Modifizierter ASTM D695 Druckprüfadapter (Boeing BSS 7260)

Modell Nr. WTF-BO (Edelstahl)

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Abb. 1: Modifizierter D695 Druckprüfadapter

Diese Vorrichtung wird für die Prüfung von Verbundwerkstoffen unter einachsiger Druckbelastung verwendet. Das flache Stück, das im linken Foto von Abb. 1 zu sehen ist, ist eine Belastungsplatte aus gehärtetem Stahl, die zwischen dem überstehenden oberen Ende des Probekörpers und der flachen Belastungsplatte der Prüfmaschine platziert wird, um die Belastungsplatte zu schützen.

Es gibt eigentlich keine ASTM-Norm für die modifizierte D695-Druckprüfmethode. Die ASTM-Norm D695, die ursprünglich 1942 veröffentlicht wurde, ist in erster Linie für unverstärkte Kunststoffe gedacht, wie ihr Titel bereits andeutet (Verweis 1), wobei ein ungetippter Hundeknochen verwendet wird, Wohnung Probekörper. Das modifizierte Druckprüfverfahren D695 ist in Boeing-Dokumenten (Referenzen 2 und 3) und in der von der SACMA empfohlenen Prüfmethode SRM 1R-94 (Referenz 4) definiert.

Obwohl es sich nicht um eine ASTM-Norm handelt, wird diese Testmethode derzeit in der Gemeinschaft der Verbundwerkstoffe mit gutem Erfolg eingesetzt (Referenzen 5 über 7).

Der geradlinige Probekörper ist 3,18 Zoll lang und 0,5 Zoll breit, und die Dicke hängt von dem zu prüfenden Material ab. Für einen unidirektionalen Verbundwerkstoff wird üblicherweise eine Dicke in der Größenordnung von 0,040 Zoll verwendet. Die zur Bestimmung der Druckfestigkeit verwendeten Proben werden an beiden Enden mit Laschen versehen, in der Regel mit Glasgewebe/Epoxid-Laschenmaterial. Der Abstand zwischen den Laschen (die Messlänge) ist mit 0,188 Zoll angegeben. Aufgrund dieser sehr kurzen Messlänge ist es unpraktisch, Messgeräte zur Messung der Dehnungen anzubringen. Daher sind zwei Prüfungen vorgesehen.

Eine Probe ohne Laschen wird bis zu einer Mindestdehnung von 0,3 Prozent belastet, wobei die Dehnung entweder mit einem Dehnungsmessstreifen oder einem Dehnungsaufnehmer gemessen wird. Dies ermöglicht die Berechnung eines Druckmoduls. Eine zweite Probe desselben Materials, jedoch mit Laschen, wird dann bis zum Bruch geprüft, um die Druckfestigkeit zu bestimmen. Würde man versuchen, die Probe ohne Laschen bis zum Bruch zu belasten, würden die Probenenden typischerweise brechen, bevor das Material in einem Bereich abseits der Enden versagt. Somit würde die wahre Druckfestigkeit des Materials nicht ermittelt werden.

Um diese beiden erforderlichen Prüfungen durchführen zu können, verfügt die Vorrichtung über zwei äußere Stützplatten (die I-förmigen Teile auf dem rechten Foto in Abb. 1), zusätzlich zu der inneren Stützplatte, die auf der Basis der Vorrichtung montiert ist. Die Nuten in den für die Festigkeitsbestimmung verwendeten Teilen (die in der montierten Vorrichtung auf dem linken Foto in Abb. 1 abgebildet sind) verlaufen über die gesamte Länge. Eine zweite äußere Stützplatte (auf dem linken Foto im Vordergrund liegend) ist ebenfalls vorhanden, bei der die Nuten über den mittleren Abschnitt von 0,5 Zoll ausgespart sind, um auf einer Oberfläche des Probekörpers Platz für einen Dehnungsmessstreifen und seine Anschlussdrähte zu schaffen. Bei der Messung von Dehnungen wird eine ungetäfelte Probe verwendet; eine getäfelte Probe mit einer DMS-Länge von 0,188 Zoll bietet keinen ausreichenden Platz für die Montage eines Dehnungsmessstreifens.

Optional kann eine vierte seitliche Halterung vorgesehen werden, bei der die Nuten ebenfalls über den mittleren Abschnitt von 0,5 Zoll ausgespart sind, so dass Dehnungsmessstreifen auf beiden Oberflächen des Probekörpers angebracht werden können. In der Regel werden doppelte Dehnungsmessstreifen jedoch nur verwendet, wenn ein Ausknicken der Probe zu befürchten ist. Bei der Bestimmung des Druckmoduls müssen keine hohen Spannungen aufgebracht werden, was das Problem des Ausknickens minimiert.

Die seitlichen Stützteile und die Lagerplatten sind aus gehärtetem 440C-Edelstahl gefertigt. Dadurch wird die Gefahr minimiert, dass sie dauerhaft verformt (und damit funktionsunfähig) werden, wenn die Probe versagt, was häufig durch relativ heftige Druckkräfte geschieht.

Eine weitere Option ist ein Zubehörteil zur Probenindexierung, wie in Abb. 2 unten dargestellt. Dieses Indexierungszubehör wird verwendet, um die Probe zwischen den seitlichen Halterungen zu zentrieren. Wie angegeben, wird es in die Seite der Standardhalterung geschraubt.

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Abb. 2: Zubehör zur Probenindexierung für die modifizierte Druckprüfvorrichtung D695.

Es wurden auch spezielle Vorrichtungskonfigurationen für Kunden entworfen und hergestellt. Abb. 3 zeigt zum Beispiel eine spezielle Vorrichtung, die für die Prüfung einer Probe in voller Größe konzipiert wurde, aber in die engen Grenzen eines Rohrofens passt. Diese besondere Vorrichtung besteht aus der Nickelsuperlegierung Inconel 718 und hat eine geschlitzte vordere Abdeckplatte für den Zugang zur Probenoberfläche durch ein optisches Extensometer.

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Abb. 3: Standard Modified D695 Fixture links, spezielles Hochtemperatur-Fixture rechts.

Abb. 4 vergleicht die SACMA SRM 1R-94-Aufnahme mit der modifizierten Standard-D695-Aufnahme. Die SACMA-Vorrichtung ist schwerer, prüft aber die gleiche Probengröße auf die gleiche Weise.

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Abb. 4: SACMA SRM 1R-94 Halterung links, modifizierte Standard D695 Halterung rechts.

Auch internationale Normen gewinnen in der weltweiten Prüfgemeinschaft immer mehr an Bedeutung. Bei den meisten dieser Normen handelt es sich um geringfügige Abänderungen der ASTM-Normen, mit leicht abweichenden Abmessungen der Prüfvorrichtung und ausgedrückt in SI-Einheiten. Das links in Abb. 5 gezeigte Prüfgerät ist ein typisches Beispiel. Die Funktionsweise ist dieselbe wie bei der rechts gezeigten, von Boeing modifizierten D695-Vorrichtung, auch wenn die längere Basis und die dickeren seitlichen Stützen sie anders aussehen lassen.

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Abb. 5: Europäische Norm prEN2850 End-Loaded Compression Test Fixture (links), verglichen mit Boeing-Modified D695 Compression Test Fixture (rechts).

Quellen für zusätzliche Informationen:

1) ASTM Standard D695-10 (2010), "Compressive Properties of Rigid Plastics", American Society for Testing and Materials, West Cohshohocken, Pennsylvania (erstmals 1942 veröffentlicht).

2) Boeing Specification Support Standard BSS 7260, "Advanced Composite Compression Tests", The Boeing Company, Seattle, Washington (ursprünglich herausgegeben im Februar 1982, überarbeitet im Dezember 1988).

3) Boeing-Dokument D888-10026, "Test Methods for Advanced Composites, Revision A, Abschnitt C.2, The Boeing Company, Seattle, Washington, Januar 1996.

4) SACMA Recommended Method SRM 1R-94, "Compressive Properties of Oriented Fiber-Resin Composites", Suppliers of Advanced Composite Materials Association, Arlington, Virginia, 1994.

5) D.F. Adams und E.Q. Lewis, "Influence of Specimen Gage Length and Loading Method on the Axial Compressive Strength of a Unidirectional Composite Material," Experimentelle Mechanik, Vol. 31, No. 2, März 1991, pp. 14-20.

6) D.F. Adams, "Current Status of Compression Testing of Composite Materials", Proceedings of the 40th International SAMPE Symposium, May 1995, pp. 1831-1843.

7) J.S. Welsh und D.F. Adams, "Current Status of Compression Test Methods for Composite Materials," SAMPE-Journal, Vol. 33, No. 1, Januar 1997, pp. 35-43.