Introducción
Uno de los ensayos mecánicos tensión-deformación más común es el realizado a tracción. El ensayo de tracción puede ser utilizado para determinar varias propiedades de los materiales. Normalmente se deforma una probeta hasta rotura, con una carga de tracción que aumenta gradualmente y que es aplicada axialmente a lo largo del eje de la probeta. El objetivo de esta práctica es evaluar el efecto de la disposición de las fibras sobre las propiedades mecánicas del composito tanto en tracción como en flexión. Alcance
El alcance del ensayo a realizar, será obtener la curva tensión-deformación. Luego, obtener las propiedades mecánicas del material interpretando los resultados obtenidos, también verificar el tipo de rotura de las probetas. Procedimiento Experimental Ensayo de tracción
El ensayo de tracción (Fig. 1) fue realizado en un equipo universal para pruebas mecánicas Zwick/Roell Z050 en el laboratorio de Polímeros de La sección mecánica de la PUCP a una relación constante de esfuerzo de 0.01 mm/min y a una relación entre la longitud de apoyos (span) y espesor de 32:1. Las probetas de compositos de fibra de vidrio fueron fabricadas de acuerdo a la norma ASTM D3039 [1]. Las dimensiones de las probetas se registran en la Tabla 1.
Figura 1: Esquema del ensayo de tracción [2].
Las velocidades de penetración utilizadas y la deformación máxima antes de la cual debería suceder la rotura del material, fueron calculados a partir del procedimiento A del ASTM D3039.
Estos parámetros de ensayo fueron introducidos en el so ftware Test Xpert II, luego de realizados los ensayos; los valores de esfuerzos, módulos y deflexiones fueron calculados automáticamente a partir de la fuerza y deformación medidas por el equipo. Tabla 1: Dimensiones de las probetas utilizadas en el ensayo de tracción. Probeta (con fibras) Longitudinales Transversales Tejidas Al azar
Ancho b (mm)
13.02 13.28 13.09 13.25
Espesor d (mm)
3.09 3.42 5.7 6.22
Area Ao (mm2)
40.23 45.42 74.61 82.42
Para calcular los valores de esfuerzo de tracción, deformación unitaria y módulo de elasticidad a la tracción se utilizaron las fórmulas 1,2 y 3 respectivamente de acuerdo a la norma.
=
(1)
=
(2)
=
(3)
Dónde: Et: Módulo de elasticidad en tracción (MPa).
: máximo esfuerzo de tensión (MPa).
σmax
εt
: deflexión máxima (mm/mm).
m: Pendiente de la tangente en la porción inicial de la gráfic a carga-deformación (N/mm).
dmax: Deformación de deflexión máxima (mm)
Pmax: Fuerza máxima alcanzada en la curva (N).
b: Ancho de la probeta (mm).
L: Distancia entre apoyos (mm).
d: Espesor de la probeta (mm).
Resultados y Discusión
Longitudinales 20000 18000 16000 14000 ] N12000 [ e c r 10000 o f d r a 8000 d n a t 6000 S
4000 2000 0 -0.1 0 -2000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Elongation [mm]
Figura 2. Curva Esfuerzo-deformación de compositos con fibras longitudinales,
Transversales 450 400 350 300 ] N [ e c r o f d r a d n a t S
250 200 150 100 50 0
-0.01
0 -50
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
Elongation [mm]
Figura 3. Curva Esfuerzo-deformación de compositos con fibras transversales
Tejidas 35000 30000 25000 ] N [ e c r o f d r a d n a t S
20000 15000 10000 5000 0
-0.5
0
0.5
-5000
1
1.5
2
Elongation [mm]
Figura 4. Curva Esfuerzo-deformación de compositos con fibras tejidas
Al azar 16000 14000 12000 ] N [ e c r o f d r a d n a t S
10000 8000 6000 4000 2000 0
-0.2
0 -2000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Elongation [mm]
Figura 2. Curva Esfuerzo-deformación de compositos con fibras al azar
1.2
La efectividad del refuerzo de las fibras varía con respecto, a la orientación de l as fibras, proporción en volumen y la resistencia de la interfase [3]. En las Figuras 2, 3,4 y 5, podemos observar el comportamiento de la curva de esfuerzo vs deformación de los diferentes orientaciones de los compositos de fibra de vi drio. En la Figura 2, que corresponde a la probeta con fibras longitudinales presenta el mayor valor de resistencia máxima y deformación entre todas las probetas. En la Figura 3 se muestra a la probeta con fibras orientadas transversalmente donde se observa menores valores los menores valores de resistencia máxima y deformación. En la figura 4 y 5 se muestran las probetas con fibras tejidas y orientadas al azar respectivamente que muestran propiedades intermedias con respecto a las transversales y longitudinales, aunque ligeramente más elevadas en las probetas con f ibras longitudinales. Se puede observar también el comportamiento lineal antes de llegar a la resistencia máxima en todas las probetas, al llegar a este punto se empiezan a romper las primeras capas, después de eso, la resistencia a la tracción comienza a disminuir a medida que las capas se van rompiendo. En las probetas con fibras tejidas y or ientadas longitudinalmente se puede observar la aparición de una resistencia secundaria. Tabla 2: Resultados de ensayos mecánicos de flexión de los materiales compuestos Probeta (con fibras) Longitudinales Transversales Tejidas Al azar
Módulo Elástico de tracción ET (MPa) 30298 6338 19466 10639
Fuerza Máxima Fmax (N) 17219.8 420.3 29851.6 13278.1
Resistencia Máxima σmax (MPa) 428 9.25 400 161
Deflexión máxima εf (%) 0.87 0.07 1.68 0.96
Resistencia Máxima (Mpa) 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Longitudinales
Transversales
Tejidas
Azar
Figura 6. Comparativa entre compositos con respecto a su Resistencia máxima.
Modulo elástico de tracción (MPa) 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Longitudinales
Transversales
Tejidas
Azar
Figura 7. Comparativa entre compositos con respecto a su Modulo elástico de tracción
Estos resultados muestran que un mismo composito reforzado con fibras de vidrio presenta distintas propiedades mecánicas en tracción variando la disposición en la que se encuentran las fibras y la fracción de volumen. En la figura 6 se puede observar que el valor más alto de modulo elástico corresponde a la probeta reforzada con fibras longitudinales y la menor corresponde a las fibras transversales. Lo cual es lógico ya que el refuerzo que aportan las fibras en unidireccional, siendo más rígidos y resistentes en esta dirección, siendo la dirección ortogonal (tr ansversal) la que presenta las más bajas propiedades inclusive, en algunos casos, menores a las que hubiese si la probeta estaría compuesta solo de la resina polimérica. El modulo elástico de las probetas con fibras al azar es aproximadamente el doble del de las reforzadas con fibras transversales, y el modulo elástico de las probetas con fibras tejidas es casi el triple del valor de las reforzadas con fibras transversales. Cabe mencionar que estos compositos son isotrópicos y presentaran semejantes propiedades en cualquier dirección. Las fibras al azar estadísticamente no alcanzarán las características mecánicas de un material reforzado longitudinalmente, ya que un porcentaje de éstas tendrán ángulos de giro los cuales aportan la longitud efectiva en la dirección longitudinal
Conclusiones
Las probetas analizadas en el ensayo de tracción presentaron diferentes comportamientos por lo que se concluye que las propiedades mecánicas dependen en gran medida de la orientación , concentración y disposición de las fibras. Las probetas reforzadas con fibras longitudinales presentaron los mayores valores en módulo de elasticidad, resistencia a la tracción y deformación unitaria, siendo totalmente opuestos como se preveía a las fibras transversales. Las fibras tejidas presentaron mayores valores de módulo de elasticidad que las dispuestas al azar, sin embargo tuvo también mayor deformación unitaria lo que implica menor rigidez.
Referencias
[1]
ASTM D3039, « Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials1.» p. 5-11, 2015.
[2]
W. D. Callister, Materials Science and Engineering: An Introduction , 8th ed. John Wiley and Sons, 2009.
[3] R. B. Fonseca,L. N. Almeida ,M. S. Narvaes, « Effect of short glass fiber/filler particle proportion on flexural and diametral tensile strength of a novel fiber-reinforced composite», vol. 2014, 2014. [4]
M. Kinsella, D. Murray «Mechanical properties of polymeric composites reinforced with high strength glass fibers », vol. 3, n. o 2, pp. 2-7, 2010.
