Normative per la prova di trazione

Le normative di riferimento per le prove di trazione su coupon a sezione rettangolare costante (straight-sided) sono:

 ASTM D3039/D3039M, [11]

 EN 2561, [12]

 EN 2597, [13]

L’ASTM D3039, rilasciata inizialmente nel 1971, fu il primo standard istituito per le prove di trazione sui provini a sezione rettangolare e costituisce tuttora il metodo più comunemente usato. Le due normative EN si ispirano alla ASTM, e conseguentemente, sono abbastanza simili. Ciononostante, non si può sostituire un sistema con un altro, in quanto ci sono alcune differenze. In generale, lo standard ASTM è più dettagliato e offre migliore controllo su tutti quei parametri che potrebbero aumentare la variabilità nelle prove.

La deformazione del provino è misurata nella gage region per mezzo di estensimetri o estensimetri.

I tab di estremità servono ad introdurre il carico dagli afferraggi al provino, minimizzando le concentrazioni di tensione. Un esempio del giusto modo di rottura è mostrato in figura.

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Figura 2.4: Provino rotto nella gage region.

Non presentando alcuna discontinuità geometrica, la rottura si potrebbe verificare in corrispondenza dei tab o degli afferraggi, cioè in potenziali punti di concentrazione del carico. Occorre notare che una rottura in questi punti non comporta a priori il dover scartare il risultato proveniente da tale prova; occorre però prestare molta cura nella valutazione dei risultati in modo da non accettare risultati falsati, provocati da malfunzionamento di tab o afferraggi.

Il campo di tensione all’estremità dei tab incollati è tridimensionale e gli sforzi sono in grado di massimo; per questo motivo si tende ad utilizzare, quando possibile, tab semplicemente appoggiati.

La velocità di prova deve essere scelta in modo che risulti una velocità di deformazione quasi costante nella sezione centrale del provino. Inoltre, deve essere scelta in modo tale da produrre la rottura del provino entro 1-10 min. le velocità standard consigliate sono:

 Per prove in controllo di deformazione, una velocità di deformazione di 0.01 /min

 Per prove in controllo di spostamento, una velocità della traversa di 2 mm/min. Per quanto riguarda, invece, la frequenza di registrazione dei dati della prova, è possibile registrare sia in modo continuo che ad intervalli regolari e frequenti.

Normativa ASTM D3039

Questo metodo di prova determina le proprietà di trazione piana di un materiale composito a matrice polimerica rinforzata con fibre ad alto modulo. I materiali compositi che è possibile analizzare devono essere caratterizzati da fibre continue o discontinue, con il laminato bilanciato e simmetrico rispetto alla direzione di prova.

Lo scopo della norma non è quello di affrontare tutte le problematiche relative alla sicurezza eventualmente associata al suo uso. È responsabilità dell’utilizzatore di questo

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standard stabilire le appropriate misure relative alla sicurezza e alla salute, determinando l’applicabilità dei limiti normativi prima dell’uso.

Specifiche e numero di provini

I test vanno eseguiti su almeno 5 provini. La scelta di larghezza e spessore del provino deve essere tale da favorire la rottura nella gage region e assicurare che contenga nella sezione trasversale un numero sufficiente di fibre, per essere statisticamente rappresentativo del materiale base.

Nella tabella sottostante vengono riportate le dimensioni suggerite per i provini.

15(±0.3) 250 1 (±0.1)

Unidirezionale a 90° 25 (±0.3) 175 2 (±0.1)

25 (±0.3) 250 2.5(±0.)

25 (±0.3) 250 2.5(±0.)

Tabella 2.1: Dimensioni dei provini suggerite dalla ASTM 3039

La normativa fornisce anche raccomandazioni per la geometria dei tab. La scelta del tipo di tab è funzione del materiale in esame, dell’orientazione delle fibre e del tipo di afferraggi usati. In presenza di afferraggi idraulici, i tab non smussati sono molto efficienti, mentre per gli afferraggi a cuneo, tab con piccoli angoli di smusso (7°-10°) hanno un migliore comportamento.

Laminato Lunghezza (mm) Spessore (mm) Angolo di smusso

a 0° 56 1.5 7° o 90°

a 90° 25 1.5 90°

Bilanciato e simmetrico

Tessuto abrasivo

Fibre discontinue Tessuto abrasivo

Tabella 2.2: Dimensioni raccomandate per i tab.

Unidirezionale a 0°

Bilanciato e simmetrico

Fibre discontinue

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Elaborazione dei dati sperimentali

Nell’elaborazione dei dati sperimentali si comincia calcolando il carico di rottura con l’equazione (1) mentre la tensione di trazione in ogni punto di acquisizione è data dalla (2).

[MPa] (1)

[MPa] (2)

dove [N] è il carico massimo misurato prima della rottura, [N] il carico misurato all’istante i-esimo e A [ ] l’area media della sezione del provino.

Per quanto riguarda il modulo elastico, è dato dalla pendenza del segmento che unisce due punti distinti sul diagramma sforzo-deformazione in un intervallo fra 1000 e 3000 . Se i dati in questo intervallo non sono disponibili, si utilizzano i valori che più si avvicinano.

L’andamento della curva sforzo-deformazione è riportato in figura 2.5; normalmente, per i compositi, è lineare fino a rottura. Può però capitare che il materiale abbia un comportamento bilineare, cioè presenti una zona in cui cambia la sua pendenza.

Per il calcolo si utilizza la formula

[MPa]

dove e sono le deformazioni longitudinali a 3000 e 1000 rispettivamente, mentre e [MPa] sono i relativi valori di tensione misurati. Il modulo elastico così calcolato deve essere arrotondato alla terza cifra significativa.

Nel caso in cui il range di deformazione sopra citato presenti una regione di transizione con andamento bilineare è consigliabile utilizzare un range diverso, in cui l’andamento sia lineare.

Infine, il calcolo del coefficiente di Poisson può essere effettuato attraverso la formula

[MPa]

dove e sono le deformazioni trasversali corrispondenti alle e utilizzate per il calcolo del modulo elastico.

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Figura 2.5: Andamento tipico della curva sforzo-deformazione.

Normativa EN 2561

Le indicazioni della normativa EN 2561 sono meno dettagliate rispetto a quelle ASTM, lasciando più libertà di scelta all’operatore. La EN 2561 è specifica per le prove di trazione nella direzione delle fibre. Prevede che i pannelli abbiano una curvatura <0.002, dove f e k sono mostrati in figura.

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Questa normativa si differenzia dalla ASTM per la dimensione dei provini, distinguendone tre tipologie, come mostrato nelle tabella sottostante.

Grandezza (mm) Tipo A Tipo B Tipo C Lunghezza 250±1 250±1 250±1 Larghezza 10±0.5 15±0.5 15±0.5

Spessore 2±0.2 1±0.2 1±02

Lunghezza tab 65±15 65±15 Spessore tab 0.5±1 0.5±1

Tabella 2.3: Dimensione dei provini suggeriti dalla normativa EN 2561

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Figura 2.8: Provino di tipo C.

Elaborazione dei dati sperimentali

La tensione di rottura è calcolata con la stessa procedura della normativa ASTM 3039; per quanto riguarda il modulo elastico, però l’intervallo di riferimento è sulle tensioni anziché sulle deformazioni. I punti del grafico sforzo-deformazione da considerare sono quelli corrispondenti ai valori _{/10 e /2.}

Per il calcolo, si utilizza la formula

dove e sono le deformazioni longitudinali corrispondenti ai due valori di tensione sopra indicati.

Il modulo di Poisson, infine, è calcolabile tramite la formula

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Normativa EN 2597

Si differenzia dalle precedenti per il numero di provini minimo richiesto, 10, e per la geometria dei provini. Ne stabilisce due tipologie come mostrato in tabella

Grandezza (mm) Tipo A Tipo B

Lunghezza 250±1 250±1 Larghezza 25±0.5 25±0.5 Spessore 2±0.2 2±0.2 Lunghezza tab 120±1 60±1 Spessore tab 0.5±1 0.5±1 Lunghezza libera “g” 10±1 130±1 Lunghezza reg. afferrata 50±1 60±1

Tabella 2.4: Geometria dei provini suggerita da EN 2597

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Figura 2.10: Provino di tipo B

Elaborazione dei dati sperimentali

L’elaborazione viene effettuata con le stesse procedure della EN 2561.