11. Resistenza all'urt 11.1. Generalità Sllecitazini dinamiche ed urt si verifican facilmente in mlte applicazini ingegneristiche dei materiali strutturali. Secnd una definizine classica si parla di urt allrquand il temp di applicazine del caric è inferire al 50% del perid prpri di vibrazine dell'element cnsiderat. In presenza di sllecitazini dinamiche è nt che il cmprtament dei materiali tradizinali differisce significativamente da quell esibit in cndizini quasi-statiche (caric applicat lentamente). Per esempi nei metalli al crescere della velcità di applicazine del caric si verifica un aument della tensine di rttura e ancr più della tensine di snervament cn cnseguente infragiliment del materiale. Stt sllecitazini di urt anche i cmpsiti esibiscn prprietà differenti da quelle stimabili sulla base delle caratteristiche rilevate in cndizini statiche. La caratteristica fndamentale che descrive la resistenza all'urt di un materiale è cstituita dalla capacità di assrbire energia prima della rttura stt sllecitazini dinamiche. Il test principe è cstituit, almen per i materiali istrpi, dalla prva Charpy (prva di resilienza) che utilizza un prvin percss, cn velcità di 5-7 m/s, da una massa battente terminante cn un cltell (vedi fig.1a) ed avente al mment iniziale dell urt una energia pari a 30 kgm (se si usa una energia diversa al valre di resilienza K va appst un pedice che indica l esatt valre di energia di impatt). La stessa prva è pure utilizzata per caratterizzare la resistenza all'urt dei materiali cmpsiti. Altra prva pure usata è quella di Izd che sstanzialmente differisce da quella Charpy per la diversa cnfigurazine del prvin che invece di essere cstituit da un element appggiat alle due estremità e caricat in mezzeria, è incastrat ad una estremità e caricat dalla massa battente all'altra estremità (vedi fig.1). prvin t mazza prvin mazza incudine t (a) (b) Fig.1 - Setup sperimentale per prva Charpy (a) e prva Izd (b). Nella caratterizzazine dei cmpsiti i risultati di una prva di impatt sn significativamente influenzati da vari parametri della prva, quali principalmente (1) velcità di impatt, (2) frma e dimensini dei prvini, (3) rientament delle fibre e sequenza di impacchettament, (4) resistenza alla delaminazine. Tali parametri vann pertant debitamente fissati al fine di rendere cnfrntabili i risultati. Per una più cmpleta caratterizzazine del materiale è utile eseguire il riliev dell'andament del caric applicat durante il perid che va dall'inizi dell'impatt sin alla rttura del materiale. ' pssibile in quest md rilevare, ltre che l energia ttale assrbita dal materiale sin alla rttura, l'intim cmprtament del materiale. 120
A titl di esempi la fig.2 mstra l'andament tipic della registrazine del caric applicat in funzine del temp per una prva di impatt. P fase elastica fase plastica i p Fig.2 - Tipic andament della stria di caric durante una prva di impatt. Ovviamente per ptere rilevare la stria temprale del caric è necessari che le macchina di prva sia dtata di idnea strumentazine. Dalla fig.2 si sserva chiaramente la presenza di una fase iniziale cn caric crescente in cui si ha l'assrbiment di energia in camp elastic, ed una secnda fase cn caric decrescente in cui si ha assrbiment di energia in camp plastic cn prpagazine della frattura, evidenziata dalle irreglarità del diagramma che invece appare piuttst rettiline nella precedente fase elastica. Dall esame del diagramma è csi pssibile individuare una energia di impatt i assciata cn la defrmazine elastica del materiale ed una secnda energia p assciata cn la defrmazine plastica e la prpagazine della rttura. L analisi della stria temprale cnsente in pratica di discriminare materiali cn cmprtament fragile da materiali cn cmprtament duttile. Un materiale fragile ed un duttile pssn infatti avere la stessa resistenza all'urt, ciè essere caratterizzati dalla stessa energia ttale t = i + p assrbita, cn la differenza che il materiale fragile presenta una elevata energia i ed una bassa energia p mentre il materiale duttile presenta una elevata p ed una bassa i. In realtà l'area sttesa dalla stria di caric (P-t) rappresenta l'impuls e nn esattamente l'energia assrbita a che in prima apprssimazine può essere calclata mltiplicand l'impuls per la velcità iniziale di impatt nta v (5-7 m/s), ciè: t = v Pdt (1) a Più precisamente l'energia assrbita può essere calclata cnsiderand la velcità media di impatt v = (v f + v )/2 che può essere valutata a partire dalla stima della energia assrbita a e dal valre della energia iniziale. Da cnsiderazini energetiche si ttiene: v a = v (1 ) (2) 2 csicché l'energia effettivamente assrbita vale: a a = v Pdt = v ( 1 ) Pdt = a ( 1 ) (3) 2 2 ' quest ultim il valre utilizzat per la valutazine della resistenza all'urt di un materiale, espressa dalla energia per unita di superficie di rttura. 121
11.2. Parametri che influenzan la resistenza all'urt dei cmpsiti Cme accennat, la resistenza all'urt dei laminati cmpsiti è significativamente influenzata da vari parametri quali velcità di impatt, dimensine e gemetria del cmpnente, che sn parametri generali validi per qualunque materiale, e parametri cme rientament delle fibre e sequenza di impacchettament, resistenza alla delaminazine ecc, che sn parametri specifici per i materiali cmpsiti. Per quant cncerne i primi due parametri, è nt che l energia specifica assrbita e quindi la resistenza all urt diminuiscn all aumentare della velcità di impatt ed all aumentare delle dimensini. Anche la frma gica un rul essenziale: la resistenza all urt diminuisce se la variazine di frma prduce un aument della rigidezza del cmpnente. Per quant cncerne invece l'influenza dell'rientament delle fibre, le sservazini sperimentali mstran che in genere in una prva Charpy la resistenza massima crrispnde ad un rientament delle fibre di 0, ciè fibre parallele all'asse del prvin, mentre la resistenza minima crrispnde ad un angl di circa 60. Per laminati crss-ply la massima resistenza si ha per rientament delle fibre 0-90 mentre la resistenza minima si ha per fibre rientate a ±45 (vedi fig.3). t b t b lamine crss-ply lamina Fig.3 - Resistenza all'urt di cmpsiti in fibra di vetr unidirezinali e crss-ply. La fig.3 mstra anche cme la resistenza all urt diminuisce al diminuire della lunghezza della trave, ciè all aumentare della rigidezza di questa. Inltre in fig.3b è pure cnfrntata la resistenza dei crss-ply cn quella degli unidirezinali: si vede chiaramente cme la dispsizine crss-ply sia sempre vantaggisa rispett a quella unidirezinale cn la sla eccezine del cas di rientament delle fibre allineat cn l'asse della flessine. Per quant cncerne pi l'influenza della resistenza alla delaminazine, ciè della bntà dell'adesine delle lamine, l'sservazine sperimentale mstra in pratica che se il cediment del laminat avviene per delaminazine un aument della resistenza statica (a tagli) dell'incllaggi prduce slitamente una diminuzine della resistenza all'urt in quant all'aumentare della bntà dell'adesine si ha in genere un cmprtament più fragile e quindi una minre capacità di assrbire energia. In presenza invece di bassa resistenza statica a tagli dell'adesiv, l scrriment di questi aumenta l'energia assrbita e quindi la resistenza alla delaminazine in cndizini di urt. Se invece la rttura avviene essenzialmente per rttura delle fibre allra si verifica esattamente il cntrari: la 122
resistenza all'urt aumenta cn l'aumentare della resistenza alla delaminazine. Ciò è chiaramente mstrat nelle figure 4a,b in cui sn riprtati i risultati relativi ad un cmpsit fibra di vetrpliestere (a) e fibra di vetr-resina epssidica (b). Si sserva in particlare cme per glass-plyester al crescere della resistenza alla delaminazine, ttenuta cn idne trattament superficiale delle lamine, si assiste ad una transizine delle mdalità di rttura stt urt: si va dalla delaminazine alla rttura delle fibre. Cnseguentemente al miglirare della adesine tra le lamine la resistenza all'urt prima diminuisce e pi aumenta. Si sservi infine che la resistenza massima è per i due materiali pressché simile, cn la differenza che per glass-epxy questa si ttiene ttimizzand la resistenza alla delaminazine mentre per glassplyester questa crrispnde alla minima resistenza statica dell'incllaggi (facile scrriment). ft*lb/inc 2 t p i ft*lb/inc 2 t t p p i i resistenza a tagli (ksi) resistenza a tagli (ksi) (a) (b) Fig.4 - Resistenza all'urt di cmpsiti glass-plyester (a) e glass-epxy (b). 11.3. Resistenza all'urt e meccanismi di rttura La resistenza all'urt di un cmpsit è vviamente strettamente legata al particlare meccanism che prta alla rttura dell stess durante una sllecitazine di urt. Cme precedentemente accennat, vari sn i meccanismi di cediment di un cmpsit che slitamente invlgn la rttura della matrice, delle fibre cn frmazine e prpagazine di cricche secnd varie mdalità. Nel seguit si esaminan i vari meccanismi di rttura in relazine alla crrispndente energia assrbita. 11.3.1 Rttura delle fibre Se il cediment del cmpsit avviene mediante frmazine e prpagazine di cricche in direzine rtgnale alle fibre, la rttura del materiale invlge certamente quella delle fibre. Fibre fragili (anche se resistenti) cme le fibre di carbni, determinan quindi una bassa resistenza all'urt del materiale. L'energia specifica (per unità di superficie) u f assrbita dalla rttura fragile delle fibre è data da una relazine del tip: 2 V fσ f, R l u f = (4) 6 cn vvi significat dei simbli (l è la lunghezza delle fibre). ' imprtante sservare che sebbene la resistenza statica di un cmpsit è frtemente legata a 123 f
quella delle fibre, la resistenza all'urt dipende sl in parte dalla resistenza delle fibre: l'energia assrbita dalla rttura delle fibre è sl una piccla parte della energia ttale assrbita (u f << u t ). Per aumentare la resistenza all'urt del cmpsit è pertant bene aumentare ve pssibile la duttilità delle fibre. Occrre cmunque tenere presente che il cmprtament e la resistenza delle fibre influenza sempre le mdalità di rttura del cmpsit e quindi (indirettamente) la capacità di assrbire energia. 11.3.2 Plasticizzazine e rttura della matrice Se la matrice ha un cmprtament fragile, cme avviene per esempi per resine termindurenti cme resina epssidica e pliestere, il cntribut di questa all'energia ttale assrbita è piccl. Se la matrice ha un cmprtament elast-plastic il cntribut può divenire invece significativ. Il cntribut maggire è sempre legat alla plasticità essend sempre piuttst limitat il cntribut legat alla frmazine e prpagazine delle cricche di frattura a men che queste abbian una spiccata tendenza a mltiplicarsi mediante diramazini multiple. Similmente a quant succede quindi per i materiali istrpi, per miglirare la capacità di assrbire energia, e quindi la capacità di spprtare urti, è necessari aumentare la duttilità del materiale piuttst che la resistenza meccanica statica. 11.3.3 Sfilament delle fibre (pull-ut) Quest fenmen avviene slitamente in presenza di fibre fragili immerse in matrici mlt resistenti. L sfilament segue la rttura iniziale delle fibre che avviene in crrispndenza della sezine più deble. La rttura delle fibre prvca vviamente un fenmen di cncentrazine delle tensini che in definitiva si può evlvere cn la frmazine di una cricca nella matrice che può crescere in direzine rtgnale al caric lung l'interfaccia della matrice a secnd della maggire minre resistenza al debnding e della matrice. Se la matrice è mlt resistente la rttura prduce l sfilament della fibra. L sfilament delle fibre nn è però da cnfndere cn il debnding che avviene allrquand le cricche presenti nella matrice nn sn in grad di prdurre la rttura csicché finiscn cl prpagarsi in direzine parallela alle fibre stesse. Nella iptesi di fibre aventi lunghezza l c e che l sfilament interessi spezzni lunghi l c /4 l'energia di pull-ut, ciè l energia dissipata durante l sfilament, è data dalla seguente espressine: 11.3.4 Delaminazine u pull V fσ f, R lc ut = (5) 12 La delaminazine di un laminat è in genere il risultat della prpagazine delle cricche intralaminari che, giunte sulla superficie della lamina nn sn in grad di prpagarsi sulla lamina adiacente per via del divers rientament delle fibre; esse quindi si prpagan lung l'interfaccia dand lug ad un prcess di delaminazine prgressiv. In presenza di sllecitazini dinamiche la delaminazine è un fenmen caratteristic di sllecitazini flessinali cme avviene per esempi nella prva Charpy e Izd. Per quant cncerne il legame tra resistenza all urt e resistenza alla delaminazine (adesine delle lamine) si è gia sservat cme la prima in genere aumenta al diminuire della secnda. Dvend quindi prgettare un materiale che debba avere una buna resistenza statica ma anche una buna resistenza all'urt è necessari realizzare un cmprmess tra elevata resistenza alla delaminazine ed all'urt. Per esempi per aumentare la resistenza all'urt dei cmpsiti in fibra ad elevat mdul (carbni e br in particlare, caratterizzati da bassa defrmazine a rttura) si aggiunge una 124
percentuale di fibre di vetr caratterizzate da una maggire defrmazine a rttura e quindi da una maggire capacità di assrbiment di energia. Si ttengn csì i csiddetti cmpsiti ibridi. 11.3.5 Cmpsiti ibridi Cme accennat al paragraf precedente, al fine di aumentare la resistenza all'urt dei cmpsiti ad elevat mdul, in particlare dei cmpsiti in fibra di carbni, si intrduce appsitamente in questi una certa percentuale di fibre di vetr caratterizzate da una maggire duttilità a rttura (capacità di assrbire energia) ttenend csi i csiddetti cmpsiti ibridi ( semplicemente ibridi). In particlare questi pssn essere ttenuti in due mdi distinti: 1) misceland alle fibre di carbni una certa percentuale di fibre di vetr (slitamente pari al 10-20%) durante il prcess di prduzine delle lamine unidirezinali, ppure (2) accppiand insieme lamine in fibra di vetr cn lamine in fibra di carbni in md da ttenere un laminat ibrid. La prima mdalità è più cmplicata per via delle difficltà di ttenere una distribuzine unifrme delle fibre di vetr nella lamina. La secnda mdalità di fatt è quella più seguita (laminati ibridi). L'aggiunta di una percentuale pari al 10-20% di fibre di vetr ad un cmpsit in fibre di carbni cnsente mediante di raddppiare la resistenza all'impatt, mentre l'aggiunta di una percentuale intrn al 40% permette addirittura di quintuplicare tale resistenza cme mstra la figura seguente riprtante dati sperimentali ttenuti al variare della percentuale di fibre di vetr aggiunte ad un cmpsit in fibra di carbni. t fibre di vetr (%) Fig.5 - Resistenza all'urt di cmpsiti ibridi in fibra di carbni cn aggiunta di fibre di vetr. In alcuni casi ltre che fibre di vetr si aggiungn anche percentuali di Kevlar che è una fibra caratterizzata da una elevata energia di prpagazine della frattura. Per quant cncerne gli effetti della sequenza di impacchettament dei laminati ibridi, l'esperienza mstra che i migliri risultati (massima energia assrbita) si realizzan dispnend le lamine "piu duttili" (fibra di vetr Kevlar) all'intern e cnfinand quelle più fragili all'estern. 125