ASTM D3039: คุณสมบัติการดึงของวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์โพลิเมอร์
คู่มือสำหรับการทดสอบคอมโพสิตเสริมแรงเมทริกซ์โพลิเมอร์ตาม ASTM D3039
เขียนโดย: Ian McEnteggart
อัปเดต: 18 พฤศจิกายน 2025
ASTM D3039 เป็นมาตรฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการกำหนดคุณสมบัติการดึงของวัสดุคอมโพสิต โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มาตรฐานนี้ใช้กับคอมโพสิตที่ประกอบด้วยเมทริกซ์โพลิเมอร์ที่เสริมแรงด้วยเส้นใยโมดูลัสสูงแบบต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่อง
เนื่องจากอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูง คอมโพสิตประเภทนี้จึงมักใช้สำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศ ยานยนต์ และพลังงานหมุนเวียน
คู่มือนี้แนะนำองค์ประกอบสำคัญของการทดสอบ ASTM D3039 รวมถึงอุปกรณ์ ซอฟต์แวร์ และตัวอย่างที่จำเป็น
ASTM D3039 วัดอะไร?
การทดสอบ ASTM D3039 เกี่ยวข้องกับการใช้แรงดึงกับตัวอย่าง (คูปอง) และการวัดคุณสมบัติต่างๆ การทดสอบดำเนินการบนเครื่องทดสอบแบบสากล (เรียกอีกอย่างว่าเครื่องทดสอบแรงดึง) และมาตรฐานนี้รวมทั้งหน่วยนิ้ว-ปอนด์และหน่วย SI
การวัดที่สำคัญ ได้แก่:
- ความแข็งแรงดึงสูงสุด – ความเค้นสูงสุดที่ใช้ (โดยทั่วไปที่จุดแตกหัก)
- ความเครียดดึงสูงสุด – ความเครียดที่จุดแตกหัก
- โมดูลัสการดึง – ความแข็งของวัสดุ
- อัตราส่วนปัวซง – อัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงความเครียดในทิศทางขวางต่อความเครียดในทิศทางยาว
- ความเครียดการเปลี่ยนผ่าน – ในกรณีที่วัสดุแสดงพฤติกรรมการยืดตัวตามที่แสดงโดยการเปลี่ยนแปลงความชันในการตอบสนองความเค้น-ความเครียด ความเครียดการเปลี่ยนผ่านคือค่าความเครียดที่เกิดการเปลี่ยนแปลงความชัน
- รูปแบบการวิบัติ – ตัวอย่างที่แตกหักต้องได้รับการตรวจสอบและต้องบันทึกประเภท พื้นที่ และตำแหน่งของการวิบัติ
จัดตำแหน่งให้ถูกต้อง: กุญแจสู่การทดสอบที่เชื่อถือได้
การจัดตำแหน่งที่ผิดพลาดเป็นหนึ่งในแหล่งที่มาที่ใหญ่ที่สุดของความแปรปรวนในการทดสอบคอมโพสิต เอกสารฉบับนี้แยกย่อยองค์ประกอบสำคัญ - ระบบ อุปกรณ์จับยึด และเครื่องมือจัดตำแหน่ง - ที่คุณต้องใช้เพื่อให้ถูกต้องทุกครั้ง
ASTM D3039 เป็นมาตรฐานที่เหมาะสมหรือไม่?
ASTM D3039 เป็นหนึ่งในการทดสอบพื้นฐานที่สุดสำหรับการกำหนดลักษณะคุณสมบัติการดึงของวัสดุคอมโพสิต อย่างไรก็ตาม มีมาตรฐานอื่นๆ ที่มีอยู่เพื่อประเมินคุณสมบัติทางกลหลายประการของวัสดุคอมโพสิตที่มีความแตกต่างทางทิศทางและความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน รวมถึง:
- ASTM D3410 และ ASTM D6641 สำหรับการทดสอบการอัด
- ASTM D3518 สำหรับการทดสอบแรงเฉือนในระนาบ
โมดูลการใช้งานคอมโพสิตในซอฟต์แวร์ Bluehill Universal ของ Instron รวมวิธีการทดสอบที่กำหนดค่าไว้ล่วงหน้าสำหรับ ASTM D3039 และมาตรฐานอื่นๆ อีกมากมาย ดูรายการเต็มของเทมเพลตวิธีการที่มีใน Bluehill Universal
ประเภทตัวอย่าง
ตัวอย่าง ASTM D3039 มีรูปร่างสี่เหลี่ยมผืนผ้าพร้อมหน้าตัดคงที่
มาตรฐานรวมเรขาคณิตตัวอย่างที่แนะนำสำหรับวัสดุประเภททิศทางเดียว 0⁰ ทิศทางเดียว 90⁰ สมดุลและสมมาตร และการไม่ต่อเนื่องแบบสุ่ม
ASTM D3039 สามารถใช้สำหรับการเสริมแรงเส้นใยทั้งแบบต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่อง แต่การจัดเรียงของตัวอย่างลามิเนตต้องสมดุลและสมมาตรเทียบกับทิศทางการทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่าตัวอย่างจะไม่บิดหรือบิดเบี้ยวขณะรับน้ำหนัก
แท็บตัวอย่าง
เป็นแนวปฏิบัติทั่วไปในการทดสอบคอมโพสิตที่จะใช้แท็บเพื่อปกป้องวัสดุตัวอย่างจากการเสียหายโดยจับยึด ASTM D3039 ไม่จำเป็นต้องใช้แท็บ แต่แนะนำให้ใช้เมื่อทดสอบวัสดุทิศทางเดียว
แท็บสามารถติดกับตัวอย่างหรือยึดไว้ด้วยแรงเสียดทาน (เช่น ผ้าทรายเอเมอรี่)
การวัดชิ้นงาน
ก่อนการทดสอบ ต้องวัดพื้นที่หน้าตัดของตัวอย่าง ทำได้โดยการวัดความกว้างและความหนาที่สามจุดภายในส่วนเกจและหาค่าเฉลี่ยของการวัด
- เมื่อพื้นผิวด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านไม่เรียบ จำเป็นต้องใช้ไมโครมิเตอร์ที่มีส่วนต่อประสานแบบลูกบอลเพื่อวัดความหนา
- หากพื้นผิวทั้งสองด้านเรียบ สามารถใช้ไมโครมิเตอร์ที่มีส่วนต่อประสานแบบลูกบอลหรือแบบเรียบได้
- ใช้คาลิเปอร์หรือไมโครมิเตอร์ที่มีทั่งแบบเรียบเพื่อวัดความกว้างของตัวอย่าง
แนวปฏิบัติที่ดีที่สุด: เพื่อขจัดโอกาสของข้อผิดพลาดในการป้อนข้อมูลและเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น ให้ใช้อุปกรณ์วัดตัวอย่างอัตโนมัติที่สามารถส่งการวัดโดยตรงไปยังซอฟต์แวร์การทดสอบ
คุณสมบัติอุปกรณ์วัดตัวอย่างอัตโนมัติใน Bluehill Universal ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ได้สูงสุดสองเครื่อง (ไมโครมิเตอร์หรือคาลิเปอร์) พร้อมกัน
ระบบทดสอบวัสดุ
การทดสอบสำหรับ ASTM D3039 ดำเนินการบนเครื่องทดสอบแบบสากล
- ระบบ 30 kN หรือ 50 kN อาจเพียงพอสำหรับการทดสอบคอมโพสิตเส้นใยแก้ว
- ระบบ 100 kN หรือ 300 kN โดยทั่วไปจำเป็นสำหรับการทดสอบคอมโพสิตเส้นใยคาร์บอน
จับยึดและการจัดตำแหน่งตัวอย่าง
จับยึดแรงดึงที่ใช้ยึดตัวอย่างคอมโพสิตต้องให้แรงกดที่แข็งแรงและสม่ำเสมอเพียงพอเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวอย่างลื่นระหว่างการทดสอบ
จับยึดที่แนะนำ
จับยึดทั้งสองประเภทให้แรงยึดที่เชื่อถือได้และใช้การออกแบบตัวเคลื่อนที่ซึ่งลดแรงอัดเมื่อโหลดตัวอย่าง
อุปกรณ์จัดตำแหน่งตัวอย่างเสริมสามารถติดตั้งบนจับยึดเหล่านี้เพื่อตั้งค่าการจัดตำแหน่งที่เหมาะสมสำหรับผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอมากขึ้น
หน้ากรรไกรที่แนะนำ
- ตัวอย่างที่มีแท็บ: หน้ากรรไกรแบบเฟือง
- ตัวอย่างที่ไม่มีแท็บ: หน้ากรรไกรแบบเรียบพร้อมการเคลือบแข็งที่มีแรงเสียดทานสูง (เช่น เซอร์ฟัลลอย คาร์ไบด์)
หมายเหตุ: ในบางกรณี สามารถใช้ผ้าทรายเอเมอรี่กับหน้าเฟืองเพื่อจับตัวอย่างที่ไม่มีแท็บ
การวัดความเครียด
ความเครียดวัดโดยใช้เอกซ์เทนโซมิเตอร์หรือเกจความเครียด
เอกซ์เทนโซมิเตอร์แบบคลิป (เช่น ซีรีส์ 2630)
- ติดกับตัวอย่างด้วยตนเองที่จุดเริ่มต้นของการทดสอบแต่ละครั้ง
- อาจจำเป็นต้องถอดออกก่อนที่ตัวอย่างจะแตกหากการวิบัติรุนแรง
- อาจไม่เหมาะสำหรับการวัดความเครียดที่จุดวิบัติ
- สามารถใช้ในห้องสิ่งแวดล้อมได้ถึงอุณหภูมิสูงสุด 200°C
เอกซ์เทนโซมิเตอร์วิดีโอแบบไม่สัมผัส (เช่น AVE3 Advanced Video Extensometer)
- กล้องวัดการเสียรูปโดยใช้เครื่องหมายบนตัวอย่าง
- ไม่สามารถเสียหายจากพลังงานที่ปลดปล่อยที่จุดวิบัติ
- สามารถใช้กับห้องสิ่งแวดล้อมสำหรับการทดสอบที่ไม่ใช่อุณหภูมิแวดล้อม – ติดตั้งภายนอกห้อง ขจัดความจำเป็นในการเปิดและปิดประตูระหว่างการทดสอบ
เอกซ์เทนโซมิเตอร์ขวาง
หากทดสอบอัตราส่วนปัวซง จำเป็นต้องใช้เอกซ์เทนโซมิเตอร์ขวางเพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงความกว้างตลอดบริเวณยืดหยุ่นของตัวอย่าง
เอกซ์เทนโซมิเตอร์ขวางแบบแยกต่างหากสามารถใช้เสริมเอกซ์เทนโซมิเตอร์แบบคลิปหรือวิดีโอ หรืออุปกรณ์แบบสองแกนสามารถใช้วัดความเครียดแกนและขวางพร้อมกันด้วยอุปกรณ์เดียว
เกจความเครียด
- เกจความเครียดต้านทานไฟฟ้ามักใช้วัดความเครียดที่จุดวิบัติในคอมโพสิต
- โดยทั่วไปประกอบด้วยตารางฟอยล์โลหะบางที่ติดกับตัวอย่างด้วยกาว
- สามารถใช้ในห้องสิ่งแวดล้อม – จากอุณหภูมิไครโอเจนิกถึงกว่า 200°C
- ต้องการอิเล็กทรอนิกส์ปรับสภาพเพื่อสร้างสัญญาณที่มีประโยชน์ Instron เสนออะแดปเตอร์ที่ใช้งานง่ายสำหรับอิเล็กทรอนิกส์มาตรฐานในเครื่องทดสอบ Instron
แม้ว่าเกจความเครียดสามารถให้การวัดความเครียดที่แม่นยำมาก แต่เป็นวัสดุสิ้นเปลืองที่มีต้นทุนสูงและต้องการแรงงานที่มีทักษะในการติดตั้งอย่างถูกต้อง
การทดสอบที่ไม่ใช่อุณหภูมิแวดล้อมในห้องสิ่งแวดล้อม
วัสดุคอมโพสิตมักต้องการการทดสอบภายใต้สภาวะที่ไม่ใช่อุณหภูมิแวดล้อมเพื่อกำหนดลักษณะประสิทธิภาพของวัสดุภายใต้อุณหภูมิการใช้งาน
ห้องสิ่งแวดล้อมใช้การพาความร้อนด้วยอากาศบังคับพร้อมกับองค์ประกอบความร้อนแบบต้านทานเพื่อให้ได้อุณหภูมิสูง และการระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลวหรือคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อให้ได้อุณหภูมิต่ำ
ห้องสิ่งแวดล้อมซีรีส์ 3119-600 ของ Instron ให้ความสามารถในการทดสอบอุณหภูมิที่กว้างขวางสำหรับการประเมินคุณสมบัติของวัสดุภายใต้สภาวะที่ไม่ใช่อุณหภูมิแวดล้อม มีจับยึด แท่งดึง และเอกซ์เทนโซมิเตอร์เสริมครบชุด
หมายเหตุสุดท้าย
ASTM D3039 มีความสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจพฤติกรรมการดึงของคอมโพสิตเสริมแรงเส้นใยเมทริกซ์โพลิเมอร์ แม้ว่าคู่มือนี้จะให้ภาพรวมที่ครอบคลุม แต่ควรปรึกษามาตรฐาน ASTM D3039 ฉบับเต็มเสมอสำหรับขั้นตอนโดยละเอียดและการปฏิบัติตามข้อกำหนด
คำถามที่พบบ่อย
| ASTM D3039 | ASTM D638 | |
|---|---|---|
| วัสดุ | ASTM D3039 ครอบคลุมการกำหนดคุณสมบัติการดึงในระนาบของวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์พอลิเมอร์ที่เสริมแรงด้วยเส้นใยโมดูลัสสูงแบบต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่อง
คุณสมบัติของวัสดุคอมโพสิตเส้นใยต่อเนื่องสามารถมีความไม่เป็นเนื้อเดียวกันสูง กล่าวคือ ขึ้นอยู่กับทิศทางอย่างมาก |
ASTM D638 ครอบคลุมการกำหนดคุณสมบัติการดึงของพลาสติกที่ไม่เสริมแรงและเสริมแรง วัสดุคอมโพสิตที่เสริมแรงด้วยเส้นใยโมดูลัสสูงจะต้องทดสอบตาม ASTM D3039
ประเภทของวัสดุพลาสติกที่ทดสอบโดยใช้ ASTM D638 คาดว่าจะมีความเป็นเนื้อเดียวกันโดยพื้นฐาน กล่าวคือ คุณสมบัติจะใกล้เคียงกันในทุกทิศทาง |
| ชิ้นทดสอบ | ชิ้นทดสอบ ASTM D3039 ทั้งหมดเป็นแบบแบนและสี่เหลี่ยมผืนผ้า ซึ่งลดโอกาสการเกิดความล้มเหลวจากแรงเฉือนในที่จับ
แท็บแบบยึดติดหรือแบบเสียดทานแนะนำสำหรับวัสดุบางประเภท เช่น วัสดุแบบทิศทางเดียว เพื่อป้องกันไม่ให้หน้าขากรรไกรของที่จับทำลายเส้นใยคอมโพสิตและทำให้เกิดความล้มเหลวก่อนกำหนด ชิ้นทดสอบมักผลิตโดยการตัดแผ่นลามิเนตแบนด้วยเลื่อยเพชร |
ชิ้นทดสอบ ASTM D638 มีความกว้างลดลงในส่วนเกจและมีความกว้างมากขึ้นในส่วนที่จับ
ชิ้นทดสอบมักผลิตโดยการฉีดขึ้นรูป |
| การวัดความเครียด | ASTM D3039 กำหนดให้ใช้เครื่องวัดการยืดตัวที่ปรับเทียบตาม ASTM E83 Class B-1 หรือเกจวัดความเครียดที่สอดคล้องกับ ASTM E251
ความเครียดที่จุดวิบัติของวัสดุคอมโพสิตส่วนใหญ่จะน้อยกว่า 5% ดังนั้นอุปกรณ์วัดความเครียดเหล่านี้จึงไม่จำเป็นต้องมีระยะการเคลื่อนที่มาก |
ASTM D638 กำหนดให้ใช้เครื่องวัดการยืดตัวที่ปรับเทียบตาม ASTM E83 Class B-2 สำหรับการวัดโมดูลัสและการยืดตัวต่ำ (<20%) พร้อมกับการใช้การเคลื่อนที่ของหัวจับเพื่อกำหนด "ความเครียดเชิงนาม" สำหรับการวัดการยืดตัวสูง |
| การคำนวณ | ASTM D3039 รวมการคำนวณสำหรับ:
|
ASTM D638 รวมการคำนวณสำหรับ:
|
Composites Testing Brochure
Instron’s universal testing machines are designed to perform the most common types of testing used in the composites industry, including but not limited to in-plane tensile, through thickness tensile, interlaminar shear, compression in end, shear, or combined loading, and compression after impact.
High Force Universal Testing Machines Brochure
Instron’s high force systems include electromechanical and high-capacity hydraulic testing systems for tension and compression applications. Force capacities range from 100 kN to 2000kN.
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 Hydraulic Wedge Grips
Instron’s 100 kN hydraulic wedge grips provide an innovative solution for high-capacity testing and delivery enhanced gripping performance, usability, and operator safety.
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 Brochure
Bluehill Universal is Instron’s advanced materials testing software, designed for intuitive touch interaction and streamlined workflows. It offers pre-loaded test methods, QuickTest for rapid setup, enhanced data exporting, and Instron Connect for direct service communication. Users of Bluehill 2 and Bluehill 3 can easily upgrade to the latest version for improved performance and usability
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.
