Clase 11 - Ensayos Normalizados de Caracterizacion

Ing. Gastn Bonet - Ing. Cristian Bottero - Ing. Marco Fontana

Estructuras de Materiales Compuestos

Ensayos normalizados de caracterizacin

Objetivos

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Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin

Determinacin de las propiedades bsicas de la lmina como entrada para el anlisis y diseo estructural

Investigacin y verificacin de predicciones analticas del desempeo mecnico

Estudio experimental independiente del comportamiento de geometras especficas bajo estados de carga especficos

Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP

Tipos de ensayos

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Caracterizacin de los materiales constituyentes

Caracterizacin de las propiedades de lmina

Determinacin de propiedades interlaminares

Comportamiento del material bajo condiciones de carga especficos (multiaxial, fatiga, creep, impacto, dinmico, etc.)

Comportamiento y falla particular (borde libre, agujeros, uniones, drop-offs)

Verificacin de la integridad estructural por medio de ensayos no-destructivos


Caracterizacin mecnica de fibras

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Determinacin del mdulo elstico y la resistencia a traccin

Single filament test methodASTM D3379-89

El rea transversal de la seccin se obtiene mediante la ayuda de un microscopio


Caracterizacin mecnica de fibras

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Determinacin del mdulo de corte

Ciertas fibras presentan un gran nivel de anisotropa (Kevlar), y por lo tanto puede resultar til determinar el mdulo de corte transversal de la fibra.


Caracterizacin mecnica de matriz

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Las probetas de ensayo de matriz polimrica se extraen de una placa colada. La geometra de dichas probetas es prismtica o hueso de perro, de acuerdo al espesor de la placa

Normas: ASTM D638-02y D882-02

Se mide la deformacin por medio de extensmetros (estampillas o instrumento)

Del ensayo de traccin se obtiene el mdulo elstico Em, el coeficiente de Poisson m y la resistencia a traccin FmtComo se supone que la matriz es istropa, con un solo experimento se caracteriza la matriz


Caracterizacin mecnica de interfase

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Fiberpullouttest

Se traccionauna 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 producir la prdida de adherencia. Esta ltima comienza en el borde libre del bloque y progresa hacia adentro.


Caracterizacin de densidad

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Norma:ASTM D792-00

1. Se pesa la muestra en aire

2. Se une la muestra a una balanza analtica por medio de un alambre fino, y se pesa mientras la muestra y una porcin del alambre estn sumergidas en agua destilada

3. Se pesa el alambre solo, con la misma parte sumergida

La densidad del material a 23Cse determina a partir de la siguiente frmula:


0.9975a

a w b

= densidad (g/cm3)

a = peso de la muestra en aire

b = peso aparente de la muestra y parte de alambre sumergidos

w = peso aparente del alambre parcialmente sumergido

Caracterizacin fraccin volumtrica

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Si se sabe que el nivel de porosidad del material es despreciable, se puede estimar la fraccin volumtrica a partir de la siguiente relacin gravimtrica:

c = densidad del compuesto

m = densidad de la matriz

f = densidad de la fibra


c m

f

f m

V

Caracterizacin fraccin volumtrica

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Norma: ASTM D2584-02

IgnitionorBurnoutmethod

Una muestra de material compuesto se seca en horno, se pesa y luego se calienta en un crisol hasta que la matriz (orgnica) se quema completamente. Luego se remueven las cenizas, se seca y se pesa el remanente.

Wc = peso del compuesto

Wf = peso del remanente


f f

f

c c

WV

W

Caracterizacin de porosidad

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Norma: ASTM D2734-94

A partir del ensayo anterior, tambin se puede determinar la fraccin volumtrica de porosidad o vacos.

Esta estimacin es muy sensible a errores de medicin, por lo cual se suelen utilizar otros mtodos.


/1

f f c f m

v

c c

W W WV

W

Coeficientes de expansin trmica

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Extensmetros de estampilla

Un mtodo prctico de medir los coeficientes de expansin trmica de una lmina ( 1 y 2) consiste en la utilizacin de straingages. Sin embargo, se debe compensar la medicin por la variacin de temperatura (tambin afecta la resistividad).

Un mtodo consiste en utilizar una tercera estampilla en un material de coeficiente de expansin conocido dentro del mismo ambiente


tc ac ar tr

tc = deformacin real del compuesto

ac = deformacin aparente del compuesto

tr = deformacin real del material de referencia

ar = deformacin aparente del material de referencia

Coeficientes de expansin higroscpica

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Se secan las probetas en un horno a 65C durante aproximadamente dos horas

Luego se sumergen en agua dentro de un horno a 50C

La deformacin se puede medir con micrmetro o estampillas, sin embargo, las estampillas pueden interferir en el proceso de difusin de la humedad.

El incremento de peso de la muestra indica la variacin de humedad absorbida


w w w

c c c

V Wc

V W

Ensayos de traccin

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Norma: ASTM D3039/D3039M-00

Los ensayos de traccin uniaxial permiten determinar las siguientes propiedades:

o E1,E2 = Mdulo elstico longitudinal y transversal

o 12, 21 = Primer y segundo coeficiente de Poisson

o F1t,F2t = Resistencia a traccin longitudinal y transversal

o 1tu, 2t

u = Deformacin especfica mxima longitudinal y transversal

Las probetas de ensayo poseen lados rectos y tabsde fibra de vidrio - epoxi pegados en los extremos


Traccin longitudinal

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El espesor aconsejado es de entre 0.5mm y 2.5mm

Se adquiere tanto la carga como la deformacin, y por medio de la medicin precisa de la seccin transversal, se obtiene la tensin

Se suele instrumentar con dos estampillas perpendiculares para obtener la contraccin y, por lo tanto, el primer coeficiente de Poisson


Traccin transversal

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El espesor aconsejado es de entre 0.5mm y 2.5mm

Se adquiere tanto la carga como la deformacin, y por medio de la medicin precisa de la seccin transversal, se obtiene la tensin

Se suele instrumentar con una sola estampilla ya que el segundo coeficiente de Poissonse obtiene a partir del primero y los mdulos elsticos


Ensayos de compresin

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Norma: ASTM D3410M-03

El ensayo de compresin de materiales compuestos es el ms complejo debido a la tendencia de falla prematura por pandeo o aplastamiento

El ensayo es muy sensible a desalineaciones, geometra defectuosa, excentricidad de carga, etc.

Se han desarrollado muchos mtodos de ensayo para la obtencin de las caractersticas compresivas de materiales compuestos


Dispositivo IITRI

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IITRI(IllinoiseInstitute of Technology Research Institute)

Ensayo de compresin

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Las probetas son muy gruesas y los tabsmuy largos para evitar el pandeo.

Se colocan estampillas de ambos lados del laminado para asegurar que la falla se produce por compresin y no por pandeo


Ensayo de laminados sndwich

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Normas: ASTM C364-99y ASTM C393-00

Los paneles sndwich se pueden ensayar a compresin o flexin

La distancia entre apoyos no debe exceder 12 veces el espesor del sndwich

El ensayo de flexin se realiza en cuatro apoyos para asegurar flexin pura. La falla por compresin esta asegurada cuando:


4 xc

cs

FL

h F

L= distancia entre apoyos

h = espesor de laminado compuesto

Fxc= resistencia a compresin del compuesto

Fcs= resistencia a corte del ncleo

Ensayo de laminados sndwich

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La viga se carga a travs de tacos de goma

Las deformaciones se miden por medio de estampillas

La tensin del laminado ser, despreciando la tensin normal en el ncleo:


4 2 '

x

x

N PL

h bh H h h

Ensayos de corte

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Para completar la caracterizacin de una lmina en el plano se requiere determinar:

o G12 = mdulo de corte en el plano de la lmina

o F6 = Resistencia a corte en el plano de la lmina

o 6u = distorsin mxima en el plano de la lmina

Los mtodos ms utilizados para este ensayo son:

1. Probetas [45]2s

2. 10 off axis test

3. Railsheartest

4. Torsiontest


Probetas [45]2S

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Norma: ASTM D3518M-94

Las probetas poseen las mismas dimensiones que las probetas de traccin transversal


122 2 1

x x

x y xy

EG

1

2

6

2

2

2

x

xy

x

xy

x

1 2

6

2

x y

x y

Probetas [45]2S

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Comportamiento no-lineal


122 2 1

x x

x y xy

EG

Pequea sobre-estimacin de la resistencia a corte debido al confinamiento de las lminas adyacentes

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