ISO 527-4 Test di trazione di materiali compositi

Scritto da Ian McEnteggart

Un test ISO 527-4 viene eseguito applicando una forza di trazione a un provino e misurando varie proprietà del medesimo sotto stress. Viene condotto su una macchina di test universale (chiamata anche macchina per test di trazione) a una velocità fissa della traversa che dipende dalla geometria del provino e dal tipo di test scelto. La ISO 527-4 misura le seguenti proprietà a trazione: 

• Coefficiente di Poisson: il rapporto della variazione della deformazione trasversale rispetto a quella assiale compreso tra lo 0,05% e lo 0,25% di deformazione
• Modulo di elasticità: la pendenza della risposta stress/deformazione del provino, solitamente determinata tra lo 0,05% e lo 0,25% di deformazione
• Sollecitazione di trazione alla resistenza alla trazione : sollecitazione di trazione corrispondente alla resistenza alla trazione
• Resistenza alla trazione: lo stress massimo applicato durante il test (di solito lo stress alla rottura)

Un'ampia gamma di test diversi è necessaria per caratterizzare completamente materiali compositi anisotropi ed eterogenei. La ISO 527-4 è uno dei test più basilari eseguiti su materiali compositi ed è ampiamente utilizzata per valutare, qualificare e certificare le loro proprietà a trazione. La ISO 527-4 può essere usata per compositi con rinforzi in fibra sia continui, sia discontinui, mentre la ISO 527-5 è destinata a testare compositi unidirezionali a fibra continua. Le materie plastiche rinforzate da particelle o fibre corte possono essere testate secondo la norma ISO 527-2. I metodi di test preconfigurati per tutte queste norme, insieme a molti altri, sono disponibili nel software di test di Instron Bluehill® Universal .

La ISO 527-4 definisce tre tipi di provini. I provini di tipo 1B sono un tipo sagomato “dog-bone” adatto a testare materiali rinforzati con fibre corte con una matrice termoplastica. I provini di tipo 2 sono rettangolari con una sezione trasversale costante e sono adatti a testare materiali a fibra continua con matrici termoindurenti e termoplastiche. I provini di tipo 3 sono simili a quelli di tipo 2 con l'aggiunta di linguette finali che sono comuni nei test sui compositi per evitare che il provino venga danneggiato dalle prese.

Tutti i provini devono essere misurati prima del test in conformità con le norme ISO 16012 o ISO 23529. La maggior parte dei micrometri tipici dovrebbe essere adatta per eseguire queste misurazioni. Affinché il sistema di test visualizzi le misurazioni dello stress piuttosto che solo quelle della forza, agli operatori verrà chiesto di inserire l'area della sezione trasversale (spessore e larghezza) del provino, perché lo stress viene calcolato dividendo la forza applicata per l’area della sezione trasversale del provino (questo viene mostrato in unità di Psi, Pa, kPa, GPa, ecc). Mentre lo spessore e la larghezza dei provini rigidi richiedono diverse precisioni di misurazione, è comune usare lo stesso dispositivo di misurazione per entrambi. Si possono usare sia punte micrometriche cilindriche, sia rettangolari, supponendo che soddisfino le dimensioni richieste dalla norma ISO 16012.

La proprietà del Dispositivo di misurazione automatica del provino (Automatic Specimen Measuring Device, ASMD) di Bluehill Universal permette agli operatori di collegare fino a due dispositivi di misurazione (micrometri o calibri) al software di test. I dati di misurazione saranno caricati direttamente nel software di test, eliminando la possibilità di inserire errori e aumentando l'efficienza del test.

La ISO 527-4 può essere eseguita su una macchina di test universale da tavolo o da pavimento. Un sistema da 100 o 250 kN è solitamente richiesto quando si testino compositi in fibra di carbonio, anche se un sistema modello da tavolo da  30 kN o 50 kN può essere sufficiente per testare compositi in fibra di vetro. 

Sono disponibili diversi dispositivi per misurare la deformazione durante i test ISO 527-4. Se usati con una strumentazione adatta, gli estensimetri a resistenza elettrica incollati forniscono un metodo per determinare la deformazione al di sotto dell'area attiva (generalmente alcuni mm²) dell'estensimetro. Gli estensimetri di solito sono costituiti da una sottile griglia di lamina metallica su una base organica e possono essere utilizzati per le prove in un'ampia gamma di temperature, da quelle criogeniche a oltre 200 °C. Gli estensimetri richiedono un condizionamento per generare un segnale elettrico utile ed è disponibile un adattatore semplice da usare con l'elettronica standard di una macchina di test Instron.

Si rende disponibile anche una gamma di opzioni di estensimetro a seconda delle esigenze del vostro laboratorio. Il tipo più semplice è un dispositivo a clip che deve essere agganciato direttamente sul provino all'inizio di ogni test e rimosso prima che il provino si rompa. L'estensimetro a clip della serie 2630 con base di misura fissa è adatto alla misurazione della deformazione assiale. Un estensimetro biassiale a clip è disponibile per i test che richiedano la misurazione della deformazione sia assiale, sia trasversale per la determinazione del Coefficiente di Poisson.

L’AutoX750 è un estensimetro che si fissa automaticamente al provino senza interferenze da parte dell'operatore addetto al test. Ciò risulta utile nei laboratori con esigenze di alta produttività, in quanto elimina la necessità di manipolazione manuale da parte dell'operatore, che richiede molto tempo, e fornisce anche un posizionamento più conforme su un gran numero di provini. Un posizionamento conforme si traduce in valori di modulo più ripetibili.

I materiali compositi sono spesso destinati all'uso nell'industria aerospaziale e quindi devono essere resistenti a condizioni di temperatura estreme. Per simulare queste condizioni, i test ISO 527-4 possono essere eseguiti all'interno di una camera climatica dove LN2 o CO2 sono usati per riscaldare o raffreddare la camera a temperature specifiche dell'applicazione. Gli estensimetri o gli estensimetri a clip possono essere utilizzati fino a una temperatura massima di 200 °C. Si può anche usare un estensimetro video avanzato (AVE2) senza contatto che ha il vantaggio di essere posizionato fuori dalla camera climatica. L'AVE2 non tocca fisicamente il provino e quindi non ha bisogno di essere rimosso da quest’ultimo prima della rottura. Ciò elimina la necessità per l'operatore di test di aprire e chiudere la porta della camera durante il test.

Le camere climatiche usano la convezione forzata dell'aria e gli elementi resistivi di riscaldamento per raggiungere alte temperature e il raffreddamento con azoto liquido o anidride carbonica per raggiungere basse temperature. Compatibili con macchine di test statiche e dinamiche, le camere ambientali della serie 3119-600 di Instron  forniscono ampie capacità di testare la temperatura per valutare le proprietà dei materiali a temperature non ambientali. È disponibile una gamma completa di prese, tiranti ed estensimetri complementari.

I test ISO 527-4 sono condotti a una velocità costante della traversa. La velocità di test prescritta dipende dal tipo di provino e dal tipo di test che viene eseguito. Per esempio, i test fatti per il controllo di qualità di routine possono essere eseguiti a velocità più elevate (5 e 10 mm/min)  rispetto a quelle usate per la qualificazione (2 mm/min).

Quando si presentano i risultati dei test, è importante assicurarsi che i termini di misurazione siano definiti correttamente per garantire la conformità con ISO 527-4 e facilitare il confronto dei dati tra diversi laboratori.

Lo stress di trazione è determinato dividendo la forza in un dato punto per l'area media del provino. La resistenza alla trazione di un provino è il massimo stress di trazione raggiunto prima della rottura. 

La sollecitazione di trazione è la deformazione tecnica misurata dal dispositivo di misurazione della deformazione (estensimetro). La deformazione di rottura a trazione è la deformazione corrispondente alla resistenza alla trazione.

Il modulo è definito come la pendenza della risposta stress-deformazione tra lo 0,05% e lo 0,25% di deformazione, salvo che non siano forniti valori alternativi nella specifica del materiale. Poiché il calcolo del modulo inizia allo 0,05% di deformazione, è estremamente importante che vengano applicate al materiale le opportune precompressioni per rimuovere qualsiasi allentamento o forza di compressione indotta dalla presa del provino. Non deve superare lo 0,05% di deformazione o l'1% della resistenza alla trazione del materiale.

Il coefficiente di Poisson è determinato prendendo il rapporto tra la variazione della deformazione trasversale e la variazione della deformazione assiale sullo stesso intervallo di deformazione assiale utilizzato per determinare il modulo (da 0,05% a 0,25%).