ASTM D3039 Zugversuch Composites
Im Zugversuch nach ASTM D3039 / ASTM D3039M werden die elastischen Kennwerte Zugmodul und Poissonzahl sowie die Zugfestigkeit für Composites ermittelt. Dies beinhaltet endlos faserverstärkte unidirektionale (UD) und multidirektionale (MD) Faserverbundlaminate, wobei MD Laminate aus Einzelschichten aus UD, Gewebe oder anderen textilen Faserarchitekturen bestehen können. Auch können Faser-Kunststoff Verbunde (FKV) mit diskontinuierlichen und zufällig verteilten Verstärkungsfasern (z.B. Sheet Moulding Compounds – SMC) geprüft werden.
Ebenfalls häufig verwendete Normen für die Zugprüfung von lang- oder endlos faserverstärkten Kunststoffen sind ISO 527-4 (Prüfbedingungen für isotrop und anistrop faserverstärkte Kunststoffe) und ISO 527-5 (Prüfbedingungen für unidirektional faserverstärkte Kunststoffe).
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Ziel der Prüfung und ermittelte Kennwerte nach ASTM D3039
Zugversuche für Composites nach ASTM D3039 werden u.a. zur Ermittlung der Zugeigenschaften bei der Materialentwicklung und Qualifizierung, zur Kennwertbestimmung für Auslegung und Design von Composite Strukturen, sowie in der Qualitätssicherung durchgeführt.
Unabhängig von der Art der Faserverstärkung werden in ASTM D3039 folgende charakteristische Ergebnisse und Kennwerte ermittelt:
- Zugspannung: Kraft bezogen auf den Anfangsquerschnitt des Probekörpers
- Längsdehnung: Änderung der Messlänge bezogen auf die Anfangsmesslänge in Lastrichtung
- Querdehnung: Änderung der Messlänge bezogen auf die Anfangsmesslänge in Querrichtung (nur nötig wenn Poissonzahl ermittelt werden soll)
- Zugmodul: Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve in einem festgelegten Dehnungsintervall im elastischen Bereich. Auch als Elastizitätsmodul oder kurz E-Modul bezeichnet
- Zugfestigkeit: Maximalwert der im Zugversuch ermittelten Zugspannung
- Bruchdehnung: Längsdehnung bei Erreichen der Zugfestigkeit
- Poissonzahl: negatives Verhältnis von Querdehnung und Längsdehnung
Für faserverstärkte Kunststoffe mit bi-linearem Spannungs-Dehnungs-Verhalten kann ein zusätzlicher Kennwert ermittelt werden:
- Übergangsdehnung (transition strain): Mittelwert der axialen Dehnung im Übergangsbereich. Wird in der Regel aus der axialen Spannungs-Dehnungs-Kurve bestimmt
Sowohl ASTM D3039 als auch ISO 527-4 / ISO 527-5 legen die Prüfbedingungen für den Zugversuch von Composites fest. Trotz der Ähnlichkeit der Prüfmethoden sind die ermittelten Kennwerte nicht völlig vergleichbar, da die Probenformen und Probenabmessungen sowie die Kennwert-Bestimmung teils unterschiedlich sind (z.B. Dehnungsintervall für Zugmodul und der oben aufgeführte Kennwert Übergangsdehnung).
Zur Vereinfachung der Versuchsdurchführung können vorkonfektionierte testXpert Prüfvorschriften mit allen Einstellungen entsprechend der ASTM D3039 Normangaben verwendet werden.
Probenhalter und Ausrichteinheit für sichere Prüfergebnisse nach ASTM D3039
Für die Durchführung des Zugversuchs nach ASTM D3039 wird die entsprechende Zugprobe in die Probenhalter einer statischen Prüfmaschine eingespannt. Es wird empfohlen die korrekte Ausrichtung der Probenhalter nach ASTM E1012 regelmäßig zu überprüfen. Für Nadcap akkreditierte Prüflabore im Bereich der Luft- und Raumfahrt ist der Nachweis der Ausrichtung zwingend erforderlich.
Mechanische Körper-über Keil oder hydraulische Körper-über-Keil Probenhalter sind für diese Anforderung optimal geeignet. Ist kein Nachweis über die Ausrichtung erforderlich können auch bedingt ausrichtfähige Keilschraub-Probenhalter eingesetzt werden.
Modulares Composite Prüfsystem
Größere Prüflabore mit entsprechend hohem Prüfaufkommen setzen für die sehr vielfältigen Composites Prüfmethoden unterschiedliche Prüfmaschinen ein und können so den Umbauaufwand minimieren. Die einzelnen Prüfmaschinen können dabei auf den Kraftbereich verschiedener Versuchsarten angepasst werden. Wenn das Prüfaufkommen nicht so hoch oder so regelmäßig ist, dass sich die Investition in mehrere Prüfmaschinen lohnt, ist es vorteilhaft, eine einzige Prüfmaschine so auszustatten, dass möglichst viele Prüfverfahren mit dem geringstmöglichen Umbauaufwand durchgeführt werden können.
Hierfür hat ZwickRoell ein modulares Konzept entwickelt, erhältlich als statische 100kN oder 250kN Prüfmaschine, mit der 21 Prüfmethoden und ca. 120 Prüfnormen (ISO, EN, ASTM, sowie Airbus AITM und Boeing BSS) abgedeckt sind und welches eine umfangreiche Charakterisierung von Faserverbundwerkstoffen bei Raumtemperatur oder bei Versuchen mit niedrigen oder erhöhten Temperaturen von -80°C bis +360°C ermöglicht
testXpert 測試軟體：確保根據 ASTM 3039 進行可靠測試
使用我們的 testXpert 測試軟體可輕鬆獲得符合 ASTM D3039 的高效測試和可靠的測試結果：
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Zugprüfmaschinen für ASTM 3039
對於使用標準試樣進行的ASTM D3039拉伸測試，以及許多纖維增強塑料的標準化測試方法，通常使用100 kN 試驗機即可滿足。 在右圖100 kN試驗機配置下，可使用倒楔形機械夾具輕鬆切換不同的測試裝置和測試夾具。 由於試樣夾具方便拆卸，所以試驗機的整個工作區域也可用於非標準的測試。 支撐腳有助於對工作區域的高度進行個別人體工學調整。
如果只對玻璃纖維增強塑料（GFRP）進行測試，通常使用最大力50 kN的靜態試驗機便已足夠。
Extensometer für die Dehnungsmessung nach ASTM D3039
為了正確測定彈性特徵值和斷裂應變，必須直接測量試樣的應變。 測定楊氏模量和斷裂應變時，只需測量軸向應變即可。 若要再測定泊松比，則須使用雙軸應變測量系統，也可以用此系統測量橫向應變。 至於應變測量，您可以使用應變片、感測器臂測量系統，例如夾持式延伸計（限制：不要到試樣斷裂的程度）或自動感測器臂延伸計（makroXtens、multiXtens）以及非接觸式光學系統（videoXtens）。
ASTM D3039 Prüfbedingungen
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Prüfgeschwindigkeit
ASTM D3039 sieht zwei Möglichkeiten zur Einstellung der Prüfgeschwindigkeit vor.
Einerseits durch Einstellung einer konstanten Dehnrate von 0.01 min-1 (nomineller Wert). Alternativ kann der Versuch mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2 mm/min (nomineller Wert) durchgeführt werden.
- Gültiges Probenversagen
Für die Dokumentation des Probenversagens steht in ASTM D3039 ein Code aus 3 Buchstaben zur Verfügung, welcher den Versagensmode und die Position entlang der eingespannten Probe eindeutig definiert. Ungültiges Versagen liegt vor, wenn der Bruch in den Klemmbacken, am Übergang oder innerhalb des Abstands einer Probenbreite zu den Klemmbacken auftritt. Gerade 0° UD Zugversuche zeigen jedoch häufig ein hochenergetisch, explosives Versagen, bei der der gesamte freie Bereich der Probe zersplittert. Dieses Versagen wird daher in der Regel als gültiges Versagen eingestuft.
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Temperaturbereich
Da die mechanischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe eine starke Temperaturabhängigkeit aufweisen, werden neben Zugversuchen bei Raumtemperatur auch Versuche bei niedrigen und erhöhten Temperaturen durchgeführt. Hierfür kann die Prüfmaschine mit einer geeigneten Temperierkammer für einen Temperaturbereich von -80°C bis 360°C ausgerüstet werden.
Probekörper und Abmessungen nach ASTM D3039
| Probenart / Laminat | Schematische Darstellung der Probenform (vereinfacht, nicht maßstäblich) | Hinweis zur Verwendung von Aufleimern |
|---|---|---|
| 0° UD Laminat |  |
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| 90° UD Laminat |  |
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| multidirektionale UD und Gewebe Laminate, diskontinuierlich faserverstärkte Laminate mit zufälliger Faserorientierung (z.B. SMC) |  | Für multidirektionale UD oder Gewebe Laminate oder für Proben aus diskontinuierlich faserverstärkten Laminaten mit zufälliger Faserorientierung ist die Verwendung von Schleifleinen statt verklebter Krafteinleitungselemente oft ausreichend |
- Verklebte Krafteinleitungselemente (Aufleimer) sind nicht zwingend erforderlich, werden für UD Laminate aber ausdrücklich empfohlen, um ungültige Klemmbrüche (Bruch an oder in der Einspannung) zu vermeiden.
- Als Aufleimer-Material hat sich Glasfaser-verstärktes Kunststoff (GFK) Laminat mit einer Faserorientierung von ±45° in Bezug auf die Lastrichtung in der Zugprobe bewährt.
- Die in ASTM D3039 gemachten Angaben zur Probengeometrie für die jeweiligen Laminattypen sind Empfehlungen und ermöglichen eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen unterschiedlichen Laboren. Abweichungen der Probekörper-Abmessungen sind erlaubt, sofern in der Norm angegebene allgemeine Empfehlungen zur Probengeometrie eingehalten werden.
- Die Messlänge L0 bei Verwendung von kontaktierenden oder berührungslos messenden Dehnungsmesssystemen sollte zwischen 10 und 50 mm liegen.
Weiterführende Informationen zur ASTM D3039
- Mit ASTM D3039 ist die Verwendung von Prüfparametern und Probenabmessungen sowohl im SI-Einheitensystem als auch im Inch-Pound (Imperial) Einheitensystem möglich. Eine Vermischung beider Einheitensysteme gilt es aber zu vermeiden, da dies zu nicht-normkonformen Ergebnissen führen kann.
- Zur Bestimmung der Zugeigenschaften auf Einzelschicht-Ebene werden stets Mehrschichtverbunde hergestellt bei denen jede Einzelschicht gleich ausgerichtet ist. Hierzu zählen insbesondere 0° oder 90° UD Laminate. Bei entsprechend gleich ausgerichteten Mehrschichtverbunden aus Gewebe Composites spricht man auch von den mechanischen Kennwerten in Kett- und Schuss-Richtung.
- Neben der Durchführung von Zugversuchen zum Zwecke der Materialentwicklung, Materialqualifizierung und Qualitätssicherung werden die auf Einzelschicht-Ebene ermittelten Kennwerte auch bei der Auslegung von Composite Strukturen für analytische Berechnungsmethoden verwendet. Mit Hilfe der klassischen Laminattheorie können z.B. die elastischen Eigenschaften eines multidirektionalen Mehrschichtverbunds aus den Kennwerten der jeweiligen Einzelschichten berechnet werden. Die Festigkeiten auf Einzelschichtebene werden u.a. für die Berechnung von Versagenskriterien wie Max. Stress, Hashin, Puck oder LaRC verwendet.
- Da die mechanischen Eigenschaften eines Mehrschichtverbundes von der Orientierung der jeweiligen Einzelschichten abhängen, liefert jeder Mehrschichtverbund mit unterschiedlich orientierten Einzelschichten andere mechanische Zugeigenschaften. Die mechanischen Materialkennwerte faserverstärkter Kunststoffe entstehen somit erst während der Herstellung des Laminats. Das Herstellungsverfahren selbst hat dabei einen maßgeblichen Einfluss auf die entstehenden Kennwerte. Der Einfluss des Herstellungsverfahrens auf die mechanischen Eigenschaften eines Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) Laminats wird daher häufig mit der mechanischen Prüfung abgesichert.
Häufig gestellte Fragen zum Composites Zugversuch nach ASTM D3039
ASTM D638 ist das Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Zugeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen unter Verwendung von Schulterstab Probekörpern. Wenn für die Verstärkung Endlosfasern oder diskontinuierlichen Fasern mit einem Modul von >20GPa verwendet werden, verweist ASTM D638 auf das Standardprüfverfahren ASTM D3039 zur Bestimmung der Zugeigenschaften von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen. In ASTM D3039 werden dann rechteckige Probenkörper verwendet. Bei Zugversuchen an insbesondere carbon- oder glasfaserverstärkten Kunststoffen (CFK, GFK) mit Endlosfasern werden im Vergleich zu Zugversuchen an unverstärkten oder kurzfaserverstärkten Kunststoffen deutlich höhere Prüfkräfte erreicht, was den Einsatz einer geeigneten Prüfmaschine erfordert.
ASTM D3039 ist eine Standardprüfmethode zur Bestimmung der Zugeigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen. Die hochmoduligen Verstärkungsfasern können dabei als Endlosfasern oder als diskontinuierliche Fasern mit zufälliger Faserorientierung vorliegen. Die empfohlenen Maße der rechteckigen Probekörper in ASTM D3039 hängen von der Art des zu prüfenden Verbundlaminats ab (z. B. 0° unidirektional, 90° unidirektional, multidirektional oder zufällig-diskontinuierlich).
Die Probendicke für ASTM D3039 hängt von der Art des Laminats ab, für das die Zugeigenschaften bestimmt werden sollen. ASTM D3039 empfiehlt eine Probendicke von 1 mm für 0° unidirektionale (UD) und 2 mm für 90° UD-Zugversuche. Für multidirektionale Laminate oder für Laminate mit zufällig-diskontinuierlicher Faserorientierung beträgt die empfohlene Probendicke 2,5 mm. Entsprechende Empfehlungen für die Gesamtlänge, Breite, Aufleimerlänge und Aufleimerdicke der Probekörper werden ebenfalls gemacht.
