3. ENSAYOS 3.1 E -...

FABRICACIÓN Y ENSAYOS DE UN MATERIAL COMPUESTO DISEÑADO PARA LA ABSORCIÓN DE IMPACTOS Proyecto fin de carrera Sergio Osuna Yévenes Laboratorio de Elasticidad y Resistencia de Materiales E.T.S. Ingenieros Sevilla

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3. ENSAYOS

En este capítulo se describen los ensayos realizados en el proyecto. Los ensayos preliminares, los ensayos no destructivos, el ensayo de tracción, el ensayo de determinación de energía de fractura interlaminal (o determinación de G1C), el ensayo de impacto y el ensayo de compresión después de impacto

3.1 ENSAYOS PRELIMINARES

Antes de hacer los ensayos bajo norma se hicieron dos ensayos de tracción preliminares, uno para caracterizar el Nomex y ver su comportamiento a tracción y el otro para comprobar si el grado de adherencia del Nomex en el carbono después del curado es aceptable.

3.1.1 NOMEX A TRACCIÓN

Se han cortado unas tiras de Nomex simplemente para ver el comportamiento del Nomex a tracción. La dimensión de estas tiras es de 180 x 40 mm2. Las muestras de este ensayo se pueden observar en la Figura 28

Figura 28. Especímenes Nomex del ensayo preliminar.


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3.1.2 LAMINADO CON NOMEX SIN TACONES

También se ha hecho un ensayo de tracción previo a una serie de probetas iguales que las que se van a ensayar en el ensayo de tracción del laminado con Nomex. La diferencia de estas probetas es que no tienen tacones de fibra de vidrio. El objetivo de este ensayo es observar posibles anomalías en el comportamiento del Nomex con el tejido de carbono al someter a los especímenes al ensayo de tracción. Estos especímenes se pueden ver en la Figura 29:

Figura 29. Especímenes de laminado de carbono y Nomex para ensayo preliminar.

3.2 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

Previamente a los ensayos propiamente dichos, se han realizado dos ensayos no destructivos a las probetas. El primero de ultrasonidos para comprobar que el proceso de laminación y curado se han realizado correctamente. El segundo ensayo es de micrografías donde se pueden apreciar las láminas de tejido de carbono.


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3.2.1 ENSAYO DE ULTRASONIDOS

Todas las probetas necesarias para el ensayo de tracción y las diez probetas necesarias para el ensayo de impacto van a ser inspeccionadas por medio de ultrasonidos. En este caso se aplicó la normativa correspondiente [26]. El ensayo de ultrasonidos se realizó con el equipo que podemos ver en la Figura 30.

Figura 30. Equipo usado para la inspección por ultrasonidos.

El ensayo de ultrasonidos se basa en la impedancia acústica, que es proporcional al producto de la velocidad máxima de propagación del sonido y de la densidad del material. Las ondas de sonido de alta frecuencia son emitidas por el transductor del equipo, que también se encarga de recibirlas y filtrarlas para mostrarlas en el osciloscopio. Las ondas ultrasónicas se van atenuando a medida que van traspasando el material, cuando llegan al final, son reflejadas, siendo recibidas por el transductor. Posibles grietas, laminaciones o poros pueden ser detectados fácilmente con este ensayo, ya que causan una disminución del tiempo de reflexión de la onda en dicho punto. Todas las probetas menos una han superado el ensayo de ultrasonidos. El espécimen que no ha superado este ensayo ha sido el N1 del ensayo de impacto. En el osciloscopio se podía apreciar un descenso en la intensidad de señal justo en la mitad del espesor de las probetas con Nomex. Esto es debido a la falta de adhesivo entre el Nomex y el material compuesto. El problema de la probeta defectuosa viene dado por una mala adherencia entre uno de los lados de la capa de Nomex, que no ha quedado bien adherido a la lámina de tejido de carbono adyacente. Esto provoca que exista una fina capa de aire entre esas dos capas en la probeta. En el osciloscopio esto es percibido debido a que la señal encuentra esta capa de aire y se refleja hacia atrás, no llegando hasta el final de la probeta.


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Pese a este fallo la probeta será ensayada, pero a la hora de analizar los resultados, el error será tenido en cuenta.

3.2.2 ENSAYO DE MICROGRAFÍA

Han sido realizados unos ensayos de micrografía a dos muestras de material compuesto de los ensayos de impacto, una con Nomex y otra sin Nomex.

Para ello, se han tomado dos trozos pequeños del material sobrante tras el mecanizado, estos trozos se han empastillado en una resina, que tras haber sido pulida cuidadosamente permiten que la microestructura de la sección del material sea observable al microscopio. Las muestras preparadas para ser observadas al microscopio se pueden ver en la Figura 31.

Figura 31. Muestras de dos de las probetas de impacto para micrografía.

En el microscopio se pueden conseguir imágenes que amplían el tamaño cincuenta veces con respecto al tamaño real. Las micrografías obtenidas de las probetas están en la Figura 32 y Figura 33.


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Figura 32. Micrografía de un espécimen con Nomex.

Figura 33. Micrografía de un espécimen sin Nomex.

En la Figura 34 se amplía el resultado de la micrografía de la probeta de impacto con Nomex. Se pueden apreciar claramente sus veinte capas de tejido, donde diez son a [45/-45] y otras diez de [0/90]. Entre las capas de carbono, se observa el tejido de Nomex. En color rojo se diferencian las distintas capas de tejido de carbono, señalando en rojo las de [45/-45] y en amarillo las de [0/90]. En azul se diferencian los límites del Nomex.


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Figura 34. Micrografía detallada de la probeta con Nomex.


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3.3 ENSAYO DE TRACCIÓN

El ensayo de tracción va a servir para calcular el módulo elástico, la tensión última y la carga última. Sólo se ha usado un extensómetro colocado en la dirección de la carga, por lo que no se ha obtenido la deformación transversal del material ni el coeficiente de Poisson. El procedimiento seguido para la puesta en marcha del ensayo es el siguiente:

Se toman cinco medidas del ancho de cada probeta y se calcula la media, que es la que se usará. También se anota el espesor de cada probeta. Con esto se obtiene el área útil de la probeta.

Se usará la máquina universal de ensayos Instron 4482, la cual se puede ver en la Figura 35. También es necesario un pie de rey para medir el ancho de los especímenes, un micrómetro de caras planas para medir el espesor, un extensómetro que recoja las deformaciones y un equipo de adquisición de datos.

Figura 35. Máquina universal de ensayos Instron 4482.

Para la realización del ensayo, se fija la probeta en las mordazas y el extensómetro se coloca en la probeta. En ese momento se pone en marcha la máquina a una velocidad constante de separación de mordazas de 1 mm/min. El extensómetro va a ser retirado a mitad del ensayo (parándolo un momento previamente) para evitar daños en el mismo en el momento de la rotura de las probetas.


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Del ensayo, el parámetro más importante que se obtiene es la carga de rotura (PR). A partir de este valor se calcula la resistencia a la tracción:

T11 (MPa):

donde:

PR es la carga de rotura en Newton.

b es la anchura en mm.

h es el espesor en mm.

Con el extensómetro, en cada momento se va regi 11 en función de la carga. Con esto se puede obtener el módulo de elasticidad del material, que viene dado por la pendiente del ensayo de tracción:

Módulo de Elasticidad, E (MPa):

Para cada serie de ensayos hay que calcular las variables estadísticas que permiten conocer la media, la desviación estándar y el coeficiente de variación:

Variables estadísticas , , :

donde:

es la medía de los resultados.

es la desviación estándar.


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es el coeficiente de variación, %.

n es el número de especímenes de cada ensayo (en este caso son cinco).

xi es la medida de la propiedad que calculemos.

Para este ensayo se usarán las instalaciones del LERM.

3.3.1 LAMINADO SIN NOMEX

En la serie de probetas sin Nomex, se usaron cuatro especímenes y no se usó extensómetro, por lo que sólo se podrá comparar la carga última y no el módulo elástico E11.

En la Figura 36 se aprecian las probetas que se van a traccionar en este ensayo.

Figura 36. Probetas de material compuesto para el ensayo de tracción.

Sólo han sido realizadas cuatro probetas debido a falta de material compuesto y se presentarán los resultados de tres de ellas, ya que hubo problemas durante el ensayo de la cuarta.


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3.3.2 LAMINADO CON NOMEX

En la Figura 37 se aprecian las probetas que se van a examinar en este ensayo.

Figura 37. Probetas para el ensayo de tracción del laminado con Nomex.

3.3.3 LAMINADO CON NOMEX Y ADHESIVO

En la Figura 38 se aprecian las probetas que vamos a examinar en este ensayo.


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Figura 38. Probetas para el ensayo del laminado con Nomex y adhesivo.

3.4 ENSAYO DE DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA DE FRACTURA INTERLAMINAR

Con este ensayo se pretende comparar el comportamiento del Nomex en el laminado, midiendo la energía de fractura interlaminar ( ).

Para este ensayo también se usará la máquina universal de ensayos Instron 4482 (Figura 35). El ensayo tiene como objetivo calcular la energía total de propagación de la grieta. Para ello hay que traccionar la probeta en la dirección de su superficie mayor como se puede observar en la Figura 39. Es ese el motivo de colocar esos útiles de aluminio referidos anteriormente en el apartado 2.


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Figura 39. Dirección de aplicación de la fuerza en las probetas de G1C.

Para calcular la energía de fractura se necesita conocer la longitud de la grieta. Esto se hace marcando dos puntos distanciados 100 mm en el perfil de la probeta.

Cuando la probeta se esté delaminando, hay que anotar el momento cuando grieta llegue a cada uno de esos dos puntos. Estos dos puntos serán el punto inicial y final de la integración en la gráfica fuerza-desplazamiento, para calcular la energía de tenacidad a fractura.

: Energía de fractura interlaminar ( )

donde:

A es la energía para conseguir la total propagación de la grieta en J.

a: es la longitud de la grieta propagada (longitud final menos longitud inicial) en mm.

w: es el Ancho del espécimen en mm.

Para la realización de este ensayo se usarán las instalaciones del LERM

En la Figura 40 podemos ver las probetas usadas para este ensayo:


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Figura 40. Probetas para el ensayo de determinación de energía de tenacidad a fractura interlaminar.

3.5 ENSAYO DE IMPACTO

Con el ensayo de impacto se va a comparar el comportamiento del tejido de carbono al introducir el Nomex en él con su comportamiento sin Nomex.

El ensayo se realiza usando un peso que cae desde una altura determinada y cuya punta tiene forma semiesférica. La resistencia al daño se cuantifica en función del tamaño resultante y el tipo de daño en el espécimen. La respuesta al daño también es función de la configuración del ensayo. La estructura necesaria para realizar este ensayo y la forma del percutor se pueden ver en la Figura 41.


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Figura 41. Estructura necesaria para el ensayo de impacto [27].

La respuesta de una placa laminada a este tipo de impactos depende de los siguientes factores:

Espesor del laminado.

Apilado del laminado.

Condiciones ambientales.

Geometría del laminado.

Masa del percutor.

Geometría del percutor.

Velocidad del percutor.

Energía del impacto.

Condiciones de contorno.

Por tanto, es importante que cualquier cambio de alguna de estas condiciones entre un ensayo y otro quede reflejado.

Todos los parámetros externos del ensayo, como la geometría del soporte del espécimen en el impacto o la masa y geometría del percutor están descritos en la norma del ensayo. También se describe la geometría y apilado de los especímenes, que son los que se han descrito en el apartado 2.

Antes de realizar el ensayo hay que calcular la energía nominal de impacto, la altura desde donde se suelta el percutor y, después, calcular la velocidad de impacto y la energía de impacto calculada:


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Energía potencial del impacto, E (J):

donde:

es el coeficiente de energía de impacto entre el espesor del

espécimen, 6.7 J/mm.

h es el espesor del espécimen en mm.

Altura del percutor para el impacto, H (m):

donde:

E es la energía potencial del impacto en J, calculada previamente.

md es la masa del percutor en kg.

g es la aceleración debida a la gravedad, 9.81 m/s2.

Velocidad de impacto (m/s):

donde:

g es la aceleración debida a la gravedad, 9.81 m/s2.

H es la altura del percutor en m.

Para el ensayo de impacto se usarán las diez probetas de la Figura 42.


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Figura 42. Probetas para los ensayos de impacto y compresión después de impacto.

Para este ensayo se van a usar los equipos disponibles en la empresa TEAMS (Testing and Engineering of Aeronautical Materials and Structures, S. L.). Estos equipos son la mesa calibrada de impacto, el percutor (de masa 4.47 kg) y una punta hemisférica de diámetro 16 mm. Las medidas posteriores al impacto, que tienen que ser de una precisión de 0.025 mm, se realizarán con un micrómetro de profundidad.

Los pasos para la realización del ensayo son los siguientes:

Medida del espesor en cuatro puntos diferentes de cada probeta. Con estas cuatro medidas se calcula la media.

Se marca el centro de cada probeta con dos líneas (una horizontal y otra vertical), este punto será donde el percutor contacte con la probeta. También se marcan otros cuatro puntos equidistantes del centro en 20 mm y situados en la línea horizontal y vertical. En estos puntos se volverá a medir el espesor de la probeta después del impacto y se compararán con el punto de hundimiento máximo.

Teniendo el espesor de las probetas se calcula la energía de impacto y la altura necesaria para que el percutor aplique esa energía.

La probeta es centrada en el soporte de la placa y fijada a ésta usando las prensillas.

Alzamos el percutor hasta la altura correspondiente a la energía que se le aplica al ensayo y dejamos caer la masa sobre la probeta. Justo después del primer impacto hay que introducir un elemento encima de la probeta para evitar que el percutor vuelva a caer en la probeta al rebotar.

Medimos inmediatamente la diferencia de espesores en la probeta. Lo hacemos en los cuatro puntos a 20 mm del lugar impacto (marcados anteriormente) y en el punto de mayor profundad. Con esto obtenemos el hundimiento medio de la probeta:


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Con esto tendremos una medida relativa del daño causado por el percutor en cada espécimen.

Por último, se inspeccionan las probetas por ultrasonidos y se marca la zona de delaminación provocada por el impacto.

3.6 ENSAYO DE COMPRESIÓN DESPUÉS DE IMPACTO

Este ensayo se realiza para calcular la resistencia residual a compresión que tiene el laminado después de haberle realizado el ensayo de impacto.

El ensayo va a ser realizado sin galgas extensométricas, ya que únicamente interesa la carga última que pueden resistir los especímenes tras haber sido impactados. Es necesario un útil auxiliar anti-pandeo que se puede ver en la Figura 43.

Figura 43. Útil del ensayo de compresión después de impacto.

Este útil guía la posición de la probeta mediante apoyos empotrados en los cuatro lados del espesor. Se aprietan y se pone otro apoyo en la parte superior. El objetivo es que la probeta quede completamente sujeta y lo más encuadrada posible, para evitar posibles pandeos de la probeta que harían romper a la misma a una carga bastante más baja de la real. Este soporte y sus medidas están especificados en la norma del ensayo [25].

Posteriormente se aplica la carga en dirección vertical provocando una compresión uniaxial.

Estos son los valores que obtendremos del ensayo:


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Última resistencia residual a compresión , (MPa):

donde:

es la máxima fuerza que resiste el espécimen en N.

A es el área de la sección, , en

Para cada serie de ensayos hay que calcular las variables estadísticas que permiten conocer la media, la desviación estándar y el coeficiente de variación.

Para este ensayo, de impacto se usarán las diez probetas del ensayo de impacto tras ser realizado este.

Para este ensayo también se usarán los equipos disponibles en la empresa TEAMS: la máquina universal de ensayos, un equipo de adquisición de datos y el útil de compresión después de impacto.

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