ASTM D3039 複合材の引張試験
ASTM D3039 / ASTM D3039Mに基づく引張試験は、複合材料の引張弾性特性値、ポアソン比、および引張強さを決定するために使用されます。これには、連続繊維強化単方向（UD）および多方向（MD）複合積層材が含まれます。MD積層は、単層のUD積層、織物、またはその他の繊維アーキテクチャからなることがあります。不連続およびランダムに分布する補強繊維を持つ繊維強化プラスチック複合材（FRP）（例：シートモールディングコンパウンド - SMC）もテストできます。
長尺または連続繊維強化プラスチックの引張試験に一般的に使用される標準には、ISO 527-4（等方性および非等方性繊維強化プラスチックの試験条件）およびISO 527-5（単方向繊維強化プラスチックの試験条件）があります。
ASTM D3039 特性値の決定と試験の目的
ASTM D3039に基づく複合材の引張試験は、材料の開発と資格取得プロセスでの引張特性を決定し、複合材料構造の設計や設計に使用される特性値を決定するため、品質保証にも使用されます。
繊維強化の種類にかかわらず、ASTM D3039では以下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
- 軸方向ひずみ：荷重方向の原標点距離を基準とした標点距離の変化
- 横ひずみ：荷重方向の原標点距離に対する標点距離の変化（ポアソン比の決定にのみ必要）
- 引張弾性率：弾性領域内の指定されたひずみ範囲内の応力-ひずみ曲線の傾き弾性率またはヤング率とも呼ばれます
- 引張強さ: 引張試験で求められた引張応力の最大値
- 破断時のひずみ:引張強さに達したときの軸ひずみ
- ポアソン比：軸ひずみに対する横ひずみの負の比
繊維強化複合材料で二線の応力-ひずみ挙動を示す場合、追加の特性値を求めることがあります：
- 遷移ひずみ: 遷移領域内の軸ひずみの平均値を表します。この値は、通常、軸応力-ひずみ曲線から導出されます。
ASTM D3039およびISO 527-4/ISO 527-5の両規格は、複合材料の引張試験の試験条件を定義しています。これらの規格に従っても異なる試験条件や特性値の評価方法が存在します。そのため、同じ試験片に対して異なる規格を使用した場合、特性値の比較には注意が必要です。（たとえば、引張弾性率と前述の遷移ひずみのひずみ区間など）
ASTM D3039に従った引張試験では、試験片は静的試験機の試験片グリップに固定され、試験が実施されます。試験を簡略化するために、ASTM D3039の要件に従ったすべての設定を事前に構成したtestXpert試験プログラムが利用できます。
信頼性の高いASTM D3039試験のための試験片グリップとアライメント治具
ASTM D3039に従った引張試験を実施するためには、試験用の対応する引張試験片を、静的試験機の試験片グリップに固定します。試験片のグリップが正しく配置されていることは、ASTM E1012に従った規定に基づいて定期的に確認することが推奨されています。航空宇宙産業におけるNadcap認定試験ラボの場合、試験片のグリップの配置の証明が義務付けられています。
この要件には、機械的なボディーオーバーウェッジ（くさびグリップ）または油圧グリップが理想的です。アライメントの証明が不要な場合、条件付きでアライメント可能なウェッジスクリュー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
非常に多様な複合材料の試験方法に対応するため、試験ボリュームの多い大規模な試験ラボでは、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。各試験機は、さまざまな試験に必要な力の範囲に調整できます。スループットが高く、または一貫性がない場合、複数の試験機に投資するのは合理的でないかもしれません。その場合、最も少ない機械変換作業でできるだけ多くの試験方法を実施できるよう、単一の試験機を装備するという選択肢が考えられます。
ツビックローエルは、100kNまたは250kNの試験機として利用可能なモジュールデザインを開発しました。この試験機は、常温または-80℃から+360℃までの低温または高温での試験を含む、21の試験方法と約120の試験規格（ISO、EN、ASTM、エアバス AITM、ボーイング BSSを含む）をカバーし、繊維強化複合材料の包括的な特性評価を可能にします。
ASTM 3039向け引張試験機
ASTM D3039に準拠した標準試験片を使用する引張試験や、繊維強化プラスチックの多くの標準化された試験方法において、100 kNの試験機の使用がしばしば適しています。右側に示された100 kN機構を備えた機械構成では、機械的な定位置くさびグリップの使用により、異なる試験アレンジや試験治具の切り替えが容易です。試験片グリップは取り外しが簡単なため、試験機の作業エリア全体を非標準試験にも利用することができます。サポートレッグにより、作業エリアの高さを個別かつ人間工学的に調整できます。
もし試験がガラス繊維強化プラスチック（GFRP）に限定される場合、通常、最大力が50 kNの静的な機械が適切です。
ASTM D3039 試験条件
試験速度
ASTM D3039では、試験速度の設定について2つのオプションが記載されています。
1つは、0.01 min-1（公称値）の一定ひずみ速度を設定する方法です。もう1つは、2mm/min（公称値）の一定速度で試験を実施する方法です。
- 有効な試験片の破損
ASTM D3039によれば、試験片の破損を文書化する際に、破損モードとグリップされた試験片の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。チャック歯内、遷移領域内、またはチャック歯から試験片の幅と同じ距離以内で破損が発生した場合、その破損は無効と見なされます。ただし、直線の0℃の単一方向引張試験では、試験片の自由部分（グリップされていない部分）全体が高エネルギーで爆発的に破裂することがよくあります。そのため、このような破損は通常、有効な破損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大部分が温度に依存するため、常温での引張試験に加えて、低温および高温での試験も実施されます。ここでは、試験機に温度範囲が-80℃から360℃までの恒温槽を装備することができます。
ASTM D3039に基づく試験片と寸法
| 試験片タイプ / ラミネート | 試験片形状図 (簡略化しており、実際のスケールではありません) | キャップストリップ使用時の注記 |
|---|---|---|
| 0° UD ラミネート |  |
|
| 90°UD ラミネート |  |
|
| 多方向のUDおよび織り込みラミネート、ランダムな繊維配向（例：SMC）を持つ断続繊維強化ラミネート |  | 多方向のUDおよび織り込みラミネート、ランダムな繊維配向（例：SMC）を持つ断続繊維強化ラミネートの場合、接着された力のアプリケーション要素の代わりに研磨クロスを使用することがしばしば十分です。 |
- 接着された力のアプリケーション要素（キャップストリップ）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での破断（チャック歯内またはチャック歯での破損）を防ぐために強く推奨されています。
- 引張試験片の負荷方向に対する繊維方向が±45°のガラス繊維強化プラスチック（GFRP）ラミネートは、適切なキャップストリップ素材として証明されています。
- ASTM D3039の各ラミネートタイプの試験片ジオメトリに関する仕様は推奨事項であり、結果をラボ間で比較することを可能にします。試験片寸法の偏差は、規格で提供される試験片ジオメトリの一般的な推奨事項が守られている限り許容されます。
- センサーアームまたは非接触伸び計システムのどちらを使用しても、標点距離L0は10 mmから50 mmの間であるべきです。
ASTM D3039 その他のインフォメーション
- ASTM D3039規格では、試験パラメータと試験片寸法の両方に、国際単位系（SI）とインチ・ポンド（インペリアル）単位系の両方を使用することができます。ただし、これらの単位系を混合して使用しないようにすることが重要です。なぜなら、規格に適合しない結果を導く可能性があるからです。
- 単一層レベルでの引張特性を決定するために、各個の層が同じ向きに配置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°のUDラミネートに当てはまります。同じように配向された多層織複合材料の場合、機械特性値は縦糸方向と横糸方向としても参照されます。
- 材料開発、材料の適格性評価、品質保証の目的で引張試験を実施するだけでなく、単一層レベルで決定された特性値は、解析計算方法において複合構造の設計にも使用されます。たとえば、古典的なラミネート理論を使用して、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。単一層レベルでの強度値は、最大応力、Hashin、Puck、またはLaRCなどの破壊基準の計算など、さまざまな用途に使用されます。
- 異なる個々の層の配向を持つすべての多層複合材料は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（FRP）ラミネートの機械的材料特性は、ラミネートの製造プロセス中に初めて明らかになります。製造プロセス自体が、得られる特性値に大きな影響を与えます。製造プロセスがFRPラミネートの機械特性に与える影響は、しばしば機械試験によって検証されます。
ASTM D3039に準拠した複合材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および強化プラスチックの引張特性を決定する規格試験方法です。連続繊維または弾性率が20 GPaを超える不連続繊維を強化材として使用する場合、ASTM D638はポリマーマトリックス複合材料の引張特性を決定するためのASTM D3039の規格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する炭素繊維強化プラスチック（CFRP）やガラス繊維強化プラスチック（GFRP）の引張試験は、非強化または短繊維強化プラスチックの引張試験と比較して、はるかに高い試験力を達成します。これには適切な試験機器の使用が必要です。
ASTM D3039は、繊維強化複合材料の引張特性を決定するための規格試験方法です。高強度の補強繊維は連続繊維またはランダムな繊維配向を持つ不連続繊維であることがあります。ASTM D3039の長方形試験片の推奨寸法は、試験される複合ラミネートのタイプに依存します（例：0°単方向、90°単方向、多方向またはランダムな不連続）。
ASTM D3039における試験片の厚さは、引張特性が決定される複合ラミネートのタイプに依存します。ASTM D3039では、0°単方向（UD）用に1 mmの試験片厚さと、90°単方向用に2 mmの試験片厚さを推奨しています。多方向ラミネートまたはランダムな不連続繊維配向を持つラミネートの場合、推奨される厚さは2.5 mmです。試験片の全長、幅、キャップストリップの長さ、キャップストリップの厚さに関する対応する推奨も存在します。
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