Clase 11 - Ensayos normalizados de caracterizacion

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Ing. Gastón Bonet - Ing. Cristian Bottero - Ing. Marco Fontana 
Estructuras de 
Materiales Compuestos
Ensayos normalizados de caracterización
Objetivos
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• Determinación de las propiedades básicas de la lámina como 
entrada para el análisis y diseño estructural
• Investigación y verificación de predicciones analíticas del 
desempeño mecánico
• Estudio experimental independiente del comportamiento de 
geometrías específicas bajo estados de carga específicos
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Tipos de ensayos
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• Caracterización de los materiales constituyentes
• Caracterización de las propiedades de lámina
• Determinación de propiedades interlaminares
• Comportamiento del material bajo condiciones de carga 
específicos (multiaxial, fatiga, creep, impacto, dinámico, etc.)
• Comportamiento y falla particular (borde libre, agujeros, 
uniones, drop-offs)
• Verificación de la integridad estructural por medio de ensayos 
no-destructivos 
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Caracterización mecánica de fibras
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• Determinación del módulo elástico y la resistencia a tracción
Single filament test method ASTM D3379-89
El área transversal de la sección se obtiene mediante la ayuda de un microscopio
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Caracterización mecánica de fibras
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• Determinación del módulo de corte
Ciertas fibras presentan un gran nivel de anisotropía (Kevlar), y por lo 
tanto puede resultar útil determinar el módulo de corte transversal de la fibra.
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Caracterización mecánica de matriz
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• Las probetas de ensayo de matriz polimérica se extraen de 
una placa colada. La geometría de dichas probetas es 
prismática o hueso de perro, de acuerdo al espesor de la 
placa
• Normas: ASTM D638-02 y D882-02
• Se mide la deformación por medio de extensómetros 
(estampillas o instrumento)
• Del ensayo de tracción se obtiene el módulo elástico Em, el 
coeficiente de Poisson nm y la resistencia a tracción Fmt
• Como se supone que la matriz es isótropa, con un solo 
experimento se caracteriza la matriz
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Caracterización mecánica de interfase
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• Fiber pullout test
Se tracciona una fibra parcialmente 
embebida en un bloque de matriz. 
Si la fibra esta adherida a la interfase, y si 
la carga requerida para incrementar la fisura 
de interfase es menor que la carga de falla 
de la fibra, entonces se producirá la pérdida 
de adherencia. Esta última comienza en el 
borde libre del bloque y progresa hacia 
adentro. 
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Caracterización de densidad
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• Norma: ASTM D792-00
1. Se pesa la muestra en aire 
2. Se une la muestra a una balanza analítica por medio de un alambre fino, y 
se pesa mientras la muestra y una porción del alambre están sumergidas 
en agua destilada
3. Se pesa el alambre solo, con la misma parte sumergida
La densidad del material a 23°C se determina a partir de la siguiente 
fórmula:
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 0.9975
a
a w b
 
 
 = densidad (g/cm3)
a = peso de la muestra en aire
b = peso aparente de la muestra y parte de alambre 
sumergidos
w = peso aparente del alambre parcialmente 
sumergido 
Caracterización fracción volumétrica
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
Si se sabe que el nivel de porosidad del material es 
despreciable, se puede estimar la fracción volumétrica a partir 
de la siguiente relación gravimétrica:
c = densidad del compuesto
m = densidad de la matriz
f = densidad de la fibra
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c m
f
f m
V
 
 



Caracterización fracción volumétrica
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• Norma: ASTM D2584-02
Ignition or Burnout method
Una muestra de material compuesto se seca en horno, se pesa y luego se 
calienta en un crisol hasta que la matriz (orgánica) se quema completamente. 
Luego se remueven las cenizas, se seca y se pesa el remanente. 
Wc = peso del compuesto
Wf = peso del remanente
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f f
f
c c
W
V
W



Caracterización de porosidad
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• Norma: ASTM D2734-94
A partir del ensayo anterior, también se puede determinar la 
fracción volumétrica de porosidad o vacíos.
Esta estimación es muy sensible a errores de medición, por lo 
cual se suelen utilizar otros métodos. 
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  /
1
f f c f m
v
c c
W W W
V
W
 

 
 
Coeficientes de expansión térmica
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• Extensómetros de estampilla
Un método práctico de medir los 
coeficientes de expansión térmica de 
una lámina (a1 y a2) consiste en la 
utilización de strain gages. Sin embargo, 
se debe compensar la medición por la 
variación de temperatura (también 
afecta la resistividad).
Un método consiste en utilizar una 
tercera estampilla en un material de 
coeficiente de expansión conocido 
dentro del mismo ambiente
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tc ac ar tr     
tc = deformación real del compuesto
ac = deformación aparente del compuesto
tr = deformación real del material de 
referencia
ar = deformación aparente del material de 
referencia
Coeficientes de expansión higroscópica
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• Se secan las probetas en un horno a 
65°C durante aproximadamente dos 
horas
• Luego se sumergen en agua dentro 
de un horno a 50°C
• La deformación se puede medir con 
micrómetro o estampillas, sin 
embargo, las estampillas pueden 
interferir en el proceso de difusión de 
la humedad. 
• El incremento de peso de la muestra 
indica la variación de humedad 
absorbida
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w w w
c c c
V W
c
V W


 
Ensayos de tracción
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• Norma: ASTM D3039/D3039M-00
• Los ensayos de tracción uniaxial permiten determinar las 
siguientes propiedades:
o E1,E2 = Módulo elástico longitudinal y transversal
o n12,n21 = Primer y segundo coeficiente de Poisson
o F1t,F2t = Resistencia a tracción longitudinal y transversal
o 1t
u, 2t
u = Deformación específica máxima longitudinal y 
transversal
• Las probetas de ensayo poseen lados rectos y tabs de fibra 
de vidrio - epoxi pegados en los extremos
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Tracción longitudinal
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• El espesor aconsejado es de 
entre 0.5mm y 2.5mm
• Se adquiere tanto la carga como 
la deformación, y por medio de 
la medición precisa de la sección 
transversal, se obtiene la 
tensión
• Se suele instrumentar con dos 
estampillas perpendiculares 
para obtener la contracción y, 
por lo tanto, el primer 
coeficiente de Poisson
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Tracción transversal
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• El espesor aconsejado es de 
entre 0.5mm y 2.5mm
• Se adquiere tanto la carga como 
la deformación, y por medio de 
la medición precisa de la sección 
transversal, se obtiene la 
tensión
• Se suele instrumentarcon una 
sola estampilla ya que el 
segundo coeficiente de Poisson
se obtiene a partir del primero y 
los módulos elásticos
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Ensayos de compresión
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• Norma: ASTM D3410M-03
• El ensayo de compresión de materiales compuestos es el 
más complejo debido a la tendencia de falla prematura por 
pandeo o aplastamiento
• El ensayo es muy sensible a desalineaciones, geometría 
defectuosa, excentricidad de carga, etc. 
• Se han desarrollado muchos métodos de ensayo para la 
obtención de las características compresivas de materiales 
compuestos
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Dispositivo IITRI
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IITRI (Illinoise Institute of Technology 
Research Institute)
Ensayo de compresión
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• Las probetas son muy gruesas y 
los tabs muy largos para evitar 
el pandeo. 
• Se colocan estampillas de 
ambos lados del laminado para 
asegurar que la falla se produce 
por compresión y no por 
pandeo 
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Ensayo de laminados sándwich
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• Normas: ASTM C364-99 y ASTM C393-00
• Los paneles sándwich se pueden ensayar a compresión o 
flexión
• La distancia entre apoyos no debe exceder 12 veces el 
espesor del sándwich
• El ensayo de flexión se realiza en cuatro apoyos para 
asegurar flexión pura. La falla por compresión esta 
asegurada cuando:
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4 xc
cs
FL
h F

L = distancia entre apoyos
h = espesor de laminado compuesto
Fxc = resistencia a compresión del compuesto
Fcs = resistencia a corte del núcleo
Ensayo de laminados sándwich
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• La viga se carga a través de tacos de goma
• Las deformaciones se miden por medio de estampillas
• La tensión del laminado será, despreciando la tensión normal en el 
núcleo:
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 4 2 '
x
x
N PL
h bh H h h
  
 
Ensayos de corte
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• Para completar la caracterización de una lámina en el plano 
se requiere determinar:
o G12 = módulo de corte en el plano de la lámina
o F6 = Resistencia a corte en el plano de la lámina
o g6
u = distorsión máxima en el plano de la lámina
• Los métodos más utilizados para este ensayo son:
1. Probetas [±45]2s 
2. 10° off axis test
3. Rail shear test
4. Torsion test
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Probetas [±45]2S
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• Norma: ASTM D3518M-94
• Las probetas poseen las mismas 
dimensiones que las probetas de 
tracción transversal
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   
12
2 2 1
x x
x y xy
E
G

  
 
 
1
2
6
2
2
2
x
xy
x
xy
x

 

 


 
 

1 2
6
2
x y
x y
 
 
g  

 
 
Probetas [±45]2S
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Comportamiento no-lineal
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   
12
2 2 1
x x
x y xy
E
G

  
 
 
Pequeña sobre-estimación 
de la resistencia a corte 
debido al confinamiento de 
las láminas adyacentes
10° Off axis test
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• El ángulo de 10° se selecciona para 
minimizar los efectos de las 
tensiones normales 1 y 2
• Se instrumenta con dos estampillas, 
y la diferencia de lecturas indica la 
distorsión
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6 A Bg   
6 cos 0.171x xsen      
Rail shear test
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• Norma: ASTM D4255M-01
• Two-rail shear test o three-rail test
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6
2
P
lh
 
 6 45º2 x g  
2
1
12 3 3
1
6
10 5
PbE w
G
E hw Pb


Rail shear test modificado
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Estructuras de Materiales Compuestos – Ensayos normalizados de caracterización
• Permite la utilización de 
probetas de tracción. La 
deformación de corte se 
obtiene por medio de un 
extensómetro.
• La teoría de vigas de 
Timoshenko permite 
tener en cuenta los 
efectos de la flexión al 
determinar el módulo de 
corte.
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Torsion test
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Se utiliza un tubo hueco sometido a torsión. La tensión 
máxima se desprende de la teoría de Saint-Venant:
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 
 
0
6 max 4 4
0
2
i
Tr
r r




   6 max 45º2 x g  
Resistencia a corte interlaminar
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• Es una medida de la resistencia a corte de la matriz entre 
láminas
• El ensayo más utilizado es el de flexión de viga a corte con 
tres apoyos
• El bloque se mecaniza de un laminado unidireccional 
relativamente grueso (al menos 16 láminas)
• Si la viga es suficientemente corta con respecto al espesor, la 
falla interlaminar ocurrirá en el plano medio como una 
delaminación. Para asegurar este tipo de falla, se debe 
asegurar que:
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1
31
2 FL
h F

Resistencia a corte interlaminar
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• La resistencia a corte interlaminar F31 se obtiene de la 
distribución de corte de una viga de sección rectangular:
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31
3
4
P
F
bh
