Caratterizzazione compositi
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Transcript of Caratterizzazione compositi
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TECNOLOGIE SPECIALI I prof. Luigi Carrino I Materiali Compositi
Piramide di ROUCHON
Con la piramide di Rouchon valutiamo
limportanza della quantit di prove sul materiale in funzione del livello di realizzazione del
prodotto.
MATERIALI
STRUTTURE
ELEMENTARI
STRUTTURA
FULL
PRIMARIA
SCALE
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Materiali
Nel campo dei materiali intendiamo caratterizzare lamina o
laminato, dove effettuiamo un gran numero di prove.
Si parte dalle prove sui materiali per definire le caratteristiche di
base dei materiali stessi.
MATERIALI
STRUTTURE
ELEMENTARI
STRUTTURA
FULL
PRIMARIA
SCALE
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Strutture elementari
Le strutture elementari sono ad esempio la trave: le prove che si
effettuano sulle strutture elementari servono per testare la risposta
di tipo meccanico di un elemento costruttivo; ad esempio, mentre
nel campo dei materiali misuro la resistenza dellacciaio, nel
campo delle strutture elementari misuro la resistenza della trave in
acciaio.
Si definisce quindi la struttura elementare TRAVE
MATERIALI
STRUTTURE
ELEMENTARI
STRUTTURA
FULL
PRIMARIA
SCALE
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Strutture primarie
Le strutture primarie sono composte da pi strutture elementari,
ad esempio le ali di un aereo fatte di travi, sulle quali si fanno un
numero di prove minore rispetto ai settori precedenti per ovvi
motivi pratico-economici.
MATERIALI
STRUTTURE
ELEMENTARI
STRUTTURA
FULL
PRIMARIA
SCALE
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Full scale
Full scale: lesempio classico lintero aereo, su cui il numero di
prove ridottissimo!
Parliamo in pratica della certificazione del prodotto finito sulle
quali faccio un numero ridottissimo di prove.
MATERIALI
STRUTTURE
ELEMENTARI
STRUTTURA
FULL
PRIMARIA
SCALE
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Lettura qualitativa della piramide
Il costo dei campioni di prova cresce muovendosi sulla
piramide dal basso verso lalto.
Il costo della prove cresce dal basso verso lalto.
Lammortamento diminuisce dal basso verso lalto, questo
perch varia lutilizzo di ogni prova effettuata, infatti le prove
sui materiali possono essere sfruttate su pi progetti, anche
quelle sulle strutture elementari, ma nelle fasi successive le
prove diventano specifiche e di alto costo.
Le prove full-scale serviranno alla fine per la certificazione del
prodotto (ad esempio dellaereo).
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CARATTERIZZAZIONE MECCANICA
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TECNOLOGIE SPECIALI I prof. Luigi Carrino I Materiali Compositi
Caratterizzazione meccanica
Noi caratterizziamo meccanicamente i compositi. Sar quindi
necessario effettuare prove su:
Fibre: vetro
carbonio
aramidiche
ceramiche
Matrici: organiche
termoplastiche
Sono esclusi da questa trattazione i materiali compositi a
matrice ceramica e metallica.
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Bending Test
Shear Test
Tensile Test
Caratterizzazione dei materiali: attrezzature sperimentali
Torsion Test
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BIAXIAL TENSILE TESTS
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Fatigue tests of joints for GRP marine pipes
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Dovremo definire:
Caratteristiche elastiche: E11, E22, G12, n12
Caratteristiche di resistenza:
s1tr s2tr
s1cr s2cr
t12 taglio nel piano
tinterlaminare
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Le prove meccaniche saranno:
TRAZIONE
COMPRESSIONE
FLESSIONE
TAGLIO INTERLAMINARE
TAGLIO INTRALAMINARE
ALTRE PROVE
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Fattori che dipendono dal materiale sono:
Materiale Porosit
Preparazione del materiale Contenuto in resina
Sequenza di laminazione Contenuto in fibra
Condizione del provino Tolleranza
Condizioni prima della prova Stato del provino: integro, forato, impattato
Geometria Contenuto in fibra
Condizioni di prova Afferraggio
Allineamento con il carico Velocit di applicazione del carico
Fattori che dipendono dal provino sono:
Fattori che dipendono dalla prova sono:
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Prova di TRAZIONE
Attrezzatura
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Prova di trazione
Basamento
Cella di carico
Traversa mobile
Sistemi di afferraggio
Campione
Estensimetro
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LE ATTREZZATURE DI PROVA
Macchine per prove meccaniche
Carico max 5000 kN compressione
3000 kN trazione
Carico minimo 0.01 N
Torsione 1000 Nm
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Parametri importanti
Resistenza in direzione 1 (x)
Resistenza in direzione 2 (y)
Modulo elastico in direzione 1 (x)
Modulo elastico in direzione 2 (y)
Coefficiente di Poisson
2mm
N
A
PRs
2
0
mm
N
L
L
A
PE
s
1
212
n
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Curva Stress - Strain
- Modulo secante
- Modulo tangente
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Prova ASTM D638
Questa prova utilizzata per materiali quasi isotropi.
Il provino denominato a osso di cane.
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Prova ASTM D3039
Questa prova utilizzata per materiali con alta
anisotropia.
La particolarit di questi provini quella di avere i
talloni (teste di afferraggio).
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Prova ASTM D3039
Con il provino a tallone possiamo fare prove con fibre
disposte, rispetto allasse di carico, a:
0
90
45 perch posso ottenere cos valori di
taglio dalla stessa prova di trazione,
ottenendo i dati di taglio sulla singola
lamina.
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Talloni
TALLONI: Lutilizzo di questi talloni richiesto in quanto le
ganasce della macchina di prova potrebbero danneggiare il provino
stesso. L osso di cane sconsigliato per materiali anisotropi per
il seguente motivo:
A B
CDS2
S1
DCAB
DCAB
DCAB
SS
NNss
AB
ABAB
S
Ns
DC
DCDC
S
Ns
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Talloni
A causa delle diverse sezioni nascono
delle t. Poich il provino anisotropo
potrei avere rotture per taglio, rispetto
a cui la resistenza del materiale
molto pi bassa che a trazione.
A B
CD SDC
SAB
AB
DC
t
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Condizione di tallonatura
LT
WS
COLLANTE
TALLONE
Affinch non si abbia lo scollamento dei
talloni durante lapplicazione del carico,
deve essere verificata la seguente ipotesi:
c
tct
sLsWWL
t
sst
22
W: larghezza tallone
Lt: lunghezza tallone
tc: rottura del collante
s: tensione di rottura del
materiale
s: spessore
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Effetto Poisson impedito
Tirando il provino otteniamo una
contrazione in direzione 2 impedita
per dalle ganasce. Per questo motivo si
stabilisce una lunghezza minima del
provino stesso pari a 2 volte lo
spessore.
In sostanza si cerca di evitare gli effetti
di bordo.
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Preparazione del provino
Provini con applicazione di estensimetri
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TECNOLOGIE SPECIALI I prof. Luigi Carrino I Materiali Compositi
Rotture inaccettabili
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TECNOLOGIE SPECIALI I prof. Luigi Carrino I Materiali Compositi
Rotture inaccettabili
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Rotture inaccettabili
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Prova di COMPRESSIONE
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Parametri importanti
Resistenza in direzione 1 (x)
Resistenza in direzione 2 (y)
Modulo elastico in direzione 1 (x)
Modulo elastico in direzione 2 (y)
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Difficolt di prova
Le maggiori difficolt per questa prova di caratterizzazione
meccanica sono:
Macroinstabilit
Microinstabilit
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Macroinstabilit
Un corpo snello (sottile e lungo), se caricato a
compressione pura tender ad instabilizzarsi, a
deformarsi cio fuori del piano; si cerca di
ovviare a questo problema attraverso luso di
particolari attrezzature che bloccano il provino.
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Microinstabilit
Se carichiamo in direzione della lamina le fibre si instabilizzano:
Se le fibre sono vicine tra loro
c interazione.
A noi interessano materiali con alta % di fibre e quindi ci interessiamo soltanto al
caso di fibre vicine: VF=60%
A seguito dellinstabilit delle fibre, dal punto di vista
tensionale, otteniamo un carico di taglio molto pericoloso per la
matrice: essa non resiste a taglio quindi si rompe.
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Microinstabilit
Se carichiamo in direzione della lamina le fibre si instabilizzano:
Se le fibre sono lontane tra loro,
ognuna va per conto suo e non
risente di quelle vicine.
A noi interessano materiali con alta % di fibre e quindi ci interessiamo soltanto al
caso di fibre vicine: VF=60%
A seguito dellinstabilit delle fibre, dal punto di vista
tensionale, otteniamo un carico di taglio molto pericoloso per la
matrice: essa non resiste a taglio quindi si rompe.
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TECNOLOGIE SPECIALI I prof. Luigi Carrino I Materiali Compositi
ASTM D695-M89
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TECNOLOGIE SPECIALI I prof. Luigi Carrino I Materiali Compositi
ASTM D695-M89
In questo modo si vogliono evitare le
deformazioni fuori del piano.
Con la modifica 89 si riduce al
minimo il tratto utile, in tal modo si
elimina la macroinstabilit.
Attrezzatura:
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Provino CELANESE
ASTM D3410
Provino: CELANESE
Attrezzatura tronco-conica. La sollecitazione si trasmette per
attrito sulla superficie laterale del provino.
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Provino CELANESE modificato
ASTM D3410
Provino: CELANESE modificato
Attrezzatura a sezione rettangolare. Usato per ovviare agli eventuali
problemi di serraggio dovuti allo spessore del provino. In questo caso
nascono sollecitazioni trasversali alla direzione di applicazione del
carico
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Provino RAE
(Royal Aircraft Enstabilishment)
Il provino posto allinterno di due blocchi di
alluminio. La sollecitazione composta da
taglio e compressione. Il tratto utile resta
comunque molto contenuto. La prova d
ottimi risultati ma risulta la pi costosa ed
impegnativa. Presenta il problema che se le
ganasce non sono allineate il provino si
spezza immediatamente.
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Attrezzature
Prova su CELANESE
modificato (IITRI)
Prova su CELANESE
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Rottura del provino
Se la rottura del provino avviene nel tratto centrale allora la prova
ACCETTABILE
altrimenti essa
INACCETTABILE
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Confronto tra i tipi di provini
sx sy -1442 -7.9
-1442 -7.9
-1446 -7.9
-1447 -7.9
-1444 -8.4
sx sy -1424 -0.4
-1450 -1.0
-1443 -1.0
-1469 -1.0
-1490 -1.2
sx sy -1574 -45
-1634 -43
-1781 -37
-2259 -17
-2310 -15
Prova meno significativa per
la presenza di importanti y!!
Celanese Celanese Modificato ASTM D-695
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Prova di FLESSIONE
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Prova di FLESSIONE
In realt questa prova non necessaria per caratterizzare il
materiale meccanicamente perch basta E11, E22, G12, n12.
Poich spesso il materiale lavora a flessione comunque
opportuno eseguirla.
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Prova per tre punti
Questa prova simula una condizione di esercizio frequente
ed molto semplice da realizzare: con essa vengono
misurati la resistenza a flessione ed il modulo a flessione:
L
P
h
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Prova per tre punti
assenetro
compressione
trazione
233max 2
312
82
12
22
bh
Pl
bh
hPlh
bh
lP
yI
M
s
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Prova per tre punti
assenetro
taglio
bh
P
bh
P
bh
Tmedmed
4
31
22
3
2
3
2
3max tt
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Prova per tre punti
Dato quindi il rapporto:
h
l
P
bh
bh
Pl 2
3
4
2
32
max
max t
s
h
l
max
max
t
sOssia:
20h
l
Poich in questa prova ho anche il taglio, indesiderato, devo allora
esaltare la smax. Si imporr quindi l >> h, cio la lamina sar molto
lunga e di spessore limitato (rispettando sempre le ipotesi di piccole
deformazioni)
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Prova per quattro punti
Con la prova per tre punti esco dalle ipotesi di De Saint
Venant (effetto di bordo e sollecitazione pura); per
eliminare il problema faccio una prova su due appoggi
con due forze applicate:
Questa prova di flessione detta a quattro
punti e non presenta taglio nella zona
centrale perch landamento del momento
costante.
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Prova di TAGLIO INTERLAMINARE
Questa prova ci d un indice di
bont dellincollaggio tra le lamine.
Si realizza effettuando una prova di
flessione con una luce centrata ed
uno spessore del provino non
trascurabile:
mmlh
l30205
P
L
h
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Prova di TAGLIO INTRALAMINARE
Metodologie di prova
Prova di torsione su tubo a parete sottile
Rail Shear
Prova di trazione con fibre disposte a 45
Confronto tra le prove
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Torsione su tubo in parete sottile
Nella prova di taglio intralaminare si cerca il taglio puro;
il modo pi rigoroso per eseguire tale prova appunto
quello di sottoporre a momento torcente Mt un tubo in
parete sottile, sulla cui superficie avremo il taglio max.
t
t
t
tr
M
m
t
22t
dove: Mt: momento torcente
t: spessore del tubo
rm: raggio medio
2
21 rrrm
G
t
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Attrezzatura
Lattrezzatura per questa prova piuttosto complessa. I
tubi in composito sono abbastanza costosi (si ottengono
con tecnologie complesse come lavvolgimento).
Provino Tecnica di serraggio
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Rail Shear
ASTM D4255
Un metodo abbastanza semplice il Rail Shear. In tale
prova si opera su un laminato (0/90) simmetrico ed
equilibrato.
Il provino separato da
due ganasce che scorrono
in senso opposto.
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Stato tensionale
Forze agenti
Forze ottenute
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Cerchio di Mohr delle tensioni
Poich dobbiamo determinare:
tG
Consideriamo il cerchio di Mohr delle tensioni:
t
s
TRAZIONE PURA
COMPRESSIONE PURA
tP/A
Esso centrato perch
trazione e compressione
hanno gli stessi valori ma
segni opposti.
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Cerchio di Mohr delle deformazioni
xy
12 /2
Poich il provino
simmetrico ed equilibrato
xy= yx
Da qui la necessit di porre gli estensimetri a 45.
xy
2
Il cerchio di Mohr
centrato, pertanto:
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Conclusioni
xydL
PG
t
212
Dove:
L: altezza del provino
d: larghezza del provino
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Attrezzatura
Osservazione: la presenza di bulloni di serraggio del
provino pu dare origine a fenomeni di triassialit in
fase di carico.
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Trazione con fibre a 45
ASTM D3518 Effettuiamo la prova di
trazione su un laminato
con lamine cos disposte:
(+45 , -45 , +45 , -45)S
Otteniamo una configurazione simmetrica ed equilibrata in modo da
escludere flessione, torsione e scorrimento.
N.B.: Notiamo i due estensimentri
sufficientemente lontani dai bordi
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Stato tensionale
t
ssxsy=0
Cerchio di Mohr per le tensioni:
Trattandosi di trazione:
0y
xA
P
s
s
La tmax sar il raggio del cerchio: A
P
2
1max t
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Deformazioni
xyxy
In direzione x ho un allungamento
che misuro con lestensimetro
longitudinale;
In direzione y lestensimetro
trasversale misura una contrazione
minore della deformazione lungo x.
Dal cerchio di Mohr:
yx
yx
12
12
22
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Conclusioni
Tale prova va bene quindi per misurare G12 per la
sua semplicit operativa.
)(2
1
2
1
2
12
1212
1212
yx
x
yx
x
G
A
PG
s
s
t
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Applicazione operativa
Esempio di andamento delle t e
calcolo del Modulo di taglio G12
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Confronto tra le prove
Se mettiamo a confronto la prova di riferimento del
tubo soggetto a torsione con la prova di trazione
con fibre a 45, si osserva una sovrastima da
parte di questultima prova per la presenza delle s.
Confrontando invece la Rail Shear con la prova di trazione a
45 osserviamo sperimentalmente che le due curve t- si
sovrappongono. Essendo quindi le due prove equivalenti, si
preferisce quella di trazione a 45 in quanto la Rail Shear
pi complessa (ricordiamo i fori sul provino che innescano
sollecitazioni complesse).
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Altre prove
possibile effettuare altri tipi di prove meccaniche ugualmente
importanti; degli esempi sono le prove di fatica , le prove
dimpatto e le prove di crush.
Poich i manufatti in composito sono costituiti da fibre e matrice
ed richiesta una caratterizzazione totale del materiale (non solo
in ambito meccanico), vengono effettuate prove particolari sui
soli costituenti; due esempi: prova di resistenza dielettrica su
una lamina di polimero epossidico e prova di ignifugazione su
kevlar.
Fatica flessione piana
Fatica torsione Crush Impatto
Resistenza diel. Ignifugazione
Fatica trazione
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Prova di fatica (trazione oligociclica)
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Prova di fatica (flessione piana)
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Prova di fatica (torsione)
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Impatto
Simulazione agli elementi finiti
di un impatto di un uccello su
una lamina di composito (fibre
di carbonio in matrice
epossidica).
Impatto di un proiettile su una
lamina di composito con fibre
di kevlar (viene studiato come
la lamina assorbe lurto).
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Crush
Esempio di prove di crush su
provini tubolari di compositi con
fibre di kevlar.
Esempio di prove di crush su
provini parallelepipedi di
compositi con fibre di vetro.
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Ignifugazione
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Resistenza dielettrica