ISO 527-4 | ISO 527-5 Ensaio de tração em materiais compósitos de fibra
No ensaio de tração conforme ISO 527-4 e ISO 527-5 são determinados valores característicos de elasticidade, o módulo de tração e o coeficiente de Poisson, assim como a resistência à tração nas direções principais do material em plásticos reforçados de fibra. A norma ISO 527-4 inclui as condições de ensaio para plásticos reforçados de fibra isotrópicas e anisotrópicas. Isso inclui materiais compósitos com reforços não unidirecionais, por exemplo, mantas, tecidos ou fibras cortadas, assim como laminados multidirecionais feitos em camadas individuais unidirecionais. A norma ISO 527-5 inclui as condições de ensaio para plásticos reforçados de fibra unidirecionais . As duas normas se referem aos princípios gerais para determinação das características de tração à norma ISO 527-1.
Outra norma frequentemente aplicada para ensaio de tração de plásticos reforçados de fibra longa ou contínuas é a ASTM D3039, que inclui as condições de ensaio para plásticos reforçados de fibra isotrópicas e anisotrópicas assim como para materiais compósitos de fibra unidirecionais.
Objetivos e valores característicos Vídeos Execução de ensaio & Equipamentos de ensaio Condições de ensaio Amostras & Dimensões Outras Informações
Objetivo do ensaio e valores característicos determinados conforme ISO 527-4 e ISO 527-5
Os ensaios de tração para plásticos reforçados de fibra são realizados, entre outras coisas, para determinação das propriedades de tração no desenvolvimento e qualificação de materiais, para determinar os valores característicos para projeto e design de estruturas de compósitos e para garantia de qualidade. Independentemente do tipo de reforço por fibra, são determinados nas normas ISO 527-4 e ISO 527-5 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 inicial
- Alongamento 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: razão negativa entre alongamento transversal e alongamento longitudinal
Tanto a ISO 527-4, ISO 527-5 quanto a ASTM D3039 definem as condições de ensaio para o ensaio de tração em plásticos reforçados de fibra. Apesar da similaridade dos métodos de ensaio, os valores característicos determinados não são totalmente comparáveis visto que as formas das amostras 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).
Garras e dispositivo de alinhamento para resultados confiáveis conforme ISO 527-4 e ISO 527-5
Para a execução do ensaio de tração conforme ISO 527-4 e ISO 527-5, a amostra de tração é fixada nas garras de uma máquina de ensaio estático. É recomendada a verificação periódica do correto alinhamento das garras conforme ISO 23788 ou 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 para ensaios de tração conforme ISO 527-4 e ISO 527-5
Para ensaios de tração conforme ISO 527-4 e ISO 527-5 com amostras conforme a norma e para muitos outros métodos de ensaio padronizados de plásticos reforçados de fibra a utilização de uma máquina de ensaios de 100 kN muitas vezes é 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 ISO 527-4 e ISO 527-5
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 extensômetros tipo clip-on (restrição: não até a ruptura da amostra) ou extensômetros automáticos com braço de medição (makroXtens, multiXtens) ou também sistemas óticos de medição sem contato (videoXtens).
Requisitos de ensaio conforme ISO 527-4 e ISO 527-5
Velocidade de ensaio
A velocidade de ensaio constante a ser ajustada depende do tipo de amostra e do motivo do ensaio. É possível ajustar velocidades mais elevadas para ensaios de tração para controle de qualidade do que para ensaios de tração para caracterização de materiais.
- Falha válida da amostra
Amostras que se rompem dentro dos mordentes ou na transição entre mordente e a área não fixada da amostra são inválidas e devem ser substituídas por novas amostras para obter no mínimo 5 resultados de ensaio válidos.
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 ISO 527-4 / ISO 527-5
- l = Comprimento total da amostra
- L = Distância entre os mordentes das garras
- b = Largura da amostra
- h = Espessura do laminado FRP
- L0 = Comprimento de medição recomendado para extensômetro (com ou sem contato): ISO 527-4 Amostra Tipo 4 L0 = 25 mm, para todos os demais tipos de amostras acima relacionados se aplica: L0 = 50 mm
| Norma | Tipo de amostra | Representação esquemática (simplificada, não está à escala) | Utilização |
|---|---|---|---|
| ISO 527-4 | Tipo 1B barra de ombro |  |
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| Tipo 2 retangular sem barras coladas |  |
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| Tipo 3 * retangular com barras coladas |  |
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| Tipo 4 ** cônico sem barras coladas |  |
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| ISO 527-5 | Tipo A, Tipo B *** |  |
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- * Para a amostra Tipo 3 na norma ISO 527-4 e as amostras Tipo A e B na norma ISO 527-5 são fixados Cap Strips nos dois lados da amostra. O objetivo desses elementos de aplicação de força, que geralmente são colados ao laminado a ser ensaiado, é a reduzir as concentrações de tensão na fixação, de modo que rupturas nos mordentes são evitadas (ruptura nas garras ou dentro dos mordentes). Para essa finalidade mostraram-se eficientes os Cap Strips de laminado GFRP de ±45°. São utilizados sempre Cap Strips retos, enquanto na norma ASTM D3039 também são admissíveis os Cap Strips chanfrados em ângulo agudo. Outros elementos de aplicação de força, também elementos não colados, são admissíveis (por ex. lixa de tecido abrasivo ou papel lixa) se for possível comprovar que eles permitem alcançar as mesmas forças e não causam maior dispersão dos valores característicos.
- ** Para a amostra Tipo 4 recentemente na ISO 527- 4: 2023, a qual foi prevista para o ensaio de tração sem Cap Strip em termoplásticos multidirecionais reforçados com fibra contínua, os resultados devem ser recalculados se a ruptura ocorrer fora do comprimento de medição reto L0 = 25 mm no centro da amostra. O cálculo da resistência à tração constante da norma ISO 527-4 Anexo E, para a amostra Tipo 4, já está incluído no procedimento de ensaio testXpert pré-confeccionado para ISO 527-4:2023.
- *** As amostras Tipo A e B na norma ISO 527-5 possuem diferentes espessuras do laminado e larguras das amostras. Previsto para o ensaio de tração em direção de 0° de um laminado UD, o Tipo A possui 15 mm em largura e laminado de 1 mm em espessura. Previsto para o ensaio de tração em direção de 90° de um laminado UD, o Tipo B possui 25 mm em largura e laminado de 2 mm em espessura. Isso garante que as forças medidas no ensaio de tração de 0° não são excessivamente elevadas e que as forças medidas no ensaio de tração de 90° são suficientes e, dessa forma, os dois tipos de amostras podem ser testados com a mesma configuração de ensaio. Essa ajuste geométrica é necessário uma vez que os laminados UD apresentam diferenças extremas quanto à resistência em direção das fibras e em direção transversal às fibras.
Mais informações sobre ISO 527-4 & ISO 527-5
- 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. Eles incluem os laminados UD de 0º ou de 90º previstos na norma ISO 527-5. No caso de compósitos de multi camadas de compósitos tecidos na ISO 527-4 com a mesma orientação, onde fala-se também dos 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.
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