Estructuras de Materiales Compuestos

Ensayos normalizados de caracterización

Ing. Gastón Bonet

-

Ing. Cristian Bottero

-

Ing. Marco Fontana

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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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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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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  2 H  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 Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP

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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  Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP

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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  Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP

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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.

6 PbE1w2 G12  10 E1hw3  5Pb3 Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP

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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 Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP

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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 Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP

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