ASTM D3039: Zugeigenschaften von Polymer Matrix Composite Materialien
Ein Leitfaden für die Prüfung von Polymer Matrix Reinforced Composites nach ASTM D3039
Geschrieben von: Ian McEnteggart
Aktualisiert: 18. November 2025
ASTM D3039 ist ein weit verbreiteter Standard zur Bestimmung der Zugeigenschaften von Verbundwerkstoffen. Genauer gesagt gilt dieser Standard für Verbundwerkstoffe, die aus einer Polymermatrix bestehen, die entweder durch kontinuierliche oder diskontinuierliche Fasern mit hohem Modul verstärkt ist.
Aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht werden diese Arten von Verbundwerkstoffen häufig für Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und erneuerbare Energieanwendungen verwendet.
Dieser Leitfaden stellt die Schlüsselelemente der ASTM D3039-Prüfung vor, einschließlich der benötigten Ausrüstung, Software und Proben.
Was misst ASTM D3039?
Die ASTM D3039-Prüfung umfasst das Anlegen einer Zugkraft an eine Probe (Coupon) und das Messen verschiedener Eigenschaften. Die Prüfung wird auf einer Universalprüfmaschine (auch Zugprüfmaschine genannt) durchgeführt, und die Norm enthält sowohl Inch-Pound- als auch SI-Einheiten.
Die wichtigsten Messungen umfassen:
- Zugfestigkeit – Maximale angelegte Spannung (typischerweise beim Bruch)
- Zugdehnung – Dehnung beim Bruch
- Zugmodul – Materialsteifigkeit
- Poissonzahl – Verhältnis der Änderung der Querdehnung zur Längsdehnung
- Übergangsdehnung – In Fällen, in denen das Material ein Fließverhalten zeigt, das durch eine Neigungsänderung in der Spannungs-Dehnungs-Antwort angezeigt wird, ist die Übergangsdehnung der Dehnungswert, bei dem die Neigungsänderung auftritt
- Bruchmodus – Gebrochene Proben müssen untersucht und ihre Bruchart, -fläche und -stelle aufgezeichnet werden
Richtig ausrichten: der Schlüssel zu zuverlässigen Prüfungen
Fehlausrichtung ist eine der größten Quellen für Variabilität bei der Prüfung von Verbundwerkstoffen. Dieses Whitepaper erläutert die kritischen Komponenten – System, Vorrichtungen und Ausrichtungswerkzeuge –, die Sie benötigen, um jedes Mal korrekte Ergebnisse zu erzielen.
Ist ASTM D3039 der richtige Standard?
ASTM D3039 ist eine der grundlegendsten Prüfungen zur Charakterisierung der Zugeigenschaften von Verbundwerkstoffen. Es gibt jedoch andere Normen zur Bewertung der vielen verschiedenen mechanischen Eigenschaften von anisotropen und heterogenen Verbundwerkstoffen, darunter:
- ASTM D3410 und ASTM D6641 für die Druckprüfung
- ASTM D3518 für die In-Plane-Scherprüfung
Das Composites Application Module in Instrons Bluehill Universal Software enthält eine vorkonfigurierte Prüfmethode für ASTM D3039 und viele andere Standards. Sehen Sie sich die vollständige Liste der verfügbaren Methodenvorlagen in Bluehill Universal an.
Probentypen
ASTM D3039-Proben sind rechteckig mit einem konstanten Querschnitt.
Die Norm enthält empfohlene Probengeometrien für 0⁰ unidirektionale, 90⁰ unidirektionale, ausgewogene und symmetrische sowie zufällig-diskontinuierliche Materialtypen.
ASTM D3039 kann sowohl für kontinuierliche als auch für diskontinuierliche Faserverstärkungen verwendet werden, aber die Schichtung der Laminatprobe muss in Bezug auf die Prüfrichtung ausgewogen und symmetrisch sein, um sicherzustellen, dass sich die Probe unter Last nicht verdreht oder verformt.
Probenlaschen
Es ist in der Composite-Prüfung üblich, Laschen zu verwenden, um das Probenmaterial vor Beschädigung durch die Backen zu schützen. ASTM D3039 schreibt keine Laschen vor, empfiehlt sie jedoch bei der Prüfung unidirektionaler Materialien.
Laschen können entweder mit der Probe verklebt oder durch Reibung an Ort und Stelle gehalten werden (z. B. Schmirgelleinen).
Probenmessung
Vor der Prüfung muss die Querschnittsfläche der Probe gemessen werden. Dies geschieht durch Messen der Breite und Dicke an drei Stellen innerhalb des Messbereichs und Mitteln der Messungen.
- Wenn eine oder beide Oberflächen unregelmäßig sind, ist ein Mikrometer mit Kugelschnittstelle erforderlich, um die Dicke zu messen.
- Wenn beide Oberflächen flach sind, kann ein Mikrometer mit Kugel- oder Flachschnittstelle verwendet werden.
- Verwenden Sie einen Messschieber oder ein Mikrometer mit flachem Amboss, um die Probenbreite zu messen.
Bewährte Methode: Um die Wahrscheinlichkeit von Eingabefehlern zu eliminieren und die Effizienz zu verbessern, verwenden Sie ein automatisches Probenmessgerät, das Messungen direkt an die Testsoftware übertragen kann.
Die Funktion zur automatischen Probenmessung in Bluehill Universal ermöglicht es Bedienern, bis zu zwei Geräte (Mikrometer oder Messschieber) gleichzeitig anzuschließen.
MaterialprüfungssystemPrüfsystem
Die Prüfung nach ASTM D3039 wird auf einer Universalprüfmaschine durchgeführt.
- Ein 30-kN- oder 50-kN-System kann für die Prüfung von Glasfaserverbundwerkstoffen ausreichend sein.
- Ein 100-kN- oder 300-kN-System wird im Allgemeinen für die Prüfung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen benötigt.
Backen und Probenausrichtung
Die Zugbacken, die zum Halten von Composite-Proben verwendet werden, müssen einen ausreichend starken und gleichmäßigen Druck ausüben, um zu verhindern, dass die Probe während der Prüfung verrutscht.
Empfohlene Backen
Beide Backentypen bieten eine zuverlässige Spannkraft und verwenden ein bewegliches Körperdesign, das die Druckkräfte beim Beladen einer Probe minimiert.
Optionale Probenausrichtungsvorrichtungen können an diesen Backen installiert werden, um die optimale Ausrichtung für konsistentere Ergebnisse einzustellen.
Empfohlene Backenoberflächen
- Proben mit Laschen: Verzahnte Backenoberflächen
- Proben ohne Laschen: Flache Backenoberflächen mit einer harten, hochreibungsfesten Beschichtung (z. B. Surfalloy, Hartmetall)
Hinweis: In einigen Fällen kann Schmirgelleinen mit gezahnten Oberflächen verwendet werden, um Proben ohne Laschen zu greifen.
Dehnungsmessung
Die Dehnung wird mit einem Extensometer oder Dehnungsmessstreifen gemessen.
Clip-On-Extensometer (z. B. Serie 2630)
- Wird zu Beginn jeder Prüfung manuell an der Probe befestigt
- Muss möglicherweise entfernt werden, bevor die Probe bricht, wenn der Bruch heftig ist
- Möglicherweise nicht geeignet zur Messung der Dehnung beim Bruch
- Kann in Klimakammern bis zu einer maximalen Temperatur von 200 °C verwendet werden
Berührungslose Video-Extensometer (z. B. AVE3 Advanced Video Extensometer)
- Die Kamera misst die Verformung anhand von Markierungen auf der Probe
- Kann nicht durch die beim Bruch freigesetzte Energie beschädigt werden
- Kann mit einer Klimakammer für Prüfungen außerhalb der Umgebungsbedingungen verwendet werden – wird außerhalb der Kammer montiert, wodurch das Öffnen und Schließen der Tür während der Prüfung entfällt
Transversale Extensometer
Wenn die Poissonzahl geprüft werden soll, ist ein transversales Extensometer erforderlich, um die Breitenänderung im gesamten elastischen Bereich der Probe zu messen.
Ein eigenständiges transversales Extensometer kann verwendet werden, um ein Clip-On- oder Video-Extensometer zu ergänzen, oder ein biaxiales Gerät kann verwendet werden, um sowohl die axiale als auch die transversale Dehnung gleichzeitig mit einem einzigen Gerät zu messen.
Dehnungsmessstreifen
- Elektrische Widerstandsdehnungsmessstreifen werden häufig verwendet, um die Dehnung beim Bruch in Verbundwerkstoffen zu messen.
- Bestehen typischerweise aus einem dünnen Metallfoliengitter, das mit einem Klebstoff auf die Probe geklebt wird
- Kann in Klimakammern verwendet werden – von kryogenen Temperaturen bis über 200 °C
- Erfordert Konditionierungselektronik, um ein nützliches Signal zu erzeugen. Instron bietet einen benutzerfreundlichen Adapter für die Standardelektronik in einer Instron-Prüfmaschine.
Während Dehnungsmessstreifen sehr genaue Dehnungsmessungen liefern können, sind sie ein kostspieliges Verbrauchsmaterial, dessen ordnungsgemäße Installation Fachkräfte erfordert.
Prüfung außerhalb der Umgebungsbedingungen in Klimakammern
Verbundwerkstoffe erfordern oft Prüfungen unter Bedingungen außerhalb der Umgebungsbedingungen, um die Materialleistung unter Anwendungstemperaturen zu charakterisieren.
Klimakammern verwenden erzwungene Luftkonvektion zusammen mit Widerstandsheizelementen, um hohe Temperaturen zu erreichen, und flüssigen Stickstoff oder Kohlendioxidkühlung, um niedrige Temperaturen zu erreichen.
Die Instron 3119-600 Serie von Klimakammern bietet umfangreiche Temperaturprüffähigkeiten zur Bewertung von Materialeigenschaften unter Bedingungen außerhalb der Umgebungsbedingungen. Eine vollständige Palette von ergänzenden Backen, Zugstangen und Extensometern ist erhältlich.
Abschließende Anmerkungen
ASTM D3039 ist unerlässlich, um das Zugverhalten von faserverstärkten Polymer Matrix Composites zu verstehen. Obwohl dieser Leitfaden einen umfassenden Überblick bietet, konsultieren Sie immer die vollständige ASTM D3039-Norm für detaillierte Verfahren und Konformität.
Häufig gestellte Fragen
| ASTM D3039 | ASTM D638 | |
|---|---|---|
| Materialien | ASTM D3039 deckt die Bestimmung der In-Plane-Zugeigenschaften von Polymer Matrix Composites ab, die entweder durch kontinuierliche oder diskontinuierliche Fasern mit hohem Modul verstärkt sind.
Die Eigenschaften von kontinuierlichen Faserverbundwerkstoffen können stark anisotrop sein, d. h. sie hängen stark von der Richtung ab. |
ASTM D638 deckt die Bestimmung der Zugeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen ab. Mit hochmoduligen Fasern verstärkte Verbundwerkstoffe sind nach ASTM D3039 zu prüfen.
Es wird erwartet, dass die Arten von Kunststoffmaterialien, die mit ASTM D638 geprüft werden, im Wesentlichen isotrop sind, d. h. die Eigenschaften sind in allen Richtungen ungefähr gleich. |
| Proben | ASTM D3039-Proben sind alle flach und rechteckig. Dies reduziert die Möglichkeit von Scherbrüchen in den Backen.
Verklebte oder Reibungslaschen werden für einige Materialtypen empfohlen, z. B. unidirektional, um zu verhindern, dass die Backenoberflächen die Composite-Fasern beschädigen und einen vorzeitigen Bruch verursachen. Die Proben werden typischerweise durch Schneiden flacher Laminatplatten mit einer Diamantsäge hergestellt. |
ASTM D638-Proben haben eine reduzierte Breite im Messbereich und größere Breiten im Greifbereich.
Die Proben werden üblicherweise durch Spritzgießen hergestellt. |
| Dehnungsmessung | ASTM D3039 spezifiziert die Verwendung entweder eines auf ASTM E83 Klasse B-1 kalibrierten Extensometers oder von Dehnungsmessstreifen, die ASTM E251 entsprechen.
Die Bruchdehnung der meisten Verbundwerkstoffe beträgt weniger als 5 %, sodass diese Dehnungsmessgeräte keinen großen Verfahrweg benötigen. |
ASTM D638 erfordert ein auf ASTM E83 Klasse B-2 kalibriertes Extensometer für Modul- und Niedrigdehnungsmessungen (<20 %) zusammen mit der Verwendung der Traversenverschiebung zur Bestimmung der „nominalen Dehnung“ für Hochdehnungsmessungen. |
| Berechnungen | ASTM D3039 enthält Berechnungen für:
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ASTM D638 enthält Berechnungen für:
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Broschüre zur Prüfung von Verbundwerkstoffen
Die universellen Testmaschinen von Instron sind so konzipiert, dass sie die gängigsten Arten von Tests durchführen, die in der Verbundwerkstoff-Industrie verwendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Zugfestigkeit in Ebenen, Zugfestigkeit bei Dicke, interlaminäre Scherkraft, Kompression am Ende, Scherkraft oder kombinierte Belastung und Compression After Impact.
Broschüre Serie 6800 Premier Testing Systems
Universal-Testsysteme der Instron Serie 6800 bieten unvergleichliche Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Die 6800 Serie basiert auf einer zum Patent angemeldeten Operator-Protect-Systemarchitektur mit einem brandneuen Smart-Close Air Kit und Collision-Mitigation-Funktionen, wodurch Materialtests einfacher, intelligenter und sicherer sind als je zuvor.
Broschüre zu universellen Hochleistungs-Prüfmaschinen
Zu den Hochleistungs-Systemen von Instron gehören elektromechanische und hydraulische Prüfsysteme mit hoher Kapazität für Anwendungen mit Spannung und Kompression. Kraftkapazitäten reichen von 100 kN bis 2000 kN.
AVE3 Advanced Video Extensometer
The AVE3 Advanced Video Extensometer offers precision strain measurement for tensile, compression, and bend tests without the need for multiple clip-on devices.
2743-401 Hydraulische Keilzugspannzeuge
Die hydraulischen Keilzug-Spannzeuge von Instron mit 100 kN bieten eine innovative Lösung für Tests und Ergebnisse mit hoher Kapazität zur Verbesserung der Greifleistung, Benutzerfreundlichkeit und Bedienersicherheit.
Precision Manual Wedge Grips | 2716-028 / 2716-030
Instron 2716-028 / 2716-030 Series Precision Manual Wedge Grips provide reliable gripping for a vast range of materials, as well as repeatable alignment that meets Nadcap requirements.
Bluehill Universal Broschüre
Bluehill Universal ist die fortschrittliche Materialprüfsoftware von Instron, entwickelt für intuitive Touch-Interaktion und optimierte Arbeitsabläufe. Sie bietet vorinstallierte Prüfmethoden, QuickTest für eine schnelle Einrichtung, verbesserten Datenexport und Instron Connect für die direkte Servicekommunikation. Anwender von Bluehill 2 und Bluehill 3 können problemlos auf die neueste Version upgraden, um die Leistung und Benutzerfreundlichkeit zu verbessern.
3119-600 Series Environmental Chambers
The 3119-600 Series Environmental Chamber allows labs to perform safe and efficient testing at a wide range of non-ambient temperatures.
