ASTM D3039: Proprietà di trazione dei materiali compositi a matrice polimerica
Una guida per testare i compositi rinforzati con matrice polimerica secondo la norma ASTM D3039
Scritto da: Ian McEnteggart
Aggiornato: 18 novembre 2025
La norma ASTM D3039 è uno standard ampiamente utilizzato per determinare le proprietà di trazione dei materiali compositi. Più specificamente, questo standard si applica ai compositi costituiti da una matrice polimerica rinforzata da fibre ad alto modulo continue o discontinue.
Grazie al loro elevato rapporto resistenza/peso, questi tipi di compositi sono comunemente utilizzati per applicazioni aerospaziali, automobilistiche e per l'energia rinnovabile.
Questa guida introduce gli elementi chiave dei test ASTM D3039, tra cui le attrezzature, il software e i campioni necessari.
Cosa misura la norma ASTM D3039?
I test ASTM D3039 prevedono l'applicazione di una forza di trazione a un provino (coupon) e la misurazione di varie proprietà. Il test viene condotto su una macchina di prova universale (chiamata anche macchina di prova di trazione) e lo standard incorpora sia le unità di misura imperiali che quelle del Sistema Internazionale.
Le misurazioni chiave includono:
- Resistenza a trazione massima – Tensione massima applicata (in genere alla rottura)
- Deformazione a trazione massima – Deformazione alla rottura
- Modulo di trazione – Rigidità del materiale
- Coefficiente di Poisson – Rapporto tra la variazione della deformazione trasversale e quella longitudinale
- Deformazione di transizione – Nei casi in cui il materiale mostra un comportamento di snervamento, come indicato da un cambiamento di pendenza nella risposta sforzo-deformazione, la deformazione di transizione è il valore di deformazione in cui si verifica il cambiamento di pendenza
- Modalità di rottura – I provini rotti devono essere esaminati e devono essere registrati il tipo, l'area e la posizione della rottura
Ottieni l'allineamento: la chiave per prove affidabili
Il disallineamento è una delle maggiori fonti di variabilità nelle prove sui compositi. Questo white paper analizza i componenti critici - sistema, dispositivi e strumenti di allineamento - di cui hai bisogno per ottenere risultati corretti ogni volta.
La norma ASTM D3039 è quella giusta?
La norma ASTM D3039 è uno dei test più elementari per caratterizzare le proprietà di trazione dei materiali compositi. Tuttavia, esistono altri standard per valutare le numerose proprietà meccaniche diverse dei materiali compositi anisotropi ed eterogenei, tra cui:
- ASTM D3410 e ASTM D6641 per le prove di compressione
- ASTM D3518 per le prove di taglio nel piano
Il modulo per compositi nel software Bluehill Universal di Instron include un metodo di prova preconfigurato per la norma ASTM D3039 e molti altri standard. Visualizza l'elenco completo dei modelli di metodo disponibili in Bluehill Universal.
Tipi di provini
I provini ASTM D3039 hanno una forma rettangolare con una sezione trasversale costante.
Lo standard include geometrie di provini raccomandate per tipi di materiali unidirezionali a 0⁰, unidirezionali a 90⁰, bilanciati e simmetrici e discontinui casuali.
La norma ASTM D3039 può essere utilizzata sia per rinforzi in fibra continui che discontinui, ma la stratificazione del provino laminato deve essere bilanciata e simmetrica rispetto alla direzione della prova per garantire che il provino non si torca o si deformi sotto carico.
Alette del provino
Nella prova dei compositi è pratica comune utilizzare delle alette per proteggere il materiale del provino dai danni causati dalle morse. La norma ASTM D3039 non richiede le alette, ma ne raccomanda l'uso quando si testano materiali unidirezionali.
Le alette possono essere incollate al provino o tenute in posizione per attrito (ad es. tela smeriglio).
Misurazione del provino
Prima del test, è necessario misurare l'area della sezione trasversale del provino. Ciò si ottiene misurando la larghezza e lo spessore in tre punti all'interno della sezione di misura e calcolando la media delle misurazioni.
Dispositivi di misurazione del provino
- 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 un'interfaccia a sfera o piatta.
- Utilizzare un calibro o un micrometro con un'incudine piatta per misurare la larghezza del provino.
Best practice: Per eliminare la possibilità di errori di input e per una maggiore efficienza, utilizzare un dispositivo di misurazione automatica del provino in grado di trasmettere le misurazioni direttamente al software di prova.
La funzione Dispositivo di misurazione automatica del provino in Bluehill Universal consente agli operatori di collegare contemporaneamente fino a due dispositivi (micrometri o calibri).
Materials Testing System
Il test per la norma ASTM D3039 viene eseguito su una macchina di prova universale.
- Un sistema da 30 kN o 50 kN può essere sufficiente per testare i compositi in fibra di vetro.
- Un sistema da 100 kN o 300 kN è generalmente necessario per testare i compositi in fibra di carbonio.
Morsetti e allineamento del provino
I morsetti di trazione utilizzati per tenere i provini compositi devono fornire una pressione sufficientemente forte e uniforme per impedire al provino di scivolare durante il test.
Morsetti consigliati
Entrambi i tipi di morsetti forniscono una forza di serraggio affidabile e utilizzano un design a corpo mobile che riduce al minimo le forze di compressione durante il caricamento di un provino.
Su questi morsetti è possibile installare dispositivi di allineamento del provino opzionali per impostare l'allineamento ottimale per risultati più coerenti.
Superfici delle ganasce consigliate
- Provini con alette: superfici delle ganasce seghettate
- Provini senza alette: superfici delle ganasce piatte con un rivestimento duro ad alto attrito (ad es. surfalloy, carburo)
Nota: in alcuni casi, è possibile utilizzare tela smeriglio con superfici seghettate per afferrare provini senza alette.
Misurazione della deformazione
La deformazione viene misurata utilizzando un estensimetro o degli estensimetri a resistenza.
Estensimetri a clip (ad es. Serie 2630)
- Fissato manualmente al provino all'inizio di ogni test
- Potrebbe essere necessario rimuoverlo prima che il provino si rompa se la rottura è violenta
- Potrebbe non essere adatto per misurare la deformazione alla rottura
- Può essere utilizzato in camere ambientali fino a una temperatura massima di 200 °C
Estensimetri video senza contatto (ad es. Estensimetro video avanzato AVE3)
- La telecamera misura la deformazione utilizzando marcature sul provino
- Non può essere danneggiato dall'energia rilasciata alla rottura
- Può essere utilizzato con una camera ambientale per test non ambientali – si monta all'esterno della camera, eliminando la necessità di aprire e chiudere la porta durante il test
Estensimetri trasversali
Se si esegue il test per il coefficiente di Poisson, è necessario un estensimetro trasversale per misurare la variazione di larghezza in tutta la regione elastica del provino.
È possibile utilizzare un estensimetro trasversale autonomo per integrare un estensimetro a clip o video, oppure è possibile utilizzare un dispositivo biassiale per misurare contemporaneamente sia la deformazione assiale che quella trasversale con un unico dispositivo.
Estensimetri a resistenza
- Gli estensimetri a resistenza elettrica sono comunemente usati per misurare la deformazione alla rottura nei compositi.
- In genere sono costituiti da una sottile griglia di lamina metallica che viene incollata al provino con un adesivo
- Possono essere utilizzati in camere ambientali – da temperature criogeniche a oltre 200 °C
- Richiede un'elettronica di condizionamento per generare un segnale utile. Instron offre un adattatore facile da usare per l'elettronica standard in una macchina di prova Instron.
Sebbene gli estensimetri a resistenza possano fornire misurazioni della deformazione molto accurate, sono un materiale di consumo costoso che richiede manodopera specializzata per essere installato correttamente.
Test non ambientali in camere ambientali
I materiali compositi spesso richiedono test in condizioni non ambientali per caratterizzare le prestazioni del materiale alle temperature di applicazione.
Le camere ambientali utilizzano la convezione forzata dell'aria insieme a elementi riscaldanti resistivi per raggiungere alte temperature e azoto liquido o raffreddamento con anidride carbonica per raggiungere basse temperature.
Le camere ambientali serie 3119-600 di Instron offrono ampie capacità di test di temperatura per valutare le proprietà dei materiali in condizioni non ambientali. È disponibile una gamma completa di morsetti, tiranti ed estensimetri complementari.
Note finali
La norma ASTM D3039 è essenziale per comprendere il comportamento a trazione dei compositi rinforzati con fibre a matrice polimerica. Sebbene questa guida fornisca una panoramica completa, consultare sempre la norma ASTM D3039 completa per procedure dettagliate e conformità.
Domande frequenti
| ASTM D3039 | ASTM D638 | |
|---|---|---|
| Materiali | La norma ASTM D3039 copre la determinazione delle proprietà di trazione nel piano dei compositi a matrice polimerica rinforzati da fibre ad alto modulo continue o discontinue.
Le proprietà dei materiali compositi a fibra continua possono essere altamente anisotropiche, ovvero dipendono fortemente dalla direzione. |
La norma ASTM D638 copre la determinazione delle proprietà di trazione delle plastiche non rinforzate e rinforzate. I compositi rinforzati con fibre ad alto modulo devono essere testati secondo la norma ASTM D3039.
I tipi di materiale plastico testati utilizzando la norma ASTM D638 dovrebbero essere essenzialmente isotropi, ovvero le proprietà sono approssimativamente le stesse in tutte le direzioni. |
| Provini | I provini ASTM D3039 sono tutti piatti e rettangolari. Ciò riduce la possibilità di rotture per taglio nei morsetti.
Alette incollate o ad attrito sono raccomandate per alcuni tipi di materiale, ad es. unidirezionale per impedire alle superfici delle ganasce del morsetto di danneggiare le fibre composite e causare una rottura prematura. I provini vengono in genere prodotti tagliando fogli laminati piatti utilizzando una sega diamantata. |
I provini ASTM D638 hanno una larghezza ridotta nella sezione di misura e larghezze maggiori nella sezione di presa.
I provini vengono solitamente prodotti mediante stampaggio a iniezione. |
| Misurazione della deformazione | La norma ASTM D3039 specifica l'uso di un estensimetro calibrato secondo la norma ASTM E83 Classe B-1 o di estensimetri a resistenza conformi alla norma ASTM E251.
La deformazione alla rottura della maggior parte dei materiali compositi è inferiore al 5%, quindi questi dispositivi di misurazione della deformazione non richiedono una grande corsa. |
La norma ASTM D638 richiede un estensimetro calibrato secondo la norma ASTM E83 Classe B-2 per le misurazioni del modulo e della bassa estensione (<20%) insieme all'uso dello spostamento della traversa per determinare la “deformazione nominale” per le misurazioni dell'alta estensione. |
| Calcoli | La norma ASTM D3039 include calcoli per:
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La norma ASTM D638 include calcoli per:
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Opuscolo sui test dei materiali compositi
Le macchine di prova universali di Instron sono progettate per eseguire i tipi di test più comuni nel settore dei compositi tra cui, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, la trazione sul piano, la trazione a spessore variabile, il taglio interlaminare, la compressione finale, il taglio o il carico combinato e la compressione post impatto.
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I sistemi di test universali della serie 6800 di Instron offrono precisione e affidabilità impareggiabili. Grazie alla serie 6800, costruita sulla base di un’architettura di sistema in attesa di brevetto e dotata delle nuovissime funzionalità Smart-Close Air Kit e Collision Mitigation, i test dei materiali non sono mai stati così semplici, intelligenti e sicuri.
Opuscolo sulle macchine di prova universali ad alta forza
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The AVE3 Advanced Video Extensometer offers precision strain measurement for tensile, compression, and bend tests without the need for multiple clip-on devices.
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The 3119-600 Series Environmental Chamber allows labs to perform safe and efficient testing at a wide range of non-ambient temperatures.
