Prova GIc / DCB secondo la norma ASTM D5528 e ISO 15024
La prova G1c secondo ASTM D5528 o ISO 15024 può essere utilizzata per determinare il tasso di rilascio dell'energia interlaminare critica dei laminati compositi per l’inizio e la propagazione della frattura nei laminati con caricamento modo I. Per via della geometria del provino utilizzata, la prova viene spesso denominata prova DCB (double cantilever beam).
Per via dell’importanza di questo metodo di prova e delle proprietà del materiale per il layout e il design delle strutture di compositi nel settore aerospaziale, occorre attenersi anche a speciali standard industriali come Airbus (AITM 1-0005) e Boeing (BSS 7273). Tuttavia, tali standard, se paragonati a ASTM D5528 e ISO 15024, utilizzano una procedura diversa per il calcolo dei risultati.
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Obiettivo e applicazioni della prova Glc
La delaminazione nei compositi di fibre si riferisce al distacco o al mancato collegamento dei singoli strati all’interno di un laminato. Tali danni o difetti riducono le proprietà meccaniche del laminato e sono pertanto particolarmente importanti per le strutture di compositi.
In condizioni di carico sfavorevoli e quando si raggiunge il valore critico del tasso di rilascio dell'energia interlaminare del materiale composito in oggetto, nel laminato si verifica la propagazione della cricca. Se ciò accade mediante una forza di trazione perpendicolare al piano della cricca, viene denominato caricamento modo I.
Utilizzando la prova DCB (double cantilever beam) secondo la norma ASTM D5528 o ISO 15024, è possibile determinare in modo affidabile i valori di inizio e propagazione del tasso di rilascio dell'energia interlaminare critica con caricamento modo I.
Provini double cantilever beam (DCB)
Il provino double cantilever beam (DCB) secondo la norma ASTM D5528 e ISO 15024 è costituito da una piastra per provino di composito con una sottile pellicola di separazione inserita su un lato nel piano di simmetria del laminato. I provini così prelevati possono essere quindi piegati come una trave in flessione su un lato con la cricca laminata (da qui il nome double cantilever beam) mentre i singoli strati del composito sono ancora collegati alla parte restante del provino.
I blocchi di applicazione del carico o le tab con cerniera sono solitamente legati ai provini per l’applicazione del carico. I contrassegni sono applicati al bordo del provino in conformità con le specifiche standard rilevanti per monitorare visivamente l’avanzamento della cricca durante la prova.
Esecuzione di una prova secondo ASTM D5528 e ISO 15024
Gli elementi di applicazione della forza dei provini DCB (blocchi di carico o alette con cerniera) sono collegati alle morse per provini della macchina di prova. Poiché la cricca alla fine della pellicola laminata spesso non è abbastanza affilata e pertanto il valore G1c ottenuto potrebbe non essere rappresentativo, la cricca viene prima leggermente allargata e viene realizzata una pre-cricca affilata. La lunghezza della pre-cricca viene determinata con precisione, quindi il carico viene rimosso completamente dal provino. Nella seconda parte della prova DCB, il provino viene nuovamente caricato fino a quando la cricca non raggiunge la fine dei contrassegni applicati lateralmente.
Nella norma ISO 15024 vengono descritti tre criteri differenti per il valore di inizio del tasso di rilascio dell'energia critico (valido per la pre-cricca e la propagazione della cricca completa):
- Insorgenza di non linearità (NL): Con la deformazione elastica pura delle metà dei provini, la curva di scorrimento della forza nella prova è inizialmente lineare. La coppia di valori dello scorrimento della forza a cui inizia la non linearità della curva dello scorrimento della forza viene utilizzata per calcolare il valore di inizio.
- Propagazione della cricca visibile (VIS): La coppia di valori della curva di scorrimento della forza in cui la propagazione della cricca inizia in modo visibile viene utilizzata per calcolare il valore di inizio.
- Criterio di compliance (5% o max.): Secondo questo criterio viene determinata la coppia di valori dello scorrimento della forza a cui la compliance della parte originalmente lineare della curva di scorrimento della forza è ridotta del 5%. Se la forza massima viene raggiunta anticipatamente, viene utilizzata questa coppia di valori dello scorrimento della forza.
La lunghezza della cricca iniziale viene utilizzata per il rispettivo valore di inizio (dalla cricca laminata o dalla pre-cricca). Nell’edizione attuale della norma ASTM D5528, viene utilizzato solo il criterio di compliance per determinare il valore di inizio del tasso di rilascio dell'energia critico.
I valori di propagazione sono determinati per le lunghezze di cricca e le coppie di valori di scorrimento della forza corrispondenti sui contrassegni applicati ai lati. La propagazione della cricca viene monitorata visivamente sul lato del provino. È molto importante che la registrazione di forza, spostamento e lunghezza della cricca sia sincronizzata.
La lunghezza della cricca può essere valutata manualmente da un operatore che segue l’avanzamento della cricca con una lente di ingrandimento o mediante un computer con un sistema di registrazione video.
Nei due standard vengono utilizzati diversi metodi di valutazione per calcolare la curva R (tasso di rilascio dell'energia critica tracciato rispetto alla lunghezza della cricca, compresi i valori di inizio e propagazione):
- La norma ISO 15024 contiene calcoli secondo la teoria della trave corretta (CBT) e secondo il metodo di taratura della compliance modificato (MCC).
- La norma ASTM D5528 utilizza il metodo di taratura della compliance (CC) ed elenca altri metodi nell’appendice. Il passaggio al metodo CC è stato fatto qui per garantire il confronto tra i valori di rigidità della frattura G2c determinati secondo la norma ASTM D7905 secondo il caricamento modo II.
Attrezzatura di prova per la prova Glc secondo ASTM D5528 e ISO 15024
La macchina di prova da tavolo monocolonna ZwickRoell è particolarmente adatta per la prova GIc secondo la norma ASTM D5528 e ISO 15024.
Utilizzando il sistema di registrazione video motorizzato per le prove G1c, è possibile rendere tracciabili e convenienti le misurazioni della propagazione della cricca. Una videocamera digitale viene utilizzata per registrare il progresso della cricca lungo il provino e creare un video dell’intera prova. Grazie al video, ogni singola prova può essere controllata retroattivamente in caso di dubbio e i valori misurati possono essere corretti durante l’avanzamento della cricca.
Il software di prova testXpert semplifica notevolmente l’esecuzione e la valutazione della prova G1c. Da un lato, la videocamera è collegata a testXpert in modo che l’avanzamento della cricca possa essere tracciato adeguatamente sullo schermo. Dall’altro lato, testXpert presenta programmi standard preconfigurati che contengono tutti i metodi per il calcolo dei valori di inizio e propagazione del tasso di rilascio dell'energia interlaminare critico in conformità con le specifiche della norma ASTM D5528 o ISO 15024.
