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ASTM D5766/D5766M − 11 Standard Test Method for Open-Hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates

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편집자 주

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ASTM D5766 Open-Hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates


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ASTM D5766/D5766M − 11 Standard Test Method for Open-Hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates

1. 범위

1.1 High modulus fiber로 강화된 다 방향 Polymer matrix 복합 Laminated의 Open-hole 인장강도 측정.

복합재료형태는 Laminate가 균형을 이루고 시험방향에 대해 대칭인 연속Fiber 또는 불연속 Fiber(Tape 또는

직물) 강화 복합재료에 국한

허용되는 시험 Laminate 및 두께범위는 8.2.1에 기술

1.2 SI Unit 또는 Inch-pound Unit로 표시된 값은 별도로 표준으로 사용

각 시스템에 명시된 값은 정확히 일치하지 않을 수 있으며 서로 독립적으로 사용

두 시스템의 값을 결합하면 표준과 일치하지 않는다.

1.2.1 Inch-pound Unit는 괄호 안에 표시

1.3 안전문제를 다루지 않으며 사용자의 책임

2. Referenced Documents 2.1 ASTM Standards

D792 Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement D883 Terminology Relating to Plastics D2584 Test Method for Ignition Loss of Cured Reinforced Resins D2734 Test Methods forVoid Content of Reinforced Plastics D3039/D3039M Test Method for Tensile Properties of Poly mer Matrix Composite Materials D3171 Test Methods for Constituent Content of Composite Materials D3878 Terminology for Composite Materials D5229/D5229M Test Method for MoistureAbsorption Properties and Equilibrium Conditioning of Polymer Matrix Composite Materials E6 Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing E177 Practice for Use of the Terms Precision and Bias in ASTM Test Methods E456 Terminology Relating to Quality and Statistics E691 Practice for Conducting an Interlaboratory Study to Determine the Precision of a Test Method E1309 Guide for Identification of Fiber-Reinforced Polymer-Matrix Composite Materials in Databases E1434 Guide for Recording Mechanical Test Data of FiberReinforced Composite Materials in Databases

3. 용어

3.1 정의 - D3878은 High modulus fiber 및 그 복합체 관련용어 정의. D883은 플라스틱관련 용어. E6은 기계적

시험관련 용어정의. E456과 E177은 통계관련 용어정의. 용어 간 상충될 경우, D3878이 우선.

3.2본 표준 특정조항 정의

NOTE 1 - 용어가 물리량을 나타내는 경우, 분석치수는 기본치수에 대해 ASTM표준기호(대괄호 안에 표시)를

사용하여 기본 치수형식의 용어(또는 문자기호) 뒤에 표시. [M]은 mass, [L]은 길이, [T]는 온도, [u]는 열역학적

온도, [nd]는 무차원 수량을 표시하며 이 기호는 대괄호와 함께 사용할 때 분석치수로 제한.

기호는 대괄호 없이 사용할 때 다른 정의 가능.

3.2.1 Diameter-to-thickness ratio, D/h – Open-hole 시편에서 시편두께에 대한 Hole직경 비율.

3.2.1.1 논의 – 직경 대 두께비율은 공칭치수로부터 결정된 Nominal value 또는 측정치수로부터 결정된 실제값

중 하나.

3.2.2 Nominal value - 명칭으로만 존재하며 편의상 측정물성에 배정된 값.

공차는 허용가능 범위를 정의하기 위해 Nominal value 에 적용.

3.2.3 Principal coordinate system - 재료에 내재된 대칭 평면에 수직 축을 가진 Coordinate system

3.2.3.1 논의 - 최소 Cartesian축(123, xyz 등)의 일반적인 사용법은 Coordinate system축을 대칭 평면의 법선

방향에 할당하여 법선 방향의 가장 높은 속성 값(탄성물성, 최대강성의 축)은 1 또는 x, 가장 낮은 것(적용

가능한 경우)은 3 또는 z로 배정. 이방성 재료의 경우 대칭성 부족으로 인해 Principal coordinate system이

없는 반면, 등방성 재료의 경우 모든 Coordinate system이 Principal Coordinate system.

Laminate 복합재료에서 Principal coordinate system은 개별 직교 Plate에 대해서만 의미.

Laminate composite의 관련 용어는 " Reference Coordinate System"

3.2.4 Reference coordinate system - Ply 방향 정의에 사용되는 Laminate 복합재료의 Coordinate system.

기준 Coordinate system축 중 하나(보통 Cartesian x 축)는 기준으로 지정되고 위치가 지정되며 Laminate의

각 Ply주축은 Ply 방향을 정의하기 위해 기준 축에 대해 참조.

3.2.5 Specially orthotropic - Principal coordinate system에서 보았을 때 Orthotropic 재료에 대한 설명.

Laminate composite에서 특수 직교 Laminate는 기준 Coordinate system에서 볼 때 [0i/90j]ns 패밀리의 평형 및

대칭 Laminate이므로 Laminate 구성관계의 Membrane - Bending Coupling 항이 0.






3.2.6 Width-to-diameter ratio, w/D - Open-hole 시편에서의 Hole직경에 대한 시편 폭 비율.

3.2.6.1 논의- 폭-직경 비율은 공칭치수로부터 결정된 Nominal value 또는 측정치수로부터 결정된 실제 값

3.3 기호

A = cross-sectional area of a specimen CV = coefficient of variation statistic of a sample population for a given property (in percent) D = hole diameter h = specimen thickness n = number of specimens per sample population N = number of plies in laminate under test Fx

OHTu = ultimate open-hole (notched) tensile strength in the test direction

Pmax

= maximum force carried by test specimen prior to failure Sn-1 = standard deviation statistic of a sample population for a given property Sr = repeatability (within laboratory precision) standard deviation, calculated in accordance with Practice E691 SR = reproducibility (between laboratory precision) standard deviation, calculated in accordance with Practice E691 w = specimen width xi = test result for an individual specimen from the sample population for a given property 𝑥= mean or average (estimate of mean) of a sample population for a given property σ = normal stress

4. 시험방법 요약

4.1 균형 있는 대칭Laminate의 단축 인장시험은 중앙에 Hole이 있지만 D3039에 따라 수행. Edge mounted

Extensometer 변위센서는 옵션이며 최대강도는 Hole의 존재를 무시하고 총 단면적을 기준으로 계산. Hole이

응력집중과 감소된 Net 영역을 발생시키지만, Stress 분석에서 명시적으로 Modelling되지 않은 다양한 응력집중

(Fastener Hole, Free edges, 결함, 파손 등)을 설명하기 위해 총 단면 응력에 기초한 Notch 설계 허용강도를

개발하는 것이 일반적인 항공우주 규격

4.2 최대 Open-hole 인장강도에 대해 유일하게 수용 가능한 파손모드는 Hole을 통과하는 파손.

5. 유의사항 및 사용

5.1이 시험방법은 구조설계 허용치, 재료사양, 연구개발 및 품질보증을 위한 Notch 인장강도 Data를

측정하도록 설계. Notch 인장강도에 영향을 미치는 요소는 재료, 제조방법, Lay up의 정확성, Laminate stacking

순서, 전체두께, 시편형상 (Hole diameter, Diameter-to-thickness ratio, Width-to-diameter ratio) 시편준비(특히

Hole), 시험환경, 시편정렬 및 Grip, 시험속도, 온도, Void 함량 및 보강재료 부피 %, 유지시간을 포함.

이 시험방법에서 측정되는 정보

5.1.1 Open-hole (Notch) 인장강도 (OHT).

6. 문제점

6.1 Hole 준비 - Notch가 존재하고 재료 반응을 측정할 필요가 없기 때문에 이 시험방법의 결과는 Notch없는

인장물성 시험에서 중요한 변수에 상대적으로 민감하지 않다. 그러나, Notch가 강도에 영향을 주기 때문에,

Laminate를 파손시키지 않으면서 Hole의 일관된 준비가 유효한 결과를 얻는데 중요. Hole준비로 인한 파손은

강도결과에 영향을 주며 박리와 같은 일부 유형의 파손은 Hole로 인한 응력집중을 둔화시켜 시편의 하중전달

능력 및 강도를 증가시키나 다른 종류의 파손은 강도를 감소시킬 수 있다.

6.2 시편형상 - 결과는 시편직경과 Hole직경 비(w/D)에 의해 영향을 받으며 이 비율은 실험이 이 비율의

영향을 조사하지 않는 한 6을 유지. 결과는 또한 Hole직경 대 두께 비율(D / h)에 영향을 받으며 실험이 이

비율의 영향을 조사하지 않는 한 비율은 1.5~ 3.0. 결과는 시편길이에 의해 영향을 받으며 시편길이는 200-300

mm [8.0-12.0 in] 범위. 8.2.2에 정의된 제한사항에 따라 짧은 시편 (150-200 mm [6.0-6.0 in])도 사용.

구성 A와 B의 시험결과의 동등성은 파단 Strain, 수지강도 및 파괴인성을 포함하여 여러 요소에 따라 불확실.

Sub-critical 수지분해 및 균열경향이 있는 Laminate는 Hole(발생할 수 있는 임의의 종 방향 균열)에 근접한

Grip으로 인해 시편길이의 변화에 영향.

6.3 Material orthotropy - Laminate 직교성의 정도는 파괴모드 및 측정된 OHT 강도에 크게 영향을 주며 11.5에

따라 적절한 파손모드가 관찰된 경우에만 유효한 OHT 강도를 기록.

6.4 두께 스케일링 - 두꺼운 복합 구조물은 동일한 Laminate 배향을 가진 얇은 구조물과 동일한 강도에서

반드시 파괴되지는 않는다(즉, 강도가 시편의 두께에 관계없이 항상 일정하게 유지되는 것이 아니다). 따라서

이 시험방법을 사용하여 수집된 Data는 동일한 두께 구조물성으로 직접 변환되지 않는다.

6.5 기타 - 복합재료 시험에서 Data분산의 추가 원천은 D3039참조.

7. 장치

7.1 시험기는 D3039에 따른다.

Hole직경을 ± 0.025 mm [± 0.001 in.]까지 측정할 수 있는 Micrometer 또는 Gage가 필요.

8. Sample채취 및 시편

8.1 Sampling - D3039에 따른다.

8.2 형상 - 시편형상은 다음에 의해 수정되고 그림1의 도식으로 예시된 D3039에 따른다.






Laminate순서, 시편 폭, 길이, Hole직경의 변화를 기록.

8.2.1 Stacking 순서 - 표준 Laminate는 다 방향 Fiber 방향 (Fiber는 최소한 두 방향)과 균형 잡힌 대칭

Stacking 순서를 가지며 공칭두께는 2.5 mm [0.10 in] 허용 범위는 2 - 4 mm [0.080 - 0.160 in].

Satin형 직조를 포함하는 Fabric Laminate는 보고서에 별도 언급이 없는 한 대칭 날실표면.

NOTE 2 - 일반적으로[45i/-45i/0j/90k]ms tape, [45i/0j]ms Fabric laminate는 Fiber의 최소 5 %가 4개의

주 방향에 놓이도록 선택.

이 Laminate 설계는 가장 높은 허용 파손모드 가능성이 있는 것으로 판정.

8.2.2 구성

8.2.2.1 형상 A - 시편 폭 36 ± 1 mm, 길이, 200 ~ 300 mm[8.0 ~ 12.0 in]. Notch는 직경이 6 ± 0.06 mm [0.250 ±

0.003 in]인 중심에 위치한 Hole으로 이루어지며 길이 0.12 mm [0.005 in] 이내, 폭이 0.05 mm [0.002 in]이내.

Tab이 사용될 수 있으나, Hole은 Notch가 있는 영역에서 파손을 일으키기에 충분한 응력집중으로 작용하기

때문에 일반적으로 불필요. Hole의 영향을 받지 않는 시편에서 균일한 Strain 영역을 확보할 수 있을 만큼

길기 때문에 형상 A는 8.2.1에 정의된 일반적인 Laminate 순서 권장.

8.2.2.2 형상 B- 시편 폭, 36 ± 1 mm, 길이 범위 150 ~ 200 mm[6.0 ~ 8.0 in].

Notch는 직경이 6 ± 0.06 mm [0.250 ± 0.003 in] 인 중심에 위치한 Hole으로 이루어지며 길이가 0.12mm[0.005in]

이내이고 폭이 0.05mm[0.002 in] 이내. Tab이 사용될 수 있으나, Hole은 Notch가 있는 영역에서 파손을

일으키기에 충분한 응력 상승으로 작용하기 때문에 필요하지 않다. 구성B는 시편 고정길이가 35~55 mm

[1.4~2.0]인 [45m/-45m/0m/90m] Tape 또는 [45m/0m] ns Fabric laminate의 Quasi-isotropic laminate stacking

sequence로 제한.

NOTE 3 - 형상 B에 대해 고정되지 않은 시편길이는 파단 되지 않은 길이가 짧아지면 Hole에서 또는 파단 시

큰 영향을 줄 수 있으므로 75 mm [3.0 in]보다 작아서는 안 된다.

8.3 시편준비- 시편Hole 측정이 Hole을 둘러싸고 있는 재료를 박리시키거나 파손시키지 않도록 특별히 주의.

Hole은 크기가 작은 Hole을 내고 최종치수로 정리하며 Hole 준비방법을 기록. 다른 시편준비 기술 및

요구사항은 D3039 참조.

9. 교정

9.1 교정은 D3039 참고.

10. Conditioning

10.1 Conditioning은 D5229에 의해 설정된 특정 상대습도에서 효과적인 수분 평형이나 지정하지 않으면

시편은 준비된 대로 시험.

10.2 특정 환경노출 Level 및 수분함량을 포함한 시험 전 시편 Conditioning 과정은 시험자료와 함께 기록.

NOTE 4 - D5229에서 사용된 수분이라는 용어는 액체 및 응축 물의 증기뿐만 아니라 액체침지를 포함.

10.3 명확한 Conditioning 과정이 수행되지 않으면 Conditioning 과정은 " unconditioned", 수분함량은

"unknown"으로 기록.






11. 절차

11.1 시험 전 지정변수

11.1.1 인장시편 Sampling 방법, 시편형태와 형상, Conditioning Traveler (필요한 경우)

11.1.2 원하는 인장물성 및 Data기록형식

NOTE 5 - 계기 및 Data 기록장비 선정을 위해 시험 전 재료물성, 정확성 및 Data기록 요구사항을 결정.

Transducer 선택, 장비교정, 장비설정 결정을 돕기 위해 시편강도를 예측.

11.1.3 환경 Conditioning 시험변수.

11.1.4 Strain 계측 요구사항 및 계산.

11.1.5 밀도 및 보강용적 결정을 위해 Sampling 방법, 시편형상 및 시험변수.

11.2 일반지침

11.2.1 이 시험방법과의 차이를 기록

11.2.2 비중, 밀도, 보강 용적 또는 Void 용적이 기록되는 경우 동일한 Panel에서 Sample을 취득

비중과 밀도는 D792를 사용하여 평가하며 구성성분의 부피 %는 D3171의 Matrix 분해 과정 중 하나 또는

유리 및 세라믹과 같은 보강재료의 경우 D2584의 Matrix 연소기술을 사용하여 평가. D2734의 Void 함유량

식은 D2584와 모체 분해 과정 모두에 적용.

11.2.3 시험환경이 Conditioning 환경과 다른 경우, Conditioning 환경에 시편 보관.

11.2.4 Conditioning후, 시편 Hole직경, D를 0.025 mm [0.001 in.]까지 측정하고 기록. 박리를 위해 Hole과 인접

영역을 검사하고 발견된 박리의 위치와 크기를 기록. D3039에 따라 다른 측정을 수행.

11.3 인장시험 - D3039의 절차에 따라 Laminate 시편의 인장시험과 다른 측정을 수행. Hole에 국한되는 Strain

거동이 결정되면, Hole이 Extensometer Gage 영역 내에 위치하도록 한 개 또는 두 개의 Extensometer를 시편

가장자리에 부착.

NOTE 6 - 유체 없는 고온에서 Conditioning시편 시험 시, 시험 완료 전 시편의 수분손실 백분율은 시험

Chamber 내에서 알려진 무게의 Conditioning Traveler 시편을 동시에 넣어 평가. 시험이 끝나면 Traveler

시편을 Chamber에서 꺼내 무게를 측정하고 백분율 무게를 계산하여 기록.

11.4 Data 기록 - 하중 대 Head 변위, 하중 대 Strain 및 하중 대 LVDT Deflection data를 연속 또는 주기적으로

기록(초당2~3 회, 시험 당 최소 100개 Data). 초기파손이 기록된 경우, 그 지점에서의 하중, 변위 및

파손모드를 기록.

초기파손(시각적, 청각적 방출 등)를 결정하는데 사용된 방법, 파단순간(가능한 경우)에 최대하중,

파괴하중(최대하중과 다를 경우) 및 Crosshead변위를 기록.

NOTE 7- 시험편차 및 고정 또는 시편 미끄러짐 문제를 이해하는데 유용한 기타 중요한 Data에는 하중 대

시간 Data 포함.

11.5 파손모드 - Hole에서 발생하지 않는 파손은 허용 가능한 파손모드가 아니며 Data는 폐기. 파손은 박리에

의해 영향을 받고 파손모드는 많은 박리를 포함. D3039와 같이 표1에 요약된 이들 모드에 대한 3가지

파손모드를 사용. 이 표기법은 첫 째는 파손유형, 두 번째는 파손영역, 마지막으로 파손위치를 표시.

이 시험방법에 대한 유효 파손모드 Code는 * GM으로 제한되며 두 째 및 세 째 자리 표시는 "Gage Middle" 로

제한. 첫 번째 자리 표시는 일반적으로 L은 Lateral, A는 Angled, M은 Multi-mode.

그림2는 이러한 세 가지 허용 가능한 파손모드이며 파손형태는 Hole의 다른 면에서 다를 수 있다.

12. 검증

12.1 결함이 측정변수가 아닌 한 결함이 있는 시편의 결과는 계산에서 제외하고 재시험.

12.2 중심 Hole으로부터 멀리서 발생하는 파손은 하중전달을 재검사하며 고려되는 요소는 Grip 압력, Grip

정렬 및 시편두께 Taper가 포함.

13. 계산

13.1 최대강도 - 식1을 사용하여 최대 Open-hole 인장강도를 계산하고 그 결과를 3자리 유효숫자로 기록.






Fx

OHTu = ultimate open-hole (notched) tensile strength in the test direction, MPa [psi]

Pmax = maximum force carried by test specimen prior to failure, N [lbf] A = gross cross-sectional area (disregarding hole) from Test Method D3039/D3039M, mm

2 [in.

2]

NOTE 8 - 하중계산에서 Hole지름은 무시된 총 단면적이 사용.

13.2 너비 대 지름 비율 - 식 2에서와 같이 실제 너비 대 지름 비율을 계산하고 그 결과를 3자리 유효숫자로

기록. Nominal value를 사용하여 계산된 공칭비율과 측정된 치수로 계산된 실제비율을 모두 기록.

w = width of specimen across hole, mm [in.] D = diameter of hole, mm [in.].

13.3 직경 대 두께비율 - 식 3에서와 같이 실제직경 대 두께비율을 계산하고 결과를 3자리 유효숫자로 기록.

Nominal value를 사용하여 계산된 공칭비율과 측정된 치수로 계산된 실제비율을 모두 기록.

D = diameter of hole, mm [in.] h = specimen thickness near hole, mm [in.]

13.4 Percent bending- 두 개의 가장자리 장착 Extensometer가 사용되는 경우, Edgewise percent bending 은

D3039에 따라 계산.

13.5 통계 - 각 물성에 대한 평균값, 표준편차 및 변동계수 (백분율)를 계산.

x = sample mean (average) Sn−1 = sample standard deviation CV = sample coefficient of variation, in percent n = number of specimens xi = measured or derived property

14. 보고서

14.1 보고서는 E1309 및 E1434를 사용하여 D3039에 따른 변수를 포함.

14.2 모든 관련 정보를 포함(재료 세부사항 또는 Panel제작과 같이 시험소 통제를 벗어난 항목은 의뢰인 책임)

14.2.1시험방법의 개정 Level 또는 발행일.

14.2.2 시편구성이 표준인지 또는 변형인지 여부와 사용된 구성

14.2.3 표준시험방법과의 차이, 시험 중 이상현상 또는 시험 중 장비문제

14.2.4 각 시편에 대한 공칭 Hole직경 및 실제 측정된 Hole직경

14.2.5 공칭너비 대 직경비율 및 실제너비 대 직경비율

14.2.6 공칭직경 대 두께 비율과 실제직경 대 두께비율

14.2.7 최대 open-hole 인장강도 및 평균값, 표준편차 및 변동계수 (퍼센트)

14.2.8 Extensometer 유형, Stress- Strain곡선, 시편 Stress 대 Strain Data, 또는 평가된 각 시편에 대한 하중

또는 Head 변위의 백분율 또는 이들의 조합.

14.2.9 각 시편에 대한 파손모드 및 파손위치

15. 정밀도와 Bias

15.1 Round robin 결과 - 1989년에 시편구성 A를 사용하는 이 시험방법에 대해 정밀 Data를위한 Round robin

(round robin)이 수행. 9개 실험실은 준 등방성 Laminate를 사용하여 3가지 재료 공급업체의 세 가지 재료

평가에 참여. 각 실험실은 상온조건에서 각 재료의 5개 시편을 Tab 없이 다양한 고정방법으로 0.05 in/min의

하중속도로 시험. 이 Round robin 시험은 두 가지 규정을 위반하였는데 하나는 두께를 이중 볼 Micrometer를

통한 측정 및 재료 수분함량 미 조절이다. 각 실험실의 평균 결과는 표 2참조.

15.2 정밀도






15.2.1 정확도는 두 가지 방법으로 표현될 수 있는 95 % 신뢰구간으로 정의. E691은 신뢰도에 대해 개별

관찰과 평균 사이의 최대차이가 2.0 표준편차 이내이며 두 관측 사이의 최대 차이는 2.8 표준편차로 제안.

간단히 표현하기 위하여 후자만 기록하며 전자는 후자에서 계산 가능.

두 가지 유형의 정밀도도 정의하며 실험실 내(반복성) 또는 실험실 간(재현성) 둘 다 기록

15.2.2 실험실 내 조건은 동일인이 하루 동안 동일조건으로 장치나 환경 모두 동일

15.2.3 표 3 요약결과는 시편구성 A가 시험 실행의 사소한 변화에 상대적으로 둔감하지만 재료유형에 민감.

15.3 허용 기준이 존재하지 않으므로 이 시험방법에 대해 Bias를 결정불가.

16. Keywords 16.1 composite materials; open-hole tensile strength; tension testing

