Ensayo de composites
Los plásticos reforzados con fibras (FRP) son una clase de materiales de alto rendimiento que, por sus excelentes propiedades mecánicas específicas en función del peso, muy buen comportamiento a la fatiga y gran flexibilidad de diseño, se utilizan principalmente para estructuras ligeras en los sectores aeronáutico y aeroespacial, de energía eólica, de automoción y otros. Por regla general, los compuestos laminados multicapa formados por capas individuales se utilizan para estructuras de paredes delgadas. El tipo de refuerzo de fibra va desde los compuestos unidireccionales reforzados con fibra continua (UD), de malla y tejido, hasta los FRP con fibras de refuerzo discontinuas y distribuidas aleatoriamente.
Para la caracterización mecánica de los materiales FRP con fines de desarrollo de materiales, calificación de materiales, garantía de calidad o para la determinación de valores característicos para el trazado y diseño de estructuras de materiales compuestos, existe un gran número de ensayos de materiales compuestos normalizados:
- Las propiedades mecánicas en las principales direcciones de carga de la capa simple, así como los valores característicos correspondientes de los compuestos laminados multicapa, se determinan con ensayos estáticos de tracción de composites, ensayos de compresión de composites y ensayos de cizalladura / cizallamiento.
- En el control de la calidad se utilizan a menudo ensayos estáticos simples, como los ensayos de flexión en composites o el ensayo para determinar la resistencia al cizallamiento interlaminar (Interlaminar Shear Strength, ILSS).
- Para comprender el comportamiento de delaminación de los laminados FRP de capas comunes, se realizan ensayos estáticos para determinar la tasa de liberación de energía interlaminar.
- En el caso de las estructuras compuestas utilizadas en la aviación, es relevante el ensayo de compresión tras impacto (CAI), en el que se determina la resistencia a la compresión residual estática de un laminado previamente dañado por la solicitación de impacto.
- Otros ensayos estáticos, necesarios principalmente para el diseño estructural, incluyen métodos de ensayo para determinar la resistencia a la compresión en cavidad abierta y la resistencia de las uniones adhesivas o roscadas.
- El comportamiento a la fatiga de los materiales y compuestos FRP se determina con ensayos bajo cargas cíclicas dinámicas.
Método de ensayo para composites:
Ensayos de tracción Ensayos de compresión Ensayos de cizallamiento Ensayos de flexión Ensayos ILSS Tasa de liberación de energía interlaminar Compression After impact (CAI) Resistencia a la compresión en cavidad abierta Ensayo de fatiga
Más información sobre el ensayo de composites:
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Vídeo: Introducción al ensayo de composites
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Obtenga más información sobre los métodos de ensayo básicos y equipos para el ensayo de materiales compuestos para el control de calidad y el diseño de estructuras compuestas:
- Aplicaciones de los materiales compuestos (a partir de 3:28)
- Ensayos de tracción y alineación (a partir de 15:32)
- Ensayos de compresión (a partir de 20:25)
- Ensayos de cizallamiento/cizalladura (a partir de 31:07)
- Ensayos de flexión (a partir de 37:58)
- ILSS / Resistencia al cizallamiento interlaminar (a partir de 42:21)
- Máquinas de ensayos estáticos y útiles de ensayo(a partir de 45:26)
- Medición de la deformación y la deflexión (a partir de 49:40)
Ensayos de tracción en composites
En el ensayo de tracción de materiales compuestos, se determinan los valores característicos elásticos del módulo de tracción y el coeficiente de Poisson, así como la resistencia a la tracción en las principales direcciones del material de los plásticos reforzados con fibras.
- Los métodos de ensayo más comunes para ensayos de tracción en composites son las normas ISO 527-4 e ISO 527-5, ASTM D3039, así como EN 2561 y EN 2597.
- La norma de Airbus AITM 1-0007 incluye las condiciones de ensayo tanto para los ensayos de tracción en laminados multidireccionales sin entalladura como para los ensayos de tracción con entalladura para determinar la resistencia a tracción, Open Hole Tension (OHT) y Filled Hole Tension (FHT). Los ensayos de tracción con y sin agujero, del tipo Open Hole y Filled Hole se utilizan principalmente en aeronáutica para determinar los factores de reducción de los laminados multidireccionales sometidos a cargas de tracción con agujero abierto o cerrado. Otros métodos de ensayo normalizados para determinar la resistencia a la tracción en agujeros abiertos y cerrados están definidos en ASTM D5766 y ASTM D6742.
Ensayos de compresión y ensayos de compresión con entalladura en composites
El ensayo de compresión de materiales compuestos determina el módulo de compresión y la resistencia a la compresión en las direcciones principales del material de los plásticos reforzados con fibras. Dado que la resistencia a la compresión en la dirección de las fibras del laminado suele ser inferior a la resistencia a la tracción, y que los tipos de fallo de un laminado FRP bajo carga de tracción y compresión son muy diferentes, el ensayo de compresión desempeña un papel importante en los ensayos de composites.
Existen numerosos métodos y normas de ensayos para el ensayo de compresión en composites, entre los que se distinguen tres principios de aplicación de carga:
- Ensayo de compresión con método de carga frontal (End Loading Compression) según las normas ASTM D695, DIN EN 2850 Tipo B o Boeing BSS 7260 Tipos III y IV
- Ensayo de compresión con aplicación de fuerza por cizallamiento (Shear Loading) según ASTM D3410, ISO 14126 método 1, DIN EN 2850 Tipo A y Airbus AITM 1-0008 probeta tipo A
- Ensayo de compresión con fuerza combinada de fuerza (Combined Loading) según ASTM D6641, ISO 14126 método 2, y Airbus AITM 1.0008 probeta tipo A
Además de los métodos de ensayo anteriores para determinar las características de compresión de los laminados sin entalladuras, existen ensayos de compresión con entalladura en composites normalizados para determinar la compresión Open Hole Compression (OHC) según ASTM D6484 y Filled Hole Compression (FHC) según ASTM D6742.
Junto con las características de compresión del laminado sin entalla, se pueden determinar los factores de reducción correspondientes para laminados multidireccionales sometidos a carga de compresión. Los ensayos de compresión con entalladura también se describen en las normas Airbus AITM 1.0008 y C Boeing BSS 7260 Tipo I.
Ensayos de cizalladura en composites
En el ensayo de cizalladura de materiales compuestos, se determinan las características de cizalladura en el plano de los plásticos reforzados con fibras, como el módulo de cizalladura y la resistencia a la cizalladura. En el caso de los materiales FRP con valores característicos distintos en las principales direcciones del material, el módulo de cizalladura debe determinarse siempre mediante ensayos de cizalladura propios, y no puede calcularse a partir de otros valores característicos elásticos, como ocurre, por ejemplo, con los materiales isotrópicos.
Se han establecido tres métodos de ensayo diferentes para determinar los parámetros de cizalladura y el comportamiento a cizalladura:
- Ensayo de tracción con laminado a ±45° según ISO 14129, ASTM D3518 y Airbus AITM 1-0002
- Ensayo de cizalladura V-Notched Beam (Iosipescu) según ASTM D5379
- Ensayo de cizalladura V-Notched Rail según ASTM D7078
Para el ensayo de tracción con laminado a ±45°, ensayo de cizalladura en el plano (In plane shear test) puede utilizarse el mismo montaje que para los ensayos de tracción. Sin embargo, es obligatorio registrar la deformación transversal, además de la deformación axial, para calcular la deformación por cizallamiento.
Para los ensayos de cizallamiento Iosipesu y V-Notched Rail se requieren probetas entalladas y los dispositivos de ensayo adecuados. En este caso, también es necesario medir la deformación biaxial. A menudo se utilizan bandas extensométricas biaxiales. De forma alternativa, la deformación puede medirse mediante Correlación de imágenes digitales (DIC, Digital Image Correlation).
Los ensayos de cizalladura de entalladura en V también pueden utilizarse para determinar las características de cizalladura fuera del plano (Out-of-Plane) si se dispone de laminados de espesor adecuado.
Ensayos de flexión de materiales compuestos
Gracias al montaje de ensayo comparativamente simple, la geometría y la fabricación de las probetas, así como el procedimiento del ensayo, los ensayos de flexión de composites se utilizan a menudo para garantizar la calidad o para realizar comparaciones rápidas de materiales. Se distingue entre los ensayos de flexión en 3 y 4 puntos. Los métodos de ensayo normalizados más comunes para el ensayo de flexión de plásticos reforzados con fibras son:
- Ensayo de flexión en 3 y 4 puntos según ISO 14125 y ASTM D7264
- Ensayo de flexión en 3 puntos según las normas EN 2562, EN 2746 y ASTM D790
- Ensayo de flexión en 4 puntos según ASTM D6272
Si el montaje de ensayo tiene la rigidez suficiente, o puede determinarse la flexibilidad del mismo y corregir en el software de ensayo, a menudo se permite utilizar la distancia de desplazamiento de la máquina en el ensayo de flexión en 3 puntos.
Sin embargo, para el ensayo de flexión en 4 puntos es necesario medir la flexión en el centro de la probeta con un sistema de medición de desplazamiento adecuado.
Resistencia a la cizalla interlaminar (Interlaminar shear strength (ILSS)
El ensayo para determinar la cizalla interlaminar (Interlaminar shear strength (ensayo ILSS) es uno de los ensayos estáticos más comunes para plásticos reforzados con fibras y se utiliza a menudo en el control de calidad. Sólo se necesita una probeta relativamente pequeña, el ensayo es rápido y fácil de realizar y, para la evaluación, sólo es relevante la fuerza máxima determinada en el ensayo.
Las normas de ensayo especificadas para el ensayo ILSS son ISO 14130, EN 2377, EN 2563 y ASTM D2344.
Las 4 normas describen una probeta rectangular, pero a veces utilizan dimensiones diferentes para la longitud, la anchura y el espesor de la probeta. La norma ASTM D2344 también describe una probeta curva, como la que podría tomarse de un recipiente a presión o de la pared de una tubería.
El dispositivo de ensayos utilizado para el ensayo ILSS debe ser capaz de cumplir las estrechas tolerancias exigidas por las normas en el montaje de ensayo.
Ensayos para determinar la tasa de liberación de energía interlaminar
La tasa crítica de liberación de energía y la tasa de liberación de energía durante crecimiento constante de la grieta se determinan mediante métodos de ensayo de mecánica de la fractura para comprender el comportamiento de delaminación en laminados compuestos. Para la fabricación de las probetas es necesario un laminado con el que se genera una grieta artificial en el plano central mediante una lámina de plástico muy fina y no adherente (a menudo se utilizan láminas de teflón).
Los más utilizados son los métodos con crecimiento de grieta por carga de tracción perpendicular a la superficie de la grieta (modo I) y los métodos de ensayo con crecimiento de grieta por carga de cizalladura en la sección transversal del laminado (modo II). Para la calibración de los métodos numéricos para el cálculo de la propagación de grietas en un laminado, existe un método de ensayo adicional para carga en modo mixto I+II:
- Mode I als Double Cantilever Beam (DCB) Test según ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM 1-0005 y Boeing BSS 7273
- Mode II als End-Notched Flexure (ENF) Test según ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM 1-0006 y Boeing BSS 7273
- Mode II als Calibrated End-Loaded Split (C-ELS) Test según ISO 15114
- Mixed Mode I+II als Mixed-Mode Bending (MMB) Test según ASTM D6671
Compression After Impact, (CAI) ensayo de compresión
El ensayo Compression After Impact (CAI)es un método de ensayo para determinar la resistencia residual a la compresión de un laminado tras un daño por impacto. La probeta a ensayar se daña previamente con las energías de impacto definidas en la norma de ensayo correspondiente. Este método permite extraer conclusiones sobre la tolerancia al daño de un laminado de material compuesto con el fin de garantizar la seguridad y fiabilidad de los componentes, especialmente en estructuras de material compuesto potencialmente sometidas a impacto en la industria aeronáutica.
Los siguientes métodos de ensayo normalizados se han establecido para el ensayo CAI: ASTM D7136 y ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1-0010 y Boeing BSS 7260 type II.
Resistencia a la cizalladura por tracción y resistencia de uniones y juntas
Además de las propiedades mecánicas de los laminados plásticos reforzados con fibras para el diseño de estructuras de materiales compuestos también se requieren ensayos para determinar la resistencia de las uniones y juntas.
Los métodos de ensayo normalizados utilizados para ello pueden dividirse a grandes rasgos en tres áreas:
- Resistencia de juntas solapadas (Lap Shear Test) según ASTM D5868, EN 6060 y Airbus AITM 1-0019
- Resistencia de laminados unidos mediante pernos y tornillos y Ensayos de cizalladura por tracción con carga en el plano laminado según las normas ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM 1-0009, AITM 1-0065 y AITM 1-0067
- Ensayos de tracción en uniones roscadas y remachadas (pull-through) con carga en el plano del laminado según las normas ASTM D7332 y Airbus AITM 1-0066
Ensayos de fatiga en materiales compuestos
Para determinar el comportamiento a la fatiga de los laminados compuestos y obtener las curvas S-N, se realizan principalmente ensayos cíclicos dinámicos bajo carga de tracción pulsante. Los ensayos dinámicos normalizados de materiales compuestos son ASTM D3479 e ISO 13003. La norma ISO 13003 describe además el ensayo de fatiga de materiales compuestos bajo carga dinámica cíclica de flexión.
Otros métodos normalizados de ensayo dinámico de composites son:
- Open Hole Tension y Open Hole Compression Fatigue según ASTM D7615
- Crecimiento de grieta interlaminar bajo carga de fatiga Modo I según ASTM D6115
- Fatiga de uniones atornilladas y ensayos dinámicos de resistencia a la cizalladura por tracción según ASTM D6873 y Airbus AITM 1-0074
- La norma Airbus AITM 1-0075 contiene información resumida sobre el procedimiento de los ensayos ILSS, ILTS, OHT & OHC, FHT & FHC, Pull-Through, CAI y Lap-Shear.
Máquina de ensayos modular para el ensayo de composites
Los laboratorios grandes con un volumen de ensayos elevado utilizan diferentes máquinas para la gran variedad de ensayos de composites y, de este modo, pueden minimizar el cambio de accesorios. Las máquinas de ensayos individuales se pueden adaptar al rango de fuerzas de los diferentes tipos de ensayo. Si el volumen de ensayos no es muy elevado ni frecuente para hacer una inversión en varios equipos de ensayos, puede resultar útil equipar una sola máquina para poder llevar a cabo el máximo número posible de ensayos con el mínimo tiempo posible.
Para ello, ZwickRoell ha desarrollado un concepto de máquina de ensayos modular para composites, disponible como máquina de ensayos estáticos de 100 kN o 250 kN, que cubre 21 métodos de ensayo y aprox. 120 normas de ensayo (ISO, EN, ASTM, así como Airbus AITM y Boeing BSS) y permite una caracterización amplia de materiales compuestos de fibras a temperatura ambiente o en ensayos con temperaturas bajas o elevadas de -80°C a +360°C.
