Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterización

Report
Estructuras de
Materiales Compuestos
Ensayos normalizados de caracterización
Ing. Gastón Bonet
-
Ing. Cristian Bottero
-
Ing. Marco Fontana
Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
Objetivos
• Determinación de las propiedades básicas de la lámina como
entrada para el análisis y diseño estructural
• Investigación y verificación de predicciones analíticas del
desempeño mecánico
• Estudio experimental independiente del comportamiento de
geometrías específicas bajo estados de carga específicos
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
Tipos de ensayos
• Caracterización de los materiales constituyentes
• Caracterización de las propiedades de lámina
• Determinación de propiedades interlaminares
• Comportamiento del material bajo condiciones de carga
específicos (multiaxial, fatiga, creep, impacto, dinámico, etc.)
• Comportamiento y falla particular (borde libre, agujeros,
uniones, drop-offs)
• Verificación de la integridad estructural por medio de ensayos
no-destructivos
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Caracterización mecánica de fibras
•
Determinación del módulo elástico y la resistencia a tracción
Single filament test method ASTM D3379-89
El área transversal de la sección se obtiene mediante la ayuda de un microscopio
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Caracterización mecánica de fibras
•
Determinación del módulo de corte
Ciertas fibras presentan un gran nivel de anisotropía (Kevlar), y por lo
tanto puede resultar útil determinar el módulo de corte transversal de la fibra.
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Caracterización mecánica de matriz
• Las probetas de ensayo de matriz polimérica se extraen de
una placa colada. La geometría de dichas probetas es
prismática o hueso de perro, de acuerdo al espesor de la
placa
• Normas: ASTM D638-02 y D882-02
• Se mide la deformación por medio de extensómetros
(estampillas o instrumento)
• Del ensayo de tracción se obtiene el módulo elástico Em, el
coeficiente de Poisson nm y la resistencia a tracción Fmt
• Como se supone que la matriz es isótropa, con un solo
experimento se caracteriza la matriz
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Caracterización mecánica de interfase
• Fiber pullout test
Se tracciona una fibra parcialmente
embebida en un bloque de matriz.
Si la fibra esta adherida a la interfase, y si
la carga requerida para incrementar la fisura
de interfase es menor que la carga de falla
de la fibra, entonces se producirá la pérdida
de adherencia. Esta última comienza en el
borde libre del bloque y progresa hacia
adentro.
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Caracterización de densidad
• Norma: ASTM D792-00
Se pesa la muestra en aire
2. Se une la muestra a una balanza analítica por medio de un alambre fino, y
se pesa mientras la muestra y una porción del alambre están sumergidas
en agua destilada
3. Se pesa el alambre solo, con la misma parte sumergida
La densidad del material a 23°C se determina a partir de la siguiente
fórmula:
3
1.
 = densidad (g/cm )
a = peso de la muestra en aire
a

 0.9975
a wb
b = peso aparente de la muestra y parte de alambre
sumergidos
w = peso aparente del alambre parcialmente
sumergido
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Caracterización fracción volumétrica
Si se sabe que el nivel de porosidad del material es
despreciable, se puede estimar la fracción volumétrica a partir
de la siguiente relación gravimétrica:
c   m
Vf 
 f  m
c = densidad del compuesto
m = densidad de la matriz
f = densidad de la fibra
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Caracterización fracción volumétrica
• Norma: ASTM D2584-02
Ignition or Burnout method
Una muestra de material compuesto se seca en horno, se pesa y luego se
calienta en un crisol hasta que la matriz (orgánica) se quema completamente.
Luego se remueven las cenizas, se seca y se pesa el remanente.
Vf 
Wf  f
Wc c
Wc = peso del compuesto
Wf = peso del remanente
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Caracterización de porosidad
• Norma: ASTM D2734-94
A partir del ensayo anterior, también se puede determinar la
fracción volumétrica de porosidad o vacíos.
Vv  1 
W f  f  Wc  W f  /  m
Wc c
Esta estimación es muy sensible a errores de medición, por lo
cual se suelen utilizar otros métodos.
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Coeficientes de expansión térmica
• Extensómetros de estampilla
Un método práctico de medir los
coeficientes de expansión térmica de
una lámina (a1 y a2) consiste en la
utilización de strain gages. Sin embargo,
se debe compensar la medición por la
variación de temperatura (también
afecta la resistividad).
Un método consiste en utilizar una
tercera estampilla en un material de
coeficiente de expansión conocido
dentro del mismo ambiente
 tc   ac   ar   tr
tc = deformación real del compuesto
ac = deformación aparente del compuesto
tr = deformación real del material de
referencia
ar = deformación aparente del material de
referencia
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Coeficientes de expansión higroscópica
•
Se secan las probetas en un horno a
65°C durante aproximadamente dos
horas
•
Luego se sumergen en agua dentro
de un horno a 50°C
•
La deformación se puede medir con
micrómetro o estampillas, sin
embargo, las estampillas pueden
interferir en el proceso de difusión de
la humedad.
•
El incremento de peso de la muestra
indica la variación de humedad
absorbida
Vw Ww  w
c

Vc Wc c
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Ensayos de tracción
• Norma: ASTM D3039/D3039M-00
• Los ensayos de tracción uniaxial permiten determinar las
siguientes propiedades:
o
E1,E2 = Módulo elástico longitudinal y transversal
o
n12,n21 = Primer y segundo coeficiente de Poisson
o
F1t,F2t = Resistencia a tracción longitudinal y transversal
o
1tu, 2tu = Deformación específica máxima longitudinal y
transversal
• Las probetas de ensayo poseen lados rectos y tabs de fibra
de vidrio - epoxi pegados en los extremos
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Tracción longitudinal
•
El espesor aconsejado es de
entre 0.5mm y 2.5mm
•
Se adquiere tanto la carga como
la deformación, y por medio de
la medición precisa de la sección
transversal, se obtiene la
tensión
•
Se suele instrumentar con dos
estampillas perpendiculares
para obtener la contracción y,
por lo tanto, el primer
coeficiente de Poisson
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Tracción transversal
•
El espesor aconsejado es de
entre 0.5mm y 2.5mm
•
Se adquiere tanto la carga como
la deformación, y por medio de
la medición precisa de la sección
transversal, se obtiene la
tensión
•
Se suele instrumentar con una
sola estampilla ya que el
segundo coeficiente de Poisson
se obtiene a partir del primero y
los módulos elásticos
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Ensayos de compresión
• Norma: ASTM D3410M-03
• El ensayo de compresión de materiales compuestos es el
más complejo debido a la tendencia de falla prematura por
pandeo o aplastamiento
• El ensayo es muy sensible a desalineaciones, geometría
defectuosa, excentricidad de carga, etc.
• Se han desarrollado muchos métodos de ensayo para la
obtención de las características compresivas de materiales
compuestos
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Dispositivo IITRI
IITRI (Illinoise Institute of Technology
Research Institute)
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Ensayo de compresión
• Las probetas son muy gruesas y
los tabs muy largos para evitar
el pandeo.
• Se colocan estampillas de
ambos lados del laminado para
asegurar que la falla se produce
por compresión y no por
pandeo
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Ensayo de laminados sándwich
•
•
•
•
Normas: ASTM C364-99 y ASTM C393-00
Los paneles sándwich se pueden ensayar a compresión o
flexión
La distancia entre apoyos no debe exceder 12 veces el
espesor del sándwich
El ensayo de flexión se realiza en cuatro apoyos para
asegurar flexión pura. La falla por compresión esta
asegurada cuando:
L 4 Fxc

h
Fcs
L = distancia entre apoyos
h = espesor de laminado compuesto
Fxc = resistencia a compresión del compuesto
Fcs = resistencia a corte del núcleo
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
Ensayo de laminados sándwich
•
•
•
La viga se carga a través de tacos de goma
Las deformaciones se miden por medio de estampillas
La tensión del laminado será, despreciando la tensión normal en el
núcleo:
Nx
PL
x 

h
4bh  2H  h  h '
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Ensayos de corte
• Para completar la caracterización de una lámina en el plano
se requiere determinar:
o
G12 = módulo de corte en el plano de la lámina
o
F6 = Resistencia a corte en el plano de la lámina
o
g6u = distorsión máxima en el plano de la lámina
• Los métodos más utilizados para este ensayo son:
1.
Probetas [±45]2s
2.
10° off axis test
3.
Rail shear test
4.
Torsion test
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Probetas [±45]2S
• Norma: ASTM D3518M-94
• Las probetas poseen las mismas
dimensiones que las probetas de
tracción transversal
1 
2 
6 
x
2
x
2
  xy
  xy
x
1   2 
x  y
g6  x  y
2
2
G12 
x
2  x   y 

Ex
2 1   xy 
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Probetas [±45]2S
Comportamiento no-lineal
Pequeña sobre-estimación
de la resistencia a corte
debido al confinamiento de
las láminas adyacentes
G12 
x
2  x   y 

Ex
2 1   xy 
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10° Off axis test
• El ángulo de 10° se selecciona para
minimizar los efectos de las
tensiones normales 1 y 2
• Se instrumenta con dos estampillas,
y la diferencia de lecturas indica la
distorsión
g6   A  B
 6   x sen cos  0.171 x
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Rail shear test
• Norma: ASTM D4255M-01
• Two-rail shear test o three-rail test
P
6 
2lh
g 6  2  x  45º
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Rail shear test modificado
• Permite la utilización de
probetas de tracción. La
deformación de corte se
obtiene por medio de un
extensómetro.
• La teoría de vigas de
Timoshenko permite
tener en cuenta los
efectos de la flexión al
determinar el módulo de
corte.
6PbE1w2
G12 
10 E1hw3  5Pb3
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Torsion test
Se utiliza un tubo hueco sometido a torsión. La tensión
máxima se desprende de la teoría de Saint-Venant:
g 6 max  2  x  45º
 6 max

2Tr0
  r04  ri 4 
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Resistencia a corte interlaminar
• Es una medida de la resistencia a corte de la matriz entre
láminas
• El ensayo más utilizado es el de flexión de viga a corte con
tres apoyos
• El bloque se mecaniza de un laminado unidireccional
relativamente grueso (al menos 16 láminas)
• Si la viga es suficientemente corta con respecto al espesor, la
falla interlaminar ocurrirá en el plano medio como una
delaminación. Para asegurar este tipo de falla, se debe
asegurar que:
2 L F1

h
F31
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Resistencia a corte interlaminar
• La resistencia a corte interlaminar F31 se obtiene de la
distribución de corte de una viga de sección rectangular:
3P
F31 
4bh
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