Norma ISO 527-4 sobre ensayos de tracción de materiales compuestos

Escrito por Ian McEnteggart

Un ensayo según la norma ISO 527-4 se realiza al aplicar una fuerza de tracción a un espécimen y al medir las diversas propiedades del espécimen sometido a esfuerzo. Se realiza en una máquina universal de ensayo (también denominada máquina de ensayo de tracción) a una velocidad de cruceta fija que depende de la geometría del espécimen y el tipo de ensayo elegido. La norma ISO 527-4 mide las siguientes propiedades de tracción: 

• Coeficiente de Poisson: el coeficiente del cambio en la deformación transversal a axial entre 0,05 % y 0,25 % de deformación.
• Módulo de elasticidad: la curva de respuesta de esfuerzo/deformación del espécimen, en general determinada entre 0,05 % y 0,25 % de deformación.
• Deformación por tracción en resistencia a la tracción: la deformación por tracción correspondiente a la resistencia a la tracción
• Resistencia a la tracción: el esfuerzo máximo aplicado durante el ensayo (generalmente el esfuerzo al momento de rotura)

Se requiere una amplia gama de ensayos diferentes para caracterizar completamente los materiales compuestos anisotrópicos y heterogéneos. La norma ISO 527-4 es uno de los ensayos más básicos ejecutados en materiales compuestos y se usa ampliamente para evaluar, calificar y certificar sus propiedades de tracción. La norma ISO 527-4 puede usarse para compuestos con refuerzos de fibra continuos y discontinuos, mientras que la ISO 527-5 tiene el propósito de ensayar compuestos de fibra continua unidireccional. Los plásticos reforzados con partículas o fibras cortas pueden ensayarse según la norma ISO 527-2. Los métodos de ensayo preconfigurados para todas estas normas, junto con muchas más, pueden encontrarse en el software de ensayo Bluehill® Universal de Instron.

La norma ISO 527-4 define tres tipos de espécimen de ensayo. Los especímenes tipo 1B son un tipo moldeado como “hueso de perro” ideales para ensayos de materiales reforzados con fibra con una matriz termoplástica. Los especímenes tipo 2 son rectangulares con una sección transversal uniforme y son ideales para los ensayos con materiales de fibra continua con matrices termoestables y termoplásticas. Los especímenes tipo 3 son similares a los de tipo 2 con la adición de pestañas finales, que son comunes en ensayos de compuestos a fin de evitar que los agarres dañen el espécimen.

Todos los especímenes deben medirse antes del ensayo según las normas ISO 16012 o ISO 23529. Los micrómetros más comunes son adecuados para realizar estas mediciones. Para que el sistema de ensayo muestre las mediciones de esfuerzo, en lugar de solo mediciones de fuerza, los operadores deberán ingresar el área transversal (grosor y ancho) del espécimen, dado que el esfuerzo se calcula al dividir la fuerza aplicada por el área transversal del espécimen (esto se muestra en unidades de Psi, Pa, kPa, GPa, etc.). Si bien el grosor y el ancho de especímenes rígidos requieren diferentes precisiones de medición, es frecuente usar el mismo dispositivo de medición. Pueden usarse micrómetros cilíndricos o rectangulares, siempre que cumplan con las dimensiones requeridas por la norma ISO 16012.

El dispositivo de medición automática de espécimen presentado en Bluehill Universal permite a los operadores conectar hasta dos dispositivos (micrómetros o calibres) al software de ensayo. Los datos de la medición se cargarán directamente en el software de ensayo y, de esta manera, se elimina la probabilidad de errores de ingreso y se incrementa la eficiencia del ensayo.

La norma ISO 527-4 puede ejecutarse en una máquina universal de ensayo de sobremesa o de piso. Se requiere un sistema de 100 a 250 kN cuando se ensayan compuestos de fibra de carbono, aunque puede ser suficiente un sistema de mesa de 30 kN o 50 kN para ensayar compuestos de fibra de vidrio. 

Hay disponibles una cantidad de dispositivos diferentes para medir la deformación durante el ensayo según la norma ISO 527-4. Cuando se usan con instrumentos adecuados, los medidores de tensión unidos a resistencia eléctrica ofrecen un método para determinar la deformación debajo del área activa (generalmente unos pocos mm²) del medidor. Los medidores de tensión en general constan de un agarre de lámina de metal delgada en un apoyo orgánico y pueden usarse para ensayar en una amplia gama de temperaturas, desde criogénicas hasta más de 200°°C. Los medidores de tensión requieren acondicionamiento para generar una señal eléctrica útil, y hay disponible un adaptador fácil de usar con los elementos electrónicos estándar de una máquina de ensayo de Instron.

También hay disponibles una gama de opciones de extensómetro según las necesidades de su laboratorio. El tipo más simple es un dispositivo acoplable que se engancha directamente en el espécimen al comienzo de cada ensayo y se retira antes de que se rompa el espécimen. El extensómetro acoplable serie 2630 de longitud fija es ideal para la medición de deformación axial. Hay disponible un extensómetro acoplable biaxial para ensayos que requieren la medición de deformación axial y transversal para la determinación del coeficiente de Poisson.

El modelo AutoX750 es un extensómetro que se acopla automáticamente al espécimen sin interferencia del operador del ensayo. Esto es útil en laboratorios que necesitan gran productividad, dado que elimina la prolongada manipulación manual del operador y, además, ofrece una colocación más uniforme en un gran número de especímenes. La colocación uniforme genera valores de módulo más repetibles.

En general, los materiales compuestos se usan en la industria aeroespacial y, por lo tanto, deben ser resilientes en condiciones de temperatura extrema. Para simular estas condiciones, los ensayos de la norma ISO 527-4 pueden realizarse dentro de una cámara de temperatura donde se usan LN2 o CO2 para calentar o enfriar la cámara según las temperaturas específicas de la aplicación. Los medidores de tensión o los extensómetros acoplables pueden usarse a una temperatura máxima de 200°°C. También se puede usar un extensómetro de video avanzado (AVE2) sin contacto, que tiene la ventaja de colocarse fuera de la cámara de temperatura. El AVE2 no toca físicamente el espécimen y, por lo tanto, no necesita retirarse del espécimen antes de la falla. Esto elimina la necesidad de que el operador del ensayo abra y cierre la puerta de la cámara durante el ensayo.

Las cámaras de temperatura usan convección por aire forzado y elementos de calentamiento por medio de resistencias para alcanzar altas temperaturas, y nitrógeno líquido o refrigerante de dióxido de carbono para alcanzar bajas temperaturas. La gama de cámaras ambientales serie 3119-600 de Instron ofrece amplias capacidades de ensayo de temperatura para evaluar las propiedades del material en condiciones de ensayo no ambientales. Hay disponible una amplia gama de agarres, rodillos y extensómetros complementarios.

Los ensayos de la norma ISO 527-4 se ejecutan a una velocidad de cruceta constante. La velocidad prevista del ensayo depende del tipo de espécimen y del tipo de ensayo que se realiza. Por ejemplo, los ensayos que se realizan para control de calidad de rutina pueden ejecutarse a velocidades más altas (5 y 10 mm/min) que los realizados para calificación (2 mm/min).

Al presentar los resultados del ensayo, es importante asegurarse de que los términos de la medición estén correctamente definidos para garantizar el cumplimiento con la norma ISO 527-4 y facilitar la comparación de datos entre los diferentes laboratorios.

El esfuerzo por tracción se determina al dividir la fuerza en un punto determinado por el área promedio del espécimen. La resistencia a la tracción de un espécimen es el esfuerzo por tracción máximo alcanzado antes de la falla. 

La deformación por tracción es la deformación de ingeniería medida por el dispositivo de medición de deformación (medidor de tensión o extensómetro). La deformación por tracción al fallo es la deformación correspondiente a la resistencia a la tracción.

Módulo se define como la curva de la respuesta de la deformación por esfuerzo entre 0,05 % y 0,25 % de deformación, a menos que se proporcionen valores alternativos en la especificación del material. Como el cálculo del módulo comienza a una deformación de 0,05 %, es extremadamente importante que se apliquen los esfuerzos previos adecuados para el material a fin de eliminar cualquier fuerza escasa o compresiva inducida por el agarre del espécimen. No superará el 0,05 % de deformación o 1 % de la resistencia a la tracción del material.

El coeficiente de Poisson se determina al tomar el coeficiente del cambio en la deformación transversal en relación con el cambio en la deformación axial sobre el mismo rango de deformación axial usado para determinar el módulo (0,05 % a 0,25 %).