Prove su compositi

Le prove di trazione sui compositi sono utilizzate per determinare i valori caratteristici elastici del modulo di trazione e dell’indice di Poisson, nonché la resistenza alla trazione nelle principali direzioni del materiale dei materiali plastici rinforzati con fibra.

• I metodi di prova più comuni per le prove di trazione sui compositi sono ISO 527-4 e ISO 527-5, ASTM D3039, nonché EN 2561 e EN 2597.
• La normativa Airbus AITM 1-0007 include i requisiti di prova sia per le prove di trazione su laminati multidirezionali senza intaglio che per le prove di trazione con intaglio per la determinazione della resistenza alla trazione utilizzando i metodi di prova a foro aperto (OHT) e a foro riempito (FHT) . Le prove di trazione a foro aperto e a foro riempito sono eseguite principalmente per applicazioni aerospaziali per determinare i fattori di riduzione dei laminati multidirezionali sotto carico di trazione a foro aperto o chiuso. Altri metodi di prova standardizzati per la determinazione della resistenza alla trazione a foro aperto e a foro riempito sono ASTM D5766 e ASTM D6742.

Le prove di compressione sui compositi sono utilizzate per determinare il modulo di compressione e la resistenza alla compressione nelle principali direzioni del materiale dei materiali plastici rinforzati con fibra. Poiché la resistenza alla compressione nella direzione delle fibre del laminato è spesso inferiore alla resistenza alla trazione e le modalità di rottura di un laminato FRP sotto carico di trazione e compressione sono molto diverse, la prova di compressione svolge un ruolo importante nelle prove sui compositi.

Per le prove di compressione sui compositi è disponibile un'ampia gamma di metodi e norme di prova, in cui si stabilisce una distinzione tra tre principi di applicazione del carico:

• Compressione carico assiale secondo ASTM D695, DIN EN 2850 tipo B, Boeing BSS 7260 tipo III e IV
• Prove di compressione con shear loading secondo ASTM D3410, ISO 14126 Metodo 1, DIN EN 2850 tipo A e Airbus AITM 1-0008 provino tipo A
• Prove di compressione con combinate loading secondo ASTM D6641, ISO 14126 Metodo 2, e Airbus AITM 0008 provino tipo A

Oltre ai metodi di prova sopra citati per la determinazione dei valori di compressione dei laminati non intagliati, esistono prove di compressione con intaglio standardizzate sui compositi per la determinazione della secondo ASTM D6484 e della resistenza alla compressione a foro riempito (FHC) secondo ASTM D6742.
Oltre alle proprietà di compressione del laminato non intagliato, è possibile determinare i corrispondenti fattori di riduzione per i laminati multidirezionali sotto carico di compressione. Le prove di compressione con intaglio sono ulteriormente descritte negli standard industriali Airbus AITM 1.0008 e nei campioni di tipo B, D e C, nonché nel Boeing BSS 7260 di tipo I.

Le prove di taglio sui compositi sono utilizzate per determinare le caratteristiche di taglio in piano dei materiali plastici fibrorinforzati, come il modulo di taglio e la resistenza al taglio. Per i materiali FRP con valori caratteristici diversi nelle principali direzioni del materiale, il modulo di taglio deve sempre essere determinato tramite prove di taglio separate e non può essere calcolato da altri valori caratteristici elastici, come avviene ad esempio per i materiali isotropi.

Sono stati stabiliti tre diversi metodi di prova per la determinazione delle caratteristiche di taglio e del relativo comportamento:

• Tensile test with ±45° laminate Prova di trazione con laminato ±45° secondo ISO 14129, ASTM D3518 e Airbus AITM 1-0002
• Prova di beam shear con intalio (Iosipescu) secondo ASTM D5379
• Prova di rail shear con intaglio secondo ASTM D5379.

Per la prova di trazione con un laminato a ±45° (in-plane shear test), è possibile utilizzare un set-up di prova identico a quello utilizzato per le prove di trazione. Tuttavia, per calcolare la deformazione di taglio è necessario acquisire la deformazione trasversale, oltre a quella assiale.

Per la prova Iosipescu e la prova rail shear con intaglio a v sono necessari provini con intaglio e dispositivi di prova corrispondenti. Anche in questo caso è necessaria la misurazione della deformazione biassiale. Si utilizzano spesso strain gage biassiali. In alternativa, la deformazione può essere misurata anche con la correlazione digitale delle immagini (DIC).
Le prove di taglio con intaglio a V possono essere utilizzate anche per determinare i valori caratteristici di taglio out-of-plane, quando sono disponibili laminati di spessore adeguato.

Grazie alla relativa semplicità della configurazione di prova, alla geometria e alla lavorazione dei provini e alle condizioni in cui vengono eseguite le prove, i test di flessione sui compositi sono spesso utilizzati come parte del controllo qualità o per un rapido confronto tra materiali. Tuttavia, è necessario fare una distinzione tra le prove di flessione a 3 e a 4 punti. I metodi di prova standardizzati più comuni per le prove di flessione sui materiali plastici fibrorinforzati sono:

• Prove di flessione a 3 e 4 punti secondo ISO 14125 e ASTM D7264
• Prove di flessione a 3 punti secondo EN 2562, EN 2746 e ASTM D 790
• Prove di flessione a 4 punti secondo ASTM D6272

Se la rigidità della configurazione di prova è sufficiente, o se la flessibilità del dispositivo di prova può essere determinata e corretta nel software di prova, l'uso della corsa della macchina di prova è spesso accettato nella prova di flessione a 3 punti.
Tuttavia, per la prova di flessione a 4 punti, sarà necessario misurare la deflessione al centro del provino utilizzando un sistema di misurazione della corsa adeguato.

La prova per la determinazione della resistenza al taglio interlaminare (ILSS) è uno dei test statici più comuni per i materiali plastici rinforzati con fibra ed è spesso utilizzata nell'ambito del controllo qualità. Il provino richiesto è relativamente piccolo, la prova è rapida e semplice da eseguire e la forza massima determinata durante la prova è sufficiente per la valutazione.

Gli standard di prova stabiliti per il test ILSS sono ISO 14130, EN 2377, EN 2563 e ASTM D2344.

I quattro standard descrivono un provino rettangolare, ma utilizzano dimensioni diverse per la lunghezza, la larghezza e lo spessore del provino. La norma ASTM D2344 definisce un provino curvo, come quello che potrebbe essere ricavato da un recipiente a pressione o dalla parete di un tubo.

Il dispositivo di prova utilizzato per il test ILSS deve essere in grado di soddisfare i severi requisiti di tolleranza richiesti dagli standard per ciò che concerne la configurazione.

Per comprendere il comportamento di delaminazione dei laminati compositi, vengono determinati il tasso di rilascio dell'energia interlaminare e il tasso di rilascio dell'energia interlaminare in caso di propagazione continua tramite test meccanici della frattura. Per la produzione dei campioni di prova è necessario un laminato in cui viene creato uno strappo artificiale nel piano centrale del laminato per mezzo di un film plastico molto sottile e non adesivo (spesso vengono utilizzati film di teflon).

I principali metodi di prova utilizzati sono la propagazione della cricca legata a un carico di trazione perpendicolare alla superficie della cricca (modo I) e la propagazione della cricca legata a un carico di taglio nella sezione trasversale del laminato (modo II). Per calibrare i metodi numerici di calcolo della propagazione delle cricche in un laminato, viene proposto anche un metodo di prova per carichi misti modo I+II:

• Modo I test double cantilever beam (DCB) secondo ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM 1-0005 e Boeing BSS 7273
• Modo II test end-notched flexure (ENF) secondo ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM 1-0006 e Boeing BSS 7273
• Modo II test calibrato end-loaded split (C-ELS) secondo ISO 15114
• Modo misto I+II test mixed-mode bending (MMB) secondo ASTM D6671

La prova di compressione dopo impatto (CAI) è un metodo di prova utilizzato per determinare la resistenza residua alla compressione di un laminato dopo un danno causato da un impatto. Il provino da testare viene pre-danneggiato con energie d'impatto specificate nel rispettivo standard di prova. Questo metodo consente di trarre conclusioni sulla tolleranza al danneggiamento di un laminato composito, al fine di garantire la sicurezza e l'affidabilità dei componenti, soprattutto nelle strutture composite potenzialmente sottoposte a carichi di impatto nell'industria aerospaziale.

Per il test CAI sono stati stabiliti i seguenti metodi di prova: ASTM D7136 e ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1-0010 e Boeing BSS 7260 tipo II.

Oltre alle proprietà meccaniche dei laminati plastici fibrorinforzati, per la progettazione di strutture in composito sono necessarie anche prove per determinare la resistenza dei giunti.

I metodi di prova standardizzati utilizzati a questo scopo possono essere suddivisi a grandi linee in tre aree:

• Resistenza dei giunti incollati (Lap Shear Test) secondo ASTM D5868, EN 6060 e Airbus AITM 1-0019
• Prove di resistenza di connessioni avvitate o bullonate e resistenza all'attrito di cuscinetti con carico nel piano del laminato secondo ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM 1-0009, AITM 1-0065 e AITM 1-0067
• Resistenza alla trazione del dispositivo di fissaggio con carico perpendicolare al piano del laminato secondo ASTM D7332 e Airbus AITM 1-0066

Per determinare il comportamento a fatica dei laminati compositi e ricavare le curve S-N, si eseguono solitamente prove cicliche dinamiche sotto carico di trazione pulsante. Le prove dinamiche standardizzate sui compositi applicabili sono la ASTM D3479 e la ISO 13003. La norma ISO 13003 descrive inoltre la prova di fatica dei compositi sotto carico ciclico dinamico di flessione.

Altri metodi di prova dinamici standardizzati per compositi sono:

• Secondo ASTM D7615: “Open hole tension and open hole compression fatigue”
• Secondo ASTM D6115: “Interlaminar crack growth under mode I fatigue load”
• Secondo ASTM D6873 e Airbus AITM 1-0074: “Fatigue of bolted connections and dynamic bearing response tests”
• Airbus AITM 1-0075 contiene informazioni sintetiche su come eseguire le prove di fatica ILSS, ILTS, OHT e OHC, FHT e FHC, pull-through, CAI e lap-shear.