ISO 527-4 | ISO 527-5 繊維強化複合材の引張試験
ISO 527-4およびISO 527-5に準拠した引張試験は、繊維強化プラスチックの引張弾性率およびポアソン比の弾性特性値、および主材料方向の引張強さを測定するために使用されます。ISO 527-4 には、等方性および異方性の繊維強化プラスチックの試験条件が記載されています。これには、マット、織物、カットファイバーなどの非一方向強化材を備えた複合材料や、一方向の個別層で作られた多方向積層体が含まれます。ISO 527-5には、一方向 (UD) 繊維強化プラスチックの試験条件が記載されています。どちらの規格も、引張特性の決定に関する一般原則についてISO 527-1を参照しています。
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もう 1 つの規格は ASTM D3039です。これには、等方性および異方性繊維強化プラスチック、および一方向繊維強化プラスチックの試験条件が含まれています。
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ISO 527-4 ＆ ISO 527-5 試験の目的と主な特性値
繊維強化プラスチックの引張試験は、材料の開発および資格取得プロセス、複合構造のレイアウトと設計に使用する特性値の決定、品質保証において行われます。繊維強化のタイプに関係なく、ISO 527-4およびISO 527-5で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：原標点距離を基準にした標点距離の変化荷重方向
- 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：弾性範囲内の指定されたひずみ範囲における応力-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：引張試験で決定される最大の引張応力値
- 破断時のひずみ：引張強さが最大応力に耐えられない時の軸方向ひずみ
- ポアソン比：軸ひずみに対する横ひずみの負の比
ISO 527-4、ISO 527-5、およびASTM D3039は、繊維強化プラスチックの引張試験の試験条件を設定しています。試験方法の類似点があるにもかかわらず、決定された特性値は完全に比較できないことがあります。なぜなら、試験片の形状や寸法、および特性値の決定方法が一部異なるためです（たとえば、引張弾性率のためのひずみ間隔など）。
ISO 527-4・ISO 527-5 信頼性の高い試験結果のための試験片グリップとアライメント治具
ISO 527-4およびISO 527-5に従って引張試験を実施するには、対応する引張試験片を静的試験機の試験片グリップに挟みます。ISO 23788またはASTM E1012に従って、試験片グリップのアライメントが正しいことを定期的に確認することが推奨されています。航空宇宙産業のNadcap認定試験ラボでは、アライメントの証明が必要です。この要件を満たすために、機械式のくさびグリップ（ボディオーバーウェッジ）または油圧式グリップ（ボディオーバーウェッジグリップ）が最適です。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。
ISO 527-4 ＆ ISO 527-5 引張試験機
標準試験片を使用したISO 527-4およびISO 527-5の引張試験や、繊維強化プラスチックのその他の標準化された試験方法では、多くの場合、100 kN 試験機の使用が適しています。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。
ISO 527-4・ISO 527-5に準拠した試験条件
試験速度
設定する一定の試験速度は、試験片のタイプと試験の目的に依存します。品質管理のための引張試験では、材料特性評価のための引張試験よりも高速な試験速度が設定できます。
- 有効な試験片の破壊
チャック歯またはチャック歯から試験片がグリップされていないエリアへの移行領域で破損した試験片は無効であり、少なくとも5つの有効な試験結果を得るために新しい試験片に交換する必要があります。
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。
| 規格 | 試験片タイプ | 図 (簡略化しており、実際のスケールではありません) | アプリケーション |
|---|---|---|---|
| ISO 527-4 | タイプ 1B ダンベル |  |
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| タイプ 2 キャップストリップなしの長方形 |  |
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| タイプ 3 * キャップストリップ付き長方形 |  |
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| タイプ 4** キャップストリップなしの円錐形 |  |
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| ISO 527-5 | タイプ A, タイプ B *** |  |
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- *ISO 527-4の試験片タイプ3およびISO 527-5の試験片タイプAおよびBについては、試験片の両側にキャップストリップが適用されます。これらは通常、テストされるラミネートに貼り付けられ、グリップ内で応力が集中しないようにし、グリップが壊れるのを防ぐために使います。この目的のために、±45°のガラス繊維強化プラスチック（GFRP)ラミネート製のキャップストリップが有効です。ストレートなキャップストリップが常に使われますが、ASTM D3039ではスカーフ角のあるものも使えます。その他の力のアプリケーション要素、接着されていないものも含めて使用できます（例：研磨クロスまたはサンドペーパーなど）。ただし、同等の強度が得られ、特性値に大きなばらつきがないことを示す必要があります。
- ISO 527-4:2023で新たに追加された試験片タイプ4は、多方向連続繊維強化熱可塑性材料の引張試験を目的としています。このタイプでは、試験片中央のL0 = 25 mmのまっすぐなゲージ長さの外で破損が起こった場合、結果は再計算が必要です。ISO 527-4のアネックスEにある試験片タイプ4の引張強度の計算は、ISO 527-4:2023の事前設定されたtestXpert試験プログラムにすでに含まれています。
- ***ISO 527-5の試験片タイプAおよびBには、異なる積層厚さと試験片幅があります。タイプAはUDラミネートの0°方向の引張試験を意図しており、幅は15 mm、ラミネート厚さは1 mmです。対照的に、タイプBはUDラミネートの90°方向の引張試験を目的としており、幅は25 mm、ラミネート厚さは2 mmです。これにより、0°方向の引張試験で測定される力が過度に大きくなりすぎず、90°方向の引張試験で測定される力が十分に大きくなり、両方の試験片タイプを同じ試験アレンジメントで試験できるようになります。この幾何学的な調整は、IDラミネートが繊維の方向と直角方向で強度に大きな違いがあるために必要です。
ISO 527-4・ISO 527-5に関するさらなるインフォメーション
- 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。これには、ISO 527-5で指定された0°または90°の一方向性（UD）ラミネートが含まれます。ISO 527-4の多層織り複合材料の場合、対応する向きの機械特性値も経糸方向と緯糸方向に関連しています。
- 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。古典的なラミネート理論を使用すると、例えば多方向の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、LaRCなどの破壊基準の計算に使用されます。
- 多層複合材料の機械特性は、それぞれの個々の層の向きに依存するため、異なる個々の層の向きを持つ多層複合材料ごとに異なる機械的な引張特性が現れます。そのため、繊維強化プラスチックの機械材料特性は、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。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特性に対する製造プロセスの影響は、しばしば機械的試験によって検証されます。
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