ASTM D638: Guida definitiva ai test di trazione delle materie plastiche

Come eseguire un test di resistenza alla trazione sulle materie plastiche secondo la norma ASTM D638

Scritto da Erica Lawrence

Cosa misura?

L’ASTM D638 viene eseguito applicando una forza di trazione a un provino e misurando varie proprietà dello stesso sotto stress. Viene condotto su una macchina di test universale (chiamata anche macchina per test di trazione) a una velocità compresa tra 1 e 500 mm/min finché il provino non cede (si snerva o si rompe). Anche se l’ASTM D638 misura molte diverse proprietà a trazione, le seguenti sono le più comuni:

• Resistenza alla trazione – il quantitativo di forza che può essere applicato a una materia plastica prima che si snervi (si allunghi irreparabilmente) oppure si rompa.
• Modulo a trazione – quanto un materiale si possa deformare (si allunghi) in risposta allo stress prima di snervarsi. Il modulo è una misurazione della rigidità del materiale.
• Allungamento – l’aumento della base di misura dopo la rottura diviso per la base di misura originale. Un maggiore allungamento indica una maggiore duttilità.
• Coefficiente di Poisson: misurazione del rapporto tra quanto un materiale venga allungato e quanto diventi sottile durante il processo di allungamento.

ASTM D638 è la norma giusta per voi?

Ci sono molti diversi metodi di test per varie tipologie di plastiche. L’ASTM D638 si applica solo a campioni di materie plastiche rigidi di spessore compreso tra 1,00 mm e 14 mm. Se il vostro campione è un foglio o una pellicola di spessore inferiore a 1,00 mm, dovrebbe essere testato con la norma ASTM D882. Se da un lato fornisce risultati simili a quelli previsti dalla norma ISO 527-2, l’ASTM D638 non è considerata tecnicamente equivalente a causa delle differenze nelle dimensioni dei provini e nei requisiti di test. Mentre alcuni grandi produttori multinazionali testano sia con ASTM D638 che con ISO 527-2, la maggior parte dei nostri clienti dimostra una preferenza per una norma o l’altra in base alla loro posizione geografica. I produttori nordamericani solitamente testano secondo ASTM D638, mentre quelli europei e asiatici testano principalmente secondo ISO 527-2. Anche i clienti in Cina testano secondo ASTM D638 e ISO 527-2. Tutti questi metodi di test possono essere trovati nei Bluehill^® Universal Applications Modules che sono modelli di metodi preimpostati per le norme ASTM e ISO più popolari.

Sistema di test dei materiali

La maggior parte dei test ASTM D638 viene eseguita su una macchina di test universale da tavolo come quella della serie 6800 di Instron. Un sistema da 5 kN o 10 kN (1125 o 2250 lbf) è il più comune, ma dato che aumenta la resistenza delle materie plastiche rinforzate e dei materiali compositi, potrebbero rendersi necessarie unità con una capacità maggiore, – quali i sistemi da 30 o 50 kN.

Prese

È importante che i campioni siano tenuti saldamente all’interno della macchina di trazione. Prese pneumatiche ad azione laterale con facce della ganascia dentellate sono spesso le migliori prese per tenere le plastiche rigide. Con le prese pneumatiche, la forza di presa viene mantenuta attraverso la pressione dell’aria, che rimane costante anche se lo spessore del campione cambia in modo significativo durante il test. Per forze superiori a 10 kN, in genere presenti solo con materiali rinforzati, sono preferibili prese manuali a cuneo. 

Tipi di campioni

Esistono cinque tipi di campioni consentiti per ASTM D638 che differiscono per dimensioni a seconda dello spessore del campione e della quantità di materiale disponibile. I più comunemente usati sono i campioni di tipo I, che hanno uno spessore di 3,2 mm e sono generalmente creati mediante stampaggio a iniezione. I campioni di tipo I hanno una lunghezza fuori tutto di 165 mm e una larghezza di 13 mm, con una lunghezza del calibro di 50 mm. I campioni piatti sono tipicamente modellati, fustellati o lavorati in una forma "dogbone" o "manubrio", che assicura che la rottura avvenga al centro del campione piuttosto che nelle aree di serraggio. Oltre ai campioni piatti, ASTM D638 consente anche il test di tubi e aste rigidi, entrambi i quali devono essere lavorati anche a forma di dogbone. Nei casi in cui il materiale è limitato, molti laboratori utilizzeranno campioni di tipo IV o di tipo V. Le dimensioni richieste per i provini di tipo IV sono le stesse richieste per la fustellatura C ASTM D412, il che significa che è possibile utilizzare la stessa fustellatura. I campioni di tipo V sono i più piccoli, con una lunghezza del calibro di soli 0,3 pollici.

Misurazione dei provini

Tutti i provini devono essere misurati prima del test in conformità con ASTM D5947. La maggior parte dei micrometri tipici dovrebbe essere adatta per eseguire queste misurazioni. Affinché il sistema di test visualizzi le misurazioni dello stress piuttosto che solo quelle della forza, agli operatori verrà chiesto di inserire l’area della sezione trasversale (o spessore e larghezza) del provino, perché lo stress viene calcolato dividendo la forza applicata per l’area della sezione trasversale del provino (questo viene mostrato in unità di Psi, Pa, kPa, GPa, ecc).

I campioni fustellati o lavorati devono essere misurati individualmente, ma gli operatori che utilizzano campioni stampati a iniezione devono solo misurare un singolo campione da un lotto campione, a condizione che la variazione in quel lotto campione sia inferiore all’1%. I campioni stampati a iniezione sono spesso prodotti con un angolo di sformo invece di essere perfettamente quadrati, e ciò deve essere preso in considerazione quando si misura il campione. Assicurarsi sempre che le misure di larghezza siano prese al centro dell’angolo di sformo.

La funzione Dispositivo di misurazione automatica del campione (Automatic Specimen Measuring Device) di Bluehill Universal permette agli operatori di collegare fino a due micrometri o dispositivi di misurazione al computer e di inserire la media delle misure direttamente nel software. In questo modo si eliminano le possibilità di errori di inserimento e si aumenta l’efficienza.

Allineamento del campione

Per poter testare correttamente, i campioni devono essere tenuti perpendicolarmente alle facce della ganascia e non inclinati su un angolo. Il disallineamento dei campioni può causare una variazione significativa dei risultati e occorre prestare la dovuta attenzione per assicurarsi che tutti i campioni siano allineati in modo coerente per ogni test. Un modo per prevenire il disallineamento è utilizzare una faccia della ganascia vicina alla stessa larghezza del campione, rendendo relativamente facile regolare visivamente l’allineamento. Ma il modo più semplice per prevenire il disallineamento è utilizzare un dispositivo di allineamento del campione che si monta direttamente sui corpi dell’impugnatura. Questa è una semplice barra che fornisce un punto di arresto regolabile in modo che gli operatori possano facilmente vedere che il loro campione è stato allineato correttamente.

Quando le prese sono state serrate sui campioni di plastica in preparazione per l’esecuzione di un test, vengono spesso applicate forze di compressione indesiderate. Queste forze, sebbene minime, possono interferire con i risultati dei test se non trattate correttamente: è importante che non siano bilanciate dopo l’inserimento del campione, in quanto ciò causerà una deviazione nei risultati. Il software Bluehill Universal può essere programmato per normalizzare le forze su più campioni e rimuovere qualsiasi forza di allentamento o compressione, garantendo risultati coerenti tra i campioni. Sulle macchine di test universali serie 6800 si consiglia anche l’uso di una Protezione del campione, progettata per evitare danni al campione o al sistema durante la fase di impostazione di un test, prima che siano definiti i limiti operativi di un test. Quando è attiva, la Protezione del campione regola automaticamente il comando Traversa per mantenere eventuali forze indesiderate al di sotto di un certo limite.

Guardare questo video per ulteriori informazioni sulla funzione Protezione campione.

Estensimetri per test di tensione

Il modulo di elasticità - quanto il campione si allunga o si deforma in risposta alla forza di trazione - è uno dei tipi più importanti di dati raccolti dai test di trazione di materie plastiche ASTM D638. Gli utenti hanno bisogno di un dispositivo di misurazione della deformazione appropriato, ovvero un estensimetro, per raccogliere tali dati. Gli estensimetri per la misurazione del modulo devono essere conformi alla norma ASTM E83 Classe B-2.

Sono disponibili diverse opzioni di estensimetro a seconda delle esigenze del vostro laboratorio. Il tipo più semplice è l’estensimetro a clip della serie 2630 con base di misura fissa. Un operatore deve agganciarlo direttamente al campione all’inizio di ogni test e rimuoverlo dopo che il campione ha ceduto o prima che il campione si rompa. Se si esegue il test per il coefficiente di Poisson, deve essere aggiunto un estensimetro trasversale per misurare la variazione di larghezza in tutta la regione elastica del campione. Può essere utilizzato un estensimetro trasversale autonomo per integrare un estensimetro a clip o automatico esistente oppure un dispositivo biassiale per misurare sia la deformazione trasversale che quella assiale simultaneamente.

L’AutoX750 è un estensimetro che si fissa automaticamente al provino senza interferenze da parte dell’operatore addetto al test. Ciò risulta utile nei laboratori con esigenze di alta produttività, in quanto elimina la necessità di manipolazione manuale da parte dell’operatore, che richiede molto tempo, e fornisce anche un posizionamento più conforme su un gran numero di provini. Un posizionamento conforme si traduce in valori di modulo più ripetibili. Se si esegue il test secondo altre norme, ad esempio ASTM D790, gli estensimetri automatici offrono anche la flessibilità di utilizzare diverse lunghezze di calibro con un unico dispositivo. Spesso, le materie plastiche da testare sono destinate a essere utilizzate in condizioni non ambientali. Per simulare queste applicazioni finali, ASTM D638 viene eseguito all’interno di una camera di temperatura in cui è possibile utilizzare il riscaldamento o il raffreddamento (LN2 o CO2). In questi casi, un estensimetro video avanzato senza contatto (AVE2) è l’opzione consigliata. L’AVE 2 consente di raccogliere i dati del modulo senza che l’operatore del test apra e chiuda la camera e causi fluttuazioni di temperatura durante il test.

Calcoli e risultati

Quando si presentano i risultati dei test, è importante assicurarsi che i termini siano definiti correttamente per garantire la conformità alla norma e facilitare il confronto dei dati tra diversi laboratori. L’errore più comune nella segnalazione dei dati è quello di segnalare i valori di deformazione utilizzando una fonte errata (estensimetro invece di traversa) che può portare a risultati drasticamente diversi.

Le norme di test delle materie plastiche si riferiscono a un termine chiamato deformazione nominale che viene definito in modo diverso a seconda del metodo di test utilizzato. Per ASTM D638, la deformazione nominale è definita come la deformazione misurata dallo spostamento della traversa, non dall’estensimetro. Questo perché la plastica non si rompe in modo omogeneo e la deformazione è spesso focalizzata su una parte sproporzionatamente piccola del campione, una proprietà chiamata "necking". Per tutti i materiali che hanno un collo o hanno un punto di snervamento, l’allungamento percentuale alla rottura non può essere segnalato tramite l’estensimetro, poiché il necking può verificarsi al di fuori della lunghezza del calibro dell’estensimetro. Pertanto, la deformazione nominale deve essere utilizzata per segnalare l’allungamento percentuale in qualsiasi punto dopo lo snervamento. L’uso di un estensimetro per la deformazione a rottura è accettabile solo se la deformazione è omogenea in tutto il campione e non presenta necking o snervamento.

Modulo

Le materie plastiche che presentano comportamenti diversi possono richiedere l’uso di diversi calcoli del modulo per catturare in modo appropriato la parte elastica del test. La maggior parte dei moderni software di test consente la personalizzazione dei calcoli del modulo. Comprendere come viene calcolato il modulo è fondamentale per garantire la coerenza dei risultati.

Per un materiale che non presenta una vera porzione lineare, in genere si consiglia un modulo secante, creando una linea di modulo tra zero e qualsiasi punto definito dall’utente sulla curva. I calcoli del modulo del segmento formano una linea di adattamento ottimale tra un punto iniziale e finale specificato ed eseguono un adattamento dei minimi quadrati. Più comunemente, viene utilizzato il calcolo del modulo di Young, determinando la pendenza su un certo numero di regioni e riportando la pendenza più ripida tramite un adattamento dei minimi quadrati. Bluehill Universal consente agli utenti di definire un certo numero di regioni o di utilizzare il calcolo automatico del modulo di Young.

Produttività

Per i laboratori con esigenze di test ad alto volume, è possibile apportare diverse modifiche all’impostazione della macchina a trazione per accelerare il processo di test e aumentare la produttività, fino a sistemi di test completamente automatizzati. I sistemi completamente automatizzati sono progettati per incorporare la misurazione e il carico del campione, il test e la rimozione e sono in grado di funzionare per ore senza interazione dell’operatore. Questi sistemi aiutano a ridurre la variabilità dovuta all’errore umano e possono essere lasciati in funzione dopo la fine di un turno per continuare a ottenere risultati quando gli operatori tornano a casa.

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