ASTM D3039 Ensaio de tração em compósitos
No ensaio de tração conforme ASTM D3039 / ASTM D3039M são determinados os valores característicos elásticos do módulo de tração e o coeficiente de Poisson, assim como a resistência à tração para compósitos. Isso inclui laminados de compósitos de fibras unidirecionais (UD) e multidirecionais (MD) reforçadas com fibras contínuas, sendo que laminados MD podem ser compostos por camadas individuais feitas em UD, tecidos ou outras arquiteturas de fibras têxteis. Também podem ser ensaiados compostos plásticos de fibra (FRP) com fibras de reforço distribuídas de forma descontínua e aleatória (por ex. Sheet Moulding Compounds – SMC).
Normas também frequentemente utilizadas para o ensaio de tração de plásticos reforçados de fibra longa ou contínua são a norma ISO 527-4 (condições de ensaio para plásticos reforçados de fibra isotrópicos e anisotrópicos) e a norma ISO 527-5 (condições de ensaio para plásticos reforçados de fibra unidirecional).
Objetivo & Valores característicos Execução de ensaio & Equipamentos de ensaio Condições de ensaio Amostras & Dimensões Outras Informações FAQDownloads
Objetivos de ensaio e valores característicos determinados conforme ASTM D3039
Os ensaios de tração para compósitos conforme ASTM D3039 são realizados, entre outras aplicações, para determinação das características de tração no desenvolvimento e na qualificação do material, para determinação do valor característico para projeto e design de estruturas de compósitos e, na garantia de qualidade.
Independente do tipo de reforço por fibra são determinados nas normas ASTM D3039 os seguintes resultados e valores característicos:
- Tensão de tração: Força relacionada ao corte transversal inicial da amostra
- Deformação longitudinal: Variação do comprimento de medição relacionada ao comprimento de medição inicia em direção da carga.
- Deformação transversal: Modificação do comprimento de medição em relação ao comprimento de medição inicial em sentido transversal (somente necessária para determinação do coeficiente de Poisson)
- Módulo de tração: Gradiente da curva tensão-deformação em um intervalo de deformação definido no range elástico. Também chamado de módulo de elasticidade ou de módulo de Young.
- Resistência à tração: Valor máximo da tensão de tração determinada no ensaio de tração
- Deformação na ruptura: Deformação longitudinal quando a resistência à tração é alcançada
- Coeficiente de Poisson: relação negativa entre deformação transversal e deformação longitudinal
Para plásticos reforçados com fibra com comportamento de tensão-deformação bilinear, um valor característico adicional pode ser determinado:
- Deformação transitória (transition strain): Valor médio da deformação axial na área de transição. É normalmente determinado a partir da curva tensão-deformação axial
Tanto a ASTM D3039 quanto a ISO 527-4 / ISO 527-5 definem condições de ensaio para o ensaio de tração em compósitos. Apesar da similaridade dos métodos de ensaio, os valores característicos determinados não são totalmente comparáveis, visto que as formas e as dimensões das amostras, assim como a determinação do valor característico, são parcialmente diferentes (por ex. intervalo de deformação para o módulo de tração e o valor característico acima indicado para deformação transitória).
Para simplificar a execução do ensaio, podem ser utilizados procedimentos de ensaio testXpert pré-confeccionados com todos os ajustes conforme as indicações da norma ASTM D3039.
Garras e dispositivo de alinhamento para resultados confiáveis conforme ASTM D3039
Para a execução do ensaio de tração conforme ASTM D3039, a respectiva amostra de tração é fixada nas garras de uma máquina de ensaio estático. É recomendada a verificação regular do alinhamento correto das garras conforme ASTM E1012. Para laboratórios de ensaio aeroespacial acreditados pela Nadcap, a comprovação do alinhamento é obrigatória.
Garras mecânicas tipo corpo sobre cunha ou garras hidráulicas tipo corpo sobre cunha são adequadas para esse requisito de forma otimizada. Quando a comprovação do alinhamento não é necessário, também podem ser utilizadas garras tipo parafuso e cunha com capacidade de alinhamento limitada.
Sistemas de ensaio modular em compósitos
Laboratórios de ensaio maiores, com um alto volume de ensaios, utilizam diferentes máquinas para os mais variados ensaios em compósitos e, dessa forma, conseguem minimizar a necessidade de trabalhos de conversão. As respectivas máquinas de ensaio podem ser adaptadas ao range de força de diferentes tipos de ensaio. Quando o volume de ensaios não é tão alto ou tão regular que o investimento em várias máquinas para ensaio compensa, é vantajoso equipar uma única máquina de ensaio de modo que o maior número possível de métodos de ensaio possa ser realizado com o menor esforço de conversão possível.
Para isso, a ZwickRoell desenvolveu um conceito modular, disponível como máquina de ensaio estático 100kN ou 250kN, com o qual 21 métodos de ensaio e aprox. 120 normas de ensaio (ISO, EN, ASTM, assim como Airbus AITM e Boeing BSS) são cobertos e que permite a ampla caracterização de materiais compostos de fibra à temperatura ambiente ou em ensaios a temperaturas baixas ou temperaturas elevadas de -80°C até +360°C.
Máquinas de ensaio de tração para ASTM 3039
Para ensaios de tração conforme ASTM D3039 com amostras conforme a norma e para muitos outros métodos de ensaio normatizados de plásticos reforçados de fibra a utilização de uma máquina de ensaios de 100 kN é muitas vezes suficiente. Com a configuração de máquina de 100 kN demonstrada à direita, a utilização de garras mecânicas tipo corpo sobre cunha possibilita a fácil troca entre diferentes configurações e dispositivos de ensaio. Por meio da fácil remoção das garras, toda a área de ensaio da máquina também pode ser utilizada para ensaios não padronizados. Os pés de apoio permitem a adaptação individual e ergonômica da altura da área de ensaio.
Quando são ensaiados exclusivamente plásticos reforçados de fibra de vidro (GFRP), uma máquina de ensaios estáticos com a força máxima de 50 kN é normalmente suficiente.
Extensômetros para medição de deformação conforme ASTM D3039
Para a determinação correta dos valores característicos elásticos e da deformação na ruptura é necessária a medição diretamente na amostra. Para determinação do módulo de Young e da deformação na ruptura, a medição da deformação longitudinal é suficiente. Se o coeficiente de Poisson também precisar ser determinado, é necessário um sistema de medição de deformação biaxial com o qual a deformação transversal também possa ser medida. Para a medição de deformação são admissíveis os strain gages, sistemas de medição de contato como, por exemplo, extensômetros tipo clip-on (restrição: não até a ruptura da amostra) ou extensômetros automáticos de braço de medição (makroXtens, multiXtens) ou também sistemas óticos de medição sem contato (videoXtens).
ASTM D3039 - Condições de ensaio
Velocidade de ensaio
A norma ASTM D3039 prevê duas opções de ajuste da velocidade de ensaio.
Por um lado o ajuste de um índice de deformação constante de 0.01 min-1 (valor nominal). De forma alternativa, o ensaio pode ser executado com a velocidade constante de 2 mm/min (valor nominal).
- Falha válida da amostra
Para a documentação da falha da amostra, está disponível na norma ASTM D3039 um código de 3 letras que define exclusivamente o modo de falha e a posição ao longo da amostra fixada. Trata-se de falha inválida quando a fratura ocorre nos mordentes, na transição ou dentro da distância entre a largura da amostra e os mordentes. Contudo, especialmente ensaios de tração UD 0° geralmente demonstram falha explosiva de alta energia, em que toda a de toda a área livre da amostra se estilhaça. Por esse motivo, essa falha é normalmente classificada como falha válida.
Gama da temperatura
Visto que as propriedades mecânicas dos plásticos reforçados com fibra dependem muito da temperatura, os ensaios são realizados em temperaturas baixas e elevadas, além dos ensaios de tração em temperatura ambiente. Para isso, a máquina de ensaios pode ser equipada com uma câmara de temperatura adequada para um range de temperatura de -80°C até 360°C.
Amostras e dimensões conforme ASTM D3039
| Tipo de amostras / laminado | Representação esquemática do formato da amostra (simplificada, não está à escala) | Nota quanto à aplicação de Cap Strips |
|---|---|---|
| Laminado UD 0° |  |
|
| Laminado UD 90° |  |
|
| Laminados UD multi-direcionais e laminados de tecido, laminados reforçados de fibra descontínua com orientação de fibra aleatória (por ex. SMC) |  | Para laminados UD multi-direcionais ou laminados de tecido ou para amostras retiradas de laminados reforçados de fibra descontínua com orientação de fibra aleatória a utilização de lixa de esmeril ao invés de elementos de introdução de Cap Strips é frequentemente suficiente |
- Elementos de introdução de Cap Strips não são obrigatoriamente necessários, mas são expressamente recomendados para laminados UD para evitar rupturas no mordente inválidas (ruptura na ou dentro da fixação).
- Como material adequado para os Cap Strips se comprovou laminado reforçado de fibra de vidro (GRP) com orientação de fibra de ±45° em relação à direção de carga na amostra de tração.
- As informações constantes da norma ASTM D3039 quanto à geometria da amostra para os respectivos tipos de laminado são recomendações e permitem a comparabilidade dos resultados obtidos por diferentes laboratórios. Desvios das dimensões das amostras são permitidos desde que as recomendações gerais indicadas na norma quanto à geometria da amostra sejam observadas.
- O comprimento de medição L0 em caso de utilização de sistemas de medição de deformação com ou sem contato deve estar entre 10 e 50 mm.
Outras Informações quanto à norma ASTM D3039
- Com a norma ASTM D3039 é possível a utilização de parâmetros de ensaio e dimensões de amostras tanto no sistema de unidades SI quanto no sistema de unidades Inch-Pound (Imperial). Entretanto, a mistura dos dois sistemas de unidades deve ser evitada, um vez que poderá levar a resultados em não em conformidade com a norma.
- Para a determinação das características de tração no plano de camada individual são fabricados compósitos múltipla camadas, sendo que cada uma das camadas individuais possui o mesmo alinhamento. Isso inclui especialmente laminados UD 0° ou 90°. No caso de conjuntos de múltipla camada com o mesmo alinhamento feitos em tecidos de compósitos fala-se também de valores característicos mecânicos em direção de urdidura ou de trama.
- Além de realizar ensaios de tração para fins de desenvolvimento de materiais, qualificação de materiais e garantia de qualidade, os valores característicos determinados em nível de camada individual também são utilizados no projeto de estruturas de compósitos para métodos de cálculo analítico. Com o auxílio da teoria de clássica dos laminado podem ser calculadas, por exemplo, as características elásticas de um composto múltipla camada multidirecional a partir dos valores característicos da respectiva camada individual. As resistências em nível de camada individual são utilizadas, entre outras finalidades, para o cálculo de critérios de falha como por exemplo, estresse máximo, Hashin, Puck ou LaRC.
- Visto que as características mecânicas de um composto múltipla camada dependem da orientação das respectivas camadas individuais, cada composto múltipla camada com camadas individuais de diferente orientação fornece outras características de tração mecânicas. Portanto, os valores característicos mecânicos de materiais de plásticos reforçados de fibra surgem somente durante a fabricação do laminado. O próprio processo de fabricação possui influência relevante sobre os valores característicos gerados. Por esse motivo, a influência do processo de fabricação sobre as características mecânicas de um laminado de composto plástico de fibra (FRP) é frequentemente verificada por motivo de segurança por meio do ensaio mecânico.
Perguntas frequentes quanto ao ensaio de tração em compósitos conforme ASTM D3039
A noma ASTM D638 é o método de ensaio padrão para determinação das características de tração de plásticos não reforçados e de plásticos reforçados com utilização de amostras tipo gravata. Quando para o reforço são utilizadas fibras contínuas ou fibras descontínuas com módulo de >20GPa, a norma ASTM D638 indica o método de ensaio padrão ASTM D3039 para determinação das características de tração de materiais compósitos de matriz polimérica. Na norma ASTM D3039 serão utilizados nesse caso amostras retangulares. Em ensaios de tração em plásticos reforçados especialmente de fibra de carbono ou de fibra de vidro (CFRP, GFRP) com fibras contínuas, as forças de ensaio alcançadas são significativamente maiores em comparação a ensaios de tração em plásticos não reforçados ou reforçados de fibra curta, o que exige a utilização de uma máquina de ensaio adequada.
A norma ASTM D3039 é um método de ensaio padrão para determinação das características de tração de plásticos reforçados de fibra. As fibras de reforço de alto módulo podem ser na forma de fibras contínuas ou na forma de fibras descontínuas com orientação de fibra aleatória. As dimensões recomendadas das amostras retangulares na norma ASTM D3039 dependem do tipo do laminado compósito a ser ensaiado (por exemplo, unidireciona 0°, monodirecional 90°, multidirecional ou descontínuo aleatório).
A espessura da amostra para ASTM D3039 depende do tipo de laminado para o qual as características de tração devem ser determinadas. A ASTM D3039 recomenda amostras com 1 mm em espessura para ensaios de tração unidirecionais (UD) 0°, e com 2 mm em espessura para ensaios de tração UD 90°. Para laminados multi-direcionais ou para laminados com orientação de fibra descontínua aleatória a espessura de amostra recomendada é de 2,5 mm. Também são feitas as recomendações correspondentes para o comprimento total, a largura, o comprimento de Cap Strip e a largura de cap strip das amostras.
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