ASTM D6641 複合荷重圧縮
ASTM D6641は、圧縮荷重下における繊維複合積層板のヤング率、強度、および破断ひずみを決定するための標準試験方法です。この試験は、0°、90° または多方向のUD積層板（一方向積層板）、織物や経緯スクリム複合材、あるいは不連続でランダムに分布した補強繊維を持つ繊維複合材（例：チョップドファイバー複合材、SMC）に適しています。
複合荷重圧縮試験では、端面を介した垂直分力（Normal force component）と、試験片のクランプされた部分を介したせん断分力（Shear force component）によって、複合的な荷重が加えられます。この複合的な荷重適用は、高強度の繊維複合積層板に対する圧縮試験にとって、特に有利です。試験片の端面の平行度 、および端面の荷重方向への直角度について、 規格で定められた公差 を遵守することは、 最適な結果を得るために不可欠 です。
ASTM D6641に従って、タブなし試験片 （手順 A） と タブ付き試験片 （手順 B） の両方を使用できます。詳細については、下記の試験片と寸法セクションを参照してください。
長繊維または連続繊維強化プラスチック の圧縮試験で他に頻繁に使用される規格には、純粋な端面荷重の原理に基づいたASTM D695 または DIN EN 2850 (方法 B)、および純粋なせん断荷重の原理に基づいたASTM D3410またはISO 14126 (方法 1) があります。別の標準化された複合荷重圧縮試験は、ISO 14126 (方法 2)に記載されています。
試験の目的とASTM D6641に準拠して決められた特性値
ASTM D6641 に準拠した複合材料の圧縮試験は、材料開発および認証（Qualification）の段階で機械的圧縮特性を決定するため、複合構造物の設計とレイアウトのための特性値を決定するため、そして品質保証のために実施されます。
ASTM D6641 に準拠した複合荷重圧縮試験は、以下の特性結果と値を決定するために使用できます：
- 圧縮応力： 圧縮荷重を試験片の初期断面積で除した値
- 圧縮ひずみ：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
- 圧縮弾性率： 圧縮試験における、弾性域での定義された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
- 圧縮強度： 圧縮試験中に試験片が受けた 最大の圧縮応力
- 破断ひずみ：圧縮強度が達成された時点の圧縮量またはひずみ
縦方向と横方向のひずみを測定できる 二軸ひずみゲージ を使用した場合は、 ASTM D6641に準拠した圧縮試験でポアソン比も決定でき、そのことは規格の中でそれに応じて議論されています 。しかしながら、これは圧縮試験における 試験片の有効長さが比較的小さいため非実用的であり、したがってほとんど実施されていません 。ポアソン比を決定するには、 ISO 527-4、-5またはASTM D3039に準拠した引張試験のほうがはるかに適しています 。
ASTM D6641に準拠した圧縮試験は、どのように実施されますか？
以下に、 複合材料に対する 複合荷重圧縮試験の実施 、および必要となる試験機、試験治具、ひずみゲージに関する重要情報を記載します。ASTMD6641の詳細情報については、規格を購入することが不可欠です。
ASTMD6641 複合荷重圧縮試験治具
ASTMD6641に準拠した複合荷重圧縮（CLC）試験には、端面を介した荷重と試験片のクランプされた部分を介した荷重の複合的な適用を可能にする試験治具が必要とされます。
規格に示されている複合荷重圧縮治具では、治具の上部と下部の相互に案内される部分において、それぞれ4本のボルトによって試験片がクランプされます。試験片の端面は、治具の端面と面一になります。試験片を装着した試験治具は、その後、平行にアライメントされた硬化処理済みの圧縮盤の間に設置され、試験片が破断するまで圧縮荷重がかけられます。
ASTMD6641に準拠して、複合荷重圧縮試験には試験片への複合的な荷重適用の原理に適合する同等の試験治具も使用できます。
ツビックローエルから独占的に入手可能な、250kNまでの複合材料の圧縮試験用の油圧式複合材圧縮治具（HCCF）は、ASTMD6641に準拠した複合荷重圧縮試験にも適した、極めて多用途な圧縮治具です。
HCCFのいくつかの利点と特徴
- 複合荷重圧縮原理（ASTMD6641、ISO14126方法2またはAirbusAITM1-0008）に準拠した圧縮試験の実施を可能にします。
- 純粋なせん断荷重 原理（ASTMD3410またはISO14126方法1）に準拠した圧縮試験の実施を可能にします。
- 250 kNまでの圧縮試験力に
- 試験片の幅が35mmまで、積層板の厚さが10mmまで
- HCCFを試験機に取り付けたまま試験を行えるため、試験片の交換が素早く行なえます
- チャック歯は互いに正確にアライメントされており、試験中にチャック歯間で互いの位置ずれが発生しません。
- 試験片の自由な部分の遮られない視界により、デジタル画像相関法（DIC）のような光学的なひずみ測定方法の使用が可能になります。
注記: ASTMD6641では、試験片の自由な部分の反対側の表面における両面からのひずみ測定が要求されます。標準的なASTMD6641の試験片の形状は13mm×13mmと比較的小さな領域であるため、ひずみゲージが一般的に ひずみ測定の最も適切な方法です。詳細については、下記のひずみ測定のセクションを参照してください。
- 試験片をクランプする際に接着層またはタブの厚さの偏差によって引き起こされる変形—両側で測定するひずみゲージ間の絶対差が150µεを超えることで識別可能—は、チャック歯を開けてシムを挿入することで迅速かつ簡単に修正できます。
- -60°Cから+150°Cの温度範囲での圧縮試験に使用できます
- 手動操作の油圧ポンプにより、非常に精密な試験片のクランプが可能になります
HCCFには、うろこ状のパターンを持つチャック歯、または熱コーティングプロセスを使用して粗い表面を適用したチャック歯が利用可能です。熱コーティングを施したチャック歯は、タブなし試験片（ASTMD6641 手順A）を試験する際に使用する必要があります。
ASTM D6641用の試験機
標準の試験片を用いたASTMD6641に準拠した圧縮試験、および繊維強化プラスチック向けのその他の多くの標準化された試験方法には、100kNのAllroundLine 試験機の使用で十分な場合が多いです。HCCF 圧縮治具と、上部および下部に延長ロッドを使用した圧縮試験の試験セットアップが示されており、これにより恒温槽内での圧縮試験の実施が可能になります。延長ロッドは、室温での圧縮試験には必要ありません。示されている100kN 試験機 構成では、引張試験用の機械式 ボディオーバーウェッジ型試験片グリップ（右上の小さな画像を参照）を使用することで、異なる試験セットアップと試験治具間の切り替えが容易になります。試験片グリップを単純に取り外すだけで、試験機の作業エリア 全体を非標準の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。
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。
当社のtestXpert 試験 ソフトウェアにより、ASTM D6641に準拠した信頼性の高い試験を
testXpert 試験ソフトウェアは、ASTMD6641に従い、効率的な試験と信頼性の高い試験結果をサポートします：
- 規格を学習する必要性を不要にします：規格試験プログラムにより、規格への準拠が保証されます—ASTMD6641のすべての特性値とパラメータが既に保存されています。
- 周辺機器を接続することで、最大の試験効率を達成できます：マイクロメータまたはノギスからの試験片寸法を試験 ソフトウェアに直接送信することで、時間が節約され、入力エラーが排除されます。
- ソフトウェアを介してチャンバー内の確認及び温度の制御 します。温度傾斜設定し、過去に遡って維持された値を確認し追跡可能となります。
試験片における両面かつ独立したひずみ測定は、曲げのパーセントを検出し、有効な試験と無効な試験を区別するために必要とされます。詳細については、下記の試験条件 – 重畳曲げ変形（曲げのパーセント）のモニタリングセクションを参照してください。
HCCF 圧縮治具のオープンな設計により、両側で独立して測定するクリップオン伸び計を使用することも可能です。ただし、これには最低 13mmの自由長が必要となります。ASTMD6641に従って、より長い自由長も許容されますが、クリップオン伸び計の使用には有利となります。ただし、オイラー 座屈を避けるために、試験片の厚さが適切に寸法決定されている必要があります。
ASTM D6641に準拠した試験条件
試験速度
ASTM D6641に準拠した公称試験速度は1.3mm/minです。
試験片破損の有効化
ASTM D6641では、試験片の破壊を文書化するための3文字のコードが提供されており、破壊モードと試験片に沿った位置が明確に定義されます。繊維のアーキテクチャと試験されたラミネートに応じて、圧縮試験では異なる有効な破壊モードが発生する可能性があります。例えば、試験片の幅を横切る破断、試験片の厚さを通る角度の付いたせん断破壊（通常は90度UDラミネートの圧縮試験）、キンクバンド、ブルーミング、スプリッティング、層間剥離、または異なる有効な破壊モードの組み合わせなどです。
圧縮試験は、試験片が自由長内で破壊した場合に限り、有効となります。自由長の中央領域での破壊は理想的なケースに対応しますが、短い自由長と部分的に角度の付いた破壊表面のため、チャック歯（Jaw）から自由領域への移行部や、タブから自由領域への移行部でも破壊が発生します。これも有効な試験片破壊と見なされます。
無効な破壊タイプは、オイラー座屈や試験片の端面での破壊、およびクランプ領域でのあらゆる種類の試験片破壊です。
曲げのパーセントのモニタリング
有効な試験片破壊に加え、ASTM D6641に従った全体として有効な圧縮試験のためには、圧縮荷重における曲げのパーセントが規定された範囲を超えてはなりません。これを算出するための曲げのパーセント値は、試験片の両側で測定されたひずみ信号 ε1 and ε2
を使用し、次の式を用いて決定されます : By=(ε1-ε2)/(ε1+ε2)×100.
有効な試験では：2000 µεにおけるヤング率決定の平均ひずみ区間では10%未満、および圧縮強度と破壊ひずみに対して10%未満とする。
破壊強度の近くでラミネートの事前破壊によりひずみ信号にジャンプや不連続性が発生した場合、圧縮強度の90%で曲げパーセントの基準を満たしていれば、試験は有効となります。
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、常温での圧縮試験に加えて、低温および高温での試験も行われます。この目的のために、ツビックローエルのHCCF 圧縮治具は、-60°Cから+150°Cの温度範囲で使用でき、これは自動車分野における-40°Cから+80°C（+120°C）まで、および航空分野における-55°Cから+120°Cまでの一般 的な温度 試験の範囲を網羅しています。
ASTM D6641 試験片と寸法
| 試験片のタイプ | 試験片のイメージ | 注意 |
|---|---|---|
| タブなし （手順A） |  | 試験片の端面での破壊を回避でき、 かつ推奨 レベルを超える大きな把持力の増加が必要とされない場合は、 0度積層が50%未満の多方向ラミネートにも使用できます。 |
| タブあり （手順B） |  |
|
- 45° GRPラミネートをタブ材として使用でき、これは適切な接着剤を用いて試験されるラミネートに接着されます。試験片の厚さが2.5mm以下の場合、約1.6mmのタブ厚さが適切であることが実証されています。より厚い試験片厚さに対しては、必要に応じてより厚いタブを選択すべきです。
- ASTMD6641では標準試験片厚さを定義していません。試験片の厚さは通常2～3mmで試験が行なわれます。より厚いラミネートも試験できますが、使用される圧縮試験治具が適切であることが条件となります。より薄い試験片厚みに対しては、規格で指定されたオイラー座屈に対する寸法決定を遵守しなければなりません。特に剛性の低いラミネートでは重要です。
- HCCF圧縮治具は、元々Airbus AITM 1-0008に従った複合荷重圧縮試験のために開発されました。AITM 1-0008で規定されたチャック歯の長さは65mmです。したがって、元々のHCCFのチャック歯は、標準のASTMD6641試験片形状に対して1.5mm長すぎます。HCCFを用いてASTMD6641に従った複合荷重圧縮試験を実施するためには、143mm長の圧縮試験片を使用しなければなりません。あるいは、公称試験片長さ140mmのために設計された適切なチャック歯を選択すること可能です。
