Una guía para las técnicas de ensayo de materiales compuestos.

por Alan Thomas, marketing, ZwickRoell Reino Unido

En comparación con los materiales convencionales, los materiales compuestos avanzados pueden ofrecer beneficios como una mejor relación resistencia-peso y una mayor durabilidad de los componentes. Sin embargo, antes de introducir estos materiales en el proceso de fabricación, es necesario probarlos minuciosamente y validar su rendimiento.

La caracterización completa de las propiedades de los materiales compuestos para su uso en aplicaciones exigentes requiere la realización de una serie de pruebas mecánicas. La determinación de las propiedades mecánicas requiere ensayos de tracción, compresión y corte.

En la calificación y el desarrollo de materiales, se utilizan otras pruebas para determinar propiedades más complejas, como la tensión/compresión en pozo abierto, la tenacidad a la fractura interlaminar, la compresión después del impacto y la fatiga. Las pruebas deben realizarse en un rango de temperaturas en muestras que pueden haber sido acondicionadas en una variedad de condiciones ambientales, como alta humedad o inmersión en fluidos.

Los ensayos de compuestos para aplicaciones aeroespaciales presentan una de las áreas de ensayo más exigentes. Los laboratorios que realizan pruebas de compuestos para aplicaciones aeroespaciales enfrentan desafíos importantes que incluyen: garantizar que las pruebas se realicen de conformidad con una amplia gama de estándares; ser capaz de demostrar una alineación precisa de mordazas y accesorios y la capacidad de cambiar los accesorios de prueba de manera eficiente para cubrir una amplia gama de pruebas y garantizar el entorno de prueba correcto.

Varias organizaciones han estandarizado los procedimientos de prueba compuestos. Las principales normas internacionales de pruebas de compuestos son las publicadas por ASTM, ISO y CEN.

Además de las normas reconocidas internacionalmente, existen normas "internas" de uso común de los fabricantes, incluidas las de Airbus y Boeing. En muchos casos, los métodos de prueba descritos por diferentes normas son fundamentalmente los mismos, pero existen algunas diferencias significativas en las dimensiones de la muestra y del accesorio.

Además, organismos de auditoría como Nadcap definen con más detalle los criterios de rendimiento, por ejemplo, la alineación de los equipos de prueba.

Las pruebas de tracción en el plano de laminados compuestos simples son probablemente la prueba más común, pero también se realizan pruebas de tracción en haces de fibras impregnadas de resina, muestras de espesor total y secciones de materiales de núcleo tipo sándwich.

Las muestras de prueba de tracción tienen lados paralelos con lengüetas adheridas para evitar que las mordazas de agarre dañen el material y causen fallas prematuras. Las disposiciones de agarre incluyen mordazas de cuña manuales e hidráulicas y, para pruebas aeroespaciales exigentes, generalmente se prefieren las soluciones de mordaza de cuña hidráulica debido a su controlabilidad y repetibilidad.

Sin embargo, las cuñas mecánicas bien diseñadas también pueden proporcionar buenos niveles de alineación. Los dispositivos de agarre hidráulico para pruebas no ambientales a menudo ubican los componentes hidráulicos fuera de la cámara de temperatura para mayor seguridad y confiabilidad.

La alineación precisa de las mordazas y la muestra es extremadamente importante al probar materiales compuestos, ya que las propiedades anisotrópicas, como el módulo y la resistencia del material, difieren según la dirección de la tensión aplicada y, a menudo, son de naturaleza frágil. Los accesorios de alineación ajustables garantizan que los sistemas de prueba cumplan con los criterios de alineación requeridos para pruebas de compuestos confiables y según lo requerido por programas de auditoría específicos reconocidos por las industrias aeroespaciales, como Nadcap.

Los dispositivos de alineación deben permitir el ajuste tanto de la concentricidad como de la angularidad mientras la cadena de carga de la máquina está bajo carga. El método ampliamente aceptado para verificar la alineación bajo carga es utilizar una muestra de alineación con galga extensométrica. La muestra de alineación debe tener dimensiones lo más cercanas posible a las muestras que se están ensayando y la muestra de alineación estará equipada con grupos de galgas extensométricas.

Se encuentra disponible un software diseñado específicamente para proporcionar una visualización de los errores de flexión, concentricidad y angularidad. El software identifica los ajustes necesarios y muestra el efecto de los ajustes, lo que permite una configuración rápida y precisa de la máquina de prueba.

Cuando se utilizan mordazas de máquina de prueba alineadas, se recomienda dejarlas permanentemente en su lugar y que, si es necesario, se monten en las mordazas accesorios de prueba, incluidos platos de compresión y accesorios de curvatura, utilizando adaptadores especiales.

La medición de la deformación para ensayos de tracción compuestos generalmente se realiza utilizando un extensómetro o un medidor de tensión adherido. Generalmente, se prefiere el uso de un extensómetro ya que la instalación de galgas extensométricas implica mano de obra, tiempo y gastos adicionales. En ambas situaciones, la recomendación es utilizar un valor de deformación promedio basado en mediciones en ambos lados de la muestra de prueba para corregir los errores causados ​​por cualquier flexión de la muestra.

Los métodos de prueba de compresión de compuestos deben proporcionar un medio para aplicar una fuerza de compresión al material y, al mismo tiempo, evitar que se pandee. La mayoría de los materiales compuestos se producen en forma de paneles laminados y, por lo tanto, el material que se ensaya tendrá la forma de una muestra de prueba rectangular relativamente delgada y plana.

Existen varios métodos para introducir una carga de compresión en una muestra de prueba que incluyen carga final, donde la carga se introduce en el extremo de la muestra de prueba; carga de corte, donde la carga se introduce en las caras anchas de la muestra de prueba y carga combinada, que comprende una combinación de carga de corte y carga final. Dos métodos para prevenir el pandeo de una muestra de prueba son típicamente el uso de una muestra de prueba con una longitud de calibre corta y sin soporte y el uso de soporte lateral a lo largo de la longitud de la muestra.

Se requiere que todos los accesorios de compresión tengan una buena alineación axial y una alta rigidez lateral para proporcionar y mantener una alineación precisa bajo las cargas laterales que pueden generarse mediante una prueba de compresión. La flexión tendrá un efecto significativo en los resultados de la prueba y la mayoría de los métodos de prueba de compresión incluyen un valor para la flexión máxima permitida de la muestra de prueba.

La tolerancia al daño es una preocupación importante con los laminados compuestos. La prueba de compresión después del impacto proporciona una medida de la tolerancia al daño y la prueba generalmente se realiza en un panel laminado rectangular. La prueba consta de dos partes separadas; Inicialmente, el panel se sujeta alrededor de la periferia y luego se somete a un impacto controlado en el centro del panel usando una máquina de prueba de caída de peso.

Luego, el panel impactado se ubica en una plantilla especial y se somete a una carga de compresión de borde hasta que falla, y la carga de falla da una indicación de la resistencia residual del panel después del daño por impacto.

Normalmente, el entorno de prueba más común para materiales compuestos es la temperatura que generalmente oscila entre -80°C y 250°C. Con frecuencia, las muestras de prueba se acondicionan previamente en diferentes entornos antes de realizar la prueba. El preacondicionamiento suele realizarse en condiciones de humedad, pero también se utiliza la exposición a líquidos.

Las pruebas que incluyen pruebas de tracción de materiales compuestos preacondicionados generalmente se pueden realizar en un ambiente con temperatura controlada únicamente. Las cámaras ambientales diseñadas para pruebas a bajas y altas temperaturas generalmente están equipadas con convección forzada para calentamiento y un sistema de inyección de nitrógeno líquido para enfriamiento.

Las pruebas mecánicas de materiales compuestos son un tema complejo que involucra una variedad de configuraciones de prueba, una amplia selección de estándares de prueba reconocidos internacionalmente y, con frecuencia, la necesidad de realizar pruebas en una variedad de entornos diferentes. La disponibilidad de máquinas de prueba bien alineadas y disposiciones de agarre, extensómetros de tecnología avanzada, accesorios de prueba intercambiables y software de prueba intuitivo facilita los requisitos de pruebas mecánicas exigidos por la I+D y el control de calidad de rutina.