccaniche di un composito multistrato dipendono dall'orientamento dei singoli strati, ogni composito multistrato con diversi orientamenti dei singoli strati presenta proprietà meccaniche di trazione diverse. Le proprietà meccaniche dei materiali plastici fibrorinforzati si manifestano quindi solo durante il processo di fabbricazione del laminato. Il processo di fabbricazione stesso ha un'influenza significativa sui valori caratteristici risultanti. L'influenza del processo di fabbricazione sulle proprietà meccaniche di un laminato in plastica fibrorinforzata (FRP) è quindi spesso convalidata da test meccanici.
FAQ - ASTM D3039
ASTM D638 è il metodo di prova standard per la determinazione delle proprietà di trazione delle materie plastiche non rinforzate e rinforzate utilizzando provini dumbbell. Quando per il rinforzo vengono utilizzate fibre continue o discontinue con modulo >20 GPa, ASTM D638 fa riferimento al metodo di prova standard ASTM D3039 per la determinazione delle proprietà di trazione dei compositi a matrice polimerica. Per ASTM D3039 si utilizzano provini rettangolari. Le prove di trazione su materiali plastici rinforzati con fibre di carbonio o di vetro (CFRP, GFRP) con fibre continue raggiungono forze di prova significativamente più elevate rispetto alle prove di trazione su materiali plastici non rinforzati o rinforzati con fibre corte, il che richiede l'uso di una macchina di prova adeguata.
ASTM D3039 è un metodo di prova standard per la determinazione delle proprietà di trazione dei compositi fibrorinforzati. Le fibre di rinforzo ad alto modulo possono essere fibre continue o fibre discontinue con orientamento casuale delle fibre. Le dimensioni raccomandate del provino rettangolare nell'ASTM D3039 dipendono dal tipo di laminato composito da testare (ad esempio, unidirezionale a 0°, unidirezionale a 90°, multidirezionale o discontinuo casuale).
Lo spessore del provino per l'ASTM D3039 dipende dal tipo di laminato per il quale devono essere determinate le proprietà di trazione. L'ASTM D3039 raccomanda uno spessore del provino di 1 mm per le prove di trazione unidirezionali (UD) a 0° e di 2 mm per le prove di trazione UD a 90°. Per i laminati multidirezionali o con orientamento delle fibre discontinuo e casuale, lo spessore consigliato è di 2,5 mm. Vengono inoltre fornite raccomandazioni corrispondenti in termini di lunghezza complessiva, larghezza, lunghezza della striscia di copertura (tacco) e spessore della striscia di copertura per i provini.
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