Analisi statica e a fatica di giunti incollati alluminio-composito a singola sovrapposizione (single-lapjoint)

Analisi statica e a fatica di giunti incollati alluminio-composito

L’utilizzo di materiali compositi nella pro­gettazione moderna sta attraversando una fase di complessità crescente.

I set­tori industriali dove i compositi trovano la loro applicazione sono molto etero­genei (dal settore automotive, aerospa­ziale, nautico fino al settore sportivo) e sono fortemente impattati dallo svilup­po di combinazioni di materiali nuovi e sempre più performanti, come l’introdu­zione di nuove tecnologie di produzio­ne, quali ad esempio la stampa additiva.
 

TEC Eurolab attraverso i test distrutti­vi e non distruttivi, accompagna i clien­ti nella progettazione e nella validazio­ne di materiali che rispondano a specifi­che esigenze quali:

• leggerezza
• resisten­za meccanica
• assorbimento dell’ener­gia di impatto
• resistenza a fatica
• resi­stenza chimica e all’invecchiamento at­mosferico

L’obiettivo?

L’obiettivo di TEC Eurolab è supportare i reparti R&D, di progettazione e di pro­duzione ad essere sempre più sicuri nel­la scelta e nell’utilizzo di nuovi materia­li e tecnologie.

Per la trasversalità dei servizi offerti, TEC Eurolab supporta le aziende ope­ranti nei diversi settori che lavorano nel­la filiera dei materiali compositi, come:

• pro­duttori di resine e prepreg
• laminato­ri e stampatori
• studi di ingegneria che sempre più spesso sono chiama­ti a riprogettare in materiale composi­to componenti prodotti con materiali e tecnologie tradizionali.

TEC Eurolab, insieme al cliente, ha strut­turato un piano di prove di validazione dell’intero processo produttivo.

Attraverso un case study indagheremo il comportamento di un sistema allumi­nio-composito unito mediante incollag­gio.

In particolare, si è voluto caratte­rizzare a fatica una giunzione realizza­ta tra alluminio 6082-T6 ed un composito CFRP, mediante provini Single-Lap-Point (configurazione a singola sovrap­posizione).

L’incollaggio è stato realizzato median­te un film adesivo di 0.3 mm costituito da matrice epossidica e fibra di vetro.
 

Al fine di ottenere una buona previsione del carico di rottura di un giunto è neces­sario un modello che consideri i quattro fattori chiave:

• Conoscenza delle modalità di cedi­mento del giunto;
• Consapevolezza del comportamento dei materiali;
• Conoscenza dello stato di tensione/deformazione nel giunto;
• Corretta applicazione di una valida modalità di prova, che porti a rottura la giunzione;

Inoltre, una complicazione a tale pro­cesso deriva dall’elevato numero di va­riabili che influenzano l’integrità di una giunzione incollata, tra queste:

• la confi­gurazione della giunzione
• la configura­zione delle modalità di carico
• la tipolo­gia di adesivo utilizzato
• le modalità di preparazione superficiale degli elemen­ti da collegare

L’obiettivo dell’attività svolta è stato va­lutare le proprietà meccaniche e la resi­stenza a fatica dei giunti sopracitati, rea­lizzati secondo la norma ASTM D1002, nello specifico tra provini realizzati sen­za difettosità indotte, provini con l’ag­giunta di un difetto tra lo strato adesi­vo e l’aderente e provini sottoposti a in­vecchiamento termico.
 

Per ognuna delle tre tipologie di cam­pioni identificati, sono state ricavate:

• tensione massima di rottura (τmax = ∂min prove di trazione), applican­do una rampa in controllo di spostamento con velocità della traversa pari a 2mm/min;
• curva di Wöhler, ottenuta a frequenza 5 Hz e un rapporto di tensione R pari a 0,1;
• limite di fatica ( τfatica limite) median­te metodo Staircase;
• modalità di cedimento mediante esa­me visivo;
• coefficiente di sicurezza e ∂massima ammissibile.

L’accuratezza di un test di incollaggio dipende notevolmente dal processo di preparazione dei provini e dalle meto­dologie con cui vengono effettuate le singole fasi:

• dimensionamento dei provini e dei test panel, in particolare la lunghez­za massima permissibile di overlap determinata dalla seguente relazio­ne: L= Fty x t/ τ dove L è la lunghez­za massima di overlap, Fty è il carico di snervamento dell’alluminio, τ è la metà del lap shear strenght dell’ade­sivo sull’alluminio
• preparazione superficiale dell’allumi­nio mediante sabbiatura e successi­va pulizia della superfice con aceto­ne e carta
• deposizione del film adesivo sulla su­perficie di alluminio (durante questa fase metà dei provini sono stati pre­parati con l’introduzione di un difetto controllato nell’area di overlap)
• deposizione delle singole ply di pre­preg aventi le stesse dimensioni dei test panel in alluminio
• cura in autoclave per 150 minuti a 135 C°
• taglio con laser ad acqua dei test panel
• applicazione dei tabs e numerazione di ogni provino

Una volta ultimata la preparazione dei provini si è proceduto con le prove di tra­zione.

I test sono stati effettuati su una terna di provini per ogni diversa tipologia di campioni (senza difetto, con difetto e senza difetto sottoposti a invecchiamen­to termico) grazie ad una macchina elet­tromeccanica Zwick/Roell avente capa­cità di carico di 100 kN, applicando una rampa in controllo di spostamento con velocità della traversa pari a 2mm/min.

I test a fatica, finalizzati all’ottenimento delle curve di Wöhler, sono stati ese­guiti con un attuatore elettromeccanico con capacità di carico di 15 kN.

Tutte le prove sono realizzate in control­lo di forza, scegliendo una forma d’on­da sinusoidale con frequenza 5 Hz e un rapporto di tensione di 0,1 (R= ∂min/ ∂max).

 
La curva di Wöhler viene costruita ado­perando cicli di carico decrescenti par­tendo da un carico massimo che corrisponde al 60% del valore medio di lap shear, fino al raggiungimento del limite di fatica, cioè il valore di ∂max per cui non si ha rottura del giunto incollato. 

In genere, le curve di Wöhler presentano un asintoto orizzontale che tende ad un valore dello sforzo detto limite di fatica: esso rappresenta il valore di ∂ al di sot­to del quale, anche per un numero ide­almente infinito di cicli, il materiale non si romperà per fatica.
 

Grafico carico-deformazione relativo ai set di campioni testati

Curve di Wöhler 

 

Successivamente, tramite esame visivo, è stata indagata la superficie degli ade­rendi nell’area di overlap dell’incollaggio per valutare i tipi di cedimento in seguito alle prove di trazione e di fatica.

L’esame visivo mostra che la modalità di rottura predominante è di tipo adesivo, sia sull’alluminio che sul composito, in percentuali diverse per ogni campione.

In particolare, la percentuale di rottu­ra adesiva sul laminato risulta superiore nella maggior parte dei provini, sia del­la tipologia senza difetto che col difetto.

Confronto tra i valori dei limiti di fatica ottenuti per le differenti tipologie di provini

Macro superficie di frattura

 

Superficie di frattura dei provini senza difetto
 

Frattura su superficie di provini con difetto 

Superficie di frattura dei provini post invecchiamento

 

Percentuale di superficie che è andata incontro a rottura adesiva sul composito (C) e sull’alluminio (A)

 

Infine, tramite analisi DSC, si è voluto verificare lo stato chimico-fisico della matrice epossidica presente nel lami­nato e nell’adesivo.

Dai termogrammi, in particolare nel pri­mo riscaldamento, si è constatata la pre­senza di un picco esotermico associa­bile ad una reazione residua di post-re­ticolazione della resina, sia dell’adesivo che del laminato.

Primo riscaldamento

 

Nel secondo riscaldamento si osserva­no le massime temperature di transi­zione ottenibili (in seguito a post-cura).

Secondo riscaldamento

 

In conclusione, dai risultati ottenuti dai test meccanici si è osservato che la pre­senza del difetto e l’invecchiamento ter­mico non hanno influito esplicitamente sul comportamento a fatica; viceversa, nelle prove di trazione, il difetto ha por­tato ad un calo del 10% della resisten­za al distacco.

L’esame visivo ha permesso di stabili­re che la tipologia di cedimento prepon­derante è di tipo adesivo, sia sul lami­nato che sull’alluminio, per ogni singo­lo campione; in particolare quella sul la­minato è stata superiore in tutte le tre tipologie di provini.

Dai dati ricavati grazie alle prove statiche e dinamiche, è stato possibile ricavare i valori di tensione ammissibile, parten­do dalla tensione di rottura o da quella di snervamento, dividendo per un oppor­tuno coefficiente di sicurezza. (vedi i calcoli in appendice)

 

Appendice
Di seguito vengono mostrati i calcoli:

 

(Valore di lap shear minimo delle 3 pro­ve di trazione per provini senza difetto);

 

 
(Valore di lap shear minimo delle 3 pro­ve di trazione per provini con difetto);

 

 
(Tensione corrispondente al limite di fa­tica per campioni senza difetto);

 

 

(Tensione corrispondente al limite di fa­tica per campioni con difetto);

 

 

(coefficiente che tiene conto della pre­senza di un possibile difetto e che va a diminuire la resistenza meccanica stati­ca del provino);

 

 

(coeff. che tiene conto della sol­lecitazione a fatica a cui è sottoposto il provino senza difetto);

 

 

(coefficiente che tiene conto della sol­lecitazione a fatica a cui è sottoposto il provino con difetto);

 

 

Infine, 

 

 

con

 
 
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