ASTM D2344: การทดสอบความแข็งแรงของคานสั้นสำหรับวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์พอลิเมอร์
ASTM D2344 คืออะไร?
ASTM D2344 คือวิธีการทดสอบมาตรฐานสำหรับการหาความแข็งแรงของคานสั้นของวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์พอลิเมอร์ที่มีการเสริมแรงด้วยเส้นใยแบบต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่อง โดยใช้กับวัสดุคอมโพสิตที่มีคุณสมบัติยืดหยุ่นแบบสมดุลและสมมาตรเมื่อเทียบกับแกนตามยาวของชิ้นงานทดสอบแบบคาน
การทดสอบนี้จะให้แรงกระทำต่อชิ้นงานทดสอบแบบคานสั้นในการกำหนดค่าการดัดแบบ 3 จุด เนื่องจากชิ้นงานทดสอบมีความสั้นเมื่อเทียบกับความหนา การให้แรงจึงถูกออกแบบมาเพื่อส่งเสริมให้เกิดการเสียหายจากแรงเฉือนระหว่างชั้น แทนที่จะเป็นการเสียหายจากการดัดทั่วไป อนุญาตให้ใช้ความหนาของชิ้นงานทดสอบระหว่าง 2 มม. ถึง 6 มม. และต้องรักษาอัตราส่วนของความยาวช่วงกดต่อความหนาของชิ้นงานทดสอบไว้ที่ 4.0 เพื่อกระตุ้นให้เกิดรูปแบบการเสียหายจากแรงเฉือนนี้ได้อย่างเชื่อถือได้
ทำไมจึงต้องใช้มาตรฐาน ASTM D2344?
ผู้ผลิตวัสดุคอมโพสิตใช้มาตรฐาน ASTM D2344 เป็นเครื่องมือหลักในการควบคุมคุณภาพและข้อกำหนดเฉพาะของกระบวนการ ซึ่งเป็นวิธีที่รวดเร็วและต้นทุนต่ำในการ:
- ตรวจสอบว่าวัสดุคอมโพสิตลามิเนตได้รับการบ่มตัวอย่างเหมาะสม
- คัดกรองข้อบกพร่องจากการผลิต เช่น ช่องว่าง (voids) หรือการแยกตัวระหว่างชั้น (delamination)
- ตรวจสอบความสม่ำเสมอของการวางชั้นวัสดุ (ply layups) และเทคนิคการผลิตอื่นๆ
เนื่องจากการทดสอบนี้ทำได้รวดเร็วและใช้ชิ้นงานทดสอบที่ค่อนข้างเรียบง่าย จึงได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นวิธีการคัดกรองตามกิจวัตร มากกว่าที่จะเป็นวิธีสำหรับการสร้างข้อมูลเพื่อการออกแบบ (design-allowable data)
ใครบ้างที่ใช้มาตรฐาน ASTM D2344?
การวัดและผลลัพธ์ที่สำคัญ
ASTM D2344 ให้ผลลัพธ์จากการคำนวณเพียงค่าเดียว คือ ค่าความแข็งแรงต่อแรงเฉือนระหว่างชั้นปรากฏ (apparent interlaminar shear strength หรือ ILSS) หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า ความแข็งแรงของคานสั้น (short-beam strength หรือ SBS)
ค่าความแข็งแรงต่อแรงเฉือนระหว่างชั้นปรากฏคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้:
โดยที่:
- Fsbs = ความแข็งแรงต่อแรงเฉือนระหว่างชั้นปรากฏ (ความแข็งแรงของคานสั้น)
- Pm = แรงสูงสุดที่ตรวจพบระหว่างการทดสอบ
- b = ความกว้างของชิ้นงานทดสอบที่วัดได้
- h = ความหนาของชิ้นงานทดสอบที่วัดได้
นอกเหนือจากค่าที่คำนวณได้นี้ มาตรฐาน ASTM D2344 ยังกำหนดให้ผู้ใช้ระบุและรายงานรูปแบบการเสียหาย (failure mode) ที่สังเกตได้ในชิ้นงานทดสอบแต่ละชิ้น มาตรฐานนี้มีคำแนะนำเกี่ยวกับรูปแบบการเสียหายทั่วไปใน รูปที่ 7 ของวิธีการทดสอบ และการระบุรูปแบบการเสียหายอย่างถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากรูปแบบการเสียหายที่ไม่ใช่แรงเฉือนระหว่างชั้นอาจทำให้ค่าความแข็งแรงที่คำนวณได้ไม่สามารถใช้เป็นค่าการวัดความแข็งแรงต่อแรงเฉือนระหว่างชั้นที่แท้จริงได้
ASTM D2344 เทียบกับ ISO 14130: แตกต่างกันอย่างไร?
วิศวกรและห้องปฏิบัติการที่ทำงานในระดับสากลมักจำเป็นต้องทราบว่า ASTM D2344 เกี่ยวข้องกับ ISO 14130 ซึ่งเป็นมาตรฐานสากลที่เทียบเคียงกันได้อย่างไร ทั้งสองวิธีวัดค่าความแข็งแรงต่อแรงเฉือนระหว่างชั้นปรากฏของวัสดุคอมโพสิตพลาสติกเสริมแรงด้วยเส้นใยโดยใช้การตั้งค่าการให้แรงแบบดัด 3 จุดบนคานสั้น แต่มีความแตกต่างที่มีนัยสำคัญในด้านขอบเขตและรูปทรงของอุปกรณ์จับยึด
| คุณลักษณะ | ASTM D2344 | ISO 14130 |
|---|---|---|
| ข้อกำหนดความสมมาตรของชิ้นงานทดสอบ | ใช้เฉพาะกับลามิเนตที่มีความสมดุลและสมมาตร | ไม่รวมชิ้นงานที่ไม่สมดุล/ไม่สมมาตร แต่ระบุถึงผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นต่อผลลัพธ์ |
| รูปทรงของชิ้นงานทดสอบ | ครอบคลุมทั้งชิ้นงานแบบแบนและแบบโค้ง | ชิ้นงานแบบแบนรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าเท่านั้น |
| เส้นผ่านศูนย์กลางของตัวกด (Loading member) | 6 มม. | 10 มม. |
| เส้นผ่านศูนย์กลางของตัวรองรับ (Support) | 3 มม. | 4 มม. |
| ความแข็งของตัวกด/ตัวรองรับ | ระบุไว้ที่: 60–62 HRC | ไม่ได้ระบุไว้ |
| อัตราส่วนช่วงกดต่อความหนาของชิ้นงาน | 4:1 | 5:1 |
คุณควรใช้มาตรฐานใด?
- เลือก ASTM D2344 หากคุณทำงานภายในห่วงโซ่อุปทานที่ขับเคลื่อนโดยอเมริกา/อากาศยาน จำเป็นต้องทดสอบชิ้นงานที่มีความโค้ง (เช่น ส่วนของท่อหรือโครงสร้างทรงกระบอก) เพิ่มเติมจากชิ้นงานแบบแบน หรือต้องการการสอบกลับได้ไปยังอุปกรณ์จับยึดที่ระบุค่าความแข็ง
- เลือก ISO 14130 หากโครงการของคุณเป็นไปตามข้อกำหนดของยุโรป/สากล หรือลูกค้าหรือมาตรฐานที่กำกับดูแลของคุณกำหนดให้ใช้ข้อมูลการทดสอบ ISO โดยเฉพาะ
เนื่องจากทั้งสองมาตรฐานใช้รูปทรงของอุปกรณ์จับยึดและอัตราส่วนช่วงกดที่แตกต่างกัน ผลลัพธ์จาก ASTM D2344 และ ISO 14130 จึงไม่สามารถใช้แทนกันได้โดยตรง การเปรียบเทียบค่าความแข็งแรงของคานสั้นระหว่างสองมาตรฐานโดยไม่คำนึงถึงความแตกต่างเหล่านี้อาจนำไปสู่ข้อสรุปที่ผิดพลาดได้
ข้อกำหนดของชิ้นงานทดสอบ
ขนาดของชิ้นงานทดสอบ
- ความหนาขั้นต่ำของชิ้นงานทดสอบ: 2 มม.
- ความยาวของชิ้นงานทดสอบ: 6 × ความหนาของชิ้นงานทดสอบ
- ความกว้างของชิ้นงานทดสอบ: 2 × ความหนาของชิ้นงานทดสอบ
ขนาดเหล่านี้ควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นขนาดที่แนะนำ แต่สามารถใช้ขนาดอื่นได้ตราบใดที่ยังคงรักษาอัตราส่วนที่กำหนดเหล่านี้ไว้
การเตรียมตัวอย่าง
ASTM D2344 อ้างอิงถึง ASTM D5687/D5687M เพื่อเป็นแนวทางในการเตรียมชิ้นงานทดสอบ และแนะนำให้ปฏิบัติตามแนวทางดังกล่าวในทุกกรณีที่ทำได้ รวมถึงคำแนะนำในการตัดเฉือน การเก็บงานที่ขอบ และการหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อชิ้นงานระหว่างการเตรียม
การวัดชิ้นงาน
การวัดชิ้นงานทดสอบที่แม่นยำเป็นสิ่งสำคัญต่อการคำนวณความแข็งแรงของคานสั้นที่ถูกต้อง:
- ความหนาและความกว้าง: วัดโดยใช้ ไมโครมิเตอร์ ที่มีหัวสัมผัสแบบบอลขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางระบุ 4–7 มม. หรือทั่งแบบแบน แนะนำให้ใช้หัวสัมผัสแบบบอลสำหรับชิ้นงานที่ไม่มีพื้นผิวเรียบ
- ความยาว: วัดโดยใช้ไมโครมิเตอร์หรือเวอร์เนียร์คาลิปเปอร์ที่มีหัวสัมผัสแบบทั่งแบน
อุปกรณ์ทดสอบที่แนะนำสำหรับ ASTM D2344
เนื่องจากความแม่นยำของช่วงกดและรูปทรงการให้แรงมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับการกระตุ้นให้เกิดรูปแบบการเสียหายที่ถูกต้อง การเลือกอุปกรณ์และความแม่นยำของอุปกรณ์จับยึดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อผลลัพธ์ ASTM D2344 ที่เชื่อถือได้และทำซ้ำได้ ด้านล่างนี้คือการกำหนดค่าอุปกรณ์ที่แนะนำ
ระบบทดสอบ
เครื่องทดสอบอเนกประสงค์ 6800 Series ที่มีความสามารถในการรับแรง 10 kN มักจะเพียงพอสำหรับการทดสอบตามมาตรฐาน ASTM D2344 เนื่องจากแรงที่เกี่ยวข้องในการทดสอบคานสั้นนั้นค่อนข้างต่ำ
อย่างไรก็ตาม ห้องปฏิบัติการคอมโพสิตมักทำการทดสอบแรงดึงและแรงอัดด้วย ซึ่งโดยทั่วไปต้องการความสามารถในการรับแรงที่สูงกว่า โดยปกติจะอยู่ในช่วง 100 kN หรือ 300 kN ขึ้นอยู่กับวัสดุและการใช้งาน ในกรณีเหล่านี้ สามารถใช้เฟรมที่มีความสามารถในการรับแรงสูงกว่าสำหรับการทดสอบ ASTM D2344 ได้เช่นกัน ช่วยให้ห้องปฏิบัติการสามารถใช้เฟรมเดียวเป็นมาตรฐานสำหรับวิธีการทดสอบคอมโพสิตหลายวิธี
โหลดเซลล์
ควรให้ความสำคัญกับโหลดเซลล์ที่มีช่วงการวัด 1:1000 เนื่องจากแรงใน ASTM D2344 นั้นค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับการทดสอบชิ้นงานคอมโพสิตอื่นๆ เช่น แรงดึง และ แรงอัด เมื่อจับคู่กับระบบทดสอบ 6800 Series โหลดเซลล์ 2580 Series ของ Instron จะให้ความแม่นยำ 0.5% ของค่าที่อ่านได้จนถึง 1/1000 ของความสามารถในการรับแรงของโหลดเซลล์ ซึ่งหมายความว่าห้องปฏิบัติการที่ใช้โหลดเซลล์ที่มีความสามารถในการรับแรงสูงกว่า (เช่น 100 หรือ 300 kN) สำหรับการทดสอบคอมโพสิตอื่นๆ โดยทั่วไปสามารถใช้โหลดเซลล์เดียวกันนั้นสำหรับการทดสอบ ASTM D2344 ได้ โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนหรือติดตั้งโหลดเซลล์แยกต่างหากที่มีความสามารถในการรับแรงต่ำกว่า
อุปกรณ์จับยึดสำหรับการทดสอบ
ต้องใช้ อุปกรณ์จับยึดสำหรับการดัดเพื่อหาความแข็งแรงต่อการดัดและแรงเฉือนระหว่างชั้น เพื่อใช้การกำหนดค่าการให้แรงตามที่มาตรฐานระบุ (หมายเลขแคตตาล็อก: CP110860) อุปกรณ์จับยึดนี้จะจับคู่กับชุดทั่ง (anvil) ที่ตรงกับเวอร์ชันของมาตรฐานที่ปฏิบัติตาม:
- ชุดทั่งสำหรับมาตรฐาน ASTM D2344 (หมายเลขแคตตาล็อก: CP107574) หรือ
- ชุดทั่งสำหรับเวอร์ชันเมตริก ASTM D2344M (หมายเลขแคตตาล็อก: CP106695)
ขอแนะนำอย่างยิ่งให้ใช้ชุดตั้งช่วงกดที่มีความแม่นยำสำหรับการตั้งค่าช่วงกดรองรับอย่างถูกต้อง เนื่องจากความเสียหายจากแรงเฉือนระหว่างชั้นมีความอ่อนไหวสูงต่ออัตราส่วนช่วงกดต่อความหนาที่ถูกต้อง เวอร์ชันของ Instron (หมายเลขแคตตาล็อก: CP108199) ประกอบด้วยไมโครมิเตอร์สองตัวที่ช่วยให้สามารถตั้งค่าช่วงกดได้ด้วยความแม่นยำ 0.01 มม.
ฮาร์ดแวร์สนับสนุน
- อุปกรณ์จับยึดสำหรับการดัดคานสั้นของ Instron ต้องใช้ แผ่นกด (compression platen) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางอย่างน้อย 100 มม. อยู่ด้านล่าง แผ่นกดเส้นผ่านศูนย์กลาง 150 มม. (หมายเลขแคตตาล็อก: 2501-163) เป็นตัวเลือกที่เหมาะสม
- ทั่งตัวบนเชื่อมต่อผ่านการเชื่อมต่อแบบ Type Dm ช่วยให้สามารถประกอบเข้ากับการเชื่อมต่อโหลดเซลล์แบบ Type Df ได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้อะแดปเตอร์เพิ่มเติม
- ตัวหยุดชิ้นงาน (specimen stops) รวมอยู่ในชุดทั่ง ช่วยให้การตั้งค่าสำหรับห้องปฏิบัติการที่เริ่มใช้วิธีนี้ทำได้ง่ายขึ้น
เคล็ดลับสำหรับการทดสอบ ASTM D2344 ที่เชื่อถือได้
- ใช้ตัวหยุดชิ้นงานบนอุปกรณ์จับยึดสำหรับการดัดเพื่อให้ชิ้นงานอยู่กึ่งกลางระหว่างทั่งรองรับได้อย่างง่ายดายและสม่ำเสมอ ข้อผิดพลาดในการวางตำแหน่งเพียงเล็กน้อยอาจส่งผลต่อความแม่นยำของช่วงกดและรูปแบบการเสียหาย
- สำหรับห้องปฏิบัติการที่ต้องการการควบคุมช่วงกดที่เข้มงวดขึ้น อุปกรณ์จับยึด CP110860 รองรับการติดตั้งไมโครมิเตอร์ CP108199 โดยตรงบนทั่งรองรับตัวล่างของ ILSS ช่วยให้สามารถตั้งค่าช่วงกดได้อย่างแม่นยำภายในค่าความคลาดเคลื่อน 0.01 มม. เมื่อเทียบกับทั่งตัวบน
หมายเหตุเกี่ยวกับคู่มือนี้
หน้าเว็บนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นคู่มือข้อมูลทั่วไปสำหรับ ASTM D2344 และไม่ใช่สิ่งทดแทนวิธีการทดสอบฉบับเต็ม การเตรียมชิ้นงาน การทดสอบ และการรายงานผลควรเป็นไปตามมาตรฐานฉบับปัจจุบันที่สมบูรณ์เสมอ สามารถจัดหามาตรฐานอย่างเป็นทางการได้โดยตรงจาก ASTM: ASTM D2344/D2344M
คำถามที่พบบ่อย (FAQs)
ความแข็งแรงของคานสั้น (ความแข็งแรงต่อแรงเฉือนระหว่างชั้นปรากฏ) คำนวณได้ดังนี้:
โดยที่ Pm คือแรงสูงสุดที่ตรวจพบ b คือความกว้างของชิ้นงานทดสอบ และ h คือความหนาของชิ้นงานทดสอบ
สำรวจโซลูชันของ Instron สำหรับการทดสอบวัสดุคอมโพสิต
ตั้งแต่ระบบทดสอบไปจนถึงอุปกรณ์จับยึดและซอฟต์แวร์ Instron มีเครื่องมือที่ผู้ผลิตคอมโพสิต ห้องปฏิบัติการทดสอบ และทีมงานด้านคุณภาพต้องการเพื่อทำการทดสอบทางกลที่แม่นยำและทำซ้ำได้
อุปกรณ์จับยึดและอุปกรณ์เสริมที่สร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะสำหรับการทดสอบการดัด แรงดึง และแรงอัดของวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์พอลิเมอร์ ออกแบบมาเพื่อความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำในการใช้งานที่หลากหลาย
เฟรมรับแรงที่กำหนดค่าได้พร้อมความแม่นยำและความเข้ากันได้ของอุปกรณ์เสริมที่จำเป็นสำหรับการทดสอบคอมโพสิตทุกรูปแบบ สามารถตอบสนองข้อกำหนดการจัดตำแหน่งของ Nadcap ได้
ซอฟต์แวร์การจัดการห้องปฏิบัติการแบบรวมศูนย์สำหรับการกำหนดมาตรฐานวิธีการทดสอบ และรักษาความสมบูรณ์และความปลอดภัยของข้อมูลในโปรแกรมการทดสอบคอมโพสิตและเฟรมทดสอบต่างๆ
หรือ
เกี่ยวกับผู้เขียน
Stephan Botzki
Stephan Botzki เป็นวิศวกรอาวุโสด้านการประยุกต์ใช้งานที่ Instron โดยเขาทำงานร่วมกับลูกค้าเพื่อระบุการกำหนดค่าการทดสอบที่เหมาะสมที่สุดเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานสำหรับการทดสอบทางกลของวัสดุคอมโพสิต เขามีความเชี่ยวชาญในการทดสอบสถิติกำลังสูงของวัสดุคอมโพสิตและวัสดุขั้นสูงอื่นๆ และเป็นสมาชิกคนสำคัญของคณะกรรมการ ASTM D30 ว่าด้วยวัสดุคอมโพสิต งานของเขาเชื่อมโยงมาตรฐานที่เข้มงวดเข้ากับการใช้งานจริงในการทดสอบวัสดุ