ASTM D6641 Combined Loading Compression
La norma ASTM D6641 define un método de ensayo estándar para determinar el módulo de elasticidad, la resistencia y el alargamiento a la rotura de laminados compuestos de fibra bajo carga de compresión. El ensayo es adecuado para laminados UD de 0°, 90° o multidireccionales, para compuestos de malla y tejido o para compuestos de fibra con fibras de refuerzo discontinuas y distribuidas aleatoriamente (p. ej. Chopped Fiber Composites, SMC).
En el ensayo de compresión de carga combinada Combined Loading Compression, se aplica una fuerza combinada mediante un componente de fuerza normal a través de los extremos de la probeta y un componente de fuerza de corte a través de la parte sujeta de la probeta. Esta aplicación de fuerza combinada es especialmente útil para los ensayos de compresión en laminados de materiales compuestos de fibras de resistencia elevada. El cumplimiento de las tolerancias especificadas en la norma de paralelismo de los extremos de la probeta y de perpendicularidad de los extremos con respecto a la dirección de carga es esencial para obtener resultados óptimos.
Según la ASTM D6641, pueden utilizarse tanto probetas sin encolado (método A) como probetas con encolado aplicado (método B). Para más información, consulte el apartado «Probetas y dimensiones».
Otras normas de ensayo utilizadas con frecuencia para ensayos de compresión en plásticos reforzados con fibras largas o continuas son la norma ASTM D695 o DIN EN 2850 método B según el principio de carga final, End Loading, y la norma ASTM D3410 o ISO 14126 método 1 según el principio de carga de cizalladura, Shear Loading. Otro ensayo de compresión de carga combinada Combined Loading Compression normalizado se describe en la norma ISO 14126 método 2.
Objetivo y valores característicos Realización del ensayo Dispositivo de ensayos CLC Máquinas de ensayos Medición de la deformación Condiciones de ensayo Probetas
Objetivo del ensayo y valores característicos determinados según ASTM D6641
Los ensayos de compresión para composites según la norma ASTM D6641 se realizan, entre otras cosas, para determinar las propiedades de compresión durante el desarrollo y la calificación de materiales, para determinar los valores característicos para el trazado y el diseño de estructuras compuestas, así como en el control de la calidad.
Con el ensayo de compresión de carga combinada, Combined Loading Compression según la norma ASTM D6641 pueden determinarse los siguientes resultados y valores característicos:
- Tensión de compresión: Fuerza de compresión referida a la sección inicial de la probeta
- Deformación en compresión: Variación de la longitud de medición con respecto a la longitud inicial
- Módulo de compresión: Pendiente de la curva tensión-deformación en compresión en el ensayo de compresión en un intervalo de deformación especificado en la zona elástica. También denominado módulo de elasticidad o módulo de Young.
- Resistencia a la compresión: Valor máximo de la tensión de compresión determinada en el ensayo de compresión.
- Alargamiento de rotura: Compresión cuando se alcanza la resistencia a la compresión
En caso de utilizar bandas extensométricas biaxiales, que permiten medir la deformación en dirección longitudinal y transversal, también se podría determinar el coeficiente de Poisson en el ensayo de compresión según ASTM D6641 y se analiza en la norma. Sin embargo, resulta poco práctico debido a la longitud libre relativamente pequeña de la probeta en el ensayo de compresión y, por ello, es muy poco habitual. Para determinar el coeficiente de Poisson, es mucho más adecuado el ensayo de tracción según ISO 527-4,-5 o ASTM D3039.
¿Cómo se realiza el ensayo de compresión según ASTM D6641?
A continuación encontrará información importante sobre cómo realizar el ensayo Combined Loading Compression en materiales compuestos y las máquinas de ensayos, los dispositivos de ensayo y los extensómetros necesarios para ello. Para obtener información detallada sobre ASTM D6641, es imprescindible adquirir la norma.
ASTM D6641 Dispositivo de ensayo de ensayos Combined Loading Compression
Para el ensayo Combined Loading Compression (CLC) según la norma ASTM D6641, se requiere un dispositivo de ensayo que permita la aplicación combinada de fuerza a través de los extremos de la probeta y a través de la parte sujeta.
En el útil CLC, Combined Loading Compression, se utilizan 4 tornillos para sujetar la probeta en las partes superior e inferior del dispositivo, que están guiadas en paralelo. Las caras frontales de la probeta están alienadas con las caras frontales del dispositivo. A continuación, se coloca el dispositivo de ensayo con la probeta instalada entre platos de compresión templados alineados en paralelo y se carga a compresión hasta la rotura de la probeta.
De acuerdo con la norma ASTM D6641, para el ensayo de compresión de carga combinada, también se puede utilizar un útil de ensayo comparable que responde al principio de aplicación de fuerza combinada en la probeta:
El dispositivo de compresión hidráulico para composites (HCCF), desarrollado originalmente por IMA Dresden y disponible exclusivamente en ZwickRoell para ensayos de compresión de hasta 250 kN en composites, es un útil de compresión extremadamente versátil, también adecuado para el ensayo de compresión de carga combinada según ASTM D6641.
Algunas ventajas y características del HCCF
- Permite realizar ensayos de compresión según el principio de compresión de carga combinada (ASTM D6641, ISO 14126 Método 2 o Airbus AITM 1-0008).
- Permite realizar ensayos de compresión según el principio de compresión Shear-Loading (ASTM D3410 o ISO 14126 Método 1)
- Para fuerzas de compresión hasta 250 kN
- Para anchos de probeta hasta 35 mm y espesores de laminado hasta 10 mm
- Mayor volumen de probetas durante el ensayo, ya que el útil HCCF permanece en la máquina de ensayos
- Las mordazas están perfectamente alineadas entre sí y no se desplazan durante el ensayo
- La visión total de la parte libre de la probeta permite utilizar métodos ópticos de medición de la deformación, como la correlación de imágenes digitales Digital Image Correlation (DIC)
Aviso: La norma ASTM D6641 exige la medición de la deformación por las dos caras en las superficies opuestas de la parte libre de la probeta. Por ello, las bandas extensométricas suelen ser el método más adecuado para medir la deformación, debido a la superficie relativamente pequeña de 13x13 mm² de la geometría estándar de probeta ASTM D6641.Véase el apartado siguiente: « Medición de la deformación » para más información.
- Una deformación causada por desviaciones en el espesor de la capa de adhesivo o las tiras de refuerzo al sujetar la probeta, detectable por una diferencia absoluta de >150 µe entre las bandas extensométricas que miden en ambos lados, puede corregirse rápida y fácilmente abriendo las mordazas de sujeción y calzos.
- Para ensayos de compresión en el rango de temperatura más de -60 °C a +150 °C
- Las bombas manuales hidráulicas permiten una sujeción gradual muy fina de la probeta
Para el útil HCCF hay mandíbulas con retículo de escamas disponibles con una rejilla de escala o con una superficie rugosa aplicada mediante un proceso de revestimiento térmico. Las mandíbulas con revestimiento térmico deben utilizarse cuando se ensayen probetas sin tiras de refuerzo (ASTM D6641 procedimiento A).
Máquina de ensayos para ASTM D6641
Para los ensayos de compresión según ASTM D6641 con probetas normalizadas y para muchos otros métodos de ensayo de plásticos reforzados con fibras, a menudo basta con utilizar una máquina de ensayos de 100 kN. Se muestra el montaje de ensayo de compresión con dispositivo de compresión HCCF y barras de extensión en la parte superior e inferior, lo que permite realizar ensayos de compresión en la cámara de temperatura. Los ensayos de compresión a temperatura ambiente no requieren las barras de extensión. Con la configuración de la máquina de 100 kN mostrada, el uso de mordazas mecánicas de cuerpo acciona cuña para ensayos de tracción (véase la imagen pequeña de arriba) facilita el cambio entre diferentes configuraciones y dispositivos de ensayo. Simplemente retirando las mordazas, todo el espacio de trabajo de la máquina de ensayos puede utilizarse también para ensayos no estandarizados. Los pies permiten un ajuste individual y ergonómico de la altura del espacio de trabajo.
Si sólo se ensayan plásticos reforzados con fibra de vidrio (PRFV), suele bastar con una máquina de ensayos estática con una fuerza máxima de 50 kN.
Sistema modular de ensayos de materiales compuestos
Los laboratorios grandes con un volumen de ensayos elevado utilizan diferentes máquinas para la gran variedad de métodos de ensayos de composites y, de este modo, pueden minimizar el cambio de accesorios. Las máquinas de ensayos individuales se pueden adaptar al rango de fuerzas de los diferentes tipos de ensayo. Si el volumen de ensayos no es muy elevado ni frecuente para hacer una inversión en varios equipos de ensayos, puede resultar útil equipar una sola máquina para poder llevar a cabo el máximo número posible de ensayos con el mínimo tiempo posible.
Para ello, ZwickRoell ha desarrollado un concepto modular, disponible como máquina de ensayos estáticos de 100 kN o 250 kN, que cubre 21 métodos de ensayo y aprox. 120 normas de ensayo (ISO, EN, ASTM, así como Airbus AITM y Boeing BSS) y permite una caracterización amplia de materiales compuestos de fibras a temperatura ambiente o en ensayos con temperaturas bajas o elevadas de -80°C a +360°C.
Ensayos fiables según la norma ASTM D6641 gracias al software de ensayos testXpert
Nuestro software de ensayo testXpert permite realizar ensayos eficientes y obtener resultados fiables según ASTM D6641:
- Ahórrese el tiempo de estudiar las normas: Cumplimiento garantizado de las normas estándar, en los que ya están almacenados todos los valores característicos y parámetros de la norma ASTM D6641.
- Puede conseguir la máxima eficacia en sus ensayos mediante la conexión de dispositivos periféricos: El envío de las dimensiones de la probeta desde el micrómetro o pie de rey directamente al software de ensayo permite ahorrar tiempo y evitar errores durante la introducción de los datos.
- También puede comprobar y controlar la temperatura de la cámara mediante el software. Establezca rampas de temperatura y visualice los valores cumplidos de forma trazable, incluso a posteriori.
Medición de la deformación en el ensayo de compresión según ASTM D6641
El ensayo de compresión según ASTM D6641 requiere una medición de la deformación independiente y de doble cara en la zona libre no apoyada de la probeta (Gauge Length). Debido a la superficie relativamente pequeña de 13x13 mm2 de la geometría estándar de la probeta, el uso de bandas extensométricas aplicadas por ambos lados es el método más adecuado para medir la deformación.
Para detectar cualquier deformación por flexión superpuesta en la probeta y distinguir los ensayos válidos de los no válidos, es necesario realizar una medición de la deformación por ambas caras y de forma independiente, en la probeta. Véase el apartado «Condiciones de ensayo - Control de la deformación por flexión superpuesta (Percent Bending)» a continuación.
Gracias al diseño abierto del dispositivo de compresión HCCF, también se puede utilizar un extensómetro clip-on de medición bilateral independiente. Aunque para ello se requiere una longitud libre de al menos 13 mm. De acuerdo con ASTM D6641, se permite una longitud libre mayor y es útil para el uso de un extensómetro clip-on, siempre que el espesor de la probeta se dimensione en consecuencia para evitar el pandeo de Euler.
Condiciones de ensayo según ASTM D6641
Velocidad de ensayo
La velocidad de ensayo nominal según ASTM D6641 es de 1,3 mm/min.
Fallo de probeta válido
Para la documentación del fallo de la probeta, la norma ASTM D6641 proporciona un código de 3 letras que define de forma exclusiva el modo de fallo y la posición a lo largo de la probeta sujeta. Dependiendo de la arquitectura de la fibra y del laminado ensayado, pueden producirse diferentes tipos de fallo válidos en el ensayo de compresión, p. ej., rotura a lo ancho de la probeta, rotura por cizallamiento en ángulo a lo largo del espesor de la probeta (normalmente en ensayos de compresión en laminados UD de 90°), kink band, brooming, splitting, delaminación o combinaciones de diferentes tipos de fallo válidos.
El ensayo de compresión sólo es válido si la probeta se rompe dentro de la longitud libre. Lo ideal es una rotura en la zona central de la longitud libre, pero debido a la corta longitud libre y a las superficies de rotura parcialmente anguladas, también se producen fracturas en la transición de las mordazas de sujeción a la zona libre o en la transición de la zona de encolado a la zona libre. Esto también se considera un fallo válido de la probeta.
Los tipos de fallo no válidos son el pandeo de Euler o el fallo en los extremos de la probeta, así como cualquier tipo de fallo en la zona de sujeción de la probeta.
Control de la deformación por flexión superpuesta (flexión porcentual)
Además del fallo válido de la probeta, una deformación por flexión superpuesta a la carga de compresión no debe exceder un rango especificado para un ensayo de compresión válido global de acuerdo con ASTM D6641. El valor porcentual de flexión calculado para este fin se calcula utilizando las señales de deformación ε1 y ε2 determinadas en ambos lados de la probeta mediante la fórmula By=(ε1-ε2)/(ε1+ε2)×100.
Para un ensayo válido se aplica: By<10% en el intervalo de deformación media de la determinación del módulo de elasticidad a 2000µε? y By<10% para la resistencia a la compresión y el alargamiento a la rotura.
Si se producen saltos y discontinuidades en la señal de deformación debido a un fallo previo en el laminado por proximidad a la resistencia a la rotura, el ensayo es válido aunque se cumpla el criterio de flexión porcentual al 90% de la resistencia a la compresión.
Rango de temperatura
Dado que las propiedades mecánicas de los plásticos reforzados con fibras dependen en gran medida de la temperatura, además de los ensayos de compresión a temperatura ambiente se realizan ensayos a temperaturas bajas y elevadas. Para ello, el útil de compresión HCCF de ZwickRoell se puede emplear en el rango de temperatura de -60° a +150°C, que cubre el rango habitual de ensayos de temperatura entre -40° y +80°C (+120°C) para aplicaciones de automoción y entre -55°C y +120°C, en aeronáutica.
ASTM D6641; Probetas y dimensiones
| Tipo de probeta | Esquema de la probeta | Notas |
|---|---|---|
| sin tiras de refuerzo (Método A) |  | puede utilizarse para laminados multidireccionales con menos del 50% de capas a 0° si puede evitarse el fallo en las caras extremas de la probeta y no requiere un gran aumento de la fuerza de sujeción por encima del nivel recomendado. |
| con tiras de refuerzo (Método B) |  |
|
- Como material de refuerzo se puede utilizar un laminado GRP de ±45°, que se pega al laminado que se va a ensayar utilizando un adhesivo adecuado. Para probetas de hasta 2,5 mm de grosor, se ha demostrado que un grosor del refuerzo de aprox. 1,6 mm es adecuado. Para probetas de mayor espesor, deben seleccionarse refuerzos más gruesos si es necesario.
- La norma ASTM D6641 no define un espesor nominal de la probeta. Normalmente se ensayan espesores de probeta de 2 a 3 mm. También pueden ensayarse laminados más gruesos, siempre que el dispositivo de ensayo de compresión utilizado para ello lo permita. Para espesores de probeta menores, debe respetarse las dimensiones contra pandeo de Euler especificadas en la norma, especialmente para laminados de menor rigidez.
- El dispositivo de compresión HCCF se desarrolló originalmente para el ensayo de compresión Combined Loading Compression según Airbus AITM 1-0008. La longitud de las mordazas especificadas en AITM 1-0008 es de 65 mm. Las mandíbulas originales del HCCF son, por tanto, 1,5 mm demasiado largas para la geometría nominal de la probeta ASTM D6641. Para realizar el ensayo de compresión de carga combinada según ASTM D6641 con el útil HCCF deben utilizarse probetas de compresión de 143 mm de longitud. Como alternativa, pueden utilizarse mandíbulas adecuadas diseñadas para la longitud nominal de la probeta de 140 mm.
