caratterizzazione compositi

TECNOLOGIE SPECIALI I prof. Luigi Carrino I Materiali Compositi

Piramide di ROUCHON

Con la piramide di Rouchon valutiamo

limportanza della quantit di prove sul materiale in funzione del livello di realizzazione del

prodotto.

MATERIALI

STRUTTURE

ELEMENTARI

STRUTTURA

FULL

PRIMARIA

SCALE


Materiali

Nel campo dei materiali intendiamo caratterizzare lamina o

laminato, dove effettuiamo un gran numero di prove.

Si parte dalle prove sui materiali per definire le caratteristiche di

base dei materiali stessi.

MATERIALI

STRUTTURE

ELEMENTARI

STRUTTURA

FULL

PRIMARIA

SCALE


Strutture elementari

Le strutture elementari sono ad esempio la trave: le prove che si

effettuano sulle strutture elementari servono per testare la risposta

di tipo meccanico di un elemento costruttivo; ad esempio, mentre

nel campo dei materiali misuro la resistenza dellacciaio, nel

campo delle strutture elementari misuro la resistenza della trave in

acciaio.

Si definisce quindi la struttura elementare TRAVE

MATERIALI

STRUTTURE

ELEMENTARI

STRUTTURA

FULL

PRIMARIA

SCALE


Strutture primarie

Le strutture primarie sono composte da pi strutture elementari,

ad esempio le ali di un aereo fatte di travi, sulle quali si fanno un

numero di prove minore rispetto ai settori precedenti per ovvi

motivi pratico-economici.

MATERIALI

STRUTTURE

ELEMENTARI

STRUTTURA

FULL

PRIMARIA

SCALE


Full scale

Full scale: lesempio classico lintero aereo, su cui il numero di

prove ridottissimo!

Parliamo in pratica della certificazione del prodotto finito sulle

quali faccio un numero ridottissimo di prove.

MATERIALI

STRUTTURE

ELEMENTARI

STRUTTURA

FULL

PRIMARIA

SCALE


Lettura qualitativa della piramide

Il costo dei campioni di prova cresce muovendosi sulla

piramide dal basso verso lalto.

Il costo della prove cresce dal basso verso lalto.

Lammortamento diminuisce dal basso verso lalto, questo

perch varia lutilizzo di ogni prova effettuata, infatti le prove

sui materiali possono essere sfruttate su pi progetti, anche

quelle sulle strutture elementari, ma nelle fasi successive le

prove diventano specifiche e di alto costo.

Le prove full-scale serviranno alla fine per la certificazione del

prodotto (ad esempio dellaereo).


CARATTERIZZAZIONE MECCANICA


Caratterizzazione meccanica

Noi caratterizziamo meccanicamente i compositi. Sar quindi

necessario effettuare prove su:

Fibre: vetro

carbonio

aramidiche

ceramiche

Matrici: organiche

termoplastiche

Sono esclusi da questa trattazione i materiali compositi a

matrice ceramica e metallica.


Bending Test

Shear Test

Tensile Test

Caratterizzazione dei materiali: attrezzature sperimentali

Torsion Test


BIAXIAL TENSILE TESTS


Fatigue tests of joints for GRP marine pipes


Dovremo definire:

Caratteristiche elastiche: E11, E22, G12, n12

Caratteristiche di resistenza:

s1tr s2tr

s1cr s2cr

t12 taglio nel piano

tinterlaminare


Le prove meccaniche saranno:

TRAZIONE

COMPRESSIONE

FLESSIONE

TAGLIO INTERLAMINARE

TAGLIO INTRALAMINARE

ALTRE PROVE


Fattori che dipendono dal materiale sono:

Materiale Porosit

Preparazione del materiale Contenuto in resina

Sequenza di laminazione Contenuto in fibra

Condizione del provino Tolleranza

Condizioni prima della prova Stato del provino: integro, forato, impattato

Geometria Contenuto in fibra

Condizioni di prova Afferraggio

Allineamento con il carico Velocit di applicazione del carico

Fattori che dipendono dal provino sono:

Fattori che dipendono dalla prova sono:


Prova di TRAZIONE

Attrezzatura


Prova di trazione

Basamento

Cella di carico

Traversa mobile

Sistemi di afferraggio

Campione

Estensimetro


LE ATTREZZATURE DI PROVA

Macchine per prove meccaniche

Carico max 5000 kN compressione

3000 kN trazione

Carico minimo 0.01 N

Torsione 1000 Nm


Parametri importanti

Resistenza in direzione 1 (x)

Resistenza in direzione 2 (y)

Modulo elastico in direzione 1 (x)

Modulo elastico in direzione 2 (y)

Coefficiente di Poisson

2mm

N

A

PRs

2

0

mm

N

L

L

A

PE

s

1

212

n


Curva Stress - Strain

- Modulo secante

- Modulo tangente


Prova ASTM D638

Questa prova utilizzata per materiali quasi isotropi.

Il provino denominato a osso di cane.


Prova ASTM D3039

Questa prova utilizzata per materiali con alta

anisotropia.

La particolarit di questi provini quella di avere i

talloni (teste di afferraggio).


Prova ASTM D3039

Con il provino a tallone possiamo fare prove con fibre

disposte, rispetto allasse di carico, a:

0

90

45 perch posso ottenere cos valori di

taglio dalla stessa prova di trazione,

ottenendo i dati di taglio sulla singola

lamina.


Talloni

TALLONI: Lutilizzo di questi talloni richiesto in quanto le

ganasce della macchina di prova potrebbero danneggiare il provino

stesso. L osso di cane sconsigliato per materiali anisotropi per

il seguente motivo:

A B

CDS2

S1

DCAB

DCAB

DCAB

SS

NNss

AB

ABAB

S

Ns

DC

DCDC

S

Ns


Talloni

A causa delle diverse sezioni nascono

delle t. Poich il provino anisotropo

potrei avere rotture per taglio, rispetto

a cui la resistenza del materiale

molto pi bassa che a trazione.

A B

CD SDC

SAB

AB

DC

t


Condizione di tallonatura

LT

WS

COLLANTE

TALLONE

Affinch non si abbia lo scollamento dei

talloni durante lapplicazione del carico,

deve essere verificata la seguente ipotesi:

c

tct

sLsWWL

t

sst

22

W: larghezza tallone

Lt: lunghezza tallone

tc: rottura del collante

s: tensione di rottura del

materiale

s: spessore


Effetto Poisson impedito

Tirando il provino otteniamo una

contrazione in direzione 2 impedita

per dalle ganasce. Per questo motivo si

stabilisce una lunghezza minima del

provino stesso pari a 2 volte lo

spessore.

In sostanza si cerca di evitare gli effetti

di bordo.


Preparazione del provino

Provini con applicazione di estensimetri


Rotture inaccettabili


Prova di COMPRESSIONE


Parametri importanti

Resistenza in direzione 1 (x)

Resistenza in direzione 2 (y)

Modulo elastico in direzione 1 (x)

Modulo elastico in direzione 2 (y)


Difficolt di prova

Le maggiori difficolt per questa prova di caratterizzazione

meccanica sono:

Macroinstabilit

Microinstabilit


Macroinstabilit

Un corpo snello (sottile e lungo), se caricato a

compressione pura tender ad instabilizzarsi, a

deformarsi cio fuori del piano; si cerca di

ovviare a questo problema attraverso luso di

particolari attrezzature che bloccano il provino.


Microinstabilit

Se carichiamo in direzione della lamina le fibre si instabilizzano:

Se le fibre sono vicine tra loro

c interazione.

A noi interessano materiali con alta % di fibre e quindi ci interessiamo soltanto al

caso di fibre vicine: VF=60%

A seguito dellinstabilit delle fibre, dal punto di vista

tensionale, otteniamo un carico di taglio molto pericoloso per la

matrice: essa non resiste a taglio quindi si rompe.


Microinstabilit

Se carichiamo in direzione della lamina le fibre si instabilizzano:

Se le fibre sono lontane tra loro,

ognuna va per conto suo e non

risente di quelle vicine.

A noi interessano materiali con alta % di fibre e quindi ci interessiamo soltanto al

caso di fibre vicine: VF=60%

A seguito dellinstabilit delle fibre, dal punto di vista

tensionale, otteniamo un carico di taglio molto pericoloso per la

matrice: essa non resiste a taglio quindi si rompe.


ASTM D695-M89


ASTM D695-M89

In questo modo si vogliono evitare le

deformazioni fuori del piano.

Con la modifica 89 si riduce al

minimo il tratto utile, in tal modo si

elimina la macroinstabilit.

Attrezzatura:


Provino CELANESE

ASTM D3410

Provino: CELANESE

Attrezzatura tronco-conica. La sollecitazione si trasmette per

attrito sulla superficie laterale del provino.


Provino CELANESE modificato

ASTM D3410

Provino: CELANESE modificato

Attrezzatura a sezione rettangolare. Usato per ovviare agli eventuali

problemi di serraggio dovuti allo spessore del provino. In questo caso

nascono sollecitazioni trasversali alla direzione di applicazione del

carico


Provino RAE

(Royal Aircraft Enstabilishment)

Il provino posto allinterno di due blocchi di

alluminio. La sollecitazione composta da

taglio e compressione. Il tratto utile resta

comunque molto contenuto. La prova d

ottimi risultati ma risulta la pi costosa ed

impegnativa. Presenta il problema che se le

ganasce non sono allineate il provino si

spezza immediatamente.


Attrezzature

Prova su CELANESE

modificato (IITRI)

Prova su CELANESE


Rottura del provino

Se la rottura del provino avviene nel tratto centrale allora la prova

ACCETTABILE

altrimenti essa

INACCETTABILE


Confronto tra i tipi di provini

sx sy -1442 -7.9

-1442 -7.9

-1446 -7.9

-1447 -7.9

-1444 -8.4

sx sy -1424 -0.4

-1450 -1.0

-1443 -1.0

-1469 -1.0

-1490 -1.2

sx sy -1574 -45

-1634 -43

-1781 -37

-2259 -17

-2310 -15

Prova meno significativa per

la presenza di importanti y!!

Celanese Celanese Modificato ASTM D-695


Prova di FLESSIONE


Prova di FLESSIONE

In realt questa prova non necessaria per caratterizzare il

materiale meccanicamente perch basta E11, E22, G12, n12.

Poich spesso il materiale lavora a flessione comunque

opportuno eseguirla.


Prova per tre punti

Questa prova simula una condizione di esercizio frequente

ed molto semplice da realizzare: con essa vengono

misurati la resistenza a flessione ed il modulo a flessione:

L

P

h


Prova per tre punti

assenetro

compressione

trazione

233max 2

312

82

12

22

bh

Pl

bh

hPlh

bh

lP

yI

M

s


Prova per tre punti

assenetro

taglio

bh

P

bh

P

bh

Tmedmed

4

31

22

3

2

3

2

3max tt


Prova per tre punti

Dato quindi il rapporto:

h

l

P

bh

bh

Pl 2

3

4

2

32

max

max t

s

h

l

max

max

t

sOssia:

20h

l

Poich in questa prova ho anche il taglio, indesiderato, devo allora

esaltare la smax. Si imporr quindi l >> h, cio la lamina sar molto

lunga e di spessore limitato (rispettando sempre le ipotesi di piccole

deformazioni)


Prova per quattro punti

Con la prova per tre punti esco dalle ipotesi di De Saint

Venant (effetto di bordo e sollecitazione pura); per

eliminare il problema faccio una prova su due appoggi

con due forze applicate:

Questa prova di flessione detta a quattro

punti e non presenta taglio nella zona

centrale perch landamento del momento

costante.


Prova di TAGLIO INTERLAMINARE

Questa prova ci d un indice di

bont dellincollaggio tra le lamine.

Si realizza effettuando una prova di

flessione con una luce centrata ed

uno spessore del provino non

trascurabile:

mmlh

l30205

P

L

h


Prova di TAGLIO INTRALAMINARE

Metodologie di prova

Prova di torsione su tubo a parete sottile

Rail Shear

Prova di trazione con fibre disposte a 45

Confronto tra le prove


Torsione su tubo in parete sottile

Nella prova di taglio intralaminare si cerca il taglio puro;

il modo pi rigoroso per eseguire tale prova appunto

quello di sottoporre a momento torcente Mt un tubo in

parete sottile, sulla cui superficie avremo il taglio max.

t

t

t

tr

M

m

t

22t

dove: Mt: momento torcente

t: spessore del tubo

rm: raggio medio

2

21 rrrm

G

t


Attrezzatura

Lattrezzatura per questa prova piuttosto complessa. I

tubi in composito sono abbastanza costosi (si ottengono

con tecnologie complesse come lavvolgimento).

Provino Tecnica di serraggio


Rail Shear

ASTM D4255

Un metodo abbastanza semplice il Rail Shear. In tale

prova si opera su un laminato (0/90) simmetrico ed

equilibrato.

Il provino separato da

due ganasce che scorrono

in senso opposto.


Stato tensionale

Forze agenti

Forze ottenute


Cerchio di Mohr delle tensioni

Poich dobbiamo determinare:

tG

Consideriamo il cerchio di Mohr delle tensioni:

t

s

TRAZIONE PURA

COMPRESSIONE PURA

tP/A

Esso centrato perch

trazione e compressione

hanno gli stessi valori ma

segni opposti.


Cerchio di Mohr delle deformazioni

xy

12 /2

Poich il provino

simmetrico ed equilibrato

xy= yx

Da qui la necessit di porre gli estensimetri a 45.

xy

2

Il cerchio di Mohr

centrato, pertanto:


Conclusioni

xydL

PG

t

212

Dove:

L: altezza del provino

d: larghezza del provino


Attrezzatura

Osservazione: la presenza di bulloni di serraggio del

provino pu dare origine a fenomeni di triassialit in

fase di carico.


Trazione con fibre a 45

ASTM D3518 Effettuiamo la prova di

trazione su un laminato

con lamine cos disposte:

(+45 , -45 , +45 , -45)S

Otteniamo una configurazione simmetrica ed equilibrata in modo da

escludere flessione, torsione e scorrimento.

N.B.: Notiamo i due estensimentri

sufficientemente lontani dai bordi


Stato tensionale

t

ssxsy=0

Cerchio di Mohr per le tensioni:

Trattandosi di trazione:

0y

xA

P

s

s

La tmax sar il raggio del cerchio: A

P

2

1max t


Deformazioni

xyxy

In direzione x ho un allungamento

che misuro con lestensimetro

longitudinale;

In direzione y lestensimetro

trasversale misura una contrazione

minore della deformazione lungo x.

Dal cerchio di Mohr:

yx

yx

12

12

22


Conclusioni

Tale prova va bene quindi per misurare G12 per la

sua semplicit operativa.

)(2

1

2

1

2

12

1212

1212

yx

x

yx

x

G

A

PG

s

s

t


Applicazione operativa

Esempio di andamento delle t e

calcolo del Modulo di taglio G12


Confronto tra le prove

Se mettiamo a confronto la prova di riferimento del

tubo soggetto a torsione con la prova di trazione

con fibre a 45, si osserva una sovrastima da

parte di questultima prova per la presenza delle s.

Confrontando invece la Rail Shear con la prova di trazione a

45 osserviamo sperimentalmente che le due curve t- si

sovrappongono. Essendo quindi le due prove equivalenti, si

preferisce quella di trazione a 45 in quanto la Rail Shear

pi complessa (ricordiamo i fori sul provino che innescano

sollecitazioni complesse).


Altre prove

possibile effettuare altri tipi di prove meccaniche ugualmente

importanti; degli esempi sono le prove di fatica , le prove

dimpatto e le prove di crush.

Poich i manufatti in composito sono costituiti da fibre e matrice

ed richiesta una caratterizzazione totale del materiale (non solo

in ambito meccanico), vengono effettuate prove particolari sui

soli costituenti; due esempi: prova di resistenza dielettrica su

una lamina di polimero epossidico e prova di ignifugazione su

kevlar.

Fatica flessione piana

Fatica torsione Crush Impatto

Resistenza diel. Ignifugazione

Fatica trazione


Prova di fatica (trazione oligociclica)


Prova di fatica (flessione piana)


Prova di fatica (torsione)


Impatto

Simulazione agli elementi finiti

di un impatto di un uccello su

una lamina di composito (fibre

di carbonio in matrice

epossidica).

Impatto di un proiettile su una

lamina di composito con fibre

di kevlar (viene studiato come

la lamina assorbe lurto).


Crush

Esempio di prove di crush su

provini tubolari di compositi con

fibre di kevlar.

Esempio di prove di crush su

provini parallelepipedi di

compositi con fibre di vetro.


Ignifugazione


Resistenza dielettrica

caratterizzazione compositi

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