ISO 527-4| ISO 527-5 prove di trazione su compositi rinforzati con fibre
Le prove di trazione secondo ISO 527-4 e ISO 527-5 sono utilizzate per determinare i valori caratteristici elastici del modulo di trazione e dell’indice di Poisson, nonché la resistenza alla trazione nelle principali direzioni del materiale dei materiali plastici rinforzati con fibra. ISO 527-4 descrive le condizioni di prova per i materiali plastici fibrorinforzati isotropi e anisotropi. Sono compresi i materiali compositi con rinforzi non unidirezionali, come stuoie, tessuti o fibre tagliate, nonché i laminati multidirezionali costituiti da singoli strati unidirezionali. ISO 527-5 descrive le condizioni di prova per le plastiche rinforzate con fibre unidirezionali (UD). Entrambe le norme fanno riferimento alla ISO 527-1 per i principi generali di determinazione delle proprietà di trazione.
Un altro standard frequentemente utilizzato per le prove di trazione di materiali plastici rinforzati con fibre lunghe o continue è l'ASTM D3039, che include le condizioni di prova per i materiali plastici rinforzati con fibre isotrope e anisotrope, nonché per i materiali plastici rinforzati con fibre unidirezionali.
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Obiettivo della prova e valori caratteristici secondo ISO 527-4 e ISO 527-5
Le prove di trazione per i materiali plastici fibrorinforzati vengono eseguite per determinare le proprietà di trazione nel processo di sviluppo e classificazione dei materiali, per determinare i valori caratteristici richiesti per la progettazione di strutture composite e per la garanzia della qualità. Indipendentemente dal tipo di rinforzo utilizzato, le norme ISO 527-4 e ISO 527-5 determinano i seguenti risultati e quantità caratteristiche:
- Resistenza a trazione: forza relativa alla sezione trasversale iniziale del provino
- Deformazione assiale: variazione base di misura con riferimento alla base di misura iniziale in direzione di carico
- Contrattimetro Variazione base di misura con riferimento alla base di misura iniziale in direzione trasversale (necessaria solo per la determinazione dell’indice di Poisson)
- Modulo di trazione: pendenza della curva sforzo-deformazione in un determinato intervallo di deformazione nell'intervallo elastico. Chiamato anche modulo elastico o modulo di Young.
- Resistenza alla trazione: valore massimo dello sforzo di trazione determinato nella prova di trazione.
- Deformazione a rottura: deformazione assiale quando viene raggiunta la resistenza a trazione
- Coefficiente di Poisson: coefficiente di contrazione trasversale alla deformazione longitudinale
Le norme ISO 527-4, ISO 527-5 e ASTM D3039 stabiliscono le condizioni di prova per le prove di trazione delle materie plastiche fibrorinforzate. Nonostante le somiglianze nei metodi di prova, i valori caratteristici determinati non sono completamente comparabili, poiché le forme e le dimensioni dei provini e la determinazione dei valori caratteristici differiscono in alcuni aspetti (ad esempio, l'intervallo di deformazione per il modulo di trazione).
Afferraggi e dispositivo di allineamento per risultati di prova affidabili secondo ISO 527-4 e ISO 527-5
Per eseguire la prova di trazione secondo le norme ISO 527-4 e ISO 527-5, il provino di trazione corrispondente viene afferrato dagli afferraggi della macchina per prove statiche. Si raccomanda di verificare regolarmente il corretto allineamento dell’afferraggio secondo la norma ISO 23788 o ASTM E1012. Per i laboratori di prova accreditati Nadcap del settore aerospaziale, la prova di allineamento è obbligatoria. Gli afferraggi meccanici body-over-wedge o idraulici body-over-wedge sono ideali per questo requisito. Se la prova di allineamento non è richiesta, si possono utilizzare anche le morse a vite cuneo allineabili in modo condizionato.
Sistemi di prova modulari per compositi
I grandi laboratori di prova, con un volume di prove altrettanto elevato, utilizzano macchine di prova diverse per i vari metodi di prova dei compositi, riducendo così al minimo gli sforzi di conversione. Le singole macchine di prova possono essere regolate in base alla forza richiesta per i vari tipi di test. Se i volumi di produzione non sono alti o abbastanza consistenti da poter investire in diverse macchine di prova, l'alternativa ideale è allestire una singola macchina di prova in modo da poter eseguire più metodi con il minor sforzo di riconfigurazione possibile.
ZwickRoell ha sviluppato un sistema modulare, disponibile come macchina di prova da 100 kN o 250 kN, che copre 21 metodi di prova e circa 120 standard di prova (ISO, EN, ASTM, nonché Airbus AITM e Boeing BSS), e che consente una caratterizzazione completa dei materiali compositi fibrorinforzati a temperatura ambiente o a basse o alte temperature da -80 °C a +360 °C.
Prove affidabili secondo ISO 527-4 e 527-5 con software di prova testXpert
testXpert supporta le prove e i risultati di prova affidabili secondo ISO 527-4 e ISO 527-5:
- Non occorre studiare la norma: conformità allo standard garantita dai programmi di prova standard - tutti i valori caratteristici e i parametri specificati ISO 527-4 e ISO 527-5 sono preconfigurati.
- La massima efficienza di prova si ottiene grazie al collegamento dei dispositivi periferici: quando le dimensioni del provino dal micrometro vengono inviate direttamente al software di prova, si risparmia tempo e si evitano errori di inserimento.
- Inoltre, è possibile verificare e controllare la temperatura nella camera tramite il software, impostare le rampe di temperatura e vedere i valori che sono stati mantenuti in modo retrospettivo, con tracciabilità.
Macchina per prove di trazione secondo ISO 527-4 e ISO 527-5
Per le prove di trazione secondo ISO 527-4 e ISO 527-5 con provini standard e per molti altri metodi di prova standardizzati per le materie plastiche fibrorinforzate, l'uso di una macchina di prova da 100 kN è spesso sufficiente. Con la configurazione della macchina da 100 kN qui a destra, l'uso di morse meccaniche body-over-wedge consente di passare facilmente da una configurazione di prova all'altra e da un dispositivo di prova all'altro. Poiché le morse sono facili da rimuovere, l'intera area di lavoro della macchina di prova può essere utilizzata anche per prove non standard. Le gambe di supporto consentono una regolazione individuale ed ergonomica dell'altezza dell'area di lavoro.
Se le prove vengono eseguite esclusivamente su materiali plastici rinforzati con fibre di vetro (GFRP), di norma è sufficiente una macchina statica con una forza massima di 50 kN.
Estensimetro per misurazione della deformazione secondo ISO 527-4 e ISO 527-5
Per una corretta determinazione dei valori caratteristici elastici e della deformazione a rottura, è necessario misurare la deformazione direttamente sul provino. Per determinare il modulo di Young e la deformazione a rottura, è sufficiente misurare la deformazione assiale. Per determinare anche il rapporto di Poisson, è necessario un sistema di misura della deformazione biassiale, che consenta di misurare anche la deformazione trasversale. La misurazione della deformazione può essere eseguita con strain gage, sistemi di misura a contatto come gli estensimetri clip-on (limitazione: non fino alla rottura del provino) o estensimetri automatici con braccetti (makroXtens, multiXtens) e sistemi ottici non a contatto (videoXtens).
Condizioni di prova secondo ISO 527-4 e ISO 527-5
Velocità di prova
La velocità di prova costante da scegliere dipende dal tipo di provino e dallo scopo del test. Ad esempio, per le prove di trazione destinate al controllo qualità si possono scegliere velocità più elevate rispetto a quelle destinate alla caratterizzazione del materiale.
- Rottura di un provino valido
I provini che si rompono all'interno delle guancette o nell’area di passaggio dalla guancetta all'area non bloccata del provino non sono validi e devono essere sostituiti con nuovi provini per ottenere almeno 5 risultati di prova validi.
Range di temperatura
Data l'elevata dipendenza dalla temperatura dei materiali plastici fibrorinforzati, oltre alle prove di trazione a temperatura ambiente verranno eseguite prove a bassa e alta temperatura. A tal fine, la macchina di prova può essere dotata di una camera climatica da -80°C a 360°C.
Provini e dimensioni secondo ISO 527-4/ 527-5
- l = Lunghezza totale del provino
- L = Distanza tra le guangli afferraggi
- b = Larghezza del provino
- h = Spessore del laminato FRP
- L0 = Base di misura consigliata per gli estensimetri (a contatto o non a contatto): ISO 527-4 provino tipo 4 L0 = 25 mm, per tutti gli altri tipi di provini elencati sopra L0 = 50 mm
| Standard | Tipo provino | Disegno schematico (semplificato, non in scala) | Applicazioni |
|---|---|---|---|
| ISO 527-4 | Tipo 1B dumbbell |  |
|
| Tipo 2 rettangolare senza tacco |  |
| |
| Tipo 3 * rettangolare con tacco |  |
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| Tipo 4 ** conico senza tacco |  |
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| ISO 527-5 | Tipo A, tipo B *** |  |
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- * Per i provini di tipo 3 della norma ISO 527-4 e per i provini di tipo A e B della norma ISO 527-5, vengono applicati dei “tacchi” su entrambi i lati del provino. L'obiettivo di questi elementi di applicazione della forza, che di solito sono incollati al laminato da testare, è quello di ridurre le concentrazioni di sollecitazioni nelle morse, in modo da evitare la rottura delle guancette (rottura in corrispondenza o all'interno delle guancette delle morse). A questo scopo, i “tacchi” in laminato FRP a ±45° hanno dimostrato la loro validità. Vengono sempre utilizzate strisce di copertura diritte, mentre la norma ASTM D3039 consente anche l'uso di strisce di copertura con angoli di taglio. È possibile utilizzare altri elementi di applicazione della forza, anche non incollati (ad esempio, un panno abrasivo o una carta vetrata), a condizione che si possa dimostrare che si ottengono le stesse resistenze e che non vi sia una grande dispersione nei valori caratteristici.
- ** Per il provino di tipo 4, recentemente incluso nella ISO 527-4:2023, destinato a prove di trazione senza “tacchi” su termoplastici multidirezionali rinforzati con fibre continue, i risultati devono essere ricalcolati quando il cedimento avviene al di fuori della base di misura rettilinea di riferimento L0 = 25 mm al centro del provino. Il calcolo della resistenza alla trazione legato alla frattura per il tipo di provino 4 descritto nell'Allegato E della ISO 527-4 è già incluso nel programma di prova preconfigurato di testXpert per la ISO 527-4:2023.
- *** I tipi di provino A e B della norma ISO 527-5 hanno spessori del laminato e larghezze diverse. Il provino di tipo A, destinato alla prova di trazione in direzione 0° di un laminato UD, ha una larghezza di 15 mm e uno spessore del laminato di 1 mm. Il tipo B, invece, destinato alla prova di trazione in direzione 90° di un laminato UD, ha una larghezza di 25 mm e uno spessore del laminato di 2 mm. In questo modo si garantisce che le forze misurate nella prova di trazione a 0° non siano troppo elevate e che le forze misurate nella prova di trazione a 90° siano sufficientemente grandi e che quindi entrambi i tipi di provino possano essere testati utilizzando lo stesso dispositivo di prova. Questa regolazione geometrica è necessaria perché i laminati UD presentano differenze notevoli di resistenza nella direzione delle fibre e tra le fibre stesse.
Ulteriori informazioni su ISO 527-4 e ISO 527-5
- Per determinare le proprietà di trazione a livello di singolo strato, si producono compositi multistrato in cui ogni singolo strato è orientato allo stesso modo. Questi includono i laminati UD a 0° o 90° descritti nella norma ISO 527-5. Per i compositi multistrato di tessuti orientati allo stesso modo della ISO 527-4, i valori delle caratteristiche meccaniche sono riferiti anche in termini di direzione dell'ordito e della trama.
- Oltre a eseguire prove di trazione per il processo di sviluppo e la classificazione dei materiali, e per la garanzia della qualità i valori caratteristici determinati a livello dei singoli strati sono utilizzati anche nella progettazione di strutture composite per i metodi di calcolo analitico. Utilizzando la teoria classica dei laminati, le proprietà elastiche di un composito multistrato e multidirezionale possono essere calcolate dai valori caratteristici dei singoli strati. I valori di resistenza a livello dei singoli strati sono utilizzati, tra l'altro, per calcolare i criteri di rottura, come la sollecitazione massima, Hashin, Puck o LaRC.
- Poiché le proprietà meccaniche di un composito multistrato dipendono dall'orientamento dei singoli strati, ogni composito multistrato con diversi orientamenti dei singoli strati presenta proprietà meccaniche di trazione diverse. Le proprietà meccaniche dei materiali plastici fibrorinforzati si manifestano quindi solo durante il processo di fabbricazione del laminato. Il processo di fabbricazione stesso ha un'influenza significativa sui valori caratteristici risultanti. L'influenza del processo di fabbricazione sulle proprietà meccaniche di un laminato in plastica fibrorinforzata (FRP) è quindi spesso convalidata da test meccanici.
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