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La guía definitiva para pruebas de tracción de materiales compuestos

October 3, 2019

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ASTM D3039 es un estándar de prueba ampliamente utilizado para determinar las propiedades de tracción de los materiales compuestos; debido a sus propiedades de peso ligero y alta resistencia a la tracción, los materiales compuestos se ven favorecidos cada vez más por la industria aeroespacial y automotriz que están utilizando para reemplazar metales en muchas aplicaciones.

Aunque hay muchos tipos diferentes de materiales compuestos, la norma ASTM D3039 se aplica solo a aquellos que consisten en una matriz de polímero reforzada por fibras de alto módulo.

Cabecera ASTM D3039

Esta guía está diseñada para presentarle los elementos básicos de una prueba de tracción ASTM D3039, que incluye una descripción general del equipo, el software y las muestras necesarias, sin embargo, cualquier persona que planee realizar una prueba ASTM D3039 no debe considerar esta guía como un sustituto adecuado para leer la norma completa.

¿Qué mide?

La prueba ASTM D3039 se realiza aplicando una fuerza de tracción a una muestra y al mismo tiempo mide varias propiedades de la muestra bajo tensión. Se lleva a cabo en una máquina de prueba universal (también llamada máquina de prueba de tracción) y combina unidades de pulgada-libra y SI en un solo estándar.

La norma ASTM D3039 mide las siguientes propiedades de tracción:

  • Resistencia a la tracción: la tensión máxima aplicada durante la prueba (generalmente la tensión al romperse)
  • Tensión de tracción definitiva: la tensión de rotura
  • Módulo de tracción: cuánto se puede deformar (estirar) el material en respuesta al estrés.
  • Relación de Poisson: la relación del cambio en la deformación transversal a longitudinal entre dos puntos de deformación longitudinales (generalmente los mismos puntos que los utilizados para la determinación del módulo, es decir, 0,1 a 0,3%)
  • Tensión de transición: en los casos en que el material muestra un comportamiento de rendimiento (mostrado como un cambio de pendiente en la respuesta de tensión-deformación), la tensión de transición es el valor de la tensión donde se produce el cambio de pendiente.
  • Modo de falla: las muestras rotas deben examinarse y su tipo de falla, área y ubicación deben registrarse mediante un código de tres caracteres.

¿La norma ASTM D3039 es el estándar adecuado para ti?

La norma ASTM D3039 es específica para plásticos reforzados con partículas o fibras cortas, y es una de las pruebas más básicas que se utilizan para caracterizar, calificar y certificar las propiedades de tracción de estos materiales. Sin embargo, una amplia gama de otras pruebas son necesarias para caracterizar completamente las diferentes propiedades mecánicas de los materiales compuestos anisotrópicos y heterogéneos.

Cualquier persona que necesite probar las propiedades de compresión de un compuesto debe consultar la norma ASTM D695 . Aquellos que requieran pruebas de corte en línea de un compuesto deben seguir la norma ASTM D3846 .

El módulo de aplicación Bluehill Universal Composites incluye un método de prueba preconfigurado para D3039, junto con muchos otros métodos de prueba de materiales compuestos.

Método de prueba compuesto suite Bluehill Universal

Tipos de Muestras

Las muestras de la norma ASTM D3039 son de forma rectangular con una sección transversal constante; la longitud mínima de la muestra es igual a la longitud total de agarre + 2 x ancho + calibre, pero se recomiendan mayores longitudes para minimizar las tensiones de flexión, por lo que la anchura y el espesor de la muestra deben ser representativos del material a granel con respecto a la cantidad de fibras.

Hay cuatro geometrías de muestras recomendadas para tipos de materiales unidireccionales, unidireccionales, balanceados, simétricos y aleatorios discontinuos de 0. La norma ASTM D3039 puede usarse tanto para refuerzos de fibra continuos como discontinuos, pero la disposición de la muestra de laminado debe ser equilibrada y simétrica con respecto a la dirección de la prueba.

ASTM D3039 muestras compuestas

Es una práctica común en las pruebas de materiales compuestos utilizar pestañas para proteger el material de la muestra y evitar que se dañe con los agarres. La ASTM D3039 no requiere pestañas, pero recomienda su uso cuando se prueban materiales unidireccionales. Las lengüetas pueden unirse a la muestra o mantenerse en su lugar por fricción (por ejemplo, tela de esmeril).

Medición de muestras

El área de la sección transversal de la muestra debe medirse antes de la prueba; esto se realiza midiendo el ancho y el grosor en tres lugares dentro de la longitud del calibre y promediándolos.

Cuando una o ambas superficies son irregulares, se requiere un micrómetro con una interfaz de bola para medir el espesor, pero si ambas superficies son planas, entonces se puede usar un micrómetro con una bola o una interfaz plana.

Se requiere un micrómetro o pinza con una interfaz de yunque plano para medir el ancho de la muestra ya que la función de dispositivo de medición automática de muestras en Bluehill Universal permite a los operadores conectar hasta dos dispositivos (micrómetros o calibradores) a la computadora e ingresar los datos directamente en el software; esto elimina las posibilidades de errores de entrada y aumenta la eficiencia.

Sistema de ensayo de materiales

La prueba ASTM D3039 se realiza en una máquina de prueba universal de mesa o de piso, por lo que un sistema de 30 kN o 50 kN puede ser suficiente para probar compuestos de fibra de vidrio, pero se necesita un sistema de 100 o 250 kN para probar compuestos de fibra de carbono.

Marcos para pruebas ASTM D3039

Agarres y alineación de muestras

Las empuñaduras utilizadas para contener muestras compuestas deben proporcionar una presión suficientemente fuerte y uniforme para evitar que la muestra se resbale durante la prueba. Los patrones de la cara de la mandíbula deben ser adecuados para el material y estar en buenas condiciones. La alineación de los agarres debe limitar la tensión de flexión dentro del 3-5% a niveles de tensión moderada (> 1000µɛ).


Los diseños de agarre adecuados para ASTM D3039 incluyen las empuñaduras manuales de precisión Instron® (2716-028 / 2716-030) y las empuñaduras hidráulicas (2742-401 / 2742-501). Ambos de estos agarres utilizan un diseño de cuerpo móvil e incorporan topes de ubicación de muestras para proporcionar un agarre confiable de materiales compuestos y otros materiales mientras se logra la alineación requerida.

Mangos de cuña manuales para pruebas de compuestos

Extensómetros

Una serie de diferentes dispositivos están disponibles para medir la tensión durante la prueba y los más comunes son los extensómetros, que están disponibles en una variedad de opciones diferentes según las necesidades de su laboratorio. El más simple es un extensómetro con clip de longitud fija 2630 para medir la tensión axial.

Un operador debe sujetar esto directamente sobre el espécimen al comienzo de cada prueba y retirarlo antes de que se rompa el espécimen.

Si se analiza la relación de Poisson, también se debe agregar un extensómetro transversal para medir el cambio de ancho en toda la región elástica de la muestra. Se puede usar un extensómetro transversal independiente para complementar un extensómetro de clip o automático existente, o se puede usar un dispositivo biaxial para medir la deformación axial y transversal simultáneamente.

Extómetros axiales y biaxiales.

A menudo, los compuestos que se están probando están destinados a ser utilizados en condiciones no ambientales y para simular estas aplicaciones de uso final. Se pueden utilizar medidores de tensión o extensómetros de clip hasta una temperatura máxima de 200 ° C.

ASTM D3039 se realiza dentro de una cámara de temperatura donde se puede usar el calentamiento o enfriamiento (LN2 o CO2).

Alternativamente, se puede usar un extensómetro de video avanzado sin contacto (AVE2). El AVE2 se monta fuera de la cámara de temperatura y utiliza una cámara para rastrear las deformaciones en la muestra durante toda la prueba, con la ventaja de que los operadores de prueba no necesitan abrir y cerrar la puerta de la cámara durante la prueba.


Extensómetros para pruebas de composites.

Medidores de deformación

Los medidores de tensión de resistencia eléctrica también son útiles para determinar la tensión durante la prueba ASTM D3039, ya que a diferencia de los extensómetros, los medidores de tensión son artículos consumibles que pueden usarse para medir la tensión en caso de falla. Estos medidores consisten típicamente en una rejilla delgada de lámina metálica que se adhiere a la muestra con un adhesivo.

Los medidores de tensión se pueden usar en condiciones ambientales desde temperaturas criogénicas hasta más de 200 °C, pero requieren acondicionamiento para generar una señal eléctrica útil.

Un adaptador fácil de usar está disponible para su uso con la electrónica estándar en una máquina de prueba Instron y debido a que los materiales compuestos no se deforman sustancialmente antes de fallar, la precisión extrema de un medidor de tensión adherido puede a veces ser preferible al uso de un extensómetro para pruebas ASTM D3039.

Cámara de prueba

La prueba de materiales compuestos en condiciones no ambientales normalmente se realiza dentro de una  cámara de temperatura . Estas cámaras utilizan convección de aire forzado junto con elementos de calentamiento resistivos para lograr altas temperaturas y enfriamiento con nitrógeno líquido o dióxido de carbono para lograr bajas temperaturas.

La gama Instron de  cámaras ambientales de la serie 3119-600  proporciona amplias capacidades de prueba de temperatura para evaluar las propiedades del material en condiciones de prueba no ambientales, por lo que hay disponible una gama completa de puños, tiradores y extensómetros complementarios.

camaras ambientales

Cálculos y resultados

Al presentar los resultados de las pruebas, es importante asegurarse de que los términos se definan correctamente para garantizar el cumplimiento de la norma y facilitar la comparación de datos entre los diferentes laboratorios.

Modo de fallo

La norma ASTM D3039 requiere que los evaluadores registren e informen el modo y la ubicación de la falla de la muestra. El software Bluehill puede configurarse para presentar al operador la lista recomendada de códigos de falla de tres partes una vez que se haya completado la prueba.

Estrés de tracción / Resistencia a la tracción / Máxima tensión de tracción

La tensión de tracción es la fuerza / área promedio de la muestra y la resistencia a la tracción es la fuerza máxima antes del fallo / área promedio de la muestra. La tensión de tracción máxima es el valor de tensión en el fallo.

Módulo

Para los materiales que tienen una respuesta de tensión-deformación lineal y que no muestran cambios en la pendiente de la curva de tensión-deformación, el módulo se define como un módulo de cuerda en un rango de deformación de 1000 a 3000 µɛ (0,1 a 0,3%).

Si la respuesta de tensión-deformación del material muestra un cambio de pendiente dentro del rango de 1000 a 3000 µɛ (0.1 a 0.3%), entonces se debe usar un rango de deformación más adecuado.

El coeficiente de Poisson

La relación de Poisson se determina normalmente tomando la relación de la deformación transversal a la axial en el mismo rango de deformación axial que la utilizada para determinar el módulo, es decir, 1000 a 3000 µɛ (0,1 a 0,3%). Se pueden usar otros rangos de deformación, al igual que otras definiciones de la relación de Poisson.

Pantalla de prueba ASTM D3039

REFERENCIAS:

Biblioteca del autor Ian McEnteggart. En: ASTM D3039: The Definitive Guide to Tensile Testing of Composite Materials [en línea]. INSTRON 2019 [Consulta: 21 mayo 2019]. Disponible en https://www.instron.us/en-us/testing-solutions/by-standard/astm/multiple-testing-solutions/astm-d3039

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