Ensayo de Tracción Biaxial
El ensayo de tracción biaxial es un ensayo mecánico en el cual la probeta es sometida a esfuerzos de tracción en dos direcciones diferentes y mutuamente perpendiculares entre sí. Esta prueba se utiliza en el campo de investigación y desarrollo, porque con él se pueden ajustar examinar valores de tensión tensión definidos en el punto de cruce de de la probeta.
Para generar datos útiles para el cálculo de esfuerzo esfuerzo en la prueba, la probeta para ensayos biaxiales debe ser capaz de cumplir c umplir ciertos requerimientos. Y son los siguientes:
La probeta debe presentar una zona amplia y suficientemente homogénea para generar un campo de esfuerzo en donde se pueda realizar mediciones de deformación.
La falla de la probeta debe de ocurrir dentro de dicha zona. Durante el ensayo biaxial la probeta no debe experimentar cargas distintas a las de tracción.
La probeta debe ser capaz de soportar distintas razones de cargas biaxiales arbitrarias.
Tipos de probetas
Probetas cruciformes
Probetas tubulares
Probetas tipo placa delgada
Ensayos de Tracción Biaxial Plana
Probar muestras cruciformes biaxialmente biaxialmente cargadas, representa una aproximación aproximación mas directa para obtener estados de esfuerzos biaxiales verdaderos, este método ha ganado amplia aceptación. De acuerdo a varios investigadores en el campo una probeta cruciforme ideal debe de seguir las siguientes características:
Debe ser capaz de generar un estado biaxial homogéneo de esfuerzo/deformación suficientemente amplio, en el área de medición.
La falla debe ocurrir en la zona de medición predefinida.
La forma cruciforme debe aceptar variaciones en la carga biaxial arbitraria para generar un ambiente de falla completo.
El radio del filete de la forma cruciforme debe ser tan pequeño como sea posible para reducir los esfuerzos de acoplamiento.
Las mediciones de esfuerzo en el área de prueba deberá ser comparable a valores nominales obtenidos dividiendo cada carga aplicada entre su correspondiente área transversal.
Aunque varias geometrías cruciformes contienen un cuadrado delgado en el centro de la muestra, la cual ha sido propuesto en la literatura, ninguna asegura una satisfacción completa de los requerimientos mencionados debido a dific ultades inherentes a las pruebas biaxiales como se ve en la figura 1a. Para aplicar cargas biaxiales en probetas cruciformes se necesita de un dispositivo específico el cual requiere de las siguientes características:
Las cargas aplicadas a la muestra cruciforme debe ser de tracción.
De acuerdo a la restricción anterior, implica que las cargas deben ser ortogonales en todo momento durante la prueba
Figura 1: Prueba Biaxial en probeta cruciforme. a) Geometría de una probeta cruciforme
b) Equipo MTS Planar Biaxial test system para la prueba de tracción biaxial plana.
El centro de la muestra debe permanecer estable/estancado o las cargas de los ejes podrán desplazar a la muestra.
Algunas de las máquinas para realizar las pruebas de tracción biaxial plana suelen ser demasiados grandes todo depende del material a probar, si el material es lo suficientemente suave, el equipo no requiere ser demasiado gr ande, pero si lo que se pretende ensayar son materiales muy rígidos como lo son los metales tales como el acero; el equipo para realizar las pruebas puede llegar a ser demasiado grande y costoso. Algunas de las normas ASTM / ISO referidas a pruebas biaxiales planas son las siguientes:
ASTM F1164-97(2014) Método de prueba estándar para la evaluación de plásticos transparentes expuestos a esfuerzos biaxiales.
ASTM STP1387 Pruebas y predicción de fatiga multiaxial y deformación.
ASTM WK33656 Nuevo método de prueba para pruebas de tracción biaxial de geosintéticos.
ISO 16842:2014 este método de ensayo de tracción biaxial utiliza una probeta cruciforme
Una probeta cruciforme con una enrarecida región central y una serie de miembros separados por ranuras se presenta en la figura 2a.; la configuración ranurada permite mayores deformaciones que ocurren en la sección de delgadas, así hacer cumplir la falla ahí. Sin embargo, el cambio de espesor puede i nducir concentraciones indeseables de tensión que generalmente conducen a la falla prematura fuera de la zona de calibre. Además, el extenso maquinado para adelgazamiento es una característica i ndeseable.
Figura 2. a) Configuración ranurada. b) configuración Cruciforme con la zona de menor calibre
cuadrados redondeados y esquinas fileteadas Otra probeta cruciforme, se muestra en la figura 2b, con una zona circular adelgazada en el área del indicador de falla de exhibiciones fuera de él, principalmente debido a defectos de fabricación causó inesperada resistencia mayor en un eje. La implementación de una zona de prueba en forma romboidal se sugiere en, aunque el conocimiento de autores, ningún resultado con esta geometría se han divulgado hasta ahora. Algunos experimentos llegaron a la conclusión de que la carga debe ser ortogonal a la orientación de la fibra para producir fallas en la zona de la prueba. La principal dificultad en la obtención de una configuración óptima es eliminar la concentración de tensiones en las articulaciones de los brazos. Para solucionar esto, un proceso iterativo de optimización (numérico/experimental) rindió óptimos parámetros geométricos de la muestra. Resultados de este estudio conducido a una configuración caracterizada por una plaza menor zona de prueba y filetean las esquinas entre los brazos. Dado que el fracaso es propensa a ocurrir en los brazos.
Probeta Cruciforme Ventana Romboide Mayor
Para evitar fallas prematuras por concentración de tensiones, un cruciforme modificado fue propuesto por este conceptos de diseño teniendo en c uenta: i) dado que los filetes son ejemplos de concentradores de tensión, la cruciforme y calibre filetes de zona deben ser tan lejos aparte como sea posible unos de otros, favoreciendo así un romboide-ventana calibre zona. Esta modificación también tiene la intención de reducir al mínimo las regiones de interacciones de estrés, que causan falta de homogeneidad en el campo de tensión y falta aún prematura. Tradicionales (en lugar de reentrada) filetes se prefirieron mantener este concentrador de tensión como separados como sea posible de la zona de calibre. II) puesto que el foco de esta investigación son textiles compuestos (TC), la muestra propuesta también cuenta con armas más amplia y una zona de calibre más grande, que buscan reducir la celda de unidad de materia textil vs relación calibrador de la longitud de la zona. Esta modificación está en sintonía con las normas de ASTM en la prueba de los procedimientos para textiles compuestos. III) para evitar la contaminación de los datos de fuerza obtenidos con adherencia entre capas adyacentes y otras incertidumbres relacionadas con múltiples capas, efectos in situ, caracterización se realiza en una zona de una capa central calibre, mientras que un número de capas de refuerzo se ha añadido fuera de la zona de calibre para hacer cumplir el fallo en su interior. La forma cruciforme ventana romboidal resultante fue similar a otras muestras empleadas para la caracterización de la fatiga del plástico del ABS, que informe un campo de tensión biaxial suave en la zona de calibre. Se seleccionaron las dimensiones básicas de un espécimen reportado en la literatura: brazo ancho w = 50mm y filetes cruciforme R = 25 mm. La ventana romboidal longitud l se estableció idéntica a la anchura del brazo l = 50mm, mientras que el radio de la ventana del filete r fue fijado como el 10% de l; la geometría se bosqueja en la figura 3. Análisis de elementos finitos (FE) demostraron que esta geometría genera una distribución más uniforme de la tensión, mientras que la tensión de esquileo máxima en el filete cruciforme es relativamente lenta. Una vez que se estableció la aptitud de un espécimen cruciforme ventana romboidal para la creación de un estado de esfuerzo biaxial, se llevó a cabo un proceso de optimización geométrica basado en la metodología de diseño de experimento. Convenientes funciones objetivo se definieron con el fin de homogeneizar la εx y campos de deformación εy dent ro el romboide calibre zona manteniendo la tensión de esquileo γxy campo cercano a cero.
Figura 3. Geometría de la muestra propuesta cruciforme. Endecha para arriba para la región
de refuerzo es [0], mientras que para la zona de calibre es [0] (es decir, una sola capa). Todas las dimensiones se dan en milímetros. E11
[GPa]
25.0
E22
[GPa]
25.0
v12
[-]
0.2
G12
[GPa]
4.0
Tabla 1. En el plano mide propiedades mecánicas para un TC conformada de: sistema Epoxy
West 105/206 reforzada con estilo de tela de fibra de vidrio #7520, tejido plano bidireccional 8.5 oz/sq yd, con L x 18W 18 hilos por pulgada cuenta.
La geometría optimizada se define en la figura 4, mientras que los resultados de los análisis se muestran en la figura 5, que divide la geometría en las secciones superior e inferior para al mismo tiempo que ilustran los campos de tensión εx y γx, respectivamente, en un solo gráfico; debido a la completa simetría, el campo de deformación εy es idéntico al campo εx cuando se
gira 90 °. La geometría resultante genera un campo de tensión muy homogénea en la zona de calibre y mantiene cepas cerca de cero, manteniendo las tensiones de corte en las regiones de filete por debajo del valor de la falta del esquileo.
Figura 4. Probeta de Especificaciones Optimizada. Dimensiones están en milímetros.
Máquinas de Prueba Biaxiales
Aplicar cargas biaxiales en especímenes cruciformes se requiere un dispositivo específico que puede cumplir los siguientes requisitos i) las cargas aplicadas a una muestra de la Cruz deben ser estrictamente en tensión o en compresión, evitando la espuria corte o doblez cargas. II) la restricción se ha dicho implica que ortogonalidad entre ejes de carga debe garantizarse en todo momento durante la prueba y, por lo tanto iii) el centro de la muestra debe permanecer bien todavía o los ejes de carga deben desplazar con él. Un método eficiente para asegurar la condición anterior es aplicar iguales desplazamientos en el eje cargado. Estos requisitos pueden lograrse utilizando un sistema de c ontrol activo o por pasivos métodos mecánicos, que el uno se describe más adelante. A continuación se presenta una revisión de los sistemas más comunes de prueba biaxiales.
Figura 5. Campo de tensión lineal (parte superior del gráfico) y esquileo tensión campo (parte
baja) dentro y cerca de la zona de calibre de la muestra optimizada.
Técnicas de Adquisición de Datos
A diferencia de las pruebas de tracción uniaxial en las que los datos de esfuerzo y deformación por falla pueden obtenerse directamente de la carga recolectada y los datos de desplazamiento, en el caso de pruebas biax iales los valores de resistencia no pueden calcularse directamente de esta manera porque el campos de tensiones no son necesariamente homogéneos a lo largo de la muestra y generalmente dependen de la carga de manera no trivial por la geometría compleja. Por esta razón prueba biaxial requiere de un método capaz de medir el campo completo de la tensión en la zona de carga biaxial de la muestra. Dado que la tensión no se puede medir directamente es necesario medir el campo de desplazamiento, de la cual se puede calcular fácilmente el campo de tensión. Mediante el campo de tensión y un modelo constitutivo que también puede cal cularse el campo del estrés. Sin embargo, las técnicas de medición de campo completo no son métodos de adquisición de datos estándar y con el fin de identificar la técnica más adecuada para esta investigación una encuesta que se realizó.
Prueba Biaxial
La validación experimental del cruciforme optimizado se realizó con el aparato de prueba biaxial descrito en la sección 2.2.3 de la siguiente manera: después de montar el espécimen en las pinzas, se aplicó una precarga de 500 N a cada eje antes de apretar los pernos de montaje. (Figura 6) Luego, se quitaron los pernos de precarga y alineación, ajustando los desplazamientos y las cargas medidas a cero. Se grabó un video de alta calidad de la muestra con un codificador de levas de alta definición con funciones ajustables de enfoque y parámetros de exposición para posteriores análisis D IC. Un cronómetro sincronizado con el reloj de la computadora fue colocado cerca de la muestra y dentro del campo de visión de la cámara, para asegurar su inclusión en las imágenes capturadas; esto proporcionó una referencia de tiempo para relacionar cada cuadro de video con los datos de carga correspondientes. Después de iniciar la grabación de video y la rutina de captura de datos, se aplicaron desplazamientos biaxiales a una velocidad de 1 mm / min hasta la falla final. Esta velocidad de carga se seleccionó en base a la norma ASTM 3039 , que recomienda una velocidad de desplazamiento tal que la falla ocurre de 1 a 10 minutos después del inicio de la prueba. La adquisición y reducción de datos se realizó de la siguiente manera: se tomaron dos cuadros de video de la secuencia de video grabada, uno correspondiente al comienzo de la prueba y otro justo antes de la falla final, como se muestra en la figura 15. Ambas imágenes se alimentaron en el software de acceso abierto DIC2D (desarrollado por el equipo del Dr. Wang en la Universidad Católica de América) para obtener el campo de tensión completo (εx, εy y γxy). Las tres pruebas realizadas cubrieron un rango de valores de BR de relación biaxial en las
proximidades de la condición crítica BR = 1: BR = 1.5 (Prueba n. ° 1), BR = 1.25 (Prueba n. ° 3) y BR = 1 (Prueba n. ° 5). La Figura 7 muestra la secuencia de falla final representativa de las pruebas realizadas. Debe notarse que la falla ocurrió bien dentro de la zona de calibre como se esperaba de los campos de deformación predichos por FE.
Figura 6. Muestra cruciforme montada en la máquina de prueba biaxial.
Figura 7. Secuencia de la falta final grabado a 30 cuadros por segundo.
La falla final está claramente dominada por las fibras, debido a su naturaleza catastrófica; es posible identificar la región de inicio de falla final dentro de la zona de calibre romboidal, como se requiere para una prueba exitosa. Con respecto al campo de deformación, se puede ver en la Figura 8 que la concordancia entre los resultados experimentales (obtenidos de DIC) y la predicción de FE es notablemente buena. Las imágenes DIC y FE muestran la misma simetría del patrón de deformación por corte experimental y homogeneidad y suavidad similares, y los valores de deformación absoluta cubren un rango similar. Esto puede considerarse un indicador adicional del éxito del procedimiento experimental presentado en este trabajo. El mismo procedimiento utilizado para caracterizar la deformación final puede usarse para obtener la envolvente de falla de inicio de la matriz (en oposición a la f alla de la fibra), pero debido al hecho de que este fenómeno no puede deducirse visualmente, se utilizó un enfoque diferente para este propósito. Las gráficas de carga vs. Desplazamiento se usaron para identificar el cambio en la pendiente que evidencia daños en la matriz, como se muestra en la Figura 9. Este método se propone como una extrapolación del método empleado para las pruebas uniaxiales definidas por la norma ASTM 3039 para la caracterización uniaxial de la tensión de los materiales compuestos. Se obtuvieron ajustes li neales para cada segmento lineal de curvas correspondiente a cada eje perpendicular, y las intersecciones se calcularon resolviendo las ecuaciones resultantes, lo que permitió cuantificar los valores de deformación correspondientes al inicio del daño de la matriz, considerando que este último ocurre en el primer cambio de pendiente. Una vez que se identificaron el desplazamiento y la deformación, se utilizó la imagen digital correspondiente para realizar un análisis DIC y obtener la tensión de campo completa de la misma manera descrita anteriormente.
Figura 8. Comparación del campo de deformación FE vs DIC para el ensayo #5. La primera
columna corresponde a los resultados FE, mientras que la segunda columna exhibe los resultados del proceso de correlación de imágenes digitales (DIC). La primera y la segunda fila muestran el campo de deformación lineal, mientras que la última fila muestra el campo de tensión de deformación de corte.
Figura 9. Carga versus desplazamiento para la prueba biaxial # 3. La ubicación donde se
produce el cambio de pendiente se interpreta como el inicio de la falla de la matriz.
Figura 10. Datos de envolvente de falla obtenidos a partir de los datos experimentales
Es importante destacar que el uso del cambio de pendiente en la carga frente a las curvas de desplazamiento puede verse significativamente influenciado por los efectos g eométricos y la no linealidad de los materiales, y otros Se deben emplear técnicas auxiliares tales como emisión sónica o escaneo de rayos X in situ para verificar que este cambio se pueda usar efectivamente como indicación de inicio de daño de la matriz.
Los datos de resistencia experimentales para la resistencia biaxial de una sola c apa obtenidos del programa experimental se presentan en la Figura 10, así como los datos de una prueba uniaxial realizada en muestras de cinco capas. Los intervalos de confianza calculados para las cepas de falla observadas en pruebas uniaxiales se presentan en la figura. Cabe señalar que los datos de resistencia de capa única caen dentro de los límites de confianza del 95%, lo que sugiere que las interacciones entre las cepas ε1 y ε2 son significativas para los laminado s de
capa única. Este hallazgo no debe usarse como criterio de diseño antes de que se obtengan más datos experimentales, pero proporciona una buena indicación de la viabilidad de la metodología presentada para el análisis de fallas.
Conclusiones
Se pudo comprende cómo es la realización del ensayo de tracción biaxial, su importancia y como sus diferentes tipos de probetas nos ayudan a realizar el mejor ensayo. Pudimos obtener conocimiento para la mejoras de las probetas y así llevar las muestras una gran optimo rendimiento del material. Se pudo comprender como se desarrolla un proceso de fabricación sin ningún tipo de operaciones de mecanizado.
Bibliografía
Welsh JS, Mayes JS, Biskner A. 2-D biaxial testing and failure predictions of IM7/977-2 carbon/epoxy quasi-isotropic laminates. Composite Structures 2006; 75(1-4):60-66.
Crookston JJ, Long AC, Jones IA. A summary review of mechanical properties prediction methods for textile reinforced polymer composites. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications 2005; 219(2):91-109.
Swanson SR, Smith LV. Comparison of the biaxial strength properties of braided and laminated carbon fibre composites. Composites: Part B 1996; 27(1):71-77.
S. KalPpakjian . S.R. Sghmid. Manufactura, Ingenieria y Tecnologia
https://es.scribd.com/document/140819402/Ensayo-de-Traccion-Biaxial
Felipe Fuentes Espinoza. Tesis Ensayos Mecanicos en Metales
Procesos de Manufactura I Ensayo de Tracción Biaxial
Julián Miguel Salas Siado
Carlos Andrés Olivo Cantillo
Universidad del Atlántico Ingeniería Mecánica Febrero - 16 - 2018
