ASTM D3039 複合材料の引張試験
ASTM D3039 / ASTM D3039M に準拠した引張試験は、複合材料の引張弾性率、ポアソン比の弾性特性値、および引張強度を測定するために使用されます。これには、連続繊維強化一方向 (UD) および多方向 (MD) 複合積層板が含まれ、MD 積層板は単層の UD 積層板、織物、またはその他の繊維構造で構成できます。不連続かつランダムに分布した強化繊維を持つ繊維強化プラスチック複合材料 (FRP) (シート成形化合物 - SMC など) もテストできます。
また、長繊維または連続繊維強化プラスチックの引張試験によく使用される規格には、ISO 527-4 (等方性および異方性繊維強化プラスチックの試験条件) と ISO 527-5 (一方向繊維強化プラスチックの試験条件) があります。
試験の目的とASTM D3039に準拠して決められた特性値
ASTM D3039 に準拠した複合材料の引張試験は、材料開発および認定プロセスにおける引張特性の判定、複合構造のレイアウトと設計に使用される特性値の判定、および品質保証のために実施されます。
繊維強化の種類に関係なく、ASTM D3039 では次の特性結果と特性値が決定されます。
- 引張応力：試験片の初期の断面積に関連した力
- 軸ひずみ：荷重方向における標点距離（ゲージ長さ）の変化を、初期標点距離に対する比率で表したもの
- 横ひずみ：荷重と直交する方向（横方向）における標点距離（ゲージ長さ）の変化を、初期標点距離に対する比率で表したもの（ポアソン比の決定にのみ必要）
- 引張弾性率：弾性域における特定のひずみ区間における、応力-ひずみ曲線の傾き。弾性率（modulus of elasticity）またはヤング率（Young’s modulus）とも呼ばれます
- 引張強度：引張試験で決定された引張応力の最大値
- 破断ひずみ：引張強度に達したときの軸方向のひずみ
- ポアソン比：軸ひずみに対する横ひずみの負の比
双線形応力-ひずみ挙動を示す繊維強化複合材料の場合、追加の特性値を決定できます。
- 遷移ひずみ: 遷移領域における軸ひずみの平均値。通常は軸方向の応力-ひずみ曲線から決定される。
ASTM D3039 と ISO 527-4/ISO 527-5規格はどちらも、複合材料の引張試験の試験条件を定義しています。試験方法は類似していますが、試験片の形状と寸法、および特性値の決定方法がいくつかの点で異なるため（たとえば、前述の引張弾性率と遷移ひずみのひずみ間隔）、決定された特性値は完全には比較できません。
テストパフォーマンスを簡素化するために、ASTM D3039 標準要件に従ってすべての設定が事前構成された testXpert テスト プログラムを使用できます。
ASTM D3039に準拠した信頼性の高い試験結果を得るための試験片グリップとアライメント治具
ASTM D3039 に準拠した引張試験を実行するには、対応する引張試験片を静的試験機の試験片グリップに取り付けます。または ASTM E1012 に従って、試験片グリップの位置合わせが正しいかどうかを定期的に確認することをお勧めします。航空宇宙産業の Nadcap 認定試験ラボでは、アライメント検証が必須です。
機械式ボディーオーバーウェッジグリップまたは油圧式ボディーオーバーウェッジグリップはこの要件に最適です。アライメントの証明が不要な場合は、条件付きアライメント可能なクサビネジグリップも使用できます。
複合材のモジュール試験システム
試験量が多い大規模な試験機関では、非常に多様な複合試験方法に異なる試験機を使用することで、変換作業を最小限に抑えることができます。個々の試験機は、さまざまな種類の試験に必要な力の範囲に合わせて調整できます。複数の試験機への投資が意味をなすほど試験数が多くない、あるいは同じ試験試験を相当数行わない等の場合、代替の選択肢は1の試験機を装備し、最短の労力で冶具の段取り換えなどを行い、多くの試験メッソドに対応する事です。
ツビックローエルは、21 種類の試験方法と約 120 種類の試験規格 (ISO、EN、ASTM、Airbus AITM、Boeing BSS) に対応した 100 kN または 250 kN 試験機のモジュラー設計を開発しました。これにより、常温または -80 °C ～ +360 °C の低温または高温での試験において、繊維強化複合材料の総合的な特性評価が可能になります。
testXpertテストソフトウェア：ASTM 3039に準拠した信頼性の高いテストを保証
当社の testXpert テスト ソフトウェアを使用すると、ASTM D3039 に準拠した効率的なテストと信頼性の高いテスト結果を簡単に実現できます。
- 標準規格の試験に必要な時間を節約してください。当社の標準試験プログラムは ASTM D3039 に準拠していることが保証されています。ASTM D3039 で規定されているすべての必要な特性値とパラメータは、テスト プログラムにすでに事前設定されています。
- 周辺機器を接続すると、効率がさらに向上します。試料の寸法がマイクロメータからテスト ソフトウェアに直接送信されるため、時間が節約され、入力エラーを防ぐことができます。
- 温度チャンバーもテスト ソフトウェアに便利に統合されており、チャンバー内の温度をチェックおよび制御し、温度ランプを設定し、追跡可能性を備えて過去に遡って維持された値を確認できます。
ASTM 3039用引張試験機
標準試験片を使用した ASTM D3039 の引張試験や、繊維強化プラスチックのその他の多くの標準化された試験方法では、100 kN 試験機を使用すれば十分な場合がよくあります。右に示す 100 kN のマシン構成では、機械式のボディオーバークサビグリップを使用することで、さまざまなテスト配置とテスト固定具間の切り替えが容易になります。試験片グリップは簡単に取り外せるため、試験機の作業領域全体を非標準試験にも使用できます。サポート脚により、作業エリアの高さを個別に人間工学的に調整できます。
ガラス繊維強化プラスチック (GFRP) のみを対象に試験を行う場合は、通常、最大力 50 kN の静的機械で十分です。
ASTM D3039に準拠したひずみ測定用伸び計
弾性特性値と破断時のひずみを正確に測定するには、試験片上でひずみを直接測定する必要があります。弾性係数と破断時のひずみを決定するには、軸方向のひずみを測定するだけで十分です。ポアソン比をさらに決定するには、横方向のひずみも測定できる二軸ひずみ測定システムが必要です。ひずみ測定には、ひずみゲージ、クリップオン伸び計（制限：試験片の破断までではない）または自動センサーアーム伸び計（makroXtens、multiXtens）などのセンサーアーム測定システム、および非接触光学システム（videoXtens）を使用できます。
ASTM D3039 試験条件
試験速度
ASTM D3039 では、テスト速度を設定するための 2 つのオプションが規定されています。
1 つは、一定のひずみ速度を 0.01 min-1 (公称値) に設定することです。また、2mm/分（公称値）の一定速度でテストを実行することもできます。
- 試験片破損の有効化
試験片の破損を記録するために、ASTM D3039 では、掴んだ試験片に沿った破損モードと位置を一意に定義する 3 文字のコードが提供されています。破損がチャック歯、遷移領域、またはチャック歯から試験片の幅と同じ距離内で発生した場合、破損は無効とみなされます。ただし、直線 0° UD 引張試験では、試験片の自由領域 (グリップされていない領域) 全体が粉砕される高エネルギーの爆発的破壊が発生することがよくあります。したがって、この障害は通常、有効な障害として分類されます。
温度レンジ
繊維強化プラスチックの機械的特性は温度に大きく依存するため、常温での引張試験に加えて、低温および高温での試験も行われます。ここで、試験機には -80 °C ～ 360 °C の温度範囲に対応する温度チャンバーを装備できます。
ASTM D3039に基づく試験片と寸法
| 試験片の種類 / ラミネート | 試験片形状の模式図 （簡略化されており、縮尺どおりではありません） | 接着タブの使用に関する注意 |
|---|---|---|
| 0°UDラミネート |  |
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| 90°UDラミネート |  |
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| 多方向UDおよび織り積層板、ランダム繊維配向の不連続繊維強化積層板（例：SMC） |  | 多方向UDまたは織り積層板、またはランダムな繊維配向を持つ不連続繊維強化積層板で作られた試験片の場合、結合力適用要素の代わりに研磨布を使用するだけで十分な場合が多い。 |
- 接着力適用要素（接着剤で接着されたタブ）は必須ではありませんが、UD ラミネートでは無効なチャック歯破損（チャック歯での破損またはチャック歯内での破損）を防ぐために強く推奨されます。
- 引張試験片の荷重方向に対して ±45° の繊維配向を持つガラス繊維強化プラスチック (GFRP) 積層板が、適切なタブ材料であることが証明されています。
- 各ラミネートタイプの試験片形状に関する ASTM D3039 の仕様は推奨事項であり、複数の研究室間で結果を比較することができます。標準で規定されている試験片の形状に関する一般的な推奨事項が遵守されている限り、試験片の寸法の偏差は許容されます。
- センサーアームまたは非接触型ひずみ測定システムを使用する場合、ゲージ長 L0 は 10 ～ 50 mm にする必要があります。
ASTM D3039に準拠した自動引張試験
ASTM D3039 に準拠した自動引張試験には、ロボット試験システム roboTest R を使用できます。複合試験片の自動処理により、オペレーターの作業負荷が軽減され、より要求の厳しい作業に集中できるようになります。自動化ソリューションは、手の温度や湿気、中心からずれたまたは角度のある試料の挿入など、オペレータの影響を排除できるという利点があり、その結果、テスト結果の再現性が高まります。
ユーザーはテストする標本をラックマガジンに充填し、システムを起動します。最初のステップでは、試料グリッパーが試料を断面測定装置まで運びます。ここで試験片の厚さと幅を測定します。ID コードにより、結果の明確な追跡可能性が確保されます。
次に、試験片を試験片グリップに固定し、ASTM D3039 に準拠した引張試験を実行します。試験に特定の試験片温度が必要な場合は、試験片を温度チャンバー内で事前に加熱します。試験片が破断した後、試験片グリップに残っている残留物はスライダーを使用して除去されます。さらに、下部の試験片グリップをほうきで掃きます。
ASTM D3039に関する追加情報
- ASTM D3039 規格では、試験パラメータと試験片の寸法に国際単位系 (SI) とインチポンド (ヤードポンド法) の両方の単位系を使用できます。ただし、標準に準拠しない結果になる可能性があるため、2 つの単位系の混在は避けることが重要です。
- 単層レベルでの引張特性を決定するために、各層が同じように配向された多層複合材料が製造されます。これは特に 0° または 90° UD ラミネートに適用されます。対応する配向の多層織り複合材料の場合、機械的特性値も経糸と緯糸の方向によって参照されます。
- 材料開発、材料認定、品質保証の目的で引張試験を実行することに加えて、単層レベルで決定された特性値は、解析計算方法のための複合構造の設計にも使用されます。たとえば、古典的な積層理論を使用すると、多方向多層複合材料の弾性特性は、それぞれの個々の層の特性値から計算できます。単層レベルでの強度値は、最大応力、Hashin、Puck、LaRC などの破壊基準の計算などに使用されます。
- 多層複合材料の機械的特性はそれぞれの層の配向に依存するため、個々の層の配向が異なる多層複合材料はそれぞれ異なる機械的引張特性を示します。したがって、繊維強化プラスチックの機械的材料特性は、積層体の製造プロセス中にのみ明らかになります。製造プロセス自体が、結果として得られる特性値に大きな影響を与えます。したがって、繊維強化プラスチック (FRP) 積層体の機械的特性に対する製造プロセスの影響は、多くの場合、機械試験によって検証されます。
ASTM D3039に準拠した複合材料試験に関するよくある質問
ASTM D638 は、ダンベル試験片を使用して非強化プラスチックおよび強化プラスチックの引張特性を測定するための標準試験方法です。補強材として弾性率が 20 GPa を超える連続繊維または不連続繊維を使用する場合、ASTM D638 はポリマー マトリックス複合材料の引張特性を測定するための ASTM D3039 標準試験方法を参照します。ASTM D3039 では長方形の試験片が使用されます。特に連続繊維を使用した炭素繊維またはガラス繊維強化プラスチック (CFRP、GFRP) の引張試験では、非強化プラスチックまたは短繊維強化プラスチックの引張試験に比べて大幅に高い試験力が得られるため、適切な試験機を使用する必要があります。
ASTM D3039 は、繊維強化複合材料の引張特性を測定するための標準試験方法です。高弾性強化繊維は、連続繊維であってもよく、またはランダムな繊維配向を有する不連続繊維であってもよい。ASTM D3039における長方形試験片の推奨寸法は、試験対象となる複合積層板の種類（例：0°一方向、90°一方向、多方向、ランダム不連続）によって異なります。
ASTM D3039ではどのくらいの厚さの試験片が必要ですか？
ASTM D3039 の試験片の厚さは、引張特性を測定する積層板の種類によって異なります。ASTM D3039 では、0° 一方向 (UD) 引張試験の場合は 1 mm、90° UD 引張試験の場合は 2 mm の試験片厚さを推奨しています。多方向積層板または繊維配向がランダムに不連続な積層板の場合、推奨厚さは2.5 mmです。試験片の全長、幅、タブ長さ、タブ厚さについても、同様の推奨事項が示されています。