ASTM D3039：ポリマーマトリックス複合材料の引張特性
ASTM D3039に準拠したポリマーマトリックス強化複合材の試験ガイド
執筆者： Ian McEnteggart
更新日： 2025年11月18日
ASTM D3039では何を測定しますか？
ASTM D3039試験では、試験片（クーポン）に引張力を加え、さまざまな特性を測定します。試験は万能試験機（引張試験機とも呼ばれます）で実施され、規格にはインチポンド単位とSI単位の両方が組み込まれています。
主な測定項目は次のとおりです。
調芯：信頼性の高い試験の鍵
調芯不良は複合材料試験におけるばらつきの最大の要因の一つです。このホワイトペーパーでは、毎回正確な試験を実現するために必要な重要なコンポーネント - システム、治具、調芯ツール - について詳しく説明します。
ASTM D3039は適切な規格ですか？
ASTM D3039は、複合材料の引張特性を評価するための最も基本的な試験の1つです。ただし、異方性および不均質な複合材料のさまざまな機械的特性を評価するために、他の規格も存在します。以下を含みます。
- 圧縮試験用のASTM D3410およびASTM D6641
- 面内せん断試験用のASTM D3518
インストロンのBluehill Universalソフトウェアの複合材アプリケーションモジュールには、ASTM D3039および他の多くの規格に対応する事前構成済みの試験方法が含まれています。Bluehill Universalで利用可能なメソッドテンプレートの完全なリストをご覧ください。
試験片の種類
ASTM D3039試験片は、断面が一定の長方形です。
この規格には、0⁰一方向、90⁰一方向、バランスのとれた対称、およびランダム不連続材料タイプに推奨される試験片形状が含まれています。
ASTM D3039は、連続繊維強化と不連続繊維強化の両方に使用できますが、積層試験片のレイアップは、試験方向に対してバランスが取れていて対称でなければなりません。これにより、試験片が荷重下でねじれたり歪んだりしないようにします。
試験片タブ
複合材試験では、試験片材料をグリップによる損傷から保護するためにタブを使用するのが一般的な方法です。ASTM D3039ではタブは必須ではありませんが、一方向材料を試験する場合はタブの使用を推奨しています。
タブは、試験片に接着するか、摩擦によって所定の位置に保持できます（例：エメリークロス）。
試験片測定
試験前に、試験片の断面積を測定する必要があります。これを行うには、ゲージセクション内の3か所で幅と厚さを測定し、測定値を平均します。
- 一方または両方の表面が不規則な場合は、厚さを測定するためにボールインターフェースを備えたマイクロメーターが必要です。
- 両方の表面が平らな場合は、ボールまたはフラットインターフェースを備えたマイクロメーターを使用できます。
- フラットアンビルを備えたキャリパーまたはマイクロメーターを使用して、試験片の幅を測定します。
推奨事項：入力エラーの可能性を排除し、効率を向上させるには、測定値を試験ソフトウェアに直接送信できる自動試験片測定デバイスを使用します。
Bluehill Universalの自動試験片測定デバイス機能を使用すると、オペレーターは最大2つのデバイス（マイクロメーターまたはキャリパー）を同時に接続できます。
材料試験システム
ASTM D3039の試験は、万能試験機で実施されます。
- 30 kNまたは50 kNのシステムは、ガラス繊維複合材の試験に十分な場合があります。
- 100 kNまたは300 kNのシステムは、一般に炭素繊維複合材の試験に必要です。
グリップと試験片のアライメント
複合材試験片を保持するために使用される引張グリップは、試験中に試験片が滑るのを防ぐのに十分な強度と均一な圧力を提供する必要があります。
推奨グリップ
どちらのグリップタイプも信頼性の高いクランプ力を提供し、試験片をロードするときに圧縮力を最小限に抑える可動ボディ設計を使用しています。
オプションの試験片アライメントデバイスをこれらのグリップに取り付けて、より一貫性のある結果を得るために最適なアライメントを設定できます。
推奨されるジョーフェース
- タブ付き試験片：セレーション付きジョーフェース
- タブなし試験片：硬質、高摩擦コーティング（例：サーファロイ、カーバイド）を施したフラットジョーフェース
注：場合によっては、エメリークロスをセレーション付きフェースで使用して、タブなし試験片をグリップできます。
ひずみ測定
ひずみは、伸び計またはひずみゲージを使用して測定されます。
クリップオン伸び計（例：2630シリーズ）
- 各試験の開始時に試験片に手動で取り付けます
- 破壊が激しい場合は、試験片が破壊する前に取り外す必要がある場合があります
- 破壊時のひずみの測定には適さない場合があります
- 最大温度200°Cまでの環境チャンバーで使用できます
非接触ビデオ伸び計（例：AVE3アドバンストビデオ伸び計）
- カメラは試験片のマーキングを使用して変形を測定します
- 破壊時に放出されるエネルギーによって損傷することはありません
- 非周囲温度試験用の環境チャンバーで使用できます – チャンバーの外側に取り付けられ、試験中にドアを開閉する必要がありません
横方向伸び計
ポアソン比の試験を行う場合、試験片の弾性領域全体の幅の変化を測定するには、横方向伸び計が必要です。
スタンドアロン横方向伸び計を使用して、クリップオンまたはビデオ伸び計を補完したり、二軸デバイスを使用して、1つのデバイスで軸方向と横方向のひずみを同時に測定したりできます。
ひずみゲージ
- 電気抵抗ひずみゲージは、複合材の破壊時のひずみを測定するためによく使用されます。
- 通常、接着剤で試験片に接着される薄い金属箔グリッドで構成されています
- 極低温から200°Cを超える温度まで、環境チャンバーで使用できます
- 有用な信号を生成するには、調整エレクトロニクスが必要です。インストロンは、インストロン試験機の標準エレクトロニクス用の使いやすいアダプターを提供しています。
ひずみゲージは非常に正確なひずみ測定を提供できますが、適切に取り付けるには熟練した労働力が必要な高価な消耗品です。
環境チャンバーでの非周囲温度試験
複合材料は、多くの場合、適用温度下での材料性能を評価するために、非周囲温度条件下での試験が必要です。
環境チャンバーは、強制空気対流と抵抗加熱要素を使用して高温を実現し、液体窒素または二酸化炭素冷却を使用して低温を実現します。
インストロンの3119-600シリーズ環境チャンバーは、非周囲温度条件下での材料特性を評価するための広範な温度試験機能を提供します。完全な範囲の相補的なグリップ、プルロッド、および伸び計が利用可能です。
最終的な注意点
ASTM D3039は、ポリマーマトリックス繊維強化複合材の引張挙動を理解するために不可欠です。このガイドは包括的な概要を提供しますが、詳細な手順とコンプライアンスについては、必ず完全なASTM D3039規格を参照してください。
よくある質問
| ASTM D3039 | ASTM D638 | |
|---|---|---|
| 材料 | ASTM D3039は、連続または不連続の高弾性率繊維で強化されたポリマーマトリックス複合材の面内引張特性の決定を対象としています。
連続繊維複合材料の特性は、異方性が高い可能性があります。つまり、方向に強く依存します。 |
ASTM D638は、非強化および強化プラスチックの引張特性の決定を対象としています。高弾性率繊維で強化された複合材は、ASTM D3039に従って試験する必要があります。
ASTM D638を使用して試験されるプラスチック材料の種類は、本質的に等方性であると予想されます。つまり、特性はすべての方向でほぼ同じです。 |
| 試験片 | ASTM D3039試験片はすべて平らで長方形です。これにより、グリップでのせん断破壊の可能性が軽減されます。
接着または摩擦タブは、一部の種類の材料、たとえば、グリップのジョーフェースが複合繊維を損傷し、早期破壊を引き起こすのを防ぐための一方向材料に推奨されます。 試験片は通常、ダイヤモンドソーを使用して平らな積層シートを切断することによって製造されます。 |
ASTM D638試験片は、ゲージセクションの幅が狭く、グリップセクションの幅が広くなっています。
試験片は通常、射出成形によって製造されます。 |
| ひずみ測定 | ASTM D3039では、ASTM E83クラスB-1に校正された伸び計、またはASTM E251に準拠したひずみゲージのいずれかの使用を指定しています。
ほとんどの複合材料の破壊ひずみは5％未満であるため、これらのひずみ測定デバイスは大きな移動を必要としません。 |
ASTM D638では、弾性率および低伸び（<20％）測定にはASTM E83クラスB-2に校正された伸び計が必要であり、高伸び測定にはクロスヘッド変位を使用して「公称ひずみ」を決定する必要があります。 |
| 計算 | ASTM D3039には、次の計算が含まれています。
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ASTM D638には、次の計算が含まれています。
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複合材料試験カタログ
インストロンの万能材料試験機は、面内引張、厚さ方向引張、層間せん断、端部、せん断、または複合荷重による圧縮、衝撃後圧縮など、複合材料業界で用いられる最も一般的な試験に対応するように設計されています。
6800シリーズ プレミア試験システム カタログ
Instron 6800シリーズ万能材料試験機は、比類のない精度と信頼性を提供します。特許出願中のオペレータ保護システム設計に基づき、新製品のスマートクローズ・エアキットと衝突緩和機能を備えた6800シリーズをご使用いただくと、材料試験をかつてないほどシンプルに、スマートに、そして安全に行うことができます。
高荷重万能試験機パンフレット
Instronの高荷重システムには、引張および圧縮用途向けの電気機械式試験システムと大容量油圧式試験システムが含まれます。荷重容量は100 kNから2000 kNまで対応します。
±100 kN 油圧式万能くさび型グリップ
インストロンの100 kN油圧式くさび型グリップ（カタログ番号：2743-401）は、高容量試験向けの革新的なソリューションを提供し、把持性能、使いやすさ、ならびに作業者の安全性を向上させます。
精密手動式くさびグリップ | 2716-028 / 2716-030
Instron 2716-028 / 2716-030シリーズ精密手動式くさびグリップは、広範な材料に対して信頼性の高いグリップを提供するとともに、Nadcapの要件を満たす再現性の高いアライメントを実現します。
Bluehill Universal カタログ
Bluehill Universalは、直感的なタッチ操作と合理化されたワークフローを実現するために設計された、インストロンの高度な材料試験ソフトウェアです。事前構築された試験メソッドテンプレート、迅速なセットアップを可能にするクイックテスト、強化されたデータ出力機能、およびサービスチームとのリモート交流が可能になるInstron Connectを提供します。旧式ソフトウェアBluehill 2およびBluehill 3のユーザーは、パフォーマンスとユーザビリティを向上させるために、最新バージョンへ簡単にアップグレードいただけます。
3119シリーズ恒温槽
インストロンは、温度環境下の試験であっても、ソリューションを提供致します。正確で安定した温度を得ることは課題の１つにすぎません。高温度や低温度の試験は、試験機の生産性、維持費用、使い易さ、オペレータの安全性の確保といった実質的検討事項に大きな影響を与えます。