ISO 527-4 | ISO 527-5 ensayo de tracción compuestos de fibra
En el ensayo de tracción según ISO 527-4 e ISO 527-5 se determinan los valores característicos elásticos módulo de tracción y relación de Poisson, así como la resistencia a la tracción en las principales direcciones del material de los plásticos reforzados con fibras. La norma ISO 527-4 contiene las condiciones de ensayo para plásticos isotrópicos y anisotrópicos reforzados con fibras. Esto incluye los compuestos con refuerzos no unidireccionales, por ejemplo, mallas, tejidos o fibras cortadas, así como laminados multidireccionales hechos de capas individuales unidireccionales. La norma ISO 527-5 contiene las condiciones de ensayo para plásticos reforzados con fibras unidireccionales (UD). Ambas normas remiten a la ISO 527-1 para los principios generales de determinación de las propiedades de tracción.
Otra norma de uso frecuente para los ensayos de tracción de plásticos reforzados con fibras largas o continuas es la ASTM D3039, que contiene las condiciones de ensayo para los plásticos reforzados con fibras isótropicas y anisotrópicas y para los plásticos reforzados con fibras unidireccionales.
Objetivo y valores característicos Vídeo Procedimiento del ensayo y equipos Condiciones de ensayo Probetas y dimensiones Información adicional
Objetivo del ensayo y valores característicos determinados según ISO 527-4 e ISO 527-5
Los ensayos de tracción para plásticos reforzados con fibras 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 las fibras, las normas ISO 527-4 e ISO 527-5 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 entre la deformación transversal y la deformación longitudinal
Tanto la norma ISO 527-4, la ISO 527-5 como la ASTM D3039 definen las condiciones de ensayo para el ensayo de tracción de plásticos reforzados con fibras. 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 de los valores característicos son parcialmente diferentes (por ejemplo, el intervalo de deformación para el módulo de tracción).
Mordazas y unidad de alineación para obtener resultados de ensayo fiables según ISO 527-4 e ISO 527-5
Para realizar el ensayo de tracción según las normas ISO 527-4 e ISO 527-5, 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 ISO 23788 o 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 ISO 527-4 e ISO 527-5
Para los ensayos de tracción según ISO 527-4 e ISO 527-5 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.
Extensómetros para la medición de la deformación según ISO 527-4 e ISO 527-5
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).
Condice ensayo según ISO 527-4 e ISO 527-5
Velocidad de ensayo
La velocidad de ensayo constante que debe ajustarse depende del tipo de probeta y de la motivación del ensayo. En los ensayos de tracción para el control de calidad pueden fijarse velocidades más altas que en los ensayos de tracción para la caracterización de materiales.
- Fallo de probeta válido
Las probetas que se rompen dentro de las mordazas o en la transición de la mordaza a la zona no sujeta de la probeta no son válidas y deben sustituirse por nuevas probetas para obtener al menos 5 resultados de ensayo válidos.
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.
Probeta y dimensiones según ISO 527-4 / ISO 527-5
- l = longitud total de la probeta
- L = distancia entre las mandíbulas de las mordazas
- b = anchura de la probeta
- h = espesor del laminado FKV
- L0 = Longitud de medición recomendada para extensómetros (con o sin contacto): ISO 527-4 probeta tipo 4 L0 = 25 mm, para todos los demás tipos de probetas mencionados arriba L0 = 50 mm
| Norma | Tipo de probeta | Representación gráfica (simplificada, no está a escala) | Aplicación |
|---|---|---|---|
| ISO 527-4 | Tipo 1B tipo halterio |  |
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| Tipo 2 rectangular sin tiras de refuerzo |  |
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| Tipo 3 * rectangular con tiras de refuerzo |  |
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| Tipo 4 ** cónica sin tiras de refuerzo |  |
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| ISO 527-5 | Tipo A, Tipo B *** |  |
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- * Para las probetas de tipo 3 en ISO 527-4 y las probetas de tipo A y B en ISO 527-5, se aplican tiras de refuerzo pegadas a ambos lados de la probeta. El objetivo de estos elementos de aplicación de fuerza, que suelen estar adheridos al laminado que se va a ensayar, es reducir las concentraciones de tensión en la sujeción, para evitar las roturas de sujeción (rotura junto a o dentro de las mandíbulas de las mordazas). Para ello, las tiras de refuerzo de laminado de PRFV de ±45° han demostrado su eficacia. Siempre se utilizan tiras de refuerzo rectas, mientras que la norma ASTM D3039 admite tiras de refuerzo biseladas. También se admiten otros elementos de transmisión de fuerza no adheridos (por ejemplo, tela esmeril o papel de lija), siempre que se demuestre que se alcanzan las mismas resistencias y no hay mayor dispersión en los valores característicos.
- ** En el caso de la probeta de ensayo de tipo 4 recientemente incluida desde la norma ISO 527-4:2023, prevista para el ensayo de tracción sin tiras reforzadas en termoplásticos multidireccionales reforzados con fibras continuas, los resultados deben recalcularse si la fractura se produce fuera de la longitud de medición recta L0 = 25 mm en el centro de la probeta. El cálculo relacionado con la fractura de la resistencia a la tracción para la probeta de tipo 4 que figura en el anexo E de la norma ISO 527-4 ya está incluido en el programa de ensayos testXpert preconfigurado para la norma ISO 527-4:2023.
- *** Las probetas de tipo A y B de la norma ISO 527-5 tienen espesores de laminado y anchuras de probeta distintas. La probeta de tipo A destinada al ensayo de tracción en la dirección 0° de un laminado UD tiene una anchura de 15 mm y un espesor de laminado de 1 mm. Por otro lado, el tipo B, destinado al ensayo de tracción en la dirección de 90° de un laminado UD, tiene una anchura de 25 mm y un espesor de laminado de 2 mm. De este modo se garantiza que las fuerzas medidas en el ensayo de tracción a 0° no sean demasiado elevadas y que las fuerzas medidas en el ensayo de tracción a 90° sean lo suficientemente grandes y, por tanto, ambos tipos de probetas puedan ensayarse con la misma configuración de ensayo. Este ajuste geométrico es necesario porque los laminados UD presentan diferencias extremas de resistencia en la dirección longitudinal de las fibras y transversal a las fibras.
Información adicional sobre las normas ISO 527-4 e ISO 527-5
- 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. Entre ellos se incluyen los laminados UD de 0° o 90° especificados en la norma ISO 527-5. En el caso de los compuestos multicapa fabricados con compuestos tejidos con la misma orientación en ISO 527-4, 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).
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