clase 11 - ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
TRANSCRIPT
-
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
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
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
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
3/30
Tipos de ensayos
3
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
4/30
Caracterizacin mecnica de fibras
4
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
5/30
Caracterizacin mecnica de fibras
5
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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.
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
6/30
Caracterizacin mecnica de matriz
6
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
7/30
Caracterizacin mecnica de interfase
7
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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.
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
8/30
Caracterizacin de densidad
8
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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:
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
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
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
9/30
Caracterizacin fraccin volumtrica
9
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
c m
ff m
V
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
10/30
Caracterizacin fraccin volumtrica
10
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
f f
f
c c
WV
W
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
11/30
Caracterizacin de porosidad
11
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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.
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
/1 f f c f mvc c
W W WVW
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
12/30
Coeficientes de expansin trmica
12
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
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
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
13/30
Coeficientes de expansin higroscpica
13
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
w w w
c c c
V WcV W
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
14/30
Ensayos de traccin
14
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
15/30
Traccin longitudinal
15
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
16/30
Traccin transversal
16
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
17/30
Ensayos de compresin
17
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
18/30
Dispositivo IITRI
18
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
IITRI(Illinoise Institute of TechnologyResearch Institute)
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
19/30
Ensayo de compresin
19
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
20/30
Ensayo de laminados sndwich
20
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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:
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
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
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
21/30
Ensayo de laminados sndwich
21
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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:
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
4 2 'x
x
N PL
h bh H h h
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
22/30
Ensayos de corte
22
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
23/30
Probetas [45]2S
23
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
Norma:ASTM D3518M-94 Las probetas poseen las mismas
dimensiones que las probetas de
traccin transversal
Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP
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
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
24/30
Probetas [45]2S
24
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
25/30
10 Off axis test
25
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Facultad de Ingeniera - UNLP
6 A Bg
6 cos 0.171x xsen
d l l d d
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
26/30
Rail shear test
26
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
Norma:ASTM D4255M-01 Two-rail shear testo three-rail test
Curso 2012
Facultad de Ingeniera - UNLP
6
2Plh
6 452 x g
E d M i l C E li d d i i
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
27/30
2
1
12 3 3
1
6
10 5
PbE wG
E hw Pb
Rail shear test modificado
27
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Facultad de Ingeniera - UNLP
E t t d M t i l C t E li d d t i i
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
28/30
Torsion test
28
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
Se utiliza un tubo hueco sometido a torsin. La tensinmxima se desprende de la teora de Saint-Venant:
Curso 2012
Facultad de Ingeniera - UNLP
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
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
29/30
Resistencia a corte interlaminar
29
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
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
Facultad de Ingeniera - UNLP
1
31
2 FL
h F
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
-
5/25/2018 Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion.pdf
30/30
Resistencia a corte interlaminar
30
Estructuras de Materiales Compuestos Ensayos normalizados de caracterizacin
La resistencia a corte interlaminar F31 se obtiene de ladistribucin de corte de una viga de seccin rectangular:
Curso 2012
Facultad de Ingeniera - UNLP
31
3
4
PF
bh