Caratterizzazione di materiali compositi

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1 DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DI FERRARA Caratterizzazione di materiali compositi Rilevamento e calcolo dei moduli caratteristici Ing. Giacomo Barile 26/11/2014 Prove di trazione di provini in materiale composito su macchina Instron 4400 per il calcolo dei moduli di Young e del coefficiente di Poisson.

2 Indice Cap. 1: Oggetto della prova e obiettivi prefissati... 3 Cap. 2: Dispositivi di prova e strumentazione... 6 Cap. 3: Procedura di prova... 9 Cap. 4: Risultati sperimentali Cap. 5: Analisi dei risultati

3 Cap. 1: Oggetto della prova e obiettivi prefissati In questo lavoro saranno esaminati alcuni provini di materiale composito, sia in fibra di carbonio che in fibra di vetro. Obiettivo dell analisi è la caratterizzazione dei materiali sottoposti a prove di trazione. I campioni analizzati sono 28. Segue elenco dei campioni (Tabella 1). Le dimensioni sono state misurate con un calibro in tre punti diversi, eseguendo poi una media aritmetica dei valori. I campioni con asterisco sono dotati di estensimetri, come specificato nel paragrafo che segue. Numero campione Nome Campione Larghezza Spessore Campione Campione (mm) (mm) 1 CC160_3K_0 19,47 1,65 2 CC160_3K_0 19,77 1,67 3 CC120_1K_0 20,60 1,30 4 CC120_1K_0 20,67 1,30 5 CC160_3K_0 _S 19,80 1,75 6 CC160_3K_0 _S 20,53 1,70 7 CC160_3K_45 _S 20,43 1,70 8 CC160_3K_45 _S 21,50 1,70 9 CC120_1K_45 20,07 1,43 10 CC160_45 14,17 1,53 11 VETRO_ ,57 1,23 12 VETRO_ ,67 1,23 13 UD300_90 24,87 1,43 14 UD300_90 25,77 1,45 15 UD300_10 10,37 1,45 16 UD300_10 10,83 1,48 17 UD300_0 11,05 1,48 18 UD200_40J_90 25,68 1,43 19 UD200_40J_90 24,33 1,45 20 UD200_40J_10 10,72 1,48 21 UD200_40J_10 11,17 1,47 22 UD200_40J_0 11,37 1,33 23* VETRO_ ,34 1,07 3

4 24* VETRO_ ,46 1,08 25* CC160_45 19,47 1,30 26* CC120_1K_45 19,35 1,21 27* UD300_0 10,47 1,24 28* UD200_40J_0 10,44 1,23 Tab. 1: Elenco dei campioni con nomi e dimensioni caratteristiche. Le figure 1 e 2 sono un esempio di alcuni campioni significativi. La figura 3 Fig. 1: Campioni senza estensimetro (fronte) 4

5 Fig. 2: Campioni senza estensimetro (retro) 5

6 Fig. 3: Campioni con estensimetro, in ordine di apparizione nella Tab. 1, partendo dall alto. Cap. 2: Dispositivi di prova e strumentazione La macchina utilizzata per le prove è il modello 4467 della ditta Instron (fig. 4 e 5), in grado di effettuare sia prove di trazione che prove di flessione su tre punti. E una macchina di tipo elettromeccanico, cioè crea la forza di trazione attraverso due viti senza fine movimentate da un motore. Si possono installare celle di carico che vanno dai 50 N ai 30 kn. Nel caso in esame è stata montata la cella di carico da 30 kn, più che sufficiente per le misure da effettuare. La velocità di spostamento è fissata in 1 mm/min. Su ogni provino viene montato l estensometro che fornirà la misura della dilatazione del campione mentre aumenta lo sforzo di trazione. La macchina, 6

7 interfacciata con un PC tramite una scheda di tipo IEEE 488, invia i dati misurati che saranno poi analizzati con il software Microsoft Excel. Fig. 4 : Series 4400 Universal Testing System Come detto in precedenza, sei campioni, dal n. 23 al n. 28, sono stati dotati di estensimetri, che serviranno per l acquisizione della contrazione trasversale dovuta all effetto Poisson. Le caratteristiche degli estensimetri si possono evincere dalla fig. 6: Resistenza: 120 Gauge factor k: 2,06 Sensibilità trasversale: 0,2 Coeff. Di temperatura del fattore k: 101 +/+10 [10-6 / C]; Fig. 5: Instron

8 Fig. 6: Datasheet estensimetri utilizzati 8

9 Cap. 3: Procedura di prova Per quanto riguarda la procedura della prova per la misura dei valori del modulo di Young e della deformazione, i passi seguiti sono: 1. Misura del campione (larghezza e spessore) in 3 punti diversi, per poi eseguire la media aritmetica; la lunghezza tra le ganasce è di 100 mm. Inserimento dei valori così calcolati nell apposito programma sul PC (Instron 4467); 2. Dopo aver calibrato l estensometro e il carico, montare l estensometro sul campione e inserire il campione tra le ganasce, poggiato sulla parete posteriore, e stringere le ganasce in modo energico; 3. Prima di partire con la prova, ricontrollare di aver inserito bene tutti i dati, inserire inoltre la velocità di spostamento della macchina (1 mm/min.); premere sul pannello di controllo il pulsante IEEE 488 per passare il controllo al PC; inserire il nome del file nell apposita finestra (del tipo.txt); 4. Premere il pulsante RUN e attendere che la curva che si forma cominci a diventare orizzontale, di solito intorno ai 30 MPa, ma dipende dal campione; premere STOP e ABORT; 5. Aprire un foglio Excel e richiamare il file salvato in formato.txt; lavorando sul file, aggiungere due colonne dopo quella del LOAD, una denominata Deformazione [mm/mm], l altra Sforzo [MPa] ; nella colonna Deformazione si divide la colonna Displacement per 12,5 (Gage Lenght); nella colonna Sforzo si divide la colonna Load per Width e Thickness; estendere le colonne per avere tutti i valori calcolati; 6. Inserire un grafico a dispersione costruito sulle due colonne appena create, prendendo i valori fino allo sforzo massimo; inserire poi una linea di tendenza e spuntare la casella mostra funzione; il coefficiente angolare della funzione così ottenuta altro non è che il modulo di Young del campione sotto prova, espresso in MPa. Tutto questo va fatto per i primi 22 campioni privi di estensimetri. Per gli ultimi 6 campioni, oltre a ripetere le operazioni descritte in precedenza, e utilizzare un programma diverso, bisogna collegare i fili degli estensimetri agli appositi morsetti dell interfaccia connessa al PC. Il collegamento scelto per le misure è quello a mezzo ponte di Wheatstone. Si utilizzano due estensimetri montati su due campioni simili e due resistenze; in tal modo è possibile compensare l estensimetro che effettua la misura con l altro estensimetro (dummy gauge) per compensare eventuali dilatazioni termiche. Il secondo estensimetro (compensatore) viene installato sul secondo campione, in modo che sia 9

10 soggetto alla stessa temperatura del primo (attivo); il collegamento a mezzo ponte su rami adiacenti fa sì che le deformazioni apparenti si elidano: dove: ε tot = ε I ε II = ε f + ε a ε a = ε f - ε tot è la deformazione totale; - ε I è la deformazione del 1 campione; - ε II è la deformazione del 2 campione; - ε f è la deformazione misurata; - ε a è la deformazione termica apparente. La figura 7 mostra il tipo di collegamento effettuato. Fig. 7: Schema elettrico del collegamento all interfaccia del PC. Per quanto riguarda il file.txt, una volta aperto in Excel, si aggiungeranno, oltre alle due colonne della deformazione assiale e dello sforzo, una terza colonna per il calcolo della deformazione trasversale [mm/mm] ottenuta dividendo la colonna denominata canale per 10 6, essendo il valore misurato in micron. Infine si provvederà ad inserire un ulteriore grafico a dispersione per il calcolo del coefficiente di Poisson dividendo la colonna della deformazione assiale con quella della deformazione trasversale, con la sua linea di tendenza e la funzione esplicitata, nella quale si ricava il valore di interesse sempre dal coefficiente angolare della linea. 10

11 Cap. 4: Risultati sperimentali Nella tabella Excel che segue (Tab. 2) sono riepilogati tutti i risultati sperimentali ottenuti, e quelli calcolati sempre tramite un foglio di calcolo Excel. CAMPIONE CC160_3K_0 CC160_45 CC160_3K_0 _S CC160_3K_45 _S PROVINO # E 1 camp. 33,01 9,82 41,79 12,80 E 2 camp. 33,07 11,00 43,13 12,68 E 1 medio 33,04 42,46 E x medio 10,41 12,74 n xy 1 camp n xy 2 camp n xy 0,69 n 12 CAMPIONE UD300_0 UD300_10 UD300_90 VETRO_50 _0 VETRO_50 _45 PROVINO # E 1 camp. 163,48 67,40 4,31 18,95 13,11 E 2 camp. 250,48 105,94 6,25 17,00 11,28 E 1 medio 206,98 17,98 E 2 medio 5,28 E x medio 86,67 12,20 n xy 1 camp 0,57 n xy 2 camp 0,49 n xy 0,53 n 12 0,11 CAMPIONE UD200_40J_0 UD200_40J_10 UD200_40J_90 CC120_1K_0 CC120_1K_45 PROVINO # E 1 camp. 127,14 52,14 8,08 46,00 11,52 E 2 camp. 115,99 58,19 9,22 41,88 12,00 E 1 medio 121,57 43,94 E 2 medio 8,65 E x medio 55,17 11,76 n xy 1 camp n xy 2 camp n xy 0,57 n 12 0,28 RIEPILOGO VALORI OTTENUTI Tab. 2: Riepilogo risultati ottenuti 11

12 TABELLA RIEPILOGATIVA MATERIALI ANALIZZATI Materiale E 1 (GPa) E 2 (GPa) n 12 G 12 (GPa) CC_160_3K 33,04 33,04 0,07 3,25 CC_160_3K_S 42,4 42,4 0,00 3,75 CC120_1K 43,94 43,94-0,61 3,75 VETRO 17,98 17,98 0,31 3,99 UD ,57 8,65 0,28 2,98 UD ,98 5,28 0,11 4,43 Tab. 3: Riepilogo materiali analizzati Cap. 5: Analisi dei risultati Alla luce dei risultati ottenuti, si può affermare quanto segue: 1. tutti i valori della tabella 3, tranne per il materiale CC120_1K, appaiono verosimili; 2. i valori del materiale CC120_1K si discostano dal valore atteso, probabilmente per il disallineamento dell asse del provino rispetto alla direzione delle fibre; 3. l errore commesso sulla singola misura si stima essere sull 1%. 12