ASTM D3039 è uno standard di test ampiamente utilizzato per determinare le proprietà di trazione dei materiali compositi. Grazie alle loro proprietà leggere e all'elevata resistenza alla trazione, i materiali compositi sono sempre più favoriti dalle industrie aerospaziali e automobilistiche e vengono utilizzati per sostituire i metalli in molte applicazioni. Sebbene esistano molti tipi diversi di compositi, ASTM D3039 si applica solo a quelli che consistono in una matrice polimerica rinforzata da fibre ad alto modulo. Questa guida è progettata per presentarti agli elementi di base di un test di trazione ASTM D3039, tra cui una panoramica dell'attrezzatura, del software e dei campioni necessari. Tuttavia, chiunque abbia intenzione di condurre i test ASTM D3039 non dovrebbe considerare questa guida un sostituto adeguato per la lettura del pieno standard.
Il test ASTM D3039 viene eseguito applicando una forza di trazione a un campione (coupon) e misurando varie proprietà del campione sotto stress. È condotto su una macchina di test universale (chiamata anche una macchina di test di trazione) e combina sia unità di pollice e SI in un unico standard. ASTM D3039 misura le seguenti proprietà di trazione:

Resistenza alla trazione - La massima sollecitazione applicata durante il test (di solito lo stress in pausa)
Ultimata tensione di trazione: la tensione in pausa
Modulo di trazione: quanto il materiale può deformarsi (allungamento) in risposta allo stress.
Rapporto di Poisson: il rapporto tra il cambiamento nella deformazione trasversale e longitudinale tra due punti di deformazione longitudinale (di solito gli stessi punti di quelli utilizzati per la determinazione del modulo, ovvero da 0,1 allo 0,3%)
Deformazione di transizione: nei casi in cui il materiale mostra un comportamento di snervamento (visualizzato come variazione di pendenza nella risposta della deformazione da sollecitazione), la deformazione di transizione è il valore di deformazione in cui si verifica la variazione della pendenza.
Modalità di guasto: i campioni rotti devono essere esaminati e il loro tipo di fallimento, area e posizione devono essere registrati per mezzo di un codice a tre caratteri.
ASTM D3039 è specifico per le materie plastiche rinforzate con particelle o fibre corte ed è uno dei test più elementari utilizzati per caratterizzare, qualificare e certificare le proprietà di trazione di questi materiali. Tuttavia, sono necessarie una vasta gamma di altri test per caratterizzare completamente le diverse proprietà meccaniche di materiali compositi anisotropi ed eterogenei. Chiunque abbia bisogno di testare le proprietà di compressione di un composito dovrebbe riferirsi a ASTM D695. Coloro che richiedono test di taglio in linea di un composito dovrebbero seguire ASTM D3846. Un metodo di test preconfigurato per D3039, insieme a molti altri metodi di test dei compositi, è incluso nel modulo applicativo Bluehill Universal Composites.
Gli esemplari ASTM D3039 sono di forma rettangolare con una sezione trasversale costante. La lunghezza minima del campione è uguale alla lunghezza di presa totale + 2 x larghezza + lunghezza del calibro, ma si consigliano lunghezze maggiori al fine di ridurre al minimo le sollecitazioni di flessione. La larghezza e lo spessore del campione dovrebbero essere rappresentativi del materiale sfuso rispetto alla quantità di fibre. Esistono quattro geometrie di campioni raccomandate per 0⁰ tipi di materiale unidirezionale, 90⁰ unidirezionale, bilanciati e simmetrici e discontinui casuali. ASTM D3039 può essere utilizzato per rinforzi di fibra sia continui che discontinui, ma il lay-up del campione laminato deve essere bilanciato e simmetrico rispetto alla direzione del test.
L'area della sezione trasversale del campione deve essere misurata prima del test: questo viene fatto misurando la larghezza e lo spessore in tre punti all'interno della lunghezza del calibro e la media. Quando una o entrambe le superfici sono irregolari, è necessario un micrometro con un'interfaccia a sfera per misurare lo spessore. Se entrambe le superfici sono piatte, è possibile utilizzare un micrometro con una sfera o un'interfaccia piatta. Per misurare la larghezza del campione è necessario un micrometro o una pinza con un'interfaccia incudinata piatta. La funzionalità del dispositivo di misurazione del campione automatico in Bluehill Universal consente agli operatori di connettere fino a due dispositivi (micrometri o calibri) al computer e inserire i dati direttamente nel software. Ciò elimina le possibilità di errori di input e aumenta l'efficienza
I test ASTM D3039 vengono eseguiti su una macchina di prova universale del modello Top o Floop. Un sistema da 30 kN o 50 kN può essere sufficiente per testare i compositi in fibra di vetro, ma è necessario un sistema da 100 o 250 kN per testare i compositi in fibra di carbonio.
Le impugnature utilizzate per contenere campioni compositi devono fornire una pressione sufficientemente forte e uniforme per impedire al campione di scivolare durante i test. I modelli di faccia a mascella dovrebbero essere adatti al materiale ed essere in buone condizioni. L'allineamento delle impugnature dovrebbe limitare la deformazione di flessione entro il 3-5% a livelli di deformazione moderati (> 1000µɛ).
I disegni di impugnatura adatti per ASTM D3039 includono impugnature a cuneo manuale di precisione e impugnature a cuneo idraulico. Entrambe queste impugnature utilizzano una progettazione del corpo in movimento e incorporano le fermate della posizione del campione per fornire una presa affidabile di compositi e altri materiali, raggiungendo l'allineamento richiesto.
Sono disponibili diversi dispositivi per misurare la deformazione durante il test. I più comuni sono gli estensimetri, che sono disponibili in una varietà di opzioni diverse a seconda delle esigenze del tuo laboratorio. Il più semplice è un esterometro a clip 2630 a lunghezza del calibro fisso per misurare la deformazione assiale. Un operatore deve tagliarlo direttamente sul campione all'inizio di ogni test e rimuoverlo prima che il campione si rompa.
Se i test per il rapporto di Poisson, è necessario aggiungere anche un estensometro trasversale per misurare la variazione della larghezza in tutta la regione elastica del campione. Un estensometro trasversale autonomo può essere utilizzato per integrare un clip-on o un estensometro automatico esistente, oppure è possibile utilizzare un dispositivo biassiale per misurare contemporaneamente la deformazione assiale e trasversale.
Spesso, i compositi da testare sono in definitiva destinati a essere utilizzati in condizioni non ambientali. Per simulare queste applicazioni di uso finale, è possibile utilizzare ASTM D3039 all'interno di una camera di temperatura in cui è possibile utilizzare il riscaldamento o il raffreddamento (LN2 o CO2). I calibri di deformazione o gli estensimetri a clip possono essere utilizzati fino a una temperatura massima di 200 ° C. In alternativa, è possibile utilizzare un estensometro video avanzato senza contatto (AVE 2). L'AVE 2 è montato al di fuori della camera di temperatura e utilizza una fotocamera per tenere traccia delle deformazioni nel campione durante il test, con il vantaggio che gli operatori di prova non devono aprire e chiudere la porta della camera durante i test.
I manometri di resistenza elettrica sono anche utili per determinare la deformazione durante i test ASTM D3039. A differenza degli estensimetri, i calibri sono oggetti di consumo che possono essere utilizzati per misurare la deformazione al fallimento. Questi calibri sono in genere costituiti da una sottile griglia di lamina metallica che è legata al campione con un adesivo. I calibri possono essere utilizzati in condizioni ambientali dalle temperature criogeniche a oltre 200 ° C, ma richiedono il condizionamento per generare un segnale elettrico utile. Un adattatore di facile utilizzo è disponibile per l'uso con l'elettronica standard in una macchina di prova. Poiché i materiali compositi non si deformano sostanzialmente prima del fallimento, l'estrema precisione di un manometro incollato può talvolta essere preferibile all'uso di un estensometro per il test ASTM D3039.
Test di materiali compositi in condizioni non assumi vengono normalmente eseguiti all'interno di una camera di temperatura. Queste camere utilizzano la convezione dell'aria forzata insieme a elementi di riscaldamento resistivi per ottenere alte temperature e raffreddamento a azoto liquido o anidride carbonica per ottenere basse temperature. Le camere ambientali forniscono ampie capacità di test della temperatura per la valutazione delle proprietà del materiale in condizioni di test non associato. È disponibile una gamma completa di impugnature, pullrod ed estensometri complementari.