ASTM D3039 Ensayo de tracción en composites
En el ensayo de tracción según ASTM D3039 / ASTM D3039M se determinan los valores característicos elásticos del módulo de tracción y el coeficiente de Poisson, así como la resistencia a la tracción de los materiales compuestos. Esto incluye laminados compuestos de fibra unidireccional (UD) y multidireccional (MD) reforzados con fibra continua, aunque los laminados MD pueden consistir en capas simples de UD, tejido u otras arquitecturas de fibra textil. También pueden ensayarse compuestos de plástico reforzado con fibra (FRP) con fibras de refuerzo discontinuas y distribuidas aleatoriamente (por ejemplo, los compuestos de moldeo en láminas - SMC).
Las normas más utilizadas para los ensayos de tracción de plásticos reforzados con fibras largas o continuas son la ISO 527-4 (condiciones de ensayo para plásticos reforzados con fibras isotrópicas y anistrópicas) y la ISO 527-5 (condiciones de ensayo para plásticos reforzados con fibras unidireccionales).
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Objetivo del ensayo y valores característicos determinados según ASTM D3039
Los ensayos de tracción para composites según la norma ASTM D3039 se realizan, entre otras cosas, para determinar las propiedades de tracción durante el desarrollo y la calificación de materiales, para determinar los valores característicos para el trazado y el diseño de estructuras compuestas, así como en el control de la calidad.
Independientemente del tipo de refuerzo de fibra, en la norma ASTM D3039 se determinan los siguientes resultados y valores característicos:
- Tensión a tracción: Fuerza referida a la sección inicial de la probeta
- Deformación longitudinal: Variación de la longitud de medición con respecto a la longitud inicial
- Deformación transversal: Variación de la longitud de medición con respecto a la longitud inicial en la dirección transversal (sólo es necesario si se va a determinar el coeficiente de Poisson).
- Módulo de tracción: Pendiente de la curva tensión-deformación en un intervalo de deformación especificado en la zona elástica. También denominado módulo de elasticidad o módulo E, abreviado.
- Resistencia a la tracción: Valor máximo del esfuerzo de tracción determinado en el ensayo de tracción
- Alargamiento de rotura: Longitud de rotura al alcanzar la resistencia a tracción
- Coeficiente de Poisson: relación negativa de deformación transversal respecto a extensión longitudinal
Para los plásticos reforzados con fibras con comportamiento bilineal tensión-deformación, puede determinarse un valor característico adicional:
- Deformación transitoria (transition strain): Valor medio de la deformación axial en la zona de transición. Normalmente se determina a partir de la curva esfuerzo-deformación axial.
Tanto la norma ASTM D3039 como las normas ISO 527-4 / ISO 527-5 definen los requisitos para el ensayo de composites. A pesar de la similitud de los métodos de ensayo, los valores característicos determinados no son completamente comparables, ya que las formas y dimensiones de las probetas, así como la determinación del valor característico son parcialmente diferentes (por ejemplo, el intervalo de deformación para el módulo de tracción y la deformación transitoria del valor característico mencionado arriba).
Para simplificar el procedimiento de ensayo, se pueden utilizar programas de ensayo testXpert preconfeccionados con todos los ajustes de acuerdo con las normas ASTM D3039.
Mordazas y unidad de alineación para resultados de ensayo fiables según ASTM D3039
Para realizar el ensayo de tracción según la norma ASTM D3039, la probeta de tracción correspondiente se sujeta en las mordazas de una máquina de ensayos estáticos. Se recomienda comprobar periódicamente la correcta alineación de las mordazas de acuerdo con la norma ASTM E1012. Para los laboratorios de ensayos de la industria aeronáutica y aeroespacial acreditados por Nadcap, la verificación de la alineación es obligatoria.
Las mordazas mecánicas de cuerpo acciona cuña o mordazas hidráulicas de cuerpo acciona cuña son ideales para este requisito. Si no se requiere prueba de alineación, también pueden utilizarse mordazas de tornillo de cuña con capacidad de alineación limitada.
Sistema modular de ensayos de materiales compuestos
Los laboratorios grandes con un volumen de ensayos elevado utilizan diferentes máquinas para la gran variedad de métodos 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 modular, 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.
Máquinas de ensayos de tracción para ASTM 3039
Para los ensayos de tracción según ASTM D3039 con probetas normalizadas y para muchos otros métodos de ensayo normalizados de plásticos reforzados con fibras, a menudo basta con utilizar una máquina de ensayos de 100 kN. Con la configuración de la máquina de 100 kN que se muestra a la derecha, el uso de mordazas mecánicas de cuerpo acciona cuña facilita el cambio entre diferentes configuraciones y dispositivos de ensayo. Simplemente retirando las mordazas, todo el espacio de trabajo de la máquina de ensayos puede utilizarse también para ensayos no estándar. Los pies permiten un ajuste individual y ergonómico de la altura del espacio de trabajo.
Si sólo se ensayan plásticos reforzados con fibra de vidrio (PRFV), suele bastar con una máquina de ensayos estática con una fuerza máxima de 50 kN.
Extensómetro para la medición de la deformación según ASTM D3039
Para la correcta determinación de los valores característicos elásticos y del alargamiento de rotura, se requiere una medición directa de la deformación en la probeta. Para determinar el módulo de elasticidad y el alargamiento de rotura, basta con medir el alargamiento longitudinal. Si también desea determinar el coeficiente de Poisson, necesitará un sistema de medición de la deformación biaxial con el que también pueda medirse la deformación transversal. Para la medición de la deformación se admiten bandas extensométricas, sistemas de medición por contacto como los extensómetros clip-on (limitación: no hasta la rotura de la probeta) o extensómetros automáticos con brazo sensor (makroXtens, multiXtens) o también sistemas ópticos de medición sin contacto (videoXtens).
Condiciones de ensayo ASTM D3039
Velocidad de ensayo
La norma ASTM D3039 prevé dos opciones de ajuste de la velocidad de ensayo.
Una es fijando una velocidad de deformación constante de 0,01 min-1 (valor nominal). Otra, es realizar el ensayo a una velocidad constante de 2 mm/min (valor nominal).
- Fallo de probeta válido
Para la documentación del fallo de la probeta, la norma ASTM D3039 proporciona un código de 3 letras que define de forma exclusiva el modo de fallo y la posición a lo largo de la probeta sujeta. El fallo no se considera válido cuando la fractura se produce en las mandíbulas, en la transición o a una distancia del ancho de probeta a las mordazas. Sin embargo, los ensayos de tracción rectos a 0° UD suelen mostrar un fallo explosivo de alta energía en el que se fragmenta toda el área libre de la probeta. Por lo tanto, este fallo suele clasificarse como fallo válido.
Rango de temperatura
Dado que las propiedades mecánicas de los plásticos reforzados con fibras dependen en gran medida de la temperatura, además de los ensayos de tracción a temperatura ambiente se realizan ensayos a temperaturas bajas y elevadas. Para ello, la máquina de ensayos puede equiparse con una cámara de temperatura adecuada para un rango de temperaturas de -80°C a 360°C.
Probetas y dimensiones de conformidad con ASTM D3039
| Tipo de probeta / laminado | Representación gráfica de la forma de la probeta (simplificada, no está a escala) | Nota sobre el uso de tiras de refuerzo |
|---|---|---|
| Laminado UD de 0° |  |
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| Laminado UD de 90° |  |
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| Laminados UD multidireccionales y de tejido, laminados reforzados con fibras discontinuas con orientación aleatoria de las fibras (por ejemplo, SMC). |  | Para laminados multidireccionales UD o de tejido o para probetas de laminados discontinuos reforzados con fibra con orientación de fibra aleatoria, a menudo es suficiente el uso de tela abrasiva en lugar de elementos de aplicación de fuerza adheridos. |
- Los elementos de aplicación de fuerza adheridos (tiras de refuerzo) no son obligatorios, pero son muy recomendables para los laminados UD a fin de evitar roturas de sujeción no válidas (rotura junto o dentro de la mandíbula).
- El laminado de plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV) con una orientación de las fibras de ±45° respecto a la dirección de la carga en la probeta de tracción ha demostrado su eficacia como material de refuerzo encolado.
- Las especificaciones definidas en la norma ASTM D3039 para la geometría de la probeta para los respectivos tipos de laminado son recomendaciones y permiten la comparar los resultados entre diferentes laboratorios. Se permiten desviaciones en las dimensiones de las probetas siempre que se respeten las recomendaciones generales para la geometría de las probetas indicadas en la norma.
- La longitud de medición L0 cuando se utilicen sistemas de medición de la deformación con o sin contacto deberá estar entre 10 y 50 mm.
Información adicional sobre la norma ASTM D3039
- La norma ASTM D3039 permite utilizar los parámetros de ensayo y las dimensiones de las probetas tanto en el sistema de unidades internacional (SI) como en el sistema de unidades imperial (pulgada-libra). Sin embargo, es importante evitar mezclar los dos sistemas de unidades, ya que puede dar lugar a resultados no conformes con la norma.
- Para determinar las propiedades de tracción a nivel de una sola capa, siempre se producen compuestos multicapa en los que cada capa individual está orientada de la misma manera. Esto incluye, en particular, los laminados UD de 0° o 90°. En el caso de los compuestos multicapa fabricados con compuestos tejidos con la misma orientación en, también se habla de las propiedades mecánicas en la dirección de la urdimbre y de la trama.
- Además de realizar ensayos de tracción con fines de desarrollo de materiales, calificación de materiales y garantía de calidad, los valores característicos determinados a nivel monocapa también se utilizan en el diseño de estructuras de materiales compuestos para métodos de cálculo analítico. Con ayuda de la teoría clásica de los laminados, las propiedades elásticas de un compuesto multicapa multidireccional pueden calcularse a partir de los valores característicos de cada una de las capas. Las resistencias de las capas a nivel individual se utilizan, entre otras cosas, para el cálculo de criterios de fallo como Max. Stress, Hashin, Puck o LaRC.
- Dado que las propiedades mecánicas de un compuesto multicapa dependen de la orientación de las respectivas capas individuales, cada compuesto multicapa con capas de distinta orientación presenta diferentes propiedades mecánicas de tracción. Por lo tanto, las propiedades mecánicas del material de los plásticos reforzados con fibras sólo surgen durante la fabricación del laminado. El propio proceso de fabricación influye significativamente en los valores característicos resultantes. Por ello, se realizan ensayos mecánicos para comprobar cómo influye el proceso de fabricación en las propiedades mecánicas de un laminado de plástico reforzado con fibra (FRP).
Preguntas frecuentes sobre el ensayo de tracción de composites según ASTM D3039
ASTM D638 es el método de ensayo estándar para determinar las propiedades de tracción de plásticos reforzados y no reforzados utilizando probetas de tipo halterio. Cuando se utilizan fibras continuas o discontinuas con un módulo de >20GPa como refuerzo, la norma ASTM D638 hace referencia al método de ensayo estándar ASTM D3039 para determinar las propiedades de tracción de los compuestos de matriz polimérica. En la norma ASTM D3039 se utilizan probetas rectangulares. Los ensayos de tracción en plásticos especialmente reforzados con fibra de carbono o de vidrio (PRFC, PRFV) con fibras continuas alcanzan cargas de ensayo significativamente mayores en comparación con los ensayos de tracción en plásticos no reforzados o reforzados con fibras cortas, por lo que se requiere el uso de una máquina de ensayos adecuada.
La norma ASTM D3039 establece un método de ensayo estándar para determinar las propiedades de tracción de los plásticos reforzados con fibras. Las fibras de refuerzo de alto módulo pueden ser fibras continuas o discontinuas con orientación aleatoria de las fibras. Las dimensiones recomendadas de las probetas rectangulares en la norma ASTM D3039 dependen del tipo de laminado compuesto que se ensaye (por ejemplo, unidireccional a 0°, unidireccional a 90°, multidireccional o discontinuo aleatorio).
El espesor de la probeta para la norma ASTM D3039 depende del tipo de laminado cuyas propiedades de tracción se vayan a determinar. La norma ASTM D3039 recomienda un espesor de probeta de 1 mm para ensayos de tracción unidireccionales (UD) a 0° y de 2 mm para ensayos de tracción UD a 90°. Para laminados multidireccionales o laminados con orientación de fibra discontinua aleatoria, el espesor recomendado de la probeta es de 2,5 mm. También se hacen las recomendaciones correspondientes para la longitud total, el ancho, la longitud y el espesor de las tiras de refuerzo de las probetas.
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