Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf

5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf

1/30

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

Estructuras de

Materiales Compuestos

Ensayos normalizados de caracterizacin


2/30

Objetivos

2

Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin

Determinacin de las propiedades bsicas de la lmina comoentrada 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


3/30

Tipos de ensayos

3


Caracterizacin de los materiales constituyentes

Caracterizacin de las propiedades de lmina

Determinacin de propiedades interlaminares

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

Comportamiento y falla particular (borde libre, agujeros,

uniones, drop-offs)

Verificacin de la integridad estructural por medio de ensayosno-destructivos



4/30

Caracterizacin mecnica de fibras

4


Determinacin del mdulo elstico y la resistencia a traccinSingle filament test method ASTM D3379-89

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



5/30

Caracterizacin mecnica de fibras

5


Determinacin del mdulo de corteCiertas fibras presentan un gran nivel de anisotropa (Kevlar), y por lo

tanto puede resultar til determinar el mdulo de corte transversal de la fibra.



6/30

Caracterizacin mecnica de matriz

6


Las probetas de ensayo de matriz polimrica se extraen deuna placa colada. La geometra de dichas probetas es

prismtica o hueso de perro, de acuerdo al espesor de la

placa

Normas:ASTM D638-02 y 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 Poissonnm y la resistencia a traccin Fmt Como se supone que la matriz es istropa, con un solo

experimento se caracteriza la matriz



7/30

Caracterizacin mecnica de interfase

7


Fiber pullout testSe 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 fallade la fibra, entonces se producir la prdida

de adherencia. Esta ltima comienza en el

borde libre del bloque y progresa hacia

adentro.



8/30

Caracterizacin de densidad

8


Norma:ASTM D792-001. 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 23C se determina a partir de la siguiente

frmula:


0.9975aa 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


9/30

Caracterizacin fraccin volumtrica

9


Si se sabe que el nivel de porosidad del material esdespreciable, 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

ff m

V


10/30

Caracterizacin fraccin volumtrica

10


Norma:ASTM D2584-02Ignition 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 (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


11/30

Caracterizacin de porosidad

11


Norma:ASTM D2734-94A 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 mvc c

W W WVW


12/30

Coeficientes de expansin trmica

12


Extensmetros de estampillaUn mtodo prctico de medir los

coeficientes de expansin trmica de

una lmina (a1 y a2) consiste en la

utilizacin de strain gages. Sin embargo,

se debe compensar la medicin por lavariacin de temperatura (tambin

afecta la resistividad).

Un mtodo consiste en utilizar una

tercera estampilla en un material de

coeficiente de expansin conocidodentro 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


13/30

Coeficientes de expansin higroscpica

13


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 WcV W


14/30

Ensayos de traccin

14


Norma:ASTM D3039/D3039M-00 Los ensayos de traccin uniaxial permiten determinar las

siguientes propiedades:

o E1,E2 = Mdulo elstico longitudinal y transversal

o n12,n21 = 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 tabs de fibra

de vidrio - epoxi pegados en los extremos



15/30

Traccin longitudinal

15


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 latensin

Se suele instrumentar con dos

estampillas perpendiculares

para obtener la contraccin y,

por lo tanto, el primercoeficiente de Poisson



16/30

Traccin transversal

16


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 latensin

Se suele instrumentar con una

sola estampilla ya que el

segundo coeficiente de Poisson

se obtiene a partir del primero ylos mdulos elsticos



17/30

Ensayos de compresin

17


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



18/30

Dispositivo IITRI

18



IITRI(Illinoise Institute of TechnologyResearch Institute)


19/30

Ensayo de compresin

19


Las probetas son muy gruesas ylos tabs muy largos para evitar

el pandeo.

Se colocan estampillas de

ambos lados del laminado paraasegurar que la falla se produce

por compresin y no por

pandeo



20/30

Ensayo de laminados sndwich

20


Normas:ASTM C364-99 yASTM 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 apoyosh = espesor de laminado compuesto

Fxc= resistencia a compresin del compuesto

Fcs = resistencia a corte del ncleo


21/30

Ensayo de laminados sndwich

21


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


22/30

Ensayos de corte

22


Para completar la caracterizacin de una lmina en el planose 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 g6u = 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. Rail shear test

4. Torsion test



23/30

Probetas [45]2S

23


Norma:ASTM D3518M-94 Las probetas poseen las mismas

dimensiones que las probetas de

traccin transversal


12

2 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

g


24/30

Probetas [45]2S

24


Comportamiento no-lineal

Curso 2012

Facultad de Ingeniera - UNLP

12

2 2 1

x x

x y xy

EG

Pequea sobre-estimacin

de la resistencia a cortedebido al confinamiento de

las lminas adyacentes


25/30

10 Off axis test

25


El ngulo de 10 se selecciona paraminimizar los efectos de las

tensiones normales 1y 2

Se instrumenta con dos estampillas,

y la diferencia de lecturas indica ladistorsin

Curso 2012


6 A Bg

6 cos 0.171x xsen

d l l d d


26/30

Rail shear test

26


Norma:ASTM D4255M-01 Two-rail shear testo three-rail test

Curso 2012


6

2Plh

6 452 x g

E d M i l C E li d d i i


27/30

2

1

12 3 3

1

6

10 5

PbE wG

E hw Pb

Rail shear test modificado

27


Permite la utilizacin deprobetas de traccin. La

deformacin de corte se

obtiene por medio de un

extensmetro.

La teora de vigas de

Timoshenko permite

tener en cuenta los

efectos de la flexin al

determinar el mdulo de

corte.

Curso 2012


E t t d M t i l C t E li d d t i i


28/30

Torsion test

28


Se utiliza un tubo hueco sometido a torsin. La tensinmxima se desprende de la teora de Saint-Venant:

Curso 2012


0

6 max 4 4

0

2

i

Tr

r r

6 max 452 x g

E t t d M t i l C t E li d d t i i


29/30

Resistencia a corte interlaminar

29


Es una medida de la resistencia a corte de la matriz entrelminas

El ensayo ms utilizado es el de flexin de viga a corte con

tres apoyos

El bloque se mecaniza de un laminado unidireccionalrelativamente grueso (al menos 16 lminas)

Si la viga es suficientemente corta con respecto al espesor, la

falla interlaminar ocurrir en el plano medio como una

delaminacin. Para asegurar este tipo de falla, se debe

asegurar que:

Curso 2012


1

31

2 FL

h F



30/30

Resistencia a corte interlaminar

30


La resistencia a corte interlaminar F31 se obtiene de ladistribucin de corte de una viga de seccin rectangular:

Curso 2012


31

3

4

PF

bh

Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf

Documents

Transcript of Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf