estudio comparativo de las propiedades mecÁnicas de un

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

ESTUDIO COMPARATIVO DE LAS PROPIEDADES

MECÁNICAS DE UN MATERIAL COMPUESTO CON FIBRA DE

COCO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE GUARDACHOQUES DE

UN VEHÍCULO

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE

INGENIERO AUTOMOTRIZ

VICTOR LEONARDO LUNA IGLLÓN

DIRECTOR: ING. IVÁN YÁNEZ, MSc.

Quito, junio 2016

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016

Reservados todos los derechos de reproducción

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1723721955

APELLIDO Y NOMBRES: LUNA IGLLÓN VICTOR LEONARDO

DIRECCIÓN: SOLANDA SECTOR 3

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: (593) 022732798

TELÉFONO MOVIL: (593) 0995246313

DATOS DE LA OBRA

TITULO: ESTUDIO COMPARATIVO DE LAS

PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN

MATERIAL COMPUESTO CON FIBRA DE

COCO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE

GUARDACHOQUES DE UN VEHÍCULO

AUTOR O AUTORES: LUNA IGLLÓN VICTOR LEONARDO

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN:

MAYO 2016

DIRECTOR DEL PROYECTO DE

TITULACIÓN:

DIRECTOR: ING. IVÁN YÁNEZ, MSc.

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ

RESUMEN: Mínimo 250 palabras En el presente proyecto de investigación se

presentó un material alternativo elaborado

para la construcción de guardachoques, el

mismo que fue caracterizado

mecánicamente mediante ensayos físicos

destructivos, que nos llevó a determinar si el

material propuesto era conveniente o no

para la utilización en este tipo de pieza.

Esta propuesta fue realizada tras identificar

la problemática que existe actualmente en

cuanto a la contaminación ambiental que se

produce por desechar materiales sin

tratamiento, así como también la reutilización

mailto:[email protected]

de los mismos materiales para otros usos o

simple proceso de reciclaje, teniendo en

cuenta que los compuestos biodegradables

tienen una ventaja frente a los polímeros

elaborados a base de petróleo, que con la

elección correcta de los materiales

constitutivos y en el porcentaje adecuado se

pueden degradar en un corto tiempo, y de

esta manera cuidar el medio ambiente.

Durante el transcurso del trabajo se

evidenciaron las propiedades mecánicas

existentes de los materiales usados

frecuentemente en el diseño y la

construcción de guardachoques,

investigación que fue necesaria para la

comparación con el nuevo material

propuesto en el presente trabajo.

Se realizaron moldes del nuevo material

variando su fracción volumétrica, que

después de una exhaustivo análisis de

resultados, se determinó que el material

propuesto no se adecúa para la construcción

de un guardachoque, ya que en la

comparación con las propiedades mecánicas

de otros materiales utilizados en la

construcción de guardachoques, se

evidenció que sus propiedades no son las

adecuadas para el diseño y la construcción

de este tipo de elemento.

PALABRAS CLAVES: Guardachoque; Fibra de coco; materiales

alternativos; materiales híbridos;

compuestos biodegradables; nuevos

materiales; ensayos destructivos; ingeniería

de materiales.

ABSTRACT:

The present research project presents an

alternative material made for building front

car shields, the same that was characterized

mechanically by destructive physical tests,

which lead us to determine whether the

proposed material was suitable or not for

being used in this type of piece.

This proposal was made after identifying the

problematic that currently exists regarding

the environmental pollution produced by

disposing materials without treatment, as

well as the reuse of the same materials for

other purposes or simple recycling process,

considering the biodegradable compounds

have an advantage against the oil-based

polymers, and with the right choice of the

constituent materials in a right percentage

they can degrade in a short time, and in this

way take care of the Environment.

During the course of this research, the

existing mechanical properties of materials

used frequently in the design and

construction of front car shields were evident,

research that was necessary for making a

comparison with the new material proposed

this work.

Molds of new material were performed by

varying the volume fraction, which after a

thorough results analysis, it was determined

that the proposed material does not suit for

building front car shields due to in

comparison with the mechanical properties of

other materials used in the construction of

front car shields, it became clear that their

properties aren’t adequate for the design and

construction of this type of element.

KEYWORDS

Front car shields; Coconut fiber; alternative

materials; hybrid materials; Biodegradable

compounds; new materials; destructive

testing; materials engineering.

Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio

Digital de la Institución.

f:__________________________________________

LUNA IGLLÓN VICTOR LEONARDO

1723721955

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, VICTOR LEONARDO LUNA IGLLÓN, CI: 1723721955 autor/a del proyecto titulado:

estudio comparativo de las propiedades mecánicas de un material compuesto con fibra

de coco para la construcción de guardachoques de un vehículo previo a la obtención del

título de Ingeniero Automotriz en la Universidad Tecnológica Equinoccial.

1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de

Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de

Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del

referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de

información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública

respetando los derechos de autor.

2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una

copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio

que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual

vigentes.

Quito, 22 de junio del 2016

f:__________________________________________

LUNA IGLLÓN VICTOR LEONARDO

1723721955

DECLARACIÓN

Yo VICTOR LEONARDO LUNA IGLLÓN, declaro que el trabajo aquí

descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para

ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las

referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los

derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la

Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa

institucional vigente.

__________________

Victor Leonardo Luna Igllón

C.I. 1723721955

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Estudio

comparativo de las propiedades mecánicas de un material

compuesto con fibra de coco para la construcción de

guardachoques de un vehículo”, que, para aspirar al título de

Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Leonardo Luna, bajo mi

dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e

Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento

de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.

__________________

Ing. Iván Yánez

DIRECTOR DEL TRABAJO

C.I. 170871379-5

DEDICATORIA

Dios primeramente, por ser esa fuerza que me ayudo a sobresalir de

todos los obstáculos que se presentaron a lo largo de mi vida para

ahora tener tan excelentes resultados; a mis padres Hugo y Anita, mis

hermanos Javier y Gabriel por su apoyo incondicional durante toda mi

vida y que han sido los pilares fundamentales a lo largo de mi carrera,

a mi esposa Maria de los Angeles y mi hijo Allan Santiago que son mi

motor día tras día para conseguir mis objetivos.

“Dios es el único ser que para reinar no tuvo ni siquiera necesidad de

existir”

Charles Baudelaire

AGRADECIMIENTO

A mis compañeros de estudios que fueron de mucha ayuda dentro de

las aulas con sus consejos y aclaraciones; a los docentes por

compartirme sus conocimientos y enseñanzas; al laboratorio de nuevos

materiales de la Universidad Politécnica Nacional que fue de gran

ayuda para lograr los objetivos de esta investigación y a las autoridades

de la Universidad Tecnológica Equinoccial por permitirme desempeñar

mis estudios en tan noble institución.

“Es imposible imaginar un espectáculo más nauseabundo que el del

plagiador”

Edgar Allan Poe

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN .................................................................................................... xii

ABSTRACT ................................................................................................. xiii

1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 1

2. MARCO TEÓRICO .................................................................................... 6

2.1 PROPIEDADES CRÍTICAS PARA EL DISEÑO Y

CONSTRUCCIÓN DE GUARDACHOQUES .............................................. 6

2.1.1 ENSAYO DE MATERIALES ........................................................... 6

2.1.1.1 Ensayo de tensión o tracción mecánica ................................... 6

2.1.1.2 Ensayo de flexión ..................................................................... 9

2.2 MATERIALES EN LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ ............................. 10

2.2.1 METALES ..................................................................................... 11

2.2.1.1 Historia del metal en los guardachoques ............................... 12

2.2.2 POLÍMEROS ................................................................................ 12

2.2.2.1 Manejo de mezclas de policarbonato y poliéster

termoplástico ...................................................................................... 16

2.2.2.2 Manejo de poliuretano relleno de espuma de poliuretano ...... 18

2.2.3 MATERIALES COMPUESTOS .................................................... 19

2.2.3.1 Componentes de materiales compuestos .............................. 22

2.2.3.1.1 Elementos constitutivos de un material compuesto ......... 22

2.2.3.2 Clasificación de materiales compuestos ................................ 26

ii

2.2.3.3 Materiales compuestos de matriz polimérica reforzados

con fibras vegetales ........................................................................... 27

2.2.3.3.1 Cantidad de las fibras ...................................................... 28

2.2.3.3.2 Influencia de la orientación de las fibras y

la concentración .............................................................................. 29

2.2.3.3.3 Clasificación de las fibras vegetales ................................ 31

2.2.3.3.4 Composición química de las fibras vegetales .................. 35

2.2.3.4 Caracterización de fibras artificiales ....................................... 38

3. METODOLOGÍA ...................................................................................... 41

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................ 43

4.1 MATERIALES COMPUESTOS PROPUESTOS ................................. 43

4.2 DISEÑO DE LAS PROBETAS ............................................................ 43

4.2.1 DISEÑO DE PROBETAS PARA ENSAYOS DE TRACCIÓN ....... 44

4.2.2 DISEÑO DE PROBETAS PARA ENSAYOS DE FLEXIÓN .......... 44

4.3 MATERIALES .................................................................................... 45

4.3.1 FIBRA DE COCO ......................................................................... 45

4.3.2 MALLA METÁLICA ....................................................................... 47

4.3.3 RESINA POLIÉSTER ................................................................... 47

4.4 EQUIPOS .......................................................................................... 49

4.4.1 BALANZA DIGITAL ...................................................................... 49

4.4.2 DISPOSITIVO PARA ENSAYO DE TRACCIÓN Y FLEXIÓN ....... 50

4.5 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ................................................. 51

4.5.1 ESTRATEGIA METODOLÓGICA ................................................ 52

iii

4.5.1.1 Configuración de resina poliéster ........................................... 52

4.5.1.2 Cálculo de masa del refuerzo ................................................. 53

4.5.1.3 Elaboración de probetas para ensayos destructivos .............. 54

4.5.1.3.1 Probetas para ensayos de tracción .................................. 63

4.5.1.3.2 Probetas para ensayos de flexión .................................... 66

4.6 CARACTERIZACIÓN MECÁNICA ...................................................... 69

4.6.1 ENSAYOS DE TRACCIÓN .......................................................... 70

4.6.1.1 Esfuerzo máximo de rotura o resistencia última (σmax) ........ 72

4.6.1.1.1 Resultados obtenidos ...................................................... 73

4.6.1.2 Elongación de rotura (𝛆) ........................................................ 75

4.6.1.3 Módulo de elasticidad o módulo de Young............................. 76


4.6.1.4 Análisis comparativo de resultados de tracción ..................... 79

4.6.2 ENSAYOS DE FLEXIÓN .............................................................. 81

4.6.2.1 Esfuerzo máximo a flexión o resistencia última (σmax) .......... 82


4.6.2.2 Módulo de elasticidad a flexión .............................................. 87


4.6.2.3 Análisis comparativo de resultados de flexión ........................ 91

4.6.3 TABULACIÓN DE RESULTADOS DE ENSAYOS

DESTRUCTIVOS .................................................................................. 94

4.6.3.1. Comparación del mejor compuesto versus los

materiales usados en guardachoques ............................................... 95

4.6.3.1.1 Propiedades físicas .......................................................... 95

4.6.3.1.2 Propiedades mecánicas ................................................... 96

iv

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................... 99

5.1 CONCLUSIONES ............................................................................... 99

5.2 RECOMENDACIONES ..................................................................... 100

BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 102

ANEXOS .................................................................................................... 106

v

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Propiedades críticas para la construcción de un guardachoque. .. 10

Tabla 2. Características básicas de algunas aleaciones a base de

aluminio. ...................................................................................................... 11

Tabla 3. Clasificación de los materiales polímeros ...................................... 13

Tabla 4. Materiales poliméricos clasificados según su comportamiento

mecánico. .................................................................................................... 14

Tabla 5. Propiedades mecánicas y físicas del PBT. .................................... 16

Tabla 6. Propiedades mecánicas, físicas y térmicas del PC. ...................... 17

Tabla 7. Propiedades físicas y mecánicas del PU. ...................................... 19

Tabla 8. Tipos de fibras naturales y su ubicación dentro de la planta. ........ 31

Tabla 9. Propiedades mecánicas de la fibra de cabuya .............................. 33

Tabla 10. Propiedades químicas de la fibra de coco. .................................. 35

Tabla 11. Composición química en porcentaje de algunas fibras

vegetales. .................................................................................................... 36

Tabla 12. Propiedades que provee la celulosa a una fibra natural. ............. 37

Tabla 13. Comparación entre fibras vegetales y fibra de vidrio. .................. 39

Tabla 14. Comparación de propiedades de las fibras vegetales frente

a la fibra de vidrio. ........................................................................................ 40

Tabla 15. Materiales híbridos propuestos en el trabajo de investigación. ... 43

Tabla 16. Fórmula general recomendada para un curado óptimo. .............. 48

Tabla 17. Configuración adecuada para la resina poliéster. ........................ 52

Tabla 18. Masa de refuerzo necesaria para probetas de tracción. .............. 54

Tabla 19. Masa de refuerzo para probetas de flexión. ................................ 54

Tabla 20. Cantidad de resina necesaria para remojar una cantidad

de fibra de coco. .......................................................................................... 55

Tabla 21. Volumen de octoato de cobalto perteneciente a 0.5%................. 58

Tabla 22. Características de probetas usadas en ensayos de tracción. ...... 64

Tabla 23. Codificación para probetas de tracción. ....................................... 65

Tabla 24. Características de probetas usadas en ensayos de flexión. ........ 68

Tabla 25. Codificación para probetas de flexión. ......................................... 69

vi

Tabla 26. Especificaciones técnicas del ensayo de tracción. ...................... 70

Tabla 27. Resultados de los ensayos de tracción para todas las

configuraciones. ........................................................................................... 71

Tabla 28. Resistencia última a la tracción de materiales ensayados........... 72

Tabla 29. Datos obtenidos de elongación a la rotura y porcentaje de

deformación ................................................................................................. 76

Tabla 30. Módulo de elasticidad de las probetas ensayadas ...................... 77

Tabla 31. Especificaciones técnicas del ensayo de flexión ......................... 82

Tabla 32. Resultados de los ensayos de flexión para todas las

configuraciones ............................................................................................ 83

Tabla 33. Resistencia última a flexión de materiales ensayados ................ 84

Tabla 34. Datos obtenidos de deflexión del material y porcentaje de

deformación ................................................................................................. 87

Tabla 35. Módulo de elasticidad a flexión de las probetas ensayadas ........ 89

Tabla 36. Tabulación de resultados de ensayos destructivos ..................... 94

Tabla 37. Ficha técnica de material híbrido con mejores resultados

P80%FC10%FCNT10%. .............................................................................. 95

Tabla 38. Densidades de materiales para guardachoques versus nuevo

material. ....................................................................................................... 95

Tabla 39. Propiedades mecánicas de materiales usados en la industria

versus nuevo material. ................................................................................. 97

vii

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Punto de vista de los fabricantes y usuarios sobre el ciclo de

vida de productos técnicos ............................................................................ 1

Figura 2. Probeta de tracción normalizada con sección recta circular. ......... 7

Figura 3. Esquema del aparato utilizado para ensayos de tracción. ............. 7

Figura 4. Diagrama esfuerzo-deformación en ensayo a una aleación de

aluminio. ........................................................................................................ 8

Figura 5. Efecto de la temperatura (a) en la curva esfuerzo deformación

y (b) sobre las propiedades a tensión de una aleación de aluminio............... 9

Figura 6. Ensayo de flexión utilizado para medir la resistencia de

materiales frágiles. ......................................................................................... 9

Figura 7. Clasificación de los materiales ingenieriles. ................................. 10

Figura 8. Curvas esfuerzo-deformación (%) para tres tipos

de polímeros ................................................................................................ 13

Figura 9. Distribución de las unidades de un copolímero. ........................... 14

Figura 10. Objetivos de la industria automotriz en la construcción de

guardachoques con material polimérico. ..................................................... 15

Figura 11. Material compuesto formado por fibras de refuerzo a escala

microscópica en una matriz polimérica. ....................................................... 20

Figura 12. Características de un material compuesto. ................................ 20

Figura 13. Aplicaciones de materiales compuestos. ................................... 21

Figura 14. Configuración básica de un material compuesto ....................... 22

Figura 15. Propiedades de las matrices poliméricas ................................... 23

Figura 16. Matriz reforzada con material particulado. ................................. 24

Figura 17. Tipos de fibras dependiendo de su diámetro. ............................ 25

Figura 18. Estructura de un material compuesto laminado. ........................ 25

Figura 19. Estructura de un material compuesto tipo sanduche. ................ 26

Figura 20. Clasificación de materiales compuestos según tipo

de refuerzo. .................................................................................................. 27

Figura 21. Clasificación de materiales compuestos según tipo

de matriz. ..................................................................................................... 27

viii

Figura 22. Utilización de materiales compuestos a nivel mundial. .............. 28

Figura 23. Orientación de la fibra: (a) continua y alineada

(b) discontinua y alineada y (c) discontinua al azar. .................................... 29

Figura 24. Efecto de la orientación de las fibras en la resistencia

a la tensión .................................................................................................. 30

Figura 25. Compuesto reforzados con fibras en diferentes

configuraciones. ........................................................................................... 30

Figura 26. Tejido tridimensional para compuestos formados con fibras. .... 31

Figura 27. Granulometría de la fibra de coco. ............................................. 34

Figura 28. Elementos que repercuten en la composición química

de las fibras naturales. ................................................................................. 36

Figura 29. Propiedades de la fibra de vidrio. ............................................... 38

Figura 30. Ventajas y desventajas de la fibra de vidrio. .............................. 38

Figura 31. Principales características de la fibra de vidrio. ......................... 39

Figura 32. Propiedades mecánicas de la fibra de carbono. ........................ 40

Figura 33. Dimensiones de las probetas construidas para el

proyecto de 25x250x3 mm. .......................................................................... 44

Figura 34. Dimensiones de las probetas construidas para el

proyecto de 13x160x4 mm. .......................................................................... 44

Figura 35. Probeta de tracción utilizada en el ensayo. ................................ 45

Figura 36. Probeta de flexión utilizada en el ensayo. .................................. 45

Figura 37. Fibra de coco en polvo, obtención mediante molido manual. .... 46

Figura 38. Fibra de coco no tejida ............................................................... 46

Figura 39. Proceso de selección del material particulado. .......................... 47

Figura 40. Malla metálica utilizada en los distintos ensayos. ...................... 47

Figura 41. a) Resina poliéster Anderpol 859; b) Octoato de cobalto;

c) peróxido de metiletilcetona MEKP ........................................................... 49

Figura 42. Balanza electrónica digital CAMRY SF-400

(5000 gr – 0.1 gr) ......................................................................................... 49

Figura 43. Máquina de ensayos Tinius Olsen H25KS. ................................ 50

Figura 44. Mordazas de sujeción y extensómetro. ...................................... 51

Figura 45. Equipo de tres puntos para ensayos de flexión. ........................ 51

ix

Figura 46. Moldes de tracción y flexión aplicados el agente

desmoldeante y el refuerzo de malla metálica. ............................................ 56

Figura 47. Moldes de tracción y flexión aplicados el agente

desmoldeante y el refuerzo de fibra de coco no tejida. ................................ 56

Figura 48. Mezcla de resina poliéster con octoato de cobalto. ................... 57

Figura 49. Mezcla de resina poliéster + octoato de cobalto + MEKP. ......... 58

Figura 50. Composite de resina poliéster + fibra de coco en polvo. ............ 59

Figura 51. Imperfecciones en los bordes de las probetas. .......................... 59

Figura 52. Manipulación excesiva de la probeta antes del

curado completo. ......................................................................................... 60

Figura 53. Compuesto mal estratificado resultó en una probeta

ineficiente. .................................................................................................... 61

Figura 54. Probetas terminadas de (a) tracción y (b) flexión. ...................... 61

Figura 55. Esquema sistemático de elaboración de probetas. .................... 62

Figura 56. Probetas para ensayos de tracción configuración RP+FC. ........ 63

Figura 57. Probetas para ensayos de tracción configuración

RP+FC+FCNT. ............................................................................................ 65

Figura 58. Probetas para ensayos de tracción configuración

RP+FC+MM. ................................................................................................ 65

Figura 59. Probetas para ensayos de flexión configuración RP+FC. .......... 67

Figura 60. Probetas para ensayos de flexión configuración

RP+FC+FCNT. ............................................................................................ 67

Figura 61. Probetas para ensayos de flexión configuración

RP+FC+MM. ................................................................................................ 67

Figura 62. Esfuerzo máximo de rotura para las probetas de tracción

ensayadas. .................................................................................................. 74

Figura 63. Módulo de elasticidad de los materiales ensayados. ................. 78

Figura 64. Diagrama resistencia máxima versus módulo de elasticidad

de los materiales ensayados y otros materiales utilizados en la industria. .. 80

Figura 65. Curva esfuerzo-deformación del material propuesto

RP50%FC50%MM04. .................................................................................. 81

x

Figura 66. Curva esfuerzo-deformación del material compuesto

RP80%FC10%FCNT10%. ........................................................................... 81

Figura 67. Esfuerzo máximo de flexión para las probetas de flexión

ensayadas. .................................................................................................. 86

Figura 68. Módulo de elasticidad a flexión de los materiales

ensayados. .................................................................................................. 90

Figura 69. Diagrama resistencia máxima a la flexión versus módulo

de elasticidad a flexión de los materiales compuestos elaborados. ............. 92

Figura 70. Diagrama esfuerzo-deflexión del material elaborado

RP80%FC10%FCNT10%. ........................................................................... 93


RP80%FC20%MM02. .................................................................................. 93


RP70%FC30%. ............................................................................................ 93

xi

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

Anexo 1.

Materiales poliméricos usados en la industria automotriz .......................... 106

Anexo 2.

Siniestros por tipo a nivel nacional a diciembre 2015 ................................ 107

Anexo 3.

Curva esfuerzo de flexión para el MgO, obtenida a partir de un ensayo

de flexión ................................................................................................... 108

Anexo 4.

Características básicas de los aceros inoxidables, resistentes a altas

temperaturas .............................................................................................. 109

Anexo 5.

Cadillac Town sedan 1928 ......................................................................... 110

Anexo 6.

Chrysler Norseman Concept 1956 ............................................................. 111

Anexo 7.

Maserati Simun 1968 ................................................................................. 112

Anexo 8.

Tabla de clasificación de los materiales termoplásticos ............................. 113

Anexo 9.

Propiedades típicas de los componentes del material Bayflex® ................ 114

Anexo 10.

Parámetros de moldeo para el material Bayflex® ...................................... 115

Anexo 11.

Propiedades de la espuma de poliuretano Bayflex® 180/190 ................... 116

Anexo 12.

Características de los tipos de refuerzos hechos con fibras ...................... 117

Anexo 13.

Resumen de fibras presentes en la naturaleza en la actualidad ................ 118

Anexo 14.

Curva esfuerzo deformación para algunas fibras naturales vegetales ....... 119

xii

Anexo 15.

Comparación de propiedades mecánicas da la fibra de vidrio y fibra

de carbono a 20 ºC .................................................................................... 120

Anexo 16.

Ficha técnica de resina poliéster Anderpol 859-836 .................................. 121

Anexo 17.

Informe de Laboratorio de Nuevos Materiales ........................................... 124

Anexo 18.

Diagramas esfuerzo-deformación correspondiente a ensayos de

tracción ...................................................................................................... 133

Anexo 19.

Diagramas esfuerzo-deflexión correspondiente a ensayos de flexión ....... 146

Anexo 20.

Norma ASTM D638-03 Standard Test Method for Tensile Properties

of Plastics .................................................................................................. 159

Anexo 21.

Norma ASTM D790-03 Standard Test Methods for Flexural Properties

of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating

Materials .................................................................................................... 175

Anexo 22.

Norma ASTM D3841-97 Standard Specification for Glass-Fiber-

Reinforced Polyester Plastic Panels .......................................................... 187

xii

RESUMEN

En el presente proyecto de investigación se presentó un material alternativo

elaborado para la construcción de guardachoques, el mismo que fue

caracterizado mecánicamente mediante ensayos físicos destructivos, que nos

llevó a determinar si el material propuesto era conveniente o no para la

utilización en este tipo de pieza.

Esta propuesta fue realizada tras identificar la problemática que existe

actualmente en cuanto a la contaminación ambiental que se produce por

desechar materiales sin tratamiento, así como también la reutilización de los

mismos materiales para otros usos o simple proceso de reciclaje, teniendo en

cuenta que los compuestos biodegradables tienen una ventaja frente a los

polímeros elaborados a base de petróleo, que con la elección correcta de los

materiales constitutivos y en el porcentaje adecuado se pueden degradar en

un corto tiempo, y de esta manera cuidar el medio ambiente.

Durante el transcurso del trabajo se evidenciaron las propiedades mecánicas

existentes de los materiales usados frecuentemente en el diseño y la

construcción de guardachoques, investigación que fue necesaria para la

comparación con el nuevo material propuesto en el presente trabajo.

Se realizaron moldes del nuevo material variando su fracción volumétrica, que

después de una exhaustivo análisis de resultados, se determinó que el

material propuesto no se adecúa para la construcción de un guardachoque,

ya que en la comparación con las propiedades mecánicas de otros materiales

utilizados en la construcción de guardachoques, se evidenció que sus

propiedades no son las adecuadas para el diseño y la construcción de este

tipo de elemento.

Palabras clave: Guardachoque; Fibra de coco; materiales alternativos;

materiales híbridos; compuestos biodegradables; nuevos materiales; ensayos

destructivos; ingeniería de materiales.

xiii

ABSTRACT

The present research project presents an alternative material made for

building front car shields, the same that was characterized mechanically by

destructive physical tests, which lead us to determine whether the proposed

material was suitable or not for being used in this type of piece.

This proposal was made after identifying the problematic that currently exists

regarding the environmental pollution produced by disposing materials without

treatment, as well as the reuse of the same materials for other purposes or

simple recycling process, considering the biodegradable compounds have an

advantage against the oil-based polymers, and with the right choice of the

constituent materials in a right percentage they can degrade in a short time,

and in this way take care of the Environment.

During the course of this research, the existing mechanical properties of

materials used frequently in the design and construction of front car shields

were evident, research that was necessary for making a comparison with the

new material proposed this work.

Molds of new material were performed by varying the volume fraction, which

after a thorough results analysis, it was determined that the proposed material

does not suit for building front car shields due to in comparison with the

mechanical properties of other materials used in the construction of front car

shields, it became clear that their properties aren’t adequate for the design and

construction of this type of element.

Keywords: front car shields; Coconut fiber; alternative materials; hybrid

materials; Biodegradable compounds; new materials; destructive testing;

materials engineering.

INTRODUCCIÓN

1

Figura 1. Punto de vista de los fabricantes y usuarios sobre el ciclo de vida de productos técnicos

(Niemann, Tichkiewitch, & Westkämper, 2009)

1. INTRODUCCIÓN

Debido a la creciente preocupación por la degradación del ecosistema, a nivel

mundial existe una tendencia enfocada a promover el empleo de recursos

renovables, al desarrollo de tecnologías limpias y la optimización del uso de

la energía. Basado en este principio se debe analizar el impacto ambiental

que están ocasionando los materiales convencionales usados actualmente

dentro de la fabricación de piezas para el automóvil, versus el impacto que

puede ocasionar la fabricación de nuevos materiales de origen vegetal como

es el caso del presente trabajo de investigación, tomando en cuenta los

efectos colaterales en cuanto al diseño y la producción de los mismos,

estudiando de manera previa el ciclo de vida que tendrá dicho material

(Niemann, Tichkiewitch, & Westkämper, 2009).

En la figura 1 se muestra el punto de vista de los fabricantes y usuarios sobre

el ciclo de vida de productos técnicos.

Como se observa en la gráfica anterior, se debe estudiar desde sus fases

iniciales, como la obtención de materias primas, diseño de la pieza, hasta su

fase de desecho y posible reciclaje que si bien es cierto con la tecnología

adecuada es posible utilizar al reciclaje como una fuente de ingresos lo cual

2

representa un papel importante en el desarrollo de la economía actual

(Niemann, Tichkiewitch, & Westkämper, 2009).

Dentro de la vida cotidiana los plásticos han cubierto una gran demanda

debido a su versatilidad ya que muchos elementos y dispositivos son

diseñados y construidos de este material, sin embargo, al ser derivados del

petróleo constituyen un porcentaje de contaminación considerable para el

medio ambiente, es por esto que se ha creado la necesidad de disminuir el

uso y combinar dichos polímeros con refuerzos naturales, cuya ventaja

principal es su biodegradabilidad y su capacidad de renovación. Estas

características contribuyen al manejo responsable de los recursos naturales y

permiten una producción sustentable y sostenible en el tiempo (Guerrero, et

al., 2011).

Por otra parte, en el ámbito de las fibras naturales, se puede mencionar que,

poseen características muy específicas tales como: una buena resistencia

mecánica, poco peso y bajo costo, convirtiendo de esta manera a este tipo de

material en un producto muy novedoso y muy conveniente para las industrias

en general, teniendo como un ejemplo claro del uso de las mismas a la

industria automotriz en Europa, que utiliza aproximadamente 80000 toneladas

de fibras naturales al año para reforzar los paneles termoplásticos, así como

también ha tenido un gran crecimiento el interés por la utilización de polímeros

biodegradables reforzados con fibras naturales debido a que, al final de su

vida útil estos podrían ser enterrados y degradados naturalmente por los

microorganismos, sin causar mayor impacto medioambiental (Yepez &

Esparta, 2009).

En el Ecuador el uso de fibras naturales todavía es limitado, teniendo la

extracción de fibras vegetales un desarrollo muy pequeño para la gran

magnitud de apoyo tanto tecnológico como medioambiental que puede dar

este tipo de materiales a nivel nacional e incluso a nivel mundial, ya que

Ecuador posee alto potencial para la producción de fibras naturales con las

que se puede desarrollar aplicaciones de mayor valor agregado para las

mismas. En cuanto a la utilización de fibras a nivel nacional hay casos en que

las fibras obtenidas han sido empleadas en productos de escaso valor

3

agregado (como en el caso de las fibras de abacá y cabuya), mientras que en

otros, se ha aprovechado tan sólo el recurso alimenticio de las plantas sin

considerar siquiera la posibilidad de usar el elemento fibroso de la misma,

como sucede con el coco, cuya cáscara (que corresponde al 80% del fruto y

donde se encuentra la fibra) es considerada como un desecho sólido (FAO,

2009).

Para el desarrollo de un material con fibras naturales es importante para

nosotros conocer la producción de estos compuestos a nivel nacional. En

cuanto a la producción de abacá, Ecuador es el segundo productor mundial

después de Filipinas, con aproximadamente 10000 toneladas anuales

(Maldonado, 2000). En el año 2008 se produjeron cerca de 5400 toneladas de

cabuya que generaron USD 2.7 millones aproximadamente; en cuanto a la

producción del coco, teniendo a Esmeraldas como la mayor productora, entre

las provincias con producción cocotera tenemos a: Manabí, Guayas, El Oro,

Napo, Orellana y Galápagos, que generaron en el 2006 una producción anual

de 51000 toneladas (Yepez & Esparta, 2009).Con base en estos datos, se

puede inferir que Ecuador dispone de una gran cantidad de materia prima

(fibras naturales) para el desarrollo de nuevos materiales o materiales

compuestos.

Con los nuevos materiales o materiales compuestos con fibras vegetales, se

plantea una alternativa para cuidar y preservar el medio ambiente, teniendo

en cuenta que la industria automotriz genera gran cantidad de desechos

dentro del mantenimiento correctivo, el cual está relacionado con sustituir

partes o piezas cuando estas hayan llegado al final de su vida útil ya sea

cuando las mismas dejan de funcionar, empiezan a fallar, o surge un accidente

y tengan que ser remplazadas, son estas partes o piezas inservibles las que

perjudican al ecosistema si quedan sin tratamiento, cabe recalcar que estas

piezas actualmente son hechas con materiales poliméricos de difícil reciclaje

por lo tanto generan polución al medio ambiente.

La industria automotriz genera impacto ambiental al desechar piezas

inservibles sin tratamiento alguno, las mismas que son fabricadas con

materiales nocivos que afectan al ecosistema ver anexo 1, teniendo a los

4

polímeros como los más utilizados; por lo cual es imprescindible buscar

alternativas para minimizar dicho impacto (Guerrero, et al., 2011). Según

estadísticas de la Agencia Nacional de Transito (ANT, 2015) en el año 2015

(Enero – Diciembre) se han suscitado un total de 35706 accidentes de tránsito

de los cuales 1779 han sido choques frontales y 4068 choques posteriores,

es decir que un total de 5847 guardachoques tanto frontales como posteriores

han sido desechados sin ningún tratamiento ver Anexo 2, olvidando que

genera excesiva polución al medio ambiente.

El presente proyecto de investigación busca aportar con una alternativa para

conseguir la disminución de la contaminación ambiental que generan los

materiales utilizados en la construcción de un automóvil, que en este caso

específico tomaremos al guardachoque (cuando han llegado al final de su vida

útil o por motivo de colisión o desuso queden inservibles); se pretende

analizar diferentes materiales compuestos con fibra de coco para la

construcción de este elemento con fibra 100% natural, biodegradable y mucho

más amigable con el ecosistema, disminuyendo de esta manera el impacto

ambiental que producen dichos desechos producidos que usualmente son de

plástico polipropileno (degradación 500 años), buscando que el material de

fibra cumpla con todas las propiedades adecuadas de esta pieza que forma

parte importante dentro de la seguridad pasiva del automóvil (San Andrés,

Chércoles, De la Roja, & Gomez, 2010)

Un punto muy importante dentro de esta solución es el referente a la

posibilidad del reciclaje al final de la vida útil del guardachoque; en el mismo

que intervienen cuatro factores que son muy importantes los cuales son: (I) la

facilidad de separación de los materiales descartados, (II) la conservación de

las cualidades específicas del producto de origen, (III) los posibles usos del

material reciclado y (IV) la tecnología necesaria (Guerrero, y otros, 2011).

De esta manera se puede entender la relevancia que tiene un material al

término de su vida útil. Es decir, un material debe ser diseñado de tal forma

que sea amigable con el medioambiente, para que luego de ser usado, pueda

reciclarse o desecharse para su degradación (Guerrero, et al., 2011).

5

Con base a lo anteriormente expuesto se puede decir que, la utilización de

fibras vegetales es de alta importancia dentro del cuidado y preservación del

medioambiente, ya que son de origen natural, lo cual delega ciertas

características ecológicas a los materiales compuestos de los que forman

parte (Guerrero, et al., 2011).

Como se ha descrito hasta este punto, el aspecto ambiental y el reciclaje de

los materiales son un factor muy importante en la actualidad; es decir, todo

proceso de producción y todo producto tienen mayor aceptación cuando el

impacto ambiental es mínimo. Por este motivo, el uso de fibras vegetales y

materiales biodegradables ha ganado gran aceptación por parte de la

población mundial (Guerrero, et al., 2011).

El objetivo principal del presente proyecto es estudiar las propiedades

mecánicas de un material compuesto con fibra de coco para la construcción

de guardachoques de un vehículo, para lo cual se determinó una serie de

objetivos específicos que ayudaron al cumplimiento del objetivo antes

mencionado, los mismos que son: determinar las propiedades mecánicas de

la fibra de coco, así como también de otras fibras tanto naturales como

manufacturadas; estudiar las aplicaciones de materiales compuestos con fibra

de coco dentro de la industria automotriz; establecer el procedimiento para

realizar ensayos destructivos; determinar las dimensiones y propiedades de

las probetas para su elaboración; realizar ensayos físicos destructivos entre

probetas de fibra de coco para comprobar sus propiedades mecánicas;

comparar los resultados de los ensayos realizados tanto con fibra de coco

como ensayos realizados a otros materiales con los que se construyen

guardachoques en la actualidad.

MARCO TEÓRICO

6

2. MARCO TEÓRICO

2.1 PROPIEDADES CRÍTICAS PARA EL DISEÑO Y

CONSTRUCCIÓN DE GUARDACHOQUES

Para establecer las propiedades críticas para el diseño y construcción de los

guardachoques, fabricantes de automóviles y piezas automotrices someten

los diferentes materiales a ensayos destructivos que determinan si el material

a ser utilizado es o no el adecuado para ser empleado en la pieza antes

mencionada; estas pruebas son útiles en la investigación para considerar si

las fibras tanto naturales como sintéticas cumplen con estas propiedades para

ser empleadas en la construcción de un guardachoque (Paredes, 2012).

A continuación se detallan los ensayos que se utilizan para determinar las

propiedades que son críticas dentro de la construcción de un guardachoque

para un automotor.

2.1.1 ENSAYO DE MATERIALES

“Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando

ensayos cuidadosos de laboratorio que reproducen las condiciones de

servicio hasta donde sea posible. Los factores que deben considerarse son la

naturaleza de la carga aplicada, su duración, así como las condiciones del

medio” (Callister, 1995, pág. 114).

2.1.1.1 Ensayo de tensión o tracción mecánica

Es un ensayo destructivo que tiene como objetivo fundamental, definir una

serie de propiedades mecánicas importantes dentro del estudio de los

materiales, en el cual, el material que es sometido al ensayo se deforma hasta

la rotura de la probeta, aplicando fuerzas axiales en aumento de manera

gradual. La probeta es construida mediante normas específicas para los

ensayos de tracción que se vaya a utilizar y es montada en una máquina para

7

Figura 3. Esquema del aparato utilizado para ensayos de tracción. (Callister, 1995)

Figura 2. Probeta de tracción normalizada con sección recta circular. (Callister, 1995)

ensayo de tracción, la misma que está diseñada para alargar la probeta de a

una velocidad constante, y para medir continua y simultáneamente la carga

instantánea aplicada y el alargamiento resultante (Callister, 1995).

En la figura 2 se muestra una probeta que se usa para ensayos de tracción.

En la figura 3 se muestra un esquema de la máquina que se utiliza para

ensayos de tracción. La probeta es alargada por el cabezal móvil, mientras

que la celda de carga y el extensómetro miden la carga aplicada y el

alargamiento respectivamente (Guerrero, y otros, 2011).

El resultado de este ensayo, se evidencia mediante el diagrama esfuerzo-

deformación, donde se puede analizar claramente las propiedades de los

materiales que intervienen en este ensayo:

En la figura 4 se muestra el diagrama esfuerzo-deformación correspondiente

a un ensayo de tensión o tracción mecánica.

8

Figura 4. Diagrama esfuerzo-deformación en ensayo a una aleación de aluminio. (Askeland, 1998)

Mediante este ensayo se determinan las siguientes propiedades de los

materiales que son de interés en el presente trabajo:

Esfuerzo de cedencia.- es básicamente el esfuerzo que divide los

comportamientos elástico y plástico de un material (Beer, 2010).

Resistencia a la tensión.- capacidad de un cuerpo para resistir fuerzas

aplicadas sin romperse. (Askeland, 1998)

Ductilidad.- mide el grado de deformación de un material sin romperse.

Propiedades elásticas (módulo de elasticidad).- parámetro característico

de cada material que indica la relación existente entre los incrementos de

tensión aplicados, el módulo de elasticidad (Young) es una medida de

rigidez de un material, es decir que mientras más rígido es un material

mayor es su módulo de elasticidad (Askeland, 1998).

Relación de Poisson.- “relaciona la deformación elástica longitudinal

producida por un esfuerzo simple a tensión o compresión, con la

deformación lateral que ocurre simultáneamente.

En general, la relación de Poisson es de aproximadamente 0.3”

(Askeland, 1998, pág. 136).

9

Es importante saber que las propiedades a la tensión dependen de la

temperatura; el esfuerzo a la cedencia, la resistencia a la tensión y el módulo

de elasticidad disminuye al aumentar la temperatura, en el caso de la

ductilidad sucede lo contrario (Askeland, 1998).

En la figura 5 se muestra la incidencia de la temperatura sobre las propiedades

de una aleación de aluminio.

2.1.1.2 Ensayo de flexión

Es un ensayo del tipo destructivo que generalmente es realizado a materiales

frágiles, es decir que su ductilidad es baja, en el presente caso es tomado en

cuenta ya que algunos polímeros usados en la construcción de

guardachoques se encuentran categorizados de esta manera como es el caso

del PMMA (Polimetilmetacrilato); la prueba consiste en aplicar carga en tres

puntos obligando al material a flexionarse, de esta manera actúa una fuerza

que provoca tensión en la superficie que es opuesta al punto medio de la

probeta ensayada (Guerrero, et al., 2011). En la figura 6 se muestra un

esquema de un ensayo de flexión.

Figura 6. Ensayo de flexión utilizado para medir la resistencia de materiales frágiles. (Askeland, 1998)

Figura 5. Efecto de la temperatura (a) en la curva esfuerzo deformación y (b) sobre las propiedades a tensión de una aleación de aluminio.

(Askeland, 1998)

10

En el ensayo de flexión son importantes las siguientes propiedades:

Resistencia a la flexión.- también llamado módulo de rotura, es el

parámetro que indica la resistencia del material (Askeland, 1998).

Módulo de flexión.- similar al módulo de elasticidad, con la diferencia de

que en lugar de basarnos en la deformación nos basaremos en la

deflexión del material (Askeland, 1998).

En la tabla 1 se detalla en síntesis las propiedades críticas para la

construcción de un guardachoque:

Tabla 1. Propiedades críticas para la construcción de un guardachoque.

2.2 MATERIALES EN LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ

Según (Ashby, 2011) los materiales se clasifican en seis grupos: metales,

polímeros, elastómeros, vidrios, cerámicos e híbridos como se muestra en la

figura 7.

PROPIEDADES MECÁNICAS ENSAYO

Esfuerzo e cedencia Tensión

Resistencia a la tensión Tensión

Ductilidad Tensión

Módulo de elasticidad Tensión

Relación de Poisson Tensión

Resistencia a la flexión Flexión

Módulo de flexión Flexión

Figura 7. Clasificación de los materiales ingenieriles. (Ashby, 2011)

11

La clasificación antes mencionada se basa en la necesidad de que las

diversas empresas tienen para crear materiales con características únicas

dependiendo del trabajo al cual será sometido el nuevo material.

2.2.1 METALES

Los metales son sustancias inorgánicas que están formadas por uno o más

elementos metálicos y que también pueden contener algunos elementos no

metálicos. Dentro de este tipo de materiales están los metales puros y las

aleaciones, donde se incluye: el acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro

fundido, titanio, cobre, níquel (Guerrero, et al., 2011).

Los metales presentan una buena conductividad térmica y eléctrica, una

resistencia mecánica relativamente alta, elevada rigidez, ductilidad o

conformabilidad y resistencia al impacto (Askeland, 1998). En anexo 4 se

encuentran la composición química y algunas de las propiedades mecánicas

de aleaciones de materiales metálicos compuestos de Fe–Ni –Cr y Fe–Ni–Cr

que son aceros inoxidables.

El inconveniente de los aceros inoxidables es su peso excesivo, es por eso

que a nivel de metales, el aluminio y sus aleaciones es el principal competidor

ya que tiene la gran ventaja de ser mucho más liviano y tiene mucha más

variedad de prestaciones. En la tabla 2 se muestra algunas características de

aleaciones a base de aluminio, donde se detallan valores como el esfuerzo de

fluencia (𝜎𝑢), resistencia a la tracción (𝜎𝑦) y el porcentaje de elongación (E).

Tabla 2. Características básicas de algunas aleaciones a base de aluminio.

Aleación Composición Química (%) 𝝈𝒖

(MPa)

𝝈𝒚

(MPa)

E

(%) Si Fe Cu Cr Ti

1060 0.25 0.35 0.05 --- 0.03 15 55-95 15

2014 0.50-1.20 0.70 3.90-5.00 0.10 0.15 110 220 16

3003 0.60 0.70 0.05-0.20 --- --- 35 95-130 14

5657 0.08 0.10 0.10 --- --- --- 125-180 13

7075 0.40 0.50 1.20-2.00 0.18-0.28 0.20 140 250 9

(ASTM-B209, 2010)

12

2.2.1.1 Historia del metal en los guardachoques

A finales de los años 20 y años 30 se comenzó a ver automóviles con una

barra protectora tanto en su frontal como en su parte trasera ver anexo 5, la

misma que hacía la función de proteger ante colisiones contra otros

automóviles o elementos urbanos cuidando de esta manera la seguridad de

los vehículos, mas no de los ocupantes (Castro, 2014).

Para la época de 1930 a 1940 los guardachoques seguían su línea de

fabricación con el mismo material con la variación de que a más de la

protección que se brindaba, comenzaron a formar parte de la línea estética

con el automóvil haciéndose más anchos, robustos y de formas más

complejas ver anexo 6; de esta manera en los años 50, los fabricantes de

automóviles integraron los guardachoques a la carrocería para hacer que el

automóvil fuese un “todo”, es decir, que no se vea afectada la estética del

vehículo por elementos atornillados o fuera de la estructura (Castro, 2014).

Para los automotores de los años 60, el guardachoque se empotra en la

carrocería haciendo que tanto el frontal como el posterior queden nivelados

con la misma ver anexo 7, igualmente fabricados del mismo material de metal,

pero ahora con la característica de que son más delgados aunque más

resistentes gracias a los diferentes pliegues que presentan en su construcción

(Castro, 2014).

El problema de esta época con el acero era su elevado peso y la inseguridad

para los ocupantes por ser un material muy rígido, este motivo dio a los

fabricantes de automóviles la razón para reemplazar la fabricación de

guardachoques de acero por un material más liviano como es el plástico a

partir de los años 70 (Castro, 2014).

2.2.2 POLÍMEROS

Los polímeros son moléculas orgánicas formadas por cadenas y obtenidas

mediante polimerización, que es el proceso mediante el cual las moléculas

más pequeñas se unen para crear moléculas gigantes (Askeland, 1998); se

13

Figura 8. Curvas esfuerzo-deformación (%) para tres tipos de polímeros (Callister, 2007)

clasifican en termoplásticos, termoestables y elastómeros como se muestra

en la tabla 3 con sus respectivas características. En la figura 8 se muestra el

diagrama esfuerzo–deformación de tres polímeros (a) frágil, (b) plástico, (c)

altamente elástico, con su respectivo comportamiento mecánico

Tabla 3. Clasificación de los materiales polímeros

(Guerrero, et al., 2011)

.

A partir de los años 80, se comenzó a fabricar partes y piezas automotrices

de materiales polímeros, los guardachoques se encontraban reforzados en su

parte interior con espuma de poliuretano que es un polímero del tipo

termoplástico que cumplía la función de absorber los impactos para preservar

los componentes internos del vehículo; con el paso del tiempo, los materiales

polímeros han mejorado paulatinamente, logrando de esta manera elevar su

TIPO COMPOSICIÓN PROPIEDADES

Termoplásticos Largas cadenas producidas al unir monómeros

Plasticidad

Ductilidad

Fácil reciclaje

Termoestables Largas cadenas de moléculas con fuertes enlaces cruzados entre ellas

Resistentes

Frágiles

Elastómeros Estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligera formación de enlaces

cruzados entre las cadenas

Deformación elástica

14

Figura 9. Distribución de las unidades de un copolímero. (Guerrero, et al., 2011)

grado de absorción de la energía y disminuyendo su peso, así lograr una mejor

estabilidad del vehículo y seguridad para el ocupante (Castro, 2014).

Existen polímeros con estructuras más simples que son llamados

homopolímeros que están constituidos por un solo tipo de monómeros en

cadenas lineales y los copolímeros que están constituidos por dos o más tipos

de monómeros que pueden estar distribuidos de diferentes maneras como se

muestra en la figura 9, de esta manera se puede decir que las propiedades de

los polímeros depende de su estructura molecular (Callister, 2007).

En la tabla 4 se detallan ejemplos de materiales poliméricos según la

clasificación por su comportamiento mecánico, ver más detallado en anexo 8.

Tabla 4. Materiales poliméricos clasificados según su comportamiento mecánico.

(Adamian, 2009)

TERMOPLÁSTICOS

Tereftalato de polietileno PET Poliestireno PS

Polietileno alta densidad HDPE Polipropileno PP

Cloruro de polivinilo PVC Metacrilato PMMA

polietileno baja densidad LDPE Policarbonato PC

ELASTÓMEROS

Caucho Ebonita

15

Figura 10. Objetivos de la industria automotriz en la construcción de guardachoques con material polimérico.

(UVA, 2009)

Tabla 4. Materiales poliméricos clasificados según su comportamiento mecánico. Continuación …

(Adamian, 2009)

En la actualidad la industria automotriz mundial, tiene una serie de objetivos

que cumplir en el diseño de guardachoques con materiales poliméricos, en

vehículos de turismo, los mismos que se muestran en la figura 10.

Para cumplir con los objetivos, se busca que los materiales que se utilizan

actualmente cumplan con una serie de propiedades que posibiliten el

cumplimiento de los mismos. Esas propiedades se pueden resumir en:

Óptimo comportamiento frente a impactos (UVA, 2009).

Facilidad de ensamblado, buscando una mejora de la productividad (UVA,

2009).

Elástico para que en caso de colisión tenga la posibilidad de regresar a su

estado original (UVA, 2009).

Acabado superficial de buena calidad (UVA, 2009).

ELASTÓMEROS

Neopreno Poliuretano PU

Silicona SI

TERMOESTABLES

Poliéster Resina Epoxi EP

Baquelita Poliuretano PU

16

Una conducta adecuada frente a diversas condiciones climatológicas tales

como: la radiación UV, la lluvia, el granizo, calor excesivo, entre otras

(UVA, 2009).

Resistente a impactos pero a la vez flexibles.

Los grandes fabricantes de vehículos en el mundo están optando por una de

las siguientes opciones que mediante estudios han demostrado que cumplen

con las características antes mencionadas:

Manejo de mezclas de policarbonato y poliéster termoplástico

Manejo de poliuretano relleno de espuma de poliuretano.

2.2.2.1 Manejo de mezclas de policarbonato y poliéster termoplástico

La primera de las opciones es la preferida por General Electric, uno de los

principales fabricantes de materiales plásticos para la industria automotriz que

comercializa esa mezcla de policarbonato y poliéster bajo el nombre comercial

de XENOY®, la mezcla puede variar su composición de PBT desde el 50%

hasta el 90% consiguiendo propiedades más parecidas a uno o a otro material,

el cual se puede procesar mediante inyección, soplado y termoformado. Este

material se viene utilizando desde 1984 y es solicitado por algunos

fabricantes, sobre todo americanos y japoneses (UVA, 2009).

El policarbonato es un polímero del tipo termoplástico como ya se lo hemos

mencionado anteriormente similar al cristal, incoloro, amorfo, notable por su

alta resistencia al impacto, la resistencia a la temperatura y su estabilidad

dimensional son buenas, en cuanto a la fluencia y resistencia química son

bajas así como sus propiedades de fatiga y desgaste (UVA, 2009).

En la tabla 5 se encuentran detalladas algunas propiedades del Tereftalato de

polibutileno en forma semicristalina.

Tabla 5. Propiedades mecánicas y físicas del PBT.

(Goodfellow, 2016 )

PROPIEDADES FÍSICAS

Absorción de agua – más de 24 horas (%) 0.1

Densidad (gcm−3) 1.31

17

Tabla 5. Propiedades mecánicas y físicas del PBT. Continuación …

(Goodfellow, 2016 )

En la tabla 6 se detallan algunas propiedades del policarbonato tanto físicas

como mecánicas, que se obtuvieron mediante ensayos destructivos de

tracción e impacto.

Tabla 6. Propiedades mecánicas, físicas y térmicas del PC.

(Goodfellow, 2016 )

PROPIEDADES QUÍMICAS

Índice de oxigeno limite (%) 25

PROPIEDADES MECÁNICAS

Alargamiento a la rotura (%) 250

Dureza – Rockwell M70

Módulo de tracción (GPa) 2

Resistencia a la tracción 50

Resistencia al impacto Izod (Jm−1) 60


Absorción de agua – en 24 horas (%) 0.1


Índice de oxigeno limite (%) 25-27

Índice refractivo 1.5

Inflamabilidad V0-V2

Resistencia a la radiación Aceptable

Resistencia a los ultravioletas Aceptable


Alargamiento a la rotura (%) 100-150

Dureza – Rockwell M70

Módulo de tracción (GPa) 2.3-2.4

Relación de Poisson 0.37

Resistencia a la abrasión–ASTM 1044 (mg/1000 ciclos) 10-15

Resistencia a la compresión (MPa) >80

Resistencia a la tracción 55-75

Resistencia al impacto Izod (Jm−1) 600-850

PROPIEDADES TÉRMICAS

Calor especifico (Jm−1Kg−1) ~1200

Coeficiente de expansión térmica (x10−6K−1) 66-70

18

Tabla 6. Propiedades mecánicas, físicas y térmicas del PC. Continuación …

(Goodfellow, 2016 )

2.2.2.2 Manejo de poliuretano relleno de espuma de poliuretano

Las investigaciones realizadas por Covestro y Plastic Omnium, dos de las

empresas fabricantes más importantes de componentes automotrices

plásticos a nivel mundial han avanzado significativamente en relación a

utilización de poliuretano en guardachoques, teniendo así, a Covestro en

cooperación con expertos en automoción desarrollaron un nuevo material

polimérico utilizado para la fabricación de guardachoques comercializado bajo

el nombre de BAYFLEX® 180/190 que es un poliuretano termoplástico que

rellenándolo con una espuma semi-rígida también de poliuretano

comercializada con el nombre de BAYFILL®EA tienen la capacidad de

aumentar la seguridad del automóvil de turismo para los peatones, lo cual es

el objetivo fundamental para lo cual se creó este nuevo material; cabe recalcar

que marcas como Daimler-Chrysler, BMW, Volkswagen y Audi, han incluido

este tipo de relleno de seguridad en sus guardachoques, este relleno tiene la

capacidad de convertir la energía de impacto cinética a energía de

deformación por la estructura molecular que posee, este material es el

resultado de dos compuestos, isocianato y polyol que tienen propiedades

únicas dentro de este tipo de materiales ver anexo 9, que mediante

parámetros de moldeo adecuados ver anexo 10, da como resultado un

material con propiedades únicas ver anexo 11 (Covestro, 2016).

Covestro (2016) menciona que la resistencia y elasticidad a la compresión y

por lo tanto la curva de fuerza - deformación de esta espuma de poliuretano

se puede ajustar finamente, no simplemente mediante el ajuste de la

densidad, sino también mediante la variación de los componentes químicos

de una manera muy específica. En la tabla 7 se muestran algunas

características del poliuretano.

PROPIEDADES TÉRMICAS

Conductividad térmica a 23C (Wm−1K−1) 0.19-0.22

Temperatura de deflexión en caliente – 0.45Mpa (C) 140

Temperatura de deflexión en caliente – 1.8Mpa (C) 128-138

19

Tabla 7. Propiedades físicas y mecánicas del PU.

(Goodfellow, 2016 )

Los guardachoques construidos con este material se han sometido a los test

de atropello de la British Motor Industry Research Association MIRA en

Nuneaton, Warwickshire, logrando resultados positivos en cuanto a reducción

de daños al peatón por impacto frontal, cumpliendo de esta manera criterios

necesarios en términos de elasticidad y capacidad de recuperación en caso

de golpes de menor importancia (Covestro, 2016).

2.2.3 MATERIALES COMPUESTOS

Se llaman materiales compuestos, a los conformados por un sistema en el

que se combinan dos o más materiales, los mismos que se diferencian en

función, forma o composición, con el fin de obtener un material con

propiedades únicas. En dichos materiales sobresalen una o más propiedades

características aportadas por las fases constituyentes, es decir por los

diferentes materiales que lo conforman, de tal manera que el conjunto resulte

con la mejor combinación posible.

Los materiales compuestos más usados con los que están conformados por

un elemento que es el material aglutinante dentro de la composición y otra

que será la matriz, como se muestra en la figura 11 un material formado por

una matriz polimérica reforzada con fibras que cumple el papel de material

aglutinante (Shackelford, 2005).

Para ser considerado un material compuesto debe cumplir con las

características que se muestran en la figura 12.


Absorción de agua – en 24 horas (%) 0.1



Resistencia a la compresión (MPa) 69

Resistencia al impacto Izod (Jm−1) 69.4

20

Figura 11. Material compuesto formado por fibras de refuerzo a escala microscópica en una matriz polimérica. (Shackelford, 2005)

Figura 12. Características de un material compuesto. (Guerrero, et al., 2011)

Dentro de la industria automotriz el material que se utiliza actualmente dentro

de los materiales compuestos es el polipropileno reforzado con fibras de

vidrio; esta opción es la más utilizada en la actualidad por tres de los grandes

fabricantes de plásticos para la industria automotriz como son: Azdel, Atofina

y Plastic Omnium; el material consiste en emplear un compuesto de fibra de

vidrio sobre matriz de polipropileno, que se fabrica mediante un proceso de

moldeo por compresión similar al utilizado para el SMC (proceso de molde

cerrado usado para producir piezas de plástico reforzados con fibras), cuyo

21

Figura 13. Aplicaciones de materiales compuestos. (Guerrero, et al., 2011)

producto generado por Atofina comercializado como PRYLTEX® tiene un gran

éxito entre los fabricantes franceses como Renault y el grupo PSA (Citroën y

Peugeot). PRYLTEX® posee una resistencia al impacto de 60 kJ/𝑚2 y una

rigidez de 10000 MPa, que es óptimo para la aplicación en un guardachoque.

Este polipropileno aporta a las estructuras de los automóviles una baja

densidad, de 1.33 gr/cm3 (UVA, 2009).

Hoy en día dentro de las aplicaciones ingenieriles ya no se habla solamente

de materiales compuestos sino de materiales híbridos, acerca de este tema

Ashby (2011) menciona que un material híbrido es la combinación de dos o

más materiales ensamblados con una configuración y escala predeterminada,

de tal forma que se generen propiedades o atributos que no son ofrecidos por

ninguno de los componentes por sí solos, de esta manera el desarrollo de este

tipo de materiales está tomando gran importancia basándose en la necesidad

de lograr materiales con propiedades mecánicas únicas así como también

buscar materiales más amigables con el medio ambiente. En la figura 13 se

muestran algunas aplicaciones de este tipo de materiales compuestos.

En años recientes ha surgido un particular interés en los compuestos

lignocelulósicos, que son aquellos que se encuentran formados por una matriz

polimérica reforzada con fibras o partículas de origen vegetal, como son las

constituidas principalmente por celulosa y lignina (Guerrero, et al., 2011).

22

Figura 14. Configuración básica de un material compuesto (Mazumdar, 2003)

2.2.3.1 Componentes de materiales compuestos

Como se mencionó con anterioridad, un material compuesto es un sistema

formado por dos más fases o materiales distintos, cuya combinación da como

resultado un material con propiedades superiores a las fases constituyentes o

materiales base. En la figura 14 se muestra la configuración básica de un

material compuesto.

De manera más concreta, los componentes de un material compuesto se

denominan: matriz y refuerzo, mientras que la superficie de conexión entre

estos se denomina interfaz, a ella se pueden añadir rellenos, revestimientos y

agentes de acoplamiento, cuyo objetivo fundamental es mejorar la superficie

de la interfaz del compuesto, de tal forma que las propiedades del material

incrementen en lugar de verse afectadas (Budynas & Nisbett, 2012).

2.2.3.1.1 Elementos constitutivos de un material compuesto

a) Matriz

Dentro de la estructura de un material compuesto la matriz cumple una serie

de funciones que se detalla a continuación:

Constituye la fase continua, la cual abarca y sostiene los elementos de

refuerzo, brindando consistencia y continuidad al material.

Proveer soporte lateral contra la posibilidad de pandeo de las fibras bajo

cargas de compresión (en el caso de que un material este reforzado con

fibras).

Salvaguardar la superficie de los refuerzos de la abrasión mecánica.

23

Figura 15. Propiedades de las matrices poliméricas (Guerrero, y otros, 2011)

Aglutinar los refuerzos.

Transferir las cargas aplicadas sobre la matriz hacia los refuerzos.

Proveer al refuerzo de una barrera contra los efectos del medio ambiente

como la humedad (Guerrero, y otros, 2011).

Cabe mencionar que las propiedades mecánicas del compuesto final

dependen directamente del tipo de matriz que usemos, así como de la sinergia

que tenga con el material de refuerzo.

Existen tres tipos de matrices: metálica, cerámica y polimérica, de las cuales,

nos enfocaremos en las matrices poliméricas ya que usaremos resina

poliéster como matriz en el presente estudio.

Matriz polimérica.- Este tipo de matriz es utilizada en una diversidad de

aplicaciones y en cantidades grandes debido a sus excelentes

propiedades a temperatura ambiente, baja densidad, facilidad de

conformado y costos relativamente bajos. Estas matrices pueden ser

reforzadas con fibras naturales y sintéticas. En la figura 15 se muestra la

clasificación con algunas de sus propiedades características.

b) Refuerzo

El principal papel del refuerzo es mejorar las características de la matriz, es el

componente del material compuesto que soporta la carga y que también

puede aportar con propiedades, por ejemplo, características de conductividad

eléctrica o aislamiento, estabilidad térmica, propiedades estructurales, etc.

24

Figura 16. Matriz reforzada con material particulado. (Guerrero, y otros, 2011)

Los refuerzos pueden ser partículas, fibras o elementos estructurales

(Guerrero, y otros, 2011).

Partículas.- El material de refuerzo mediante partículas puede ser de

tamaño grande o partículas consolidadas por dispersión.

- Partículas grandes.- para este tipo de compuestos, la fase de las partículas

es más dura y rígida que la matriz, estas partículas de refuerzo tienden a

restringir el movimiento de la matriz en la proximidad de cada partícula. En

esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partículas,

las cuales soportan una fracción de la carga. Cabe recalcar que las

partículas no constituyen un refuerzo eficiente desde el punto de vista de

las propiedades mecánicas (Guerrero, y otros, 2011).

- Partículas consolidadas por dispersión.- mientras la matriz resiste la mayor

parte de la carga aplicada, las partículas dispersadas dificultan o impiden

el movimiento de dislocaciones, en el caso de las matrices metálicas. En

la figura 16 se muestra una matriz reforzada con material particulado


Fibras.- Se puede decir que desde el punto de vista tecnológico, los

materiales compuestos formados por fibras en la fase dispersa son los más

importantes por el hecho de que tienen la característica de alcanzar una

mejor resistencia a la fatiga, rigidez y relación resistencia-peso al

incorporar fibras resistentes y rígidas, en una matriz más blanda y dúctil


25

Figura 18. Estructura de un material compuesto laminado. (Guerrero, y otros, 2011)

Figura 17. Tipos de fibras dependiendo de su diámetro. (Guerrero, y otros, 2011)

El material de la matriz transmite la carga a las fibras, las mismas que

soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. De acuerdo al diámetro y a

sus características, las fibras pueden ser agrupadas en tres grupos

diferentes: whiskers, fibras y alambres. En la figura 17 se muestran los

diferentes tipos de fibras, dependiendo de su diámetro y características.

En el anexo 12 se presenta las características de cada uno de los tipos de

fibras, en la misma que se demuestra que los materiales compuestos con

fibras naturales tiene la ventaja de bajo costo y menor impacto ambiental.

Elementos estructurales.- Las propiedades de estos compuestos lo

determina la geometría a la cual van a ser posicionados los materiales

constituyentes, existen dos tipos de compuestos estructurales que son:

- Compuestos laminares.- están formados por láminas que tienen una

dirección preferencial de alta resistencia, en la cual las capas son apiladas

para después ser solidificadas, disponiendo que en cada lamina varíe la

orientación de las fibras, con el objetivo de que presente alta resistencia

en las dos dimensiones, como se ilustra en la figura 18.

26

Figura 19. Estructura de un material compuesto tipo sanduche. (Guerrero, y otros, 2011)

- Compuestos tipo sanduche.- poseen capas delgadas de material de

recubrimiento unidas a un material ligero de relleno, si bien es cierto ni el

relleno, ni el material de recubrimiento son resistentes o rígidos, pero el

compuesto tiene ambas propiedades. En la figura 19 se muestra un

ejemplo de compuesto tipo sanduche.

Cabe aclarar que para cada tipo de refuerzo se debe elegir correctamente el

proceso de fabricación ya que de esto va a depender las propiedades que

obtendremos.

c) Interfaz

La interfaz es la superficie existente entre la matriz y el refuerzo, la misma que

es la encargada de garantizar la unión entre los constituyentes del material,

por ejemplo en los materiales compuestos de matriz polimérica y metálica, es

imprescindible que exista una buena unión entre la matriz y el refuerzo. La

superficie de la interfaz es buena cuando el refuerzo está fuertemente unido

a la matriz, si la unión es buena, la carga aplicada sobre el material compuesto

se transmitirá desde la matriz hacia los refuerzos. Si la unión es deficiente, las

fibras no cumplirán el papel de refuerzo y tendrán tendencia a salir de la matriz


2.2.3.2 Clasificación de materiales compuestos

Básicamente la clasificación de los materiales compuestos está íntimamente

relacionados con la forma de composición de la matriz y del refuerzo.

27

Figura 20. Clasificación de materiales compuestos según tipo de refuerzo. (Callister, 2007)

Figura 21. Clasificación de materiales compuestos según tipo de matriz. (Guerrero, y otros, 2011)

En las figuras 20 se muestra la clasificación de los materiales compuestos

según el tipo de refuerzo.

En la figuras 21 se muestra la clasificación de los materiales compuestos

según el tipo de matriz.

2.2.3.3 Materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con

fibras vegetales

Como se ha mencionado anteriormente, el problema específico actualmente

a nivel mundial es el deterioro del medio ambiente, para lo cual se debe

28

Figura 22. Utilización de materiales compuestos a nivel mundial. (Biron, 2007)

encontrar alternativas necesarias para el cuidado y preservación del mismo,

mediante el uso de energías limpias, la optimización de la energía y el uso de

recursos naturales, por este motivo, dentro de la industria automotriz se ha

enfatizado mucho en este tema, disminuyendo de esta manera el consumo de

polímeros para el diseño y construcción de piezas (Guerrero, y otros, 2011).

El uso de los materiales compuestos con fibras vegetales ha tenido un

crecimiento significativo en los últimos años, ya que dichas fibras tienen

características específicas como bajo peso, bajo costo y elevada resistencia

mecánica, elementos que hacen muy atractivo a este elemento (Guerrero, y

otros, 2011).

En la figura 22 se muestra en porcentaje, la utilización de los materiales

compuestos a nivel mundial con base en el tipo de industria.

Mediante análisis realizados con anterioridad, se evidencio que Ecuador

posee una gran cantidad de materia prima (fibras vegetales) para el desarrollo

de materiales compuestos, lo cual es un punto muy favorable para el

desarrollo de este tipo de materiales, ya que son recursos renovables y el

empleo de estos compuestos ayudarán en gran medida la preservación del

ecosistema (Guerrero, y otros, 2011).

2.2.3.3.1 Cantidad de las fibras

Para llevar a cabo la mezcla matriz-refuerzo, se debe tener en cuenta la

cantidad de fibra necesaria; una fracción mayor de volumen de fibras

29

Figura 23. Orientación de la fibra: (a) continua y alineada (b) discontinua y alineada y (c) discontinua al azar.

(Callister, 2007)

incrementará la resistencia del compuesto, sin embargo, la fracción máxima

de volumen de fibras es aproximadamente 80%, más allá de esta cantidad las

fibras ya no quedan totalmente rodeados por la matriz (Askeland, 1998).

2.2.3.3.2 Influencia de la orientación de las fibras y la concentración

Las propiedades mecánicas de los materiales compuestos tienen una

influencia significativa por tres aspectos específicos que son: la orientación de

las fibras, su cantidad y distribución. Con respecto a la alineación de la fibra,

básicamente existen dos posibilidades: (i) alineación en la dirección paralela

al eje longitudinal de las fibras (fibras continuas y discontinuas) y (ii) alineación

totalmente al azar como se muestra en la figura 23.

Los arreglos unidireccionales con fibras largas e incluso continuas producen

propiedades anisotrópicas (sus propiedades varían dependiendo de la

dirección), con resistencia y rigidez paralelas a las fibras particularmente

buenas. Estas fibras se denominan frecuentemente como capas de 0º,

indicando que todas las fibras están alineadas en la dirección del esfuerzo

aplicado. Sin embargo, si la carga es perpendicular a las fibras, la orientación

unidireccional origina propiedades pobres (Askeland, 1998). En la figura 24 se

muestra la incidencia que tiene la orientación de las fibras en la resistencia a

la tensión en un material compuesto con fibras de vidrio E.

30

Figura 24. Efecto de la orientación de las fibras en la resistencia a la tensión (Askeland, 1998)

Figura 25. Compuesto reforzados con fibras en diferentes configuraciones. (Askeland, 1998)

Una de las características únicas de los compuestos reforzados con fibras es,

que sus propiedades se puedan diseñar para soportar condiciones de carga

diferentes. En la matriz de pueden introducir fibras largas y continuas en varias

direcciones mediante arreglos ortogonales (capas 0º–90º) obteniendo así,

buenas resistencias en dos direcciones perpendiculares.

Se puede tener también disposiciones más complejas (como capas de

0º/±45º/90º) que forman materiales con comportamiento casi isotrópico

(mantienen sus propiedades independientemente de su dirección) como se

ilustra en la figura 25 (Askeland, 1998) donde se muestran (a) un compuesto

formado por varias capas de fibras unidireccionales y (b) un compuesto

formado por fibras entre 0º/±45º/90º para producir un compuesto casi

isotrópico.

31

Figura 26. Tejido tridimensional para compuestos formados con fibras. (Askeland, 1998)

Las fibras también pueden ser organizadas en patrones tridimensionales, por

lo que existen varias posibilidades en cuanto a la arquitectura de este tipo de

refuerzos, pues pueden existir tejidos y no tejidos con diferente organización

como se muestra en la figura 26 (Paredes, 2012).

2.2.3.3.3 Clasificación de las fibras vegetales

Las fibras vegetales son filamentos lignocelulósicos compuestos de células

largas y delgadas de esclerénquima (tejido de células muertas), las mismas

que forman parte de las plantas y cumplen las funciones de dar soporte,

dureza y rigidez a los tejidos vegetales. Según la parte de la planta en la que

se localizan, las fibras poseen distintas características y propiedades, lo cual

las clasifica básicamente en tres grupos: las fibras blandas, duras y de

superficie (Mancía, 2006). En la tabla 8 se muestra una lista de las fibras que

se producen comercialmente, además se indica su ubicación dentro de la

planta.

Tabla 8. Tipos de fibras naturales y su ubicación dentro de la planta.

F. BLANDAS F. DURAS F. SUPERFICIE OTRAS

Tallo Hojas Semillas Fruto Caña

Cáñamo Abacá Algodón Palma aceitera Esparto

Ramio Sisal Kapok Coco Bejuco

Lino Cuaruá Algodoncillo Bambú

Kenaf Formio Bagazo

(Mohanty, Misra, & Drzal, 2009)

32

a) Fibras Blandas

Se ubican en el líber (tejido vivo que transporta los nutrientes hacia la raíz) del

tallo que actúan como un esqueleto, ofreciéndole rigidez y resistencia

estructural. Se denominan blandas por su textura suave al tacto, su

flexibilidad, elasticidad y su finura.

Ejemplo: El lino, el ramio, el yute y el cáñamo (Mohanty, Misra, & Drzal, 2009).

Lino.- Después de la fibra de algodón, es la más difundida y explotada

comercialmente. Aunque también se compone principalmente de celulosa,

la fibra es extraída del tallo que está formado por un tubo interior poligonal

o médula, rodeado exteriormente de materias leñosas. Las fibras sueltas

por lo general tienen como mediana 50 cm. de largo y cuentan con una

importante cantidad de pectina y lignina, uniendo a las cadenas de

celulosa. (Solé, 2012)

Cáñamo.- Esta fibra se utiliza por lo general para la fabricación de cuerdas

y velas para navegación, así como las redes para pesca ya que poseen

gran resistencia a la humedad y a las variaciones climáticas (Solé, 2012).

b) Fibras duras

Constituyen las hojas de ciertas plantas, por lo general son de mayor grosor,

aspereza y rigidez, pues poseen un alto contenido de lignina.

Ejemplo: La cabuya, el abacá, el plátano y el formio (Mohanty, Misra, & Drzal,

2009).

Abacá.- La fibra de abacá es extraída de la vaina de las hojas que rodean

el tronco de la planta que lleva el mismo nombre. Las células que

componen las fibras son largas y delgadas y constituyen el soporte de la

hoja. El abacá posee características específicas tales como: gran

resistencia mecánica, flotabilidad, resistencia al daño por agua salada y el

largo de su fibra es de más de 3 m (Solé, 2012).

Cabuya.- es una planta de tipo herbácea que posee hojas verdes largas y

delgadas provistas de espinas en sus bordes; caracterizada por sus hojas

carnosas, grandes y muy fibrosas. De las fibras de cabuya se elaboran

hilos, de sus hojas papel, de sus espinas agujas y el extracto jabonoso de

33

sus hojas se utiliza como detergente (Solé, 2012). En la tabla 9 se muestra

las características mecánicas de la fibra de cabuya.

Tabla 9. Propiedades mecánicas de la fibra de cabuya


Resistencia a la tracción (MPa) 305

Resistencia al corte (MPa) 112

Módulo de elasticidad (MPa) 7.5

Elongación a la fractura 5%

Densidad gr/cm3 1.3

(Guerrero, y otros, 2011)

Esparto.- El esparto es una hierba perenne que puede llegar a medir hasta

1 metro de altura cuyas formaciones se las llama espartales o atochares.

Sus hojas son filiformes, duras y tenaces, con fibras cortas de 1 a 10 mm

de longitud, las mismas que se las puede utilizar a partir de los 13 años

de cultivado. Con estas fibras se elaboran sogas, alpargatas, cestos y

estropajos (Solé, 2012).

c) Fibras de superficie

Corresponden a los pelos de la epidermis de las semillas.

Ejemplo: El algodón (Mohanty, Misra, & Drzal, 2009).

Algodón.- La fibra de algodón es la más importante fuente de obtención

mundial de fibras celulósicas, la misma que es la de mayor consumo por

sus apreciadas propiedades funcionales. Esta planta se presenta en

diferentes variedades, cada una de ellas con características únicas. El

algodón es una fibra única en muchos aspectos con características

especiales: son blandas, aislantes, resistentes a la rotura y al desgarro por

tracción (Solé, 2012).

d) Otras fibras

Bambú.- es una fibra natural ecológica que posee características

especiales tales como: suave antibacteriana, repelente de rayos

ultravioleta, absorbente y confortable. Estas fibras están compuestas por

34

Figura 27. Granulometría de la fibra de coco. (Ispemar, 2016)

celulosa y se producen a través de métodos de procesamiento que

incluyen su tratamiento con vapor y hervor, etc. La obtención de las fibras

de bambú se realiza mediante la extracción de las varas de bambú y no

contienen ningún aditivo químico (Sóle, 2012).

Coco.- La fibra del coco o bonote se extrae de la cáscara del fruto del

cocotero, planta originaria de las regiones tropicales de oriente,

actualmente es cultivado en el continente Asiático en países como: India,

Ceylán, Indonesia, en América central y meridional: México y Brasil, y en

África: Mozambique, Tanzania y Ghana. Es una planta muy antigua que

puede alcanzar los 100 años de vida. Físicamente posee un tronco único

de hasta 30 metros de alto con corteza lisa y gris, marcada por cicatrices

anulares de las hojas viejas (Solé, 2012).

Las fibras se extraen del mesocarpio de los frutos y es utilizada en distintas

industrias para fabricar un sin número de implementos; en la industria del

automóvil se hace gran uso de esta fibra. En Brasil, Mercedes-Benz en

1994 empezó a utilizar la fibra de coco en la producción de cabezales para

camiones. Desde 1999, se ha utilizado en la fabricación de asientos

delanteros del modelo Clase A. Otros fabricantes de automóviles europeos

usan a la fibra como relleno en distintas piezas que realizan (Quintanilla,

2010, págs. 9,10). En la figura 27 se muestra los tipos de granulometría

que se comercializa actualmente la fibra de coco.

La fibra de coco ofrece muchas ventajas sobre la espuma de poliuretano, que

es comúnmente utilizado en la tapicería, a más de eso tiene como ventajas

35

importantes: fibra 100% natural, biodegradable, no causa impactos

ambientales, y permite una mayor comodidad (Quintanilla, 2010).

Sus principales componentes son la celulosa y lignina. Esta última, provee de

resistencia y rigidez a la fibra. Se encuentra dentro de la categoría de fibras

fuertes donde también consta: el henequén, pita, agave y abacá. Estas

características especiales hacen de esta fibra un material muy versátil

(Quintanilla, 2010). En la tabla 10 se detalla las propiedades químicas de la

fibra de coco.

Tabla 10. Propiedades químicas de la fibra de coco.

(Ispemar, 2016)

En el anexo 13 se muestra un listado de todas las fibras naturales presentes

en la naturaleza actualmente.

2.2.3.3.4 Composición química de las fibras vegetales

Las fibras vegetales están constituidas principalmente por tres elementos

fundamentales que son: la celulosa, la hemicelulosa y la lignina, por esta razón

lleva el nombre de fibras lignocelulósicas, a más de esto, se encuentran

conformados por elementos minoritarios como son: proteínas, ceras, resinas

y algunos productos inorgánicos, esta composición química dependerá de

varios factores como se muestra en la figura 28 (Guerrero, y otros, 2011).

PRODUCTO FINAL CARACTERÍSTICAS

Apariencia Granular con fibras, marrón

PH 5.5-6.5

Conductividad eléctrica

<0.8 MS/cm

Porosidad total (1-1.5) 87%-95%

Aireación 15%-35%

Retención de agua 25%-45%

Cenizas 3%-6%

Lignina 65%-70%

Celulosa 20%-30%

36

Figura 28. Elementos que repercuten en la composición química de las fibras naturales. (Guerrero, y otros, 2011)

Dentro de la composición, se ha encontrado una relación entre la celulosa, la

hemicelulosas y la lignina de aproximadamente de 4:3:3. El contenido de

estos componentes en las fibras vegetales permite inferir en el

comportamiento que éstas van a presentar al someterlas a diferentes

aplicaciones industriales (Guerrero, y otros, 2011).

En la tabla 11 se exhibe el contenido de los principales componentes de

algunas fibras vegetales

Tabla 11. Composición química en porcentaje de algunas fibras vegetales.

(Páez, 2007)

FIBRA CELULOSA (% PESO)

HEMICELULOSA (% PESO)

LIGNINA (% PESO)

Lino 71.2 18-20 2.2

Cáñamo 70-75 17-22 3.7-5.7

Yute 61-71 13-20 8.1-13

Abacá 63-70 20-21 5-6

Algodón 82-93 3-6 ---

Bambú 35-61 15 27-32

Coco 32-43 0.15-0.25 40-45

Banana 63-64 10 5

Formio 71.3 --- ---

37

a) Celulosa

Es el componente que forma parte principal de la pared celular de la fibra, las

cadenas de celulosa son sintetizadas en el exterior celular por una enzima

celulosa llamada sintasa, la cual cumple la función de formar microfibrillas,

filamentos largos y delgados de celulosa que agrupan alrededor de 50

moléculas con una orientación determinada y que proveen a los tejidos

vegetales de resistencia a tensiones mecánicas (Ott, 1963).

En la tabla 12 se muestra las ventajas que provee la celulosa a una fibra

natural.

Tabla 12. Propiedades que provee la celulosa a una fibra natural.

(Salazar , 2010)

b) Hemicelulosa

Son similares a la celulosa con la diferencia que son de menor masa

molecular, exhiben mayor solubilidad en agua y presentan mayor facilidad

para su extracción y descomposición. Además, presentan una estructura

heterogénea y están constituidas por más de un tipo de monómero (Guerrón,

2005).

c) Lignina

Constituye el segundo elemento más importante de la composición vegetal

así como también el polímero orgánico más abundante en la tierra, la función

primordial consiste básicamente en proporcionar soporte estructural a las

plantas, además le confiere al tallo resistencia a impactos, compresiones,

flexiones, aporta rigidez a la pared celular y le brinda protección tanto al

ataque de sustancias químicas como a la acción de los microorganismos

FIBRA CON ALTO CONTENIDO DE CELULOSA

Ventajas Desventajas

Gran capacidad de absorber humedad Baja Resilencia

Capacidad de soportar altas temperaturas

Susceptible a daños por ácidos minerales y orgánicos

Bajo Volumen Alta flamabilidad

Buen conductor de electricidad Resistencia moderada a la luz solar

38

Figura 29. Propiedades de la fibra de vidrio. (Quintanilla, 2010)

Figura 30. Ventajas y desventajas de la fibra de vidrio. (Quintanilla, 2010)

sobre la célula impidiendo la penetración de enzimas destructivas (Salazar ,

2010).

2.2.3.4 Caracterización de fibras artificiales

Estas fibras se obtienen por síntesis, generalmente a partir de productos

petroquímicos, obteniéndose largas cadenas moleculares denominadas

polímeros (Solé, 2012). Dentro de ellas estudiaremos a la fibra de vidrio y fibra

de carbono que son utilizadas más regularmente en la industria automotriz.

a) Fibra de Vidrio

La fibra de vidrio es un producto natural, inorgánico y mineral, que consiste en

fibras de cristal, continua o discontinua, contenida dentro de una matriz de

polímero, en la figura 29 se muestran algunas propiedades de la fibra de vidrio.

Debido a la naturaleza inorgánica de la fibra de vidrio, esta resulta de carácter

incombustible y mantiene sus excelentes propiedades térmicas y acústicas

incluso a elevadas temperaturas, en la figura 30 las ventajas y desventajas de

esta fibra (Quintanilla, 2010).

39

Figura 31. Principales características de la fibra de vidrio. (Quintanilla, 2010)

La fibra de vidrio es el material más utilizado como refuerzo en materiales

compuestos, debido a su bajo precio y versatilidad en comparación a otras

fibras sintéticas, a pesar de que presenta menor módulo de elasticidad a la

tracción (Quintanilla, 2010). En la figura 31 se presentan sus principales

características.

En la actualidad, las fibras artificiales son muy utilizadas en las distintas

industrias, pero poco a poco se van sustituyendo por fibras vegetales ya que

cuentan con algunas ventajas sobre las fibras artificiales como se muestra en

la tabla 13 (Guerrero, y otros, 2011).

Tabla 13. Comparación entre fibras vegetales y fibra de vidrio.

(Guerrero, y otros, 2011)

En la tabla 14 se comparan las propiedades mecánicas de las fibras naturales

vegetales versus la fibra de vidrio.

CUALIDADES FIBRAS NATURALES FIBRA DE VIDRIO

Densidad Baja Doble que las FN

Costo Bajo Mayor

Renovable Si No

Reciclable Si No

Consumo de energía Bajo Alto

Abrasión a máquinas No Si

Riesgo a la inhalación No Si

Eliminación Biodegradable No Biodegradable

40

Figura 32. Propiedades mecánicas de la fibra de carbono. (Pérez, 1997)

Tabla 14. Comparación de propiedades de las fibras vegetales frente a la fibra de vidrio.

(Páez, 2007)

b) Fibra de carbono

Este tipo de fibras se obtienen por medio de una descomposición térmica

progresiva por pirólisis (descomposición química de materia orgánica y todo

tipo de materiales, excepto metales y vidrios, causada por el calentamiento en

ausencia de oxígeno), compuesto por fibras orgánicas, en condiciones

ambientales controladas, para lo cual se utiliza distintos tipos de precursores

teniendo al poliacrilonitrilo (PAN) como el más utilizado, que proporciona

excelentes propiedades mecánicas (ver anexo 15) para su empleo en la

elaboración de materiales compuestos (Pérez, 1997). La única desventaja de

esta fibra artificial es su elevado costo. En la figura 32 se muestra algunas de

las principales propiedades mecánicas de la fibra de carbono.

FIBRAS

DENSIDAD

(𝐠𝐫/𝐜𝐦𝟑) RESISTENCIA

A LA TRACCIÓN

(MPA)

MÓDULO ELÁSTICO

(GPA)

ELONGACIÓN FRACTURA

(%)

ABSORCIÓN DE

HUMEDAD (%)

Vidrio-S 2.5 2000-3500 70 2.5 ---

Vidrio-E 2.5 4570 86 2.8 ---

Aramida 1.4 3000-3150 63-67 3.3-3.7 ---

Carbón 1.4 4000 230-240 1.4-1.8 ---

Cáñamo 1.4 690 35 1.6 8

Yute 1.3 393-773 26.5 1.5-1.8 12

Ramio 1.5 400-938 61.4-128 3.6-3.8 12-17

Coco 1.2 175-220 4-6 15-30 10

Sisal 1.5 511-635 9.4-22 2.0-2.5 11

Abacá 1.3 400-1289 45 2.7 8-10

Lino 1.5 342-1035 27.6 2.7-3.2 7

Algodón 1.5 393-773 26.5 7-8 8-25

METODOLOGÍA

41

3. METODOLOGÍA

La demanda de información para el presente estudio dentro de la

investigación bibliográfica, tuvo como fuentes primarias a libros, tesis, fichas

técnicas, informes de laboratorio, internet entre otras; mientras que en fuentes

secundarias se recurrió a las publicaciones y/o artículos técnicos en las áreas

de ingeniería de materiales y materiales compuestos, fuentes que sirvieron

para su desarrollo dentro de la indagación de las propiedades mecánicas

relacionadas con el diseño y construcción de guardachoques; así como

también para el análisis de resultados se manejaron tablas, gráficas de barras,

gráficas de dispersión de datos y más.

Para el desarrollo del presente proyecto de investigación se manejaron

variables cuantitativas; ya que se empleó datos que corresponden a los

valores de las diferentes propiedades mecánicas de los metales, polímeros y

fibras vegetales los cuales a su vez fueron explicativos, debido a que se

realizó diferentes tipos de ensayos para determinar las propiedades

mecánicas de los nuevos materiales compuestos con fibra de coco en

diferentes disposiciones tanto en fracción volumétrica que se calcularon

mediante la ecuación 1, así como también la utilización de distintos

compuestos tales como: fibra de coco, fibra de coco no tejida y malla metálica

que se utilizó de refuerzo, en cuanto a la matriz se utilizó resina poliéster

mezclada con dos compuestos acelerantes que es el MECK y el octoato de

cobalto al 5% cuyo volumen se calculó mediante la ecuación 2.

Dentro de la investigación experimental, se procedió al diseño de las probetas

en base a normas ASTM que posteriormente fueron construirlas, para

finalmente ser sometidas a ensayos destructivos, los resultados de los

ensayos obtenidos en las pruebas de tracción y flexión permitieron mostrar las

propiedades mecánicas del nuevo material propuesto para su futura

aplicación en la industria automotriz.

Una vez obtenidos los resultados de los ensayos de tracción y flexión se

procedió a realizar la caracterización mecánica de cada material híbrido que

42

consistió en determinar algunas propiedades mecánicas que se obtuvieron

mediante cálculos matemáticos, mismos que se mencionan a continuación:

Para ensayos de tracción: el esfuerzo máximo de rotura, la elongación a la

rotura, el porcentaje de elongación, y el módulo de elasticidad o módulo de

Young que se calcularon mediante las ecuaciones 3, 4, 5 y 6 respectivamente.

Para ensayos de flexión: el esfuerzo máximo a flexión calculado mediante la

ecuación 7, la deflexión del material donde se utilizó la relación 8, dato que

nos sirvió para calcular el módulo de elasticidad a flexión que se calculó

mediante la ecuación 9

Todas las ecuaciones antes mencionadas se detallan minuciosamente en el

desarrollo del capítulo 4.

Una vez ejecutada la caracterización mecánica se procedió a realizar una

tabulación de los resultados obtenidos en los dos ensayos destructivos para

determinar el material que tuvo el mejor comportamiento mecánico, obtenido

el mejor material se procedió a comparar con materiales usados comúnmente

en la fabricación de guardachoques y así determinar si las propiedades

obtenidas del nuevo material se asemejan a los materiales ya utilizados.

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN

43

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1 MATERIALES COMPUESTOS PROPUESTOS

Para la construcción de las probetas para los distintos ensayos destructivos

en el presente estudio se propusieron un total de tres materiales híbridos con

diferente configuración y fracción volumétrica a nivel de microfibras y

macrofibras, en la tabla 15 se enumeran los materiales híbridos que se

propusieron para el presente proyecto de investigación.

Tabla 15. Materiales híbridos propuestos en el trabajo de investigación.

MATRIZ REFUERZO ORDEN DE CAPAS

MÉTODO

Resina Poliéster

Fibra de coco en polvo

RP+FC Estratificación Manual

Resina Poliéster


+ Fibra de Coco

No tejido

RP+FC+FCNT

Estratificación Manual

Resina Poliéster


+ Malla Metálica

RP+ FC+ MM

Estratificación

Manual

Probetas con un mínimo de doce por tipo de ensayo fueron dispuestas para

someter a los ensayos, en función de la configuración del nuevo material

propuesto (resina poliéster + fibra de coco en polvo; resina poliéster + fibra de

coco en polvo + fibra de coco no tejida o resina poliéster + fibra de coco en

polvo + malla metálica).

4.2 DISEÑO DE LAS PROBETAS

Se estableció las medidas de las probetas con base a una normativa legal

dada por la ASTM (American Society for Testing Materials) para el diseño y la

construcción de las mismas, en las cuales se realizaron las distintas mezclas

con los materiales constitutivos antes mencionados, para posteriormente

44

Figura 34. Dimensiones de las probetas construidas para el proyecto de 13x160x4 mm. (ASTM-D7264, 2010)

Figura 33. Dimensiones de las probetas construidas para el proyecto de 25x250x3 mm. (ASTM-D3039, 2010)

llevar a cabo los ensayos destructivos y finalmente analizar los resultados, los

protocolos en los cuales se basó el estudio se mencionan a continuación:

4.2.1 DISEÑO DE PROBETAS PARA ENSAYOS DE TRACCIÓN

El diseño y construcción de las probetas de tracción fueron establecida

mediante:

Norma: ASTM D3039/D3039M–15, Standard Test Method for Tensile

Properties of Polymer Matrix Composite Materials.

En la figura 33 se muestra las dimensiones de las probetas que se

construyeron para realizar los ensayos de tracción.

4.2.2 DISEÑO DE PROBETAS PARA ENSAYOS DE FLEXIÓN

El diseño y construcción de las probetas de flexión fueron establecidas

mediante:

Norma: ASTM D7264 / D7264M – 15, Standard Test Method for Flexural

Properties of Polymer Matrix Composite Materials.

En la figura 34 se muestra las dimensiones de las probetas construidas.

45

Figura 35. Probeta de tracción utilizada en el ensayo.

Figura 36. Probeta de flexión utilizada en el ensayo.

Para la construcción de las probetas se utilizó madera, como se muestra en

la figura 35 y 36, probetas de tracción y flexión respectivamente, con las

dimensiones antes mencionadas.

4.3 MATERIALES

4.3.1 FIBRA DE COCO

Para la realización del presente estudio, se utilizó fibra de coco en diferentes

configuraciones que se explicaron anteriormente, teniendo dos tipos: las

nano-fibras, que se obtuvieron mediante un proceso de molido manual de la

cascara del coco que constituye el 80% del fruto, obteniendo como resultado

46

Figura 37. Fibra de coco en polvo, obtención mediante molido manual.

Figura 38. Fibra de coco no tejida

la fibra de coco el polvo como se muestra en la figura 37, así como también

macro-fibras, que es la fibra de coco en forma de hilachas no tejidas que se

muestra en la figura 38.

Cabe recalcar que durante el proceso de molido manual, por ser un proceso

bastante artesanal, se avisto muchas fibras que tenían tamaños demasiado

grandes, mismas que presentarían problemas para la preparación de las

probetas; con este antecedente, se procedió hacer una selección de la mejor

calidad de fibra de coco en polvo por medio de una cernidera que nos dejó

mejores resultados, desechando las fibras inservibles para el objetivo de la

mezcla.

En la figura 39 se muestra el proceso de cernir las nano-fibras para lograr una

calidad óptima para la mezcla del nuevo material.

47

Figura 40. Malla metálica utilizada en los distintos ensayos.

Figura 39. Proceso de selección del material particulado.

4.3.2 MALLA METÁLICA

El refuerzo del tercer compuesto que se propuso en el presente trabajo

investigativo fue la malla metálica, fabricada a base de aluminio con un peso

relativamente bajo (menos de 1 gramo) lo que ayudó para que el peso no sea

demasiado elevado, por consiguiente obtenga una baja densidad.

En la figura 40 se muestra la malla metálica que fue utilizada en la

composición del tercer composite propuesto.

4.3.3 RESINA POLIÉSTER

Como se menciono con anterioridad, el material que se utilizó como matriz

para el proyecto es la resina poliéster, cuya denominación comercial es

48

ANDERPOL 859-836, la cual fue suministrada por Pintulac y fabricada por

Andercol. Este tipo de resina, esta categorizada como un líquido inflamable

por poseer un punto de inflamación de 31ºC, por consiguiente debe

mantenerse alejada de las altas temperaturas o las llamas abiertas.

Lo recomendado por el fabricante es almacenarlo a temperaturas inferiores a

20ºC para lograr de esta manera una máxima estabilidad. Se almacena en

depósitos metálicos inoxidables de aproximadamente 230 kilos y tiene un

tiempo de vida de seis meses desde el momento de su fabricación.

La resina poliéster no esta pre acelerada, por lo que se necesitó de agentes

externos para su paso de estado líquido a sólido, teniendo así, como agente

acelerador utilizado en la mezcla al octoato de cobalto que actuó como

iniciador del proceso de curado y al peróxido de metiletilcetona (MEKP) que

cumple la función curado final dentro de la mezcla. Todos los elementos antes

mencionados se utilizaron en conjunto con la resina, pero hay que tomar en

cuenta que la cantidad de cada uno viene recomendada por el fabricante

dentro de la ficha técnica ver anexo 16. La fórmula general recomendada en

partes por peso para el curado en frio de la resina poliester ortoftálica

ANDERPOL 859-836 se muestra en la tabla 16.

Tabla 16. Fórmula general recomendada para un curado óptimo.

El octoato de cobalto es el agente que controla el tiempo de gel dentro de la

mezcla, mientras que la cantidad de peróxido se utiliza para corregir

fluctuaciones de temperatura de trabajo variando su dosificación en la mezcla.

Es muy importante tomar en cuenta que el curado nunca se debe realizar a

temperaturas inferiores a 15ºC porque no se alcanzan propiedades mecánicas

óptimas. En la figura 41 se muestra la resina poliéster utilizada asi como

tambien los agentes de curado.

MATERIALES PARTES POR PESO

ANDERPOL 859-836 100

Octoato de Cobalto 0.2 a 0.5

MEKP 1.0 a 2.5

49

Figura 41. a) Resina poliéster Anderpol 859; b) Octoato de cobalto; c) peróxido de metiletilcetona MEKP

Figura 42. Balanza electrónica digital CAMRY SF-400 (5000 gr – 0.1 gr)

Nota: este tipo de resina es de alta viscosidad, para lo cual se puede añadir

estireno, con el objetivo de disminuir la viscosidad y de esta manera mejorar

la mojabilidad de las fibras, lo cual es un punto muy importante para alcanzar

una apropiada interfaz matriz refuerzo.

4.4 EQUIPOS

4.4.1 BALANZA DIGITAL

Para pesar los diferentes materiales que se utilizaron en el presente proyecto

se utilizó una balanza electrónica digital CAMRY modelo SF-400, la cual tiene

una capacidad de 5000 g y una apreciación de 0.1 gr. la balanza se presenta

en la figura 42.

50

Figura 43. Máquina de ensayos Tinius Olsen H25KS.

4.4.2 DISPOSITIVO PARA ENSAYO DE TRACCIÓN Y FLEXIÓN

Las probetas de tracción y flexión fueron ensayadas mediante una maquina

universal Tinius Olsen H25K-S UTM en la Escuela Politécnica Nacional

Laboratorio de Nuevos Materiales (LANUM). Las especificaciones de este

equipo se detallan a continuación:

Velocidad de prueba y desplazamiento: 0.001 a 1000 mm (0.001 a 40’’)

por minuto para fuerzas de 10 kN y 500 mm (20’’) por minuto para carga

completa de 25 kN.

Celda de carga: 25 kN de capacidad

Velocidad de retorno: 0.001 a 1000 mm (0.001 a 40’’)/min

Velocidad del cabezal: 1100 mm/min (43.3’’/min) con celda de carga de 25

kN.

Espacio de trabajo: Separación vertical de 1100 mm (43.3’’) sin ninguna

herramienta y separación horizontal de 405 mm (16’’) entre columnas

En la figura 43 se muestra la maquina Universal Tinius Olsen con la que se

realizó los ensayos destructivos de tracción y Flexión.

51

Figura 44. Mordazas de sujeción y extensómetro.

Figura 45. Equipo de tres puntos para ensayos de flexión.

Las probetas de tracción fueron ensayadas utilizando mordazas cuneiformes

para la sujeción de las probetas, así como también un extensómetro como se

presenta en la figura 44.

Para ensayar las probetas de flexión se utilizó un equipo de tres puntos como

se presenta en la figura 45.

4.5 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En este capítulo, se muestra el procedimiento experimental que se basa en

una estrategia metodológica, la misma que busca alcanzar parte de los

objetivos planteados. Se indican, las actividades sistematicamente

desarrolladas a lo largo del experimento para la caracterización del material

52

propuesto, detallando el proceso de obtención de probetas, asi como también

la designación de las diferentes configuraciones a tracción y flexión con el

objetivo de facilitar la forma de referirse a una determinada probeta.

4.5.1 ESTRATEGIA METODOLÓGICA

La estrategia metodológica constituye la secuencia de actividades

planificadas y organizadas sistemáticamente que permiten el cumplimiento de

los objetivos planteados (Tamayo Duque, 2012). En principio se realizaron

cálculos para determinar tanto el volumen de resina necesaria para la mezcla

del nuevo material, así como también, la fracción volumétrica perteneciente a

las fibras que se utilizaron como materiales constituyentes de refuerzo del

material híbrido propuesto que fue añadida a cada probeta dependiendo del

porcentaje de cada uno.

Seguidamente, se elaboraron probetas siguiendo el diseño antes expuesto,

basándose en los porcentajes de cada material y configuraciones

correspondientes, para posteriormente realizar los ensayos de tracción y

flexión y finalmente proceder a su análisis, con este resultado se definió el

material con el mejor comportamiento mecánico.

4.5.1.1 Configuración de resina poliéster

Mediante investigación bibliográfica y revisión de la ficha técnica de la resina

ANDERPOL 859-836, se encontró la configuración adecuada para que la

mezcla sea de alta calidad, evitando de esta manera la existencia de burbujas

y una solidificación eficiente.

En la tabla 17 se muestra la configuración adecuada para la resina poliéster

que se utilizó para realizar la respectiva mezcla con los demás constitutivos.

Tabla 17. Configuración adecuada para la resina poliéster.

COMPONENTE CANTIDAD

Octoato de Cobalto 0.50%

Peróxido de metiletilcetona 1%

53

Con la configuración antes indicada, el tiempo de solidificación se estableció

entre 90 a 120 minutos, para posteriormente seguir a la fase de curado.

4.5.1.2 Cálculo de masa del refuerzo

Para empezar a construir las probetas, es necesario primeramente conocer la

cantidad en masa, de cada uno de sus materiales constituyentes, por lo cual,

se procedió a determinar la cantidad de refuerzo que se utilizó en las probetas

calculando la masa de la fibra con base en la fracción volumétrica de cada

compuesto, dicha cantidad de refuerzo es la que fue introducida en la matriz

para conformar el nuevo material.

La cantidad necesaria de fibra de coco se calculó de acuerdo con la siguiente

ecuación (Ponce Cahuasquí, 2011) y tomando en cuenta la fracción

volumétrica utilizada para obtener el material compuesto.

𝑚𝑓 =𝑥𝑓 ∗ 𝑉𝑏𝑐 ∗ 𝑝𝑓 [1]

Donde:

𝑥𝑓: fracción en volumen de fibra

𝑉𝑏𝑐: volumen del material compuesto

𝑝𝑓: densidad de la fibra de coco

Entonces:

𝑥𝑓: 20% = 0,20

𝑉𝑏𝑐: 18.75 cm3 (probeta de tracción)

𝑝𝑓: 1.2 gr

cm3

𝑚𝑓 = 0.2 ∗ 18.75𝑐𝑚3 ∗ 1.2𝑔𝑟

𝑐𝑚3

𝑚𝑓 = 4.5𝑔𝑟

La ecuación antes indicada presenta la masa de la fibra en función de valores

conocidos o fáciles de obtener como son: la fracción volumétrica de la fibra,

la densidad de la fibra de coco y el volumen de la probeta que se tomó como

54

un valor constante, ya que sus dimensiones están bajo norma ASTM. En las

tablas 18 y 19 se muestra la cantidad en masa que se utilizó como refuerzo

para la construcción de las probetas:

Tabla 18. Masa de refuerzo necesaria para probetas de tracción.

Tabla 19. Masa de refuerzo para probetas de flexión.

4.5.1.3 Elaboración de probetas para ensayos destructivos

Para la elaboración de las distintas probetas que se utilizaron en los ensayos

de tracción y flexión se determinó primeramente la cantidad de resina poliéster

que debe utilizarse dependiendo de la cantidad en masa de fibra de coco.

Para cumplir este propósito se remojaron varias cantidades de fibra de coco

en incrementos de un gramo en diferentes volúmenes de resina.

En la tabla 20 se muestra el resultado de este proceso, el mismo que

determinó la cantidad de resina poliéster que se necesitó para remojar una

DATOS

Volumen de probeta de tracción: 18.75 𝑐𝑚3

Densidad de la fibra de coco: 1.2 𝑔𝑟

𝑐𝑚3

FRACCIÓN VOLUMÉTRICA (%)

MASA DE FIBRA DE COCO (gr)

0.2 4.5

0.3 6.75

0.4 9

0.5 11.25

DATOS

Volumen de probeta de tracción: 8.35 𝑐𝑚3

Densidad de la fibra de coco: 1.2 𝑔𝑟

𝑐𝑚3

FRACCION VOLUMÉTRICA (%)

MASA DE FIBRA DE COCO (gr)

0.2 1.99

0.3 2.99

0.4 3.99

0.5 4.99

55

determinada cantidad de fibra. La letra “O” indica que la masa de fibra de coco

utilizada humecto totalmente la resina, mientras que la letra “X” indica que es

necesaria aumentar mayor cantidad de resina. De esta manera, se tiene una

idea de la cantidad de resina poliéster que debe ingresar en el molde para la

elaboración de los diferentes compuestos.

Tabla 20. Cantidad de resina necesaria para remojar una cantidad de fibra de coco.

MASA FIBRA (gr) VOLUMEN DE RESINA (𝐜𝐦𝟑) REMOJÓ

1 20 O

2 20 X

2 30 O

3 30 X

3 40 O

4 40 O

5 40 X

5 50 O

6 50 O

7 50 O

8 50 O

9 50 O

10 50 X

10 60 O

11 60 O

12 60 X

12 70 O

13 70 O

14 70 O

(Tamayo Duque, 2012)

Para iniciar el proceso de elaboración de las probetas, se preparó

primeramente el refuerzo que fue colocado en los moldes, en el caso de la

fibra de coco, se escogió la de mejor calidad (mejor apariencia y

homogeneidad) de fibra tanto no tejida como fibra en polvo, en el caso de la

fibra no tejida y la malla metálica, fueron recortadas acorde a las dimensiones

establecidas por las probetas, cuidando que la fibra cubra todo el espacio

56

Figura 46. Moldes de tracción y flexión aplicados el agente desmoldeante y el refuerzo de

malla metálica.

Figura 47. Moldes de tracción y flexión aplicados el agente desmoldeante y el refuerzo de fibra de coco no tejida.

físico del molde, para de esta manera asegurar que estén correctamente

ensambladas.

El molde que se utilizó estuvo libre de impurezas, con lo que se evitó que

residuos ajenos al material compuesto ocasionen inconvenientes en el

ensamblado de la probeta.

A continuación se procedió a aplicar un agente desmoldeante que facilitó la

extracción de la probeta después de la solidificación, para este propósito se

utilizó papel cera y aceite de coco, los mismo que fueron aplicados en los

bordes de cada molde.

En las figuras 46 y 47 se pueden observar los moldes en los cuales se aplicó

el agente desmoldeante, así como también se muestran los refuerzos

recortados a la medida.

Con el molde encerado, se procedió a preparar la mezcla que fue usada como

matriz. Primero se colocó la cantidad requerida de resina en un recipiente, la

misma que dependió de la fracción volumétrica de la fibra de coco que fue

57

Figura 48. Mezcla de resina poliéster con octoato de cobalto.

utilizada, después se añadió 0.5% de octoato de cobalto para iniciar el proceso

de curado. Al introducir octoato de cobalto a la resina, la mezcla resultante

tomó una coloración violeta, como se muestra en la figura 48.

Para calcular el volumen al cual pertenece 0.5% de octoato de cobalto se

utilizó la siguiente ecuación (Ponce Cahuasquí, 2011):

% (𝑣

𝑣) =

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑑𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑑𝑒𝑙𝑎𝑑𝑖𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛∗ 100 [2]

Entonces:

Vol de soluto = x

Vol de disolvente = 50 cm3 (volumen de resina)

Vol de disolución = x + 50 cm3

0.5% = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑑𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑑𝑒𝑙𝑎𝑑𝑖𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛∗ 100

0.5% = 𝑥

𝑥 + 50𝑐𝑚3∗ 100

0.5 ∗ (𝑥 + 50𝑐𝑚3) = 𝑥 ∗ 100

0.5𝑥 + 25𝑐𝑚3 = 100𝑥

25𝑐𝑚3 = 100𝑥 − 0,5𝑥

25𝑐𝑚3 = 99.5𝑥

𝑥 = 25𝑐𝑚3

99.5

𝑥 = 0.25𝑐𝑚3

58

Figura 49. Mezcla de resina poliéster + octoato de cobalto + MEKP. (Tamayo Duque, 2012)

Con el resultado obtenido se determinó que para 0.5% de octoato de cobalto

le corresponden 0.25cm3 en volumen, cantidad que es necesaria para

mezclar con 50 cm3 de resina poliéster.

En la tabla 21 se muestra el volumen de octoato de cobalto necesario para

mezclar con las distintas variaciones de volumen de resina poliéster.

Tabla 21. Volumen de octoato de cobalto perteneciente a 0.5%.

VOLUMEN DE RESINA

(𝐜𝐦𝟑) VOLUMEN DE OCTOATO DE COBALTO

(𝐜𝐦𝟑)

20 0.10

30 0.15

40 0.20

50 0.25

60 0.30

70 0.35

80 0.40

Después que la mezcla de resina poliéster con octoato de cobalto homogenizó

completamente, se agregó el 1% de peróxido de metiletilcetona (MEKP) para

acelerar el proceso de curado y pasar de estado líquido a sólido en poco

tiempo, al adicionar este compuesto, la resina adquirió una coloración panela

como se observa en la figura 49.

59

Figura 50. Composite de resina poliéster + fibra de coco en polvo.

Figura 51. Imperfecciones en los bordes de las probetas.

Con la mezcla completamente homogénea libre de burbujas, se colocó

cuidadosamente en los moldes a la par con el refuerzo según la configuración

y fracción volumétrica adecuada, dependiendo del tipo de composite que se

propuso como se observa en la figura 50 y se aplicó presión sobre las probetas

para una buena solidificación.

La mezcla tardó aproximadamente 120 minutos para su solidificación

completa, pasado este tiempo se procedió a desmoldear las probetas las

mismas que presentaron ciertas imperfecciones en los bordes como se

muestra en la figura 51, que fueron retirados cuidadosamente con estilete.

60

Figura 52. Manipulación excesiva de la probeta antes del curado completo.

Cabe recalcar que este trabajo se realiza luego de que la probeta ha

solidificado por completo pero antes de que la fase de curado haya acabado

cuando la estructura todavía se encuentra blanda para evitar la quebradura

de la probeta; un cuidado muy importante que se debe tener en esta parte, es

que, este trabajo no se debe realizar a temperaturas demasiado elevadas o

con manipulación constante de la probeta, ya que el material es muy

susceptible al pandeo y esto afecta las propiedades mecánicas del

compuesto.

En la figura 52 se muestra una probeta que se manipuló demasiado al

momento de retocar los bordes, proceso que elevó la temperatura del material

lo cual produjo pandeo en la probeta y terminó en la rotura de la misma.

La estratificación manual del compuesto debe ser uniforme en toda la probeta,

cuidando que la fibra de coco cubra toda la superficie completamente, sin que

existan imperfecciones como se muestra en la figura 53.

61

Figura 53. Compuesto mal estratificado resultó en una probeta ineficiente.

Figura 54. Probetas terminadas de (a) tracción y (b) flexión.

Todas estas observaciones se tomaron en cuenta para evitar errores en el

moldeo de nuevas probetas y de esta manera obtener resultados erróneos en

los ensayos posteriores.

La fase final de la construcción de las probetas, fue la etapa de curado, fase

que le permitió al material alcanzar las mejores propiedades mecánicas; así

como también se requirió de un lijado de aristas y bordes, con el fin de

asegurar que la probeta alcance un buen acabado superficial.

En la figura 54 se muestran las probetas terminadas.

En la figura 55 se muestra un esquema sistémico del proceso de elaboración

de las probetas, para una visión más clara del proceso.

62

Colocación de

matriz y refuerzo

del molde

Aplicar presión

Solidificación

Quitar presión

Desmoldear

probeta

Eliminar Excesos

Curado a temperatura

ambiente

Inspección

de acabado

Lijado de aristas

Correcta orientación del

refuerzo

Cuidar integridad

del compuesto

Agregar cantidades

adecuadas de

componentes

Utilizar equipo propicio de

medición (jeringuillas)

Asegurar homogeneidad

de la mezcla

Preparación

de fibra

Escoger la fibra

Cortar a dimensiones

del molde

Preparación

de molde

Preparación

de la mezcla

Encerar

moldes

Limpieza de

moldes

Limpieza y

encerado

previo a cada

uso

Asegurar un bien

acabado de

probetas

Porosidad reducida

Dimensiones finales

Figura 55. Esquema sistemático de elaboración de probetas. (Tamayo Duque, 2012)

63

Figura 56. Probetas para ensayos de tracción configuración RP+FC.

4.5.1.3.1 Probetas para ensayos de tracción

Se procedió a la elaboración de las probetas de tracción, las mismas que

fueron de tres configuraciones distintas. En las dos primeras configuraciones,

se utilizaron dos variaciones que son: fibra de coco en polvo (microfibras) y

fibra de coco no tejida (macrofibras). En la primera configuración se utilizó la

fibra de coco como único refuerzo, por contar con una granulometría pequeña,

se optó por emplearla como partículas consolidadas por dispersión a lo largo

de la probeta, en la segunda configuración se empleó el no tejido orientado

discontinuo al azar simultáneamente con fibra de coco en polvo en cantidades

iguales, se pesaron independientes, hasta llegar a la cantidad de refuerzo

adecuada dependiendo de la fracción volumétrica. Por último, en la tercera

configuración se utilizó como refuerzo fibra de coco en polvo empleado como

partículas consolidadas por dispersión y malla metálica de aluminio, la misma

que por ser de un espesor considerable (1 milímetro), se dispuso de una sola

capa de 0.4 gr, ya que si se empleaba mayor cantidad nos resultaba difícil su

manipulación en la probeta y su solidificación quedaba fuera de las normas

establecidas que es de 0.3 milímetros de espesor. Las características de las

probetas usadas en los ensayos de tracción se muestran en la tabla 22.

Las probetas fueron analizadas dimensionalmente para comprobar si el

espesor estaba dentro de lo establecido por la norma ASTM D3039-08,

teniendo como resultado que todas cumplen con los requisitos.

En las figuras 56, 57 y 58 se muestran las probetas para ensayos de tracción

con los distintos refuerzos.

64

64

Tabla 22. Características de probetas usadas en ensayos de tracción.

#

CARACTERÍSTICAS

MASA 1* (gr)

MASA 2** (gr)

MASA 3*** (gr)

FRACCIÓN

VOL (%)

RESINA

POLIÉSTER

(𝐜𝐦𝟑)

OCTOATO DE

COBALTO

(𝐜𝐦𝟑) (0.5%)

MEKP

(𝐜𝐦𝟑) (1%)

1 Coco en polvo 4.5 N/A N/A 0.20 50 0.25 0.50


3 Coco en polvo 9 N/A N/A 0.40 50 0.25 0.50


5 Coco en polvo/fibra no tejida 2.2 2,25 N/A 0.20 50 0.25 0.50




9 Coco en polvo/Malla metálica 4.1 N/A 0.4 0.20 50 0.25 0.50




* Masa de fibra de coco en polvo

** Masa de fibra de coco no tejida

*** Masa de malla metálica

65

Figura 58. Probetas para ensayos de tracción configuración RP+FC+MM.

Figura 57. Probetas para ensayos de tracción configuración RP+FC+FCNT.

Una vez acabado el proceso de construcción, para facilitar la identificación de

las probetas, se codificó cada una de ellas dependiendo del tipo de

configuración, así como también, de la fracción volumétrica de los compuestos

desarrollados. En esta codificación de detallan los aspectos más importantes

dentro de cada configuración con el objetivo de conocer de una manera más

rápida y sencilla el material que se está tratando en ese momento y con eso

evitar errores por confusión.

En la tabla 23 se muestra los códigos de las doce probetas construidas para

ensayos de tracción, con su respectiva configuración y significado de cada

una de ellas

Tabla 23. Codificación para probetas de tracción.

# DESIGNACIÓN SIGNIFICADO

1

RP80%FC20%

Resina poliéster en fracción volumétrica 0.80 + fibra de coco en polvo en fracción volumétrica 0.20.

2

RP70%FC30%


66

Tabla 23. Codificación para probetas de tracción. Continuación …


3

RP60%FC40%


4

RP50%FC50% Resina poliéster en fracción volumétrica 0.50 + fibra de coco en polvo en fracción volumétrica 0.50.

5

RP80%FC10%FCNT10%

Resina poliéster en fracción volumétrica 0.80 + fibra de coco en polvo en fracción volumétrica 0.10 + fibra de coco no tejida en fracción volumétrica 0.10.

6

RP70%FC15%FCNT15%


7

RP60%FC20%FCNT20%


8

RP50%FC25%FCNT25%


9

RP80%FC20%MM04

Resina poliéster en fracción volumétrica 0.80 + fibra de coco en polvo en fracción volumétrica 0.20 + 1 capa de malla metálica de 0.4 gr.

10

RP70%FC30%MM04


11

RP60%FC40%MM04


12

RP50%FC50%MM04


4.5.1.3.2 Probetas para ensayos de flexión

Para llevar a cabo la construcción de las probetas de flexión se usaron las

mismas configuraciones que para las de tracción, con la diferencia del tamaño

de la probeta que es lo único que cambia entre la una y la otra, usando de

esta manera: la primera configuración de fibra de coco como único refuerzo,

en la segunda configuración se empleó el no tejido orientado discontinuo al

azar simultáneamente con fibra de coco en polvo y la tercera configuración de

fibra de coco en polvo empleado como partículas consolidadas por dispersión

y malla metálica de aluminio de 0.2 gr, cabe recalcar que en todas estas

67

Figura 59. Probetas para ensayos de flexión configuración RP+FC.

Figura 60. Probetas para ensayos de flexión configuración RP+FC+FCNT.

Figura 61. Probetas para ensayos de flexión configuración RP+FC+MM.

configuraciones se tomaron en cuenta todas las observaciones que se

emplearon con las probetas de tracción.

Para llevar a cabo estas configuraciones se tomó en cuenta la masa del

refuerzo con base en las distintas fracciones volumétricas propuestas para la

investigación, utilizando de esta manera masas distintas para fracciones de

0.20; 0.30; 0.40; y 0.50. Por esta razón, para la fracción volumétrica de 0.20

la masa calculada fue de 1.99 cm3; de esta manera se determinó la masa para

las demás fracciones volumétricas.

Las características de las probetas utilizadas para ensayos de flexión se

muestran en la tabla 24, de la misma manera que los ensayos de tracción, las

probetas fueron analizadas dimensionalmente para comprobar si el espesor

estaba dentro de lo establecido por la norma ASTM D7264-15, teniendo como

resultado que todas cumplen con los requisitos.

En las figuras 59, 60 y 61 se muestran las probetas para ensayos de tracción

con los distintos refuerzos que fueron utilizados.

68

68

Tabla 24. Características de probetas usadas en ensayos de flexión.

#

CARACTERÍSTICAS

MASA 1* (gr)

MASA 2** (gr)

MASA 3*** (gr)

FRACCIÓN

VOL (%)

RESINA

POLIÉSTER

(𝐜𝐦𝟑)

OCTOATO DE

COBALTO

(𝐜𝐦𝟑) (0.5%)

MEKP

(𝐜𝐦𝟑) (1%)













* Masa de fibra de coco en polvo

** Masa de fibra de coco no tejida

*** Masa de malla metálica

69

Con la construcción final de las probetas y para facilitar su identificación

también se procedió a codificarlas de la misma manera que se hizo con las

probetas para ensayos de tracción como se muestra en la tabla 25.

Tabla 25. Codificación para probetas de flexión.


1

RP80%FC20%


2

RP70%FC30%


3

RP60%FC40%


4

RP50%FC50% Resina poliéster en fracción volumétrica 0.50 + fibra de coco en polvo en fracción volumétrica 0.50.

5

RP80%FC10%FCNT10%


6

RP70%FC15%FCNT15%


7

RP60%FC20%FCNT20%


8

RP50%FC25%FCNT25%


9

RP80%FC20%MM02


10

RP70%FC30%MM02

Resina poliéster en fracción volumétrica 0,70 + fibra de coco en polvo en fracción volumétrica 0,30 + 1 capa de malla metálica de 0,2 gr.

11

RP60%FC40%MM02


12

RP50%FC50%MM02


4.6 CARACTERIZACIÓN MECÁNICA

En el presente acápite se caracterizó mecánicamente el nuevo material que

se propuso, cuyo objetivo fue determinar el comportamiento que tiene dicho

material, al estar sometido a diferentes tipos de carga.

70

Como ya se indicó con anterioridad, se realizaron ensayos de tracción y flexión

a tres diferentes tipos de probetas con configuraciones distintas, de las cuales

se determinó la configuración que tuvo el mejor comportamiento mecánico

mediante el análisis de los resultados obtenidos en dichas pruebas. Los

resultados también se compararon con los datos bibliográficos obtenidos de

las propiedades mecánicas de otros materiales que se usan en la industria

automotriz, para de esta manera establecer la funcionalidad del nuevo

material propuesto.

4.6.1 ENSAYOS DE TRACCIÓN

Los ensayos de tensión o tracción mecánica se llevaron a cabo en el

Laboratorio de Nuevos Materiales de la Escuela Politécnica Nacional. En la

tabla 26 se citan todas las especificaciones técnicas del ensayo de tracción.

Con las configuraciones presentadas, se procedió a ejecutar el ensayo, donde

se determinó y evaluó el esfuerzo máximo de rotura o resistencia última

(σmax), elongación de ruptura (ε) y su correspondiente deformación a la rotura

y módulo de elasticidad o módulo de Young. En la tabla 27 se muestran los

resultados obtenidos para los ensayos de tracción correspondientes a los tres

grupos de probetas que se ensayaron.

Tabla 26. Especificaciones técnicas del ensayo de tracción.

CARACTERÍSTICAS DETALLE

Equipo de ensayo Maquina Universal de ensayos Tinius

Olsen, modelo H25KS

Velocidad de ensayo (mm/min) 2

Norma de dimensiones ASTM D3039-15

Dimensiones de la probeta (mm) 250*25*3

Cantidad de probetas 12

Matriz Resina Poliéster ANDERPOL 859-836

Refuerzo


Fibra de coco en polvo + Fibra de coco no tejida

Fibra de coco en polvo + Malla metálica

Tipo de estratificación Manual

Tiempo de curado antes del ensayo 10 días

71

71

Tabla 27. Resultados de los ensayos de tracción para todas las configuraciones.

TIPO DE MUESTRA

ANCHO (mm)

ESPESOR (mm)

ÁREA

(𝐦𝐦𝟐)

CARGA ÚLTIMA

(N)

MÓDULO TANGENTE

(MPa)

Configuración utilizada: resina poliéster + fibra de coco el polvo

RP80%FC20% 25.88 3.14 81.26 639.71 3422

RP70%FC30% 26.75 2.88 77.04 1050.40 5038

RP60%FC40% 25.78 3.36 86.62 876.52 4211

RP50%FC50% 26.04 4.07 105.98 1224.30 5226

Configuración utilizada: resina poliéster + fibra de coco el polvo + fibra de coco no tejido

RP80%FC10%FCNT10% 22.71 3.27 74.26 1059.00 6962

RP70%FC15%FCNT15% 24.90 3.66 91.13 674.76 5191

RP60%FC20%FCNT20% 24.82 4.15 103.00 492.46 4761

RP50%FC25%FCNT25% 24.38 4.58 111.66 1140.50 7120

Configuración utilizada: resina poliéster + fibra de coco el polvo + malla metálica

RP80%FC20%MM04 24.74 3.92 96.98 1179.10 5424

RP70%FC30%MM04 24.78 3.65 90.45 1532.00 4515

RP60%FC40%MM04 26.22 4.20 110.12 320.83 2584

RP50%FC50%MM04 24.74 4.74 117.27 1434.60 8402

72

4.6.1.1 Esfuerzo máximo de rotura o resistencia última (𝝈𝒎𝒂𝒙)

El esfuerzo máximo de rotura de obtuvo mediante la siguiente ecuación

(Askeland, 1998):

𝜎𝑚𝑎𝑥 =𝐹

𝐴 [3]

Donde:

𝜎𝑚𝑎𝑥: esfuerzo máximo de rotura o resistencia ultima (MPa)

F: carga máxima para producir la fractura (N)

A: área de sección transversal de la probeta (mm2)

Entonces:

𝜎𝑚𝑎𝑥: x

F: 639.71 N

A: 81.26 mm2

𝜎𝑚𝑎𝑥 =639.71𝑁

81.26𝑚𝑚2= 7.86MPa

De esta manera se calculó la resistencia última para todas las configuraciones

que se propusieron con anterioridad, cuyos valores se presentan a

continuación en la tabla 28.

Tabla 28. Resistencia última a la tracción de materiales ensayados

TIPO DE MUESTRA

RESISTENCIA ÚLTIMA (MPa)

RP80%FC20% 7.86

RP70%FC30% 13.61

RP60%FC40% 10.10

RP50%FC50% 11.54

RP80%FC10%FCNT10% 14.26

RP70%FC15%FCNT15% 7.46

RP60%FC20%FCNT20% 4.78

RP50%FC25%FCNT25% 10.20

RP80%FC20%MM04 12.17

RP70%FC30%MM04 16.94

73

Tabla 28. Resistencia última a la tracción de materiales ensayados. Continuación …

TIPO DE MUESTRA

RESISTENCIA ÚLTIMA (MPa)

RP60%FC40%MM04 2.91

RP50%FC50%MM04 12.22

Con los datos obtenidos de la caracterización mecánica de los 3 grupos de 4

probetas cada uno se procedió a tabularlos, el resultado se muestra en la

figura 62.

4.6.1.1.1 Resultados obtenidos

Mediante el análisis al gráfico presentado se concluyó, que el material que

mejor soportó a tracción fue la configuración RP70%FC30%MM04,

llegando a 16.94 MPa.

La configuración compuesta por 60% de matriz y 40% de refuerzo es la

menos indicada para obtener buenos resultados en este tipo de material

híbrido, como se observa en el gráfico, son los compuestos con los datos

más bajos quedando de lado solamente el material que es compuesto con

fibra de coco en polvo que por ser un compuesto consolidado por

dispersión (microfibroso) tiene las moléculas más cercanas lo que impide

que se rompa a fuerzas muy pequeñas.

El compuesto más ineficiente dentro de esta prueba es el que posee la

configuración RP60%FC40%MM04, que forma parte del grupo antes

mencionado 60% de matriz 40% de refuerzo con una resistencia última de

2.91 MPa.

La configuración que posee mayor estabilidad en cuanto a soportar la

carga máxima, sin presentar diferencias grandes en sus resultados es la

constituida por 50% de matriz y 50% de refuerzo, teniendo al material

RP50%FC50%MM04 con el mayor resultado dentro de este grupo con

12.22 MPa.

74

74

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

80%20% 70%30% 60%40% 50%50%

7,86

13,61

10,1

11,54

14,26

7,46

4,78

10,2

12,17

16,94

2,91

12,22

Esfu

erz

o m

áxim

o 𝜎𝑚𝑎𝑥

(MP

a)

Fracción Volumétrica

RP+FC RP+FC+FCNT RP+FC+MM

Figura 62. Esfuerzo máximo de rotura para las probetas de tracción ensayadas.

75

4.6.1.2 Elongación de rotura (𝜺)

Es importante saber la elongación a la rotura ya que con este dato se puede

encontrar el módulo de elasticidad de cada compuesto que se propuso en la

presente investigación, así como también, que este valor está íntimamente

relacionado con el porcentaje de deformación a la rotura.

La elongación a la rotura se obtuvo mediante la siguiente ecuación (Askeland,

1998):

휀 = 𝑙𝑓−𝑙𝑖

𝑙𝑖 [4]

Donde:

휀: elongación de rotura

𝑙𝑓: longitud final (mm) – después de aplicar la carga

𝑙𝑖: longitud inicial (mm) – antes de aplicar la carga

Nota: La longitud inicial es de 50 mm según la normativa ASTM.

Entonces:

휀: x

𝑙𝑓: 50.135 mm

𝑙𝑖: 50 mm

휀 = 50.135𝑚𝑚 − 50𝑚𝑚

50𝑚𝑚= 0.0027

El porcentaje de elongación se obtuvo aplicando la siguiente relación

(Askeland, 1998):

%𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑙𝑓−𝑙𝑖

𝑙𝑖∗ 100 [5]

Entonces:

%𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 0.0027 ∗ 100 = 0.27%

Con los cálculos antes presentados se obtiene la elongación y el porcentaje

de deformación de cada uno de los materiales, de esta manera de presentan

los datos de la tabla 29.

76

Tabla 29. Datos obtenidos de elongación a la rotura y porcentaje de deformación

TIPO DE MUESTRA

LÍMITE FINAL

𝒍𝒇(𝒎𝒎)

ELONGACIÓN A LA ROTURA

(𝜺)

DEFORMACIÓN A LA ROTURA

(%)

RP80%FC20% 50.135 0.0027 0.270

RP70%FC30% 50.140 0.0028 0.281

RP60%FC40% 50.127 0,0025 0.254

RP50%FC50% 50.119 0.0023 0.239

RP80%FC10%FCNT10% 50.099 0.0019 0.199

RP70%FC15%FCNT15% 50.073 0.0014 0.147

RP60%FC20%FCNT20% 50.036 0.0007 0.073

RP50%FC25%FCNT25% 50.075 0.0015 0.151

RP80%FC20%MM04 50.117 0.0023 0.234

RP70%FC30%MM04 50.206 0.0041 0.413

RP60%FC40%MM04 50.081 0.0016 0.162

RP50%FC50%MM04 50.074 0.0014 0.148

4.6.1.3 Módulo de elasticidad o módulo de Young

Para el cálculo del módulo de elasticidad o módulo de Young, se utilizó la ley

de Hooke, cuya fórmula que se muestra a continuación (Askeland, 1998):

𝐸 =𝜎𝑚𝑎𝑥

[6]

Donde:

E: módulo de elasticidad o módulo de Young (MPa)

𝜎𝑚𝑎𝑥: esfuerzo máximo (MPa)

휀: elongación

Entonces:

E: x

𝜎𝑚𝑎𝑥: 7.86 MPa

휀: 0.0027

𝐸 =7.86𝑀𝑃𝑎

0.0027= 2911𝑀𝑃𝑎

77

En la tabla 30 se muestra el módulo de elasticidad para todas las probetas

ensayadas.

Tabla 30. Módulo de elasticidad de las probetas ensayadas

TIPO DE MUESTRA

MÓDULO DE ELASTICIDAD

(MPa)

RP80%FC20% 2911.11

RP70%FC30% 4843.42

RP60%FC40% 3976.38

RP50%FC50% 4828.45

RP80%FC10%FCNT10% 7165.83

RP70%FC15%FCNT15% 5074.83

RP60%FC20%FCNT20% 6547.95

RP50%FC25%FCNT25% 6754.97

RP80%FC20%MM04 5200.85

RP70%FC30%MM04 4101.69

RP60%FC40%MM04 1796.30

RP50%FC50%MM04 8256.76

Con los datos obtenidos del módulo de elasticidad de todos los materiales

propuestos se procedió a tabularlos, para conocer el material que presenta

mejor comportamiento, el resultado se muestran en la figura 63.


Mediante el análisis al gráfico, se concluyó que el material que tiene mayor

módulo de elasticidad fue la configuración RP50%FC50%MM04, llegando

a 8256.76 MPa.


configuración menos indicada en este tipo de material híbrido, como se

puede observar en el gráfico, los resultados tienen una gran variación entre

un valor y otro, dentro de los cuales está el menor que fue nuevamente el

compuesto RP60%FC40%MM04, con un módulo de elasticidad de 1796.3

MPa.

78

78

0,00

1000,00

2000,00

3000,00

4000,00

5000,00

6000,00

7000,00

8000,00

9000,00

80%20% 70%30% 60%40% 50%50%

2911,11

4843,42

3976,38

4828,45

7165,83

5074,83

6547,836754,97

5200,85

4101,69

1796,3

8256,76

Módulo

de e

lasticid

ad (

MP

a)



Figura 63. Módulo de elasticidad de los materiales ensayados.

79

La configuración que posee mayor estabilidad en cuanto a la

determinación del módulo de elasticidad, sin variaciones abruptas entre un

valor y otro fue la que está constituida por 70% de matriz y 30% de

refuerzo, teniendo al material RP70%FC15%FCNT15% con el mayor

resultado dentro de este grupo con 5074.83 MPa.

4.6.1.4 Análisis comparativo de resultados de tracción

Una vez determinadas las características mecánicas individuales de cada uno

de los materiales ensayados se procedió a realizar un análisis comparativo de

dichas propiedades versus las propiedades de algunos materiales usados

comúnmente en la industria automotriz, datos que se obtuvieron mediante

investigación bibliografía.

En la figura 64 se muestra el diagrama resistencia máxima versus módulo de

elasticidad, del cual nos valimos para realizar el análisis comparativo de los

materiales antes mencionados.

En el gráfico presentado se observa que los materiales usados

frecuentemente en la industria automotriz tienen un bajo módulo de elasticidad

pero la resistencia a la tracción es superior a los materiales propuestos en la

presente investigación.

Para conocer el comportamiento que tuvo el material híbrido propuesto frente

a esta caracterización mecánica, se procedió a escoger dos compuestos que

poseen los mejores resultados para analizar su diagrama esfuerzo-

deformación y de esta manera determinar la estabilidad del material frente a

la curva que se forma en dicho diagrama. Los materiales escogidos son:

RP50%FC50%MM04

RP80%FC10%FCNT10%.

En la figura 65 y 66 se muestran dos diagramas de los materiales antes

mencionados, los mismos que nos ayudaron a realizar un análisis del

comportamiento del material.

80

80

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0 9 0 0 0

RE

SIS

TE

NC

IA Ú

LT

IMA

𝜎𝑚𝑎𝑥

(MP

A)


RP80%FC20%

RP70%FC30%

RP60%FC40%

RP50%FC50%

RP80%FC10%FCNT10%

RP70%FC15%FCNT15%

RP60%FC20%FCNT20%

RP50%FC25%FCNT25%

RP80%FC20%MM04

RP70%FC30%MM04

RP60%FC40%MM04

RP50%FC50%MM04

POLIBUTILENO

POLICARBONATO

POLIETILENO

Figura 64. Diagrama resistencia máxima versus módulo de elasticidad de los materiales ensayados y otros materiales utilizados en la industria.

81

Figura 65. Curva esfuerzo-deformación del material propuesto RP50%FC50%MM04.

Figura 66. Curva esfuerzo-deformación del material compuesto RP80%FC10%FCNT10%.

.

De acuerdo con lo observado en la gráfica anterior, se tienen dos curvas del

tipo lineal, las mismas que demuestran un comportamiento frágil de los

materiales, esto se debe a que la sinergia y adhesividad que tuvieron los

materiales tanto matriz como refuerzo en la zona de la probeta donde se

presentó el alargamiento inicial fue deficiente.

4.6.2 ENSAYOS DE FLEXIÓN

Para los ensayos de flexión se presentan los resultados de la misma manera

que los llevamos a cabo con los ensayos de tracción; entonces el primer paso

82

es dar a conocer las especificaciones técnicas del ensayo que se presentan

en la tabla 31.

Tabla 31. Especificaciones técnicas del ensayo de flexión

CARACTERÍSTICAS DETALLE

Equipo de ensayo Maquina Universal de ensayos Tinius

Olsen, modelo H25KS

Velocidad de ensayo (mm/min) 1

Norma de dimensiones ASTM D7264-15

Método Flexión por tres puntos

Distancia entre apoyos Relación espesor 1:16

Dimensiones de la probeta (mm) 160*13*4

Cantidad de probetas 12

Matriz Resina Poliéster ANDERPOL 859-836

Refuerzo


Fibra de coco en polvo + Fibra de coco no tejida

Fibra de coco en polvo + Malla metálica

Tipo de estratificación Manual

Tiempo de curado antes del ensayo 10 días

Con las configuraciones antes mencionadas, se procedió a ejecutar el ensayo

mediante método de flexión de tres puntos, donde se determinó y evaluó el

esfuerzo máximo a flexión o resistencia última (σmax) y el módulo de

elasticidad a flexión con el objetivo de conocer el material que mejor se

comporta frente a estas caracterizaciones mecánicas.

En la tabla 32 se muestran los resultados obtenidos para los ensayos de

flexión correspondientes a los tres grupos de probetas que se ensayaron.

4.6.2.1 Esfuerzo máximo a flexión o resistencia última (𝝈𝒎𝒂𝒙)

Se caracterizaron 3 grupos de 4 probetas cada uno, que fueron sometidas a

carga constante, utilizando la maquina Universal de ensayos Tinius Olsen,

modelo H25KS, las mismas que luego de un cierto tiempo de haber aplicado

dicha carga a velocidad constante llegan a un punto de rotura, obteniendo de

esta manera la deflexión máxima con base en la carga aplicada.

83

83

Tabla 32. Resultados de los ensayos de flexión para todas las configuraciones

TIPO DE MUESTRA

ANCHO (mm)

ESPESOR (mm)

ÁREA

(𝐦𝐦𝟐)

CARGA ÚLTIMA

(N)

MÓDULO TANGENTE

(MPa)

DEFORMACIÓNA LA ROTURA (%)

Configuración utilizada: resina poliéster + fibra de coco el polvo

RP80%FC20% 12.54 3.41 42.76 117.5 1900 8.08

RP70%FC30% 12.60 3.15 39.69 81.67 2720 1.84

RP60%FC40% 13.63 2.99 40.75 21.67 1700 0.85

RP50%FC50% 13.83 3.72 51.45 40.00 1200 1.60

Configuración utilizada: resina poliéster + fibra de coco el polvo + fibra de coco no tejido

RP80%FC10%FCNT10% 11.86 3.78 44.83 52.50 2840 0.96

RP70%FC15%FCNT15% 13.52 3.76 50.84 11.67 1160 2.31

RP60%FC20%FCNT20% 13.02 3.99 51.95 29.97 2450 0.56

RP50%FC25%FCNT25% 14.45 3.59 51.88 49.29 2250 0.99

Configuración utilizada: resina poliéster + fibra de coco el polvo + malla metálica

RP80%FC20%MM02 13.46 3.02 40.65 66.67 1740 2.55

RP70%FC30%MM02 13.38 3.03 40.54 40.00 3460 0.65

RP60%FC40%MM02 13.53 3.48 47.08 28.33 1060 1.50

RP50%FC50%MM02 13.00 3.26 42.38 41.67 1850 1.41

84

Para obtener el esfuerzo máximo de los materiales ensayados se empleó la

siguiente ecuación (Askeland, 1998):

𝜎max𝑓 =3𝐹𝐿

2𝑤ℎ2 [7]

Donde:

𝜎max𝑓: esfuerzo máximo de flexión o resistencia ultima (MPa)


L: longitud entre apoyos (mm)

w: ancho de la probeta (mm)

ℎ2: espesor de la probeta (mm)

Nota: Por motivo de estudio se realizó la comprobación de los datos que

fueron facilitados automáticamente por la máquina Universal de ensayos

Tinius Olsen, modelo H25KS, la misma que toma el espesor de la probeta

como ℎ2 ya elevada al exponente 2, por lo cual en el desarrollo del cálculo se

tomó en cuenta este particular.

Entonces:

𝜎max𝑓: x

F: 117.5 N

L: 16 mm

w: 12.54 mm

ℎ2: 3.41 𝑚𝑚2

𝜎max𝑓 =3 ∗ (117.50𝑁) ∗ (16𝑚𝑚)

2(12.54𝑚𝑚)(3.41𝑚𝑚2)= 65.95𝑀𝑃𝑎

De esta manera se calculó la resistencia última a flexión para todas las

configuraciones de las probetas ensayadas, cuyos valores se presentan en la

tabla 33.

Tabla 33. Resistencia última a flexión de materiales ensayados

TIPO DE MUESTRA RESISTENCIA ÚLTIMA (MPa)

RP80%FC20% 65.95

RP70%FC30% 49.38

85

Tabla 33. Resistencia última a flexión de materiales ensayados. Continuación …

TIPO DE MUESTRA RESISTENCIA ÚLTIMA (MPa)

RP60%FC40% 12.78

RP50%FC50% 18.66

RP80%FC10%FCNT10% 28.15

RP70%FC15%FCNT15% 5.51

RP60%FC20%FCNT20% 13.85

RP50%FC25%FCNT25% 22.81

RP80%FC20%MM02 39.31

RP70%FC30%MM02 23.69

RP60%FC40%MM02 14.44

RP50%FC50%MM02 23.57

Los resultados de las pruebas de flexión se asimilan a las curvas esfuerzo-

deformación, pero en lugar de enfocarse en las deformaciones se enfocan en

las deflexiones (Askeland, 1998). En la figura 67 se presenta la tabulación de

los resultados obtenidos.


Mediante el análisis al gráfico se concluyó, que el material que tuvo un

mejor comportamiento fue el RP80%+FC20%, llegando a 65.95 MPa.


menos indicada para obtener resultados adecuados para este tipo de

caracterización, como se observa en el gráfico, los resultados de este tipo

de material nos arrojan resultados muy dispersos, lo que sugiere una mala

sinergia entre los materiales constituyentes, así como también de la

cantidad de cada material.

El compuesto más ineficiente dentro de esta prueba fue el que posee la

configuración RP70%FC15%FCNT15%, que forma parte del grupo antes

mencionado 70% de matriz 30% de refuerzo con una resistencia última de

5.51 MPa.

86

86

0

10

20

30

40

50

60

70

80%20% 70%30% 60%40% 50%50%

65,95

49,38

12,78

18,66

28,15

5,51

13,85

22,81

39,31

23,69

14,44

23,57Esfu

erz

o m

áxim

o d

e f

lexió

n 𝜎𝑚𝑎𝑥



Figura 67. Esfuerzo máximo de flexión para las probetas de flexión ensayadas.

87

La configuración que posee mayor estabilidad en cuanto a soportar cargas

máximas de flexión, sin presentar diferencias grandes en sus resultados

fue la que está constituida por 50% de matriz y 50% de refuerzo, donde se

demuestra que el material RP50%FC50%MM04 tiene el mayor resultado

dentro de este grupo con 23.57 MPa.

4.6.2.2 Módulo de elasticidad a flexión

Para encontrar el módulo de elasticidad, uno de los valores a emplear es la

deflexión del material (𝛿) que es un valor de elongación del material al aplicar

la fuerza de carga (휀), cuyo valor se obtiene despejando la ecuación [5]

obteniendo como resultado es la siguiente ecuación (Askeland, 1998):

𝛿 = %𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛

100 [8]

Donde:

𝛿: deflexión del material (mm)

%𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛: deformación máxima

Nota: los porcentajes de deformación máxima se presentan en la tabla 34.

Entonces:

𝛿 = 8.08

100

𝛿 = 0.0808𝑚𝑚

En la tabla 34 se muestra tanto la deformación máxima del material como el

cálculo de la deflexión, dato que es importante conocer para llegar a determina

el módulo de elasticidad.

Tabla 34. Datos obtenidos de deflexión del material y porcentaje de deformación

TIPO DE MUESTRA DEFORMACIÓN MÁXIMA (%) DEFLEXIÓN (𝜹) mm

RP80%FC20% 8.08 0.080

RP70%FC30% 1.84 0.018

RP60%FC40% 0.85 0.008

88

Tabla 34. Datos obtenidos de deflexión del material y porcentaje de deformación. Continuación …

TIPO DE MUESTRA DEFORMACIÓN MÁXIMA (%) DEFLEXIÓN (𝜹) mm

RP50%FC50% 1.60 0.016

RP80%FC10%FCNT10% 0.96 0.009

RP70%FC15%FCNT15% 2.31 0.023

RP60%FC20%FCNT20% 0.56 0.005

RP50%FC25%FCNT25% 0.99 0.009

RP80%FC20%MM02 2.55 0.025

RP70%FC30%MM02 0.65 0.006

RP60%FC40%MM02 1.50 0.015

RP50%FC50%MM02 1.41 0.014

Una vez conocidos los datos anteriormente expuestos en la tabla 34,

procedemos a calcular el módulo de elasticidad a flexión mediante la siguiente

ecuación (Askeland, 1998):

𝐸𝑓 =𝐿3𝐹

4𝑤ℎ3𝛿 [9]

Donde:

𝐸𝑓: módulo de elasticidad a flexión (MPa)

L: longitud entre apoyos (mm)


w: ancho de la probeta (mm)

h: espesor de la probeta (mm)

𝛿: deflexión del material al aplicar una fuerza F (mm)

Entonces:

𝐸𝑓: x

L: 16 mm

F: 117.5 N

w: 12.54 mm

h: 3.41 mm

𝛿: 0.0808 mm

89

𝐸𝑓 =𝐿3𝐹

4𝑤ℎ3𝛿

𝐸𝑓 =(16𝑚𝑚)3(117.5𝑁)

4(12.54𝑚𝑚)(3.41𝑚𝑚)3(0.0808𝑚𝑚)= 2994.79𝑀𝑃𝑎

En la tabla 35 se presentan los módulos de elasticidad a flexión que resultaron

del ensayo realizado a las probetas.

Tabla 35. Módulo de elasticidad a flexión de las probetas ensayadas

TIPO DE MUESTRA


(MPa)

RP80%FC20% 2994.79

RP70%FC30% 11540.97

RP60%FC40% 7165.24

RP50%FC50% 3595.75

RP80%FC10%FCNT10% 8742.34

RP70%FC15%FCNT15% 719.81

RP60%FC20%FCNT20% 6626.27

RP50%FC25%FCNT25% 7625.57

RP80%FC20%MM02 7221.45

RP70%FC30%MM02 16930.22

RP60%FC40%MM02 3391.72

RP50%FC50%MM02 6719.05

Con los datos obtenidos del módulo de elasticidad se procedió a tabularlos,

con el objetivo de conocer el material que mejor se comporta ante esta

caracterización mecánica, el resultado se muestran en la figura 68.


Mediante el análisis del gráfico, se llegó a la conclusión de que el material

compuesto por matriz en 70% y refuerzo en 30%, con la configuración

RP70%+FC30%+MM02 alcanzó el módulo de elasticidad a flexión más

alto con un valor de 16930.22 MPa.

90

90

0,00

2000,00

4000,00

6000,00

8000,00

10000,00

12000,00

14000,00

16000,00

18000,00

80%20% 70%30% 60%40% 50%50%

2994,79

11540,97

7165,24

3595,75

8742,34

719,81

6626,27

7625,577221,45

16930,22

3391,72

6719,05

Módulo

de e

lasticid

ad a

fle

xió

n 𝐸𝑓

(MP

a)



Figura 68. Módulo de elasticidad a flexión de los materiales ensayados.

91

Se puede observar que el comportamiento frente al módulo de elasticidad

a flexión en general varía mucho de material en material, por lo que se

espera al análisis comparativo para descartar la composición menos

adecuada dentro de este tipo de ensayos.

Al observar el gráfico se determina que la estabilidad entre probetas de

una misma composición volumétrica es inadecuada, por lo que se puede

indicar a simple vista que la sinergia entre este tipo de materiales es

ineficiente para lograr buenos resultados.

El material que posee el menor módulo de flexión es el compuesto

RP70%FC15FCNT%15.

4.6.2.3 Análisis comparativo de resultados de flexión

Una vez determinadas las características mecánicas individuales de cada uno

de los materiales ensayados, se procedió a realizar un análisis similar al

realizado al ensayo de tracción mediante un diagrama resistencia máxima

versus módulo de elasticidad, con la única diferencia de que en lugar de

enfocarnos en las deformaciones del material nos enfocamos en las

deflexiones del mismo.

En la figura 69 se muestra el diagrama resistencia máxima versus módulo de

elasticidad a flexión, del cual nos valimos para realizar el análisis comparativo

de los materiales compuestos elaborados.

En el gráfico se observa que existe una zona donde se aglomeran la mayor

cantidad de valores, de los cuales sobresalen dos de ellos que son: (I)

RP80%FC10%FCNT10% y (II) RP80%FC20%MM02, se puede decir que esta

región es la media entre todos los resultados obtenidos y que los

comportamientos de los materiales en esta región son similares tanto en

esfuerzo máximo a la flexión como su correspondiente módulo de elasticidad

a la flexión. Se constata también mediante el gráfico, que el material elaborado

con mejor comportamiento frente a la flexión es el que posee la configuración

RP70%FC30%, que mostró un comportamiento alto en el diagrama antes

mencionado, así como también que la configuración menos indicada es la

referente a 60% de matriz y 40% de refuerzo.

92

92

0

10

20

30

40

50

60

70

0 , 0 0 2 0 0 0 , 0 0 4 0 0 0 , 0 0 6 0 0 0 , 0 0 8 0 0 0 , 0 0 1 0 0 0 0 , 0 0 1 2 0 0 0 , 0 0 1 4 0 0 0 , 0 0 1 6 0 0 0 , 0 0 1 8 0 0 0 , 0 0

RE

SIS

TE

NC

IA Ú

LT

IMA

A F

LE

XIÓ

N 𝜎𝑚𝑎𝑥

(MP

A)

MÓDULO DE ELASTICIDAD A FLEXIÓN

RP80%FC20% RP70%FC30% RP60%FC40% RP50%FC50%

RP80%FC10%FCNT10% RP70%FC15%FCNT15% RP60%FC20%FCNT20% RP50%FC25%FCNT25%

RP80%FC20%MM02 RP70%FC30%MM02 RP60%FC40%MM02 RP50%FC50%MM02

Figura 69. Diagrama resistencia máxima a la flexión versus módulo de elasticidad a flexión de los materiales compuestos elaborados.

93

Figura 71. Diagrama esfuerzo-deflexión del material elaborado RP80%FC20%MM02.

Figura 72. Diagrama esfuerzo-deflexión del material elaborado RP70%FC30%.

Figura 70. Diagrama esfuerzo-deflexión del material elaborado RP80%FC10%FCNT10%.

Para conocer el comportamiento que tuvo el material híbrido propuesto frente

a esta caracterización mecánica, se procedió a analizar su diagrama esfuerzo-

deflexión y de esta manera determinar la estabilidad del material frente a la

curva que se forma en dicho diagrama. En las figuras 70, 71 y 72 se muestran

los diagramas de los materiales que tuvieron mejor comportamiento frente a

los ensayos de flexión para su análisis.

94

De acuerdo a lo observado en las gráficas anteriores, las tres curvas

presentadas son del tipo lineal, las mismas que nos demuestra un

comportamiento frágil de los materiales, esto se debe, como en el caso de

ensayo de tracción a la sinergia y la mala adhesividad que tuvieron los

materiales tanto matriz como refuerzo en la zona de la probeta donde se

produjo la deflexión.

4.6.3 TABULACIÓN DE RESULTADOS DE ENSAYOS DESTRUCTIVOS

Una vez determinados los resultados de los ensayos destructivos

pertenecientes a tracción y flexión, se procedió a realizar una tabulación de

todos ellos, de entre los cuales se determinó el material que obtuvo el mejor

comportamiento frente a dichas pruebas.

En la tabla 36 se exhiben los resultados obtenidos de los materiales mejor

comportados en los ensayos destructivos.

Tabla 36. Tabulación de resultados de ensayos destructivos

TIPO DE MUESTRA

ENSAYO DE TRACCIÓN

ENSAYO DE FLEXIÓN

OK

RP70%FC30% X

RP80%FC10%FCNT10% X X O

RP80%FC20%MM X

RP50%FC50%MM X

Como resultado final, se concluye mediante el análisis de los resultados

anteriormente expuestos que el compuesto que obtuvo el mejor

comportamiento en los dos ensayos destructivos fue la configuración

RP80%FC10%FCNT10%, teniendo al refuerzo de fibra de coco en polvo +

fibra de coco no tejida como la mejor. En la tabla 37 se expone la ficha técnica

de este material.

95

Tabla 37. Ficha técnica de material híbrido con mejores resultados P80%FC10%FCNT10%.

4.6.3.1. Comparación del mejor compuesto versus los materiales usados

en guardachoques

Como parte final de este estudio y para cumplir uno de los objetivos

fundamentales del mismo se procedió a comparar los resultados del mejor

material compuesto propuesto versus materiales usados comúnmente en la

industria automotriz para la construcción de guardachoques.

4.6.3.1.1 Propiedades físicas

Dentro de las propiedades físicas se eligió a la densidad, ya que de este valor

depende el peso del guardachoque dentro del automóvil. En la tabla 38 se

presenta las densidades de materiales usados comúnmente en la fabricación

de guardachoques así como también del material propuesto en el presente

trabajo de investigación.

Tabla 38. Densidades de materiales para guardachoques versus nuevo material.

CODIGO DEL MATERIAL P80%FC10%FCNT10%


Absorción de agua (%) 0.2

Densidad (g/cm3) 1.38


Resistencia a la tracción (MPa) 14.26

Modulo tangente (MPa) 6962

Módulo de Young (MPa) 7165.83

Resistencia a la flexión (MPa) 28.15

Módulo de elasticidad a flexión (MPa) 8742.34

MATERIAL

DENSIDAD

(gr/𝒄𝒎𝟑)

Polibutileno 1.31

Policarbonato 1.2

Poliuretano 1.2

96

Tabla 38. Densidades de materiales para guardachoques versus nuevo material. Continuación …

En la tabla antes expuesta se observa que el material compuesto mejor

comportado dentro de esta investigación tiene una densidad acorde a los

materiales más utilizados dentro de la fabricación de guardachoques como

son el polibutileno, policarbonato, poliuretano y el Pryltex que como se indicó

en el capítulo 2, es un compuesto de fibra de vidrio sobre matriz de

polipropileno, usada por fabricantes franceses como Renault y el grupo PSA

(Citroën y Peugeot).

4.6.3.1.2 Propiedades mecánicas

Mediante los ensayos de tracción y flexión realizados al material propuesto,

se revelaron datos de propiedades mecánicas que se compararon con las

propiedades pertenecientes a otros materiales usados en la construcción de

guardachoques que se obtuvieron mediante investigación bibliográfica.

En la tabla 39 se presentan las propiedades mecánicas tanto de los materiales

usados en la fabricación de guardachoques, así como también las

propiedades pertenecientes al nuevo material producto de esta investigación.

En la tabla expuesta, se evidencia que el material propuesto no cumple con

las propiedades mecánicas básicas para emplearlo en la construcción de un

guardachoque ya que los valores que se presentan en relación con el resto

son muy bajos, esto evidencia lo concluido anteriormente dentro de la

caracterización del material, donde se mencionó que el nuevo material es un

material compuesto muy frágil para emplearlo en este tipo de pieza.

MATERIAL

DENSIDAD

(gr/𝒄𝒎𝟑)

Pryltex 1.33

Vidrio-S 2.5

Vidrio-E 2.5

Carbono de alta resistencia 0.175

P80%FC10%FCNT10% 1.3

97

97

Tabla 39. Propiedades mecánicas de materiales usados en la industria versus nuevo material.

(ASTM, 2010)

MATERIAL

RESISTENCIA ÚLTIMA

A TRACCIÓN 𝝈𝒎𝒂𝒙 (MPa)

MÓDULO DE

YOUNG (MPa)

RESISTENCIA ÚLTIMA

A FLEXIÓN 𝝈𝒎𝒂𝒙 (MPa)


A FLEXIÓN (MPa)

ENSAYO REALIZADO

V R V R V R V R NORMAS

Policarbonato 70 55-75 2400 2300-2400 --- 900 --- --- (ASTM-D638) (ASTM-D790)

Poliuretano 165 130/--- 137 120/--- --- --- --- --- (ASTM-D638) (ASTM-D790)

Vidrio-S 2000-3500

48.3

7000 --- ---

96.6

---

34473

(ASTM-D3841) (ASTM-D638) (ASTM-D790)

Vidrio-E 4570 8600 --- --- --- (ASTM-D3841) (ASTM-D638) (ASTM-D790)

P80%FC10%FCNT10% 14.26 --- 7165.83 --- 28.15 --- 8742.34 --- (ASTM-D7264) (ASTM-D3039)

98

Cabe recalcar que todos los datos expuestos pertenecen a materiales

utilizados en la actualidad en la industria automotriz para la construcción de

guardachoques, los mismos que se compararon con normas de construcción

establecidas por la ASTM, pertenecientes a los distintos materiales utilizados

que en este caso en su mayoría son polímeros.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

99

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 CONCLUSIONES

Se estableció el diseño de probetas para los distintos ensayos que se

realizaron, cuyas dimensiones fueron establecidas mediante normas ASTM

correspondientes, llevando a cabo de esta manera los ensayos de tracción y

flexión; los cuales se realizaron en una maquina Tinius Olsen H25KS en el

Laboratorio de Nuevos Materiales de la Universidad Politécnica Nacional,

cuyos resultados sirvieron para determinar las propiedades mecánicas de los

nuevos materiales propuestos en el presente proyecto.

Se determinó las propiedades mecánicas de los compuestos elaborados con

fibra de coco mediante ensayos destructivos, mismos que dieron como

resultado un material híbrido frágil que se evidenció en los diagramas

esfuerzo-deformación y esfuerzo-deflexión de cada uno de ellos.

Mediante el análisis de los resultados obtenidos, se llegó a la conclusión de

que la sinergia entre los compuestos: fibra de coco en polvo, fibra de coco no

tejido y malla metálica que fueron los refuerzos utilizados para construir las

probetas, fue insuficiente para que el material sea estable frente a las cargas

a las cuales fue sometido, por lo cual se tuvo diferencias grandes en los

resultados entre una configuración y otra.

Se compararon los resultados de las propiedades mecánicas obtenidas de los

ensayos de tracción frente a las propiedades de materiales usados

comúnmente en la construcción de guardachoques como son el: polibutileno,

policarbonato, poliuretano, fibra de vidrio y fibra de carbono, donde se

evidencio que los materiales propuestos no cumplen con los requisitos

mínimos en cuanto a propiedades mecánicas para utilizarle en el diseño y la

construcción de un guardachoque.

El material que presentó mejores resultados en los ensayos destructivos, fue

la fibra de coco no tejida, que por ser una fibra gruesa y continua en relación

a la fibra de coco y la malla metálica, la cual ayudó para que la transferencia

de las cargas sea menor desde la matriz hacia el refuerzo.

100

Se cumplió todos los objetivos planteados, llegando a la conclusión de que no

es viable la construcción de un guardachoque con este tipo de material o con

la configuración de matriz-refuerzo usadas en la presente investigación, ya

que el material que mejor se comportó frente a los ensayos destructivos no

tiene las propiedades adecuadas para ser utilizado en un elemento de

seguridad pasiva muy importante como lo es el guardachoque.

5.2 RECOMENDACIONES

Se propone llevar a cabo un estudio más profundo de este tipo de material

alternativo, variando la fracción volumétrica de cada material en porcentajes

no muy amplios, con esto se lograrían mejores resultados.

Dar un tratamiento a las fibras que constituyen el refuerzo, con la finalidad de

que la sinergia y por consiguiente la adhesividad que tenga con la matriz sea

más eficiente.

Usar los resultados obtenidos en la presente investigación para verificar si sus

propiedades están dentro de los parámetros para la construcción de otro tipo

de pieza automotriz o para otras necesidades, ya que es un material 100%

natural y biodegradable.

101

NOMENCLATURA O GLOSARIO

𝐂𝐎𝟐 Dióxido de carbono

FAO Organización de las Naciones Unidas para la alimentación y la

agricultura

MAGAP Ministerio de Agricultura, Ganadería, Acuacultura y Pesca

ANT Agencia Nacional de Tránsito

PP Plástico Polipropileno

PMMA Polimetilmetacrilato

CNT Carbonnanotubos

PSI Libra-Fuerza por pulgada cuadrada

PLG Pulgada

ºC Grado Centígrado

Fe Hierro

Ni Níquel

Cr Cromo

ASTM American Society for Testing and Materials

PC Policarbonato

PVC Policloruro de vinilo

PBT Polibutileno

PET Tereftalato de polietileno

SMC Sheet Molding Compounds

PSC Peugeot Société Anonyme

PAN Poliacrilonitrilo

LANUM Laboratorio de Nuevos materiales

kN Kilo newton

RP Resina Poliéster

FC Fibra de coco

FCNT Fibra de coco no tejida

MM Malla metálica

MECK Peróxido de metiletilcetona

BIBLIOGRAFÍA

102

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ANEXOS

106

ANEXO 1.

Materiales poliméricos usados en la industria automotriz

ANEXOS

107

ANEXO 2.

Siniestros por tipo a nivel nacional a diciembre 2015

108

ANEXO 3.

Curva esfuerzo de flexión para el MgO, obtenida a partir de

un ensayo de flexión

109

ANEXO 4.

Características básicas de los aceros inoxidables,

resistentes a altas temperaturas

110

ANEXO 5.

Cadillac Town sedan 1928

111

ANEXO 6.

Chrysler Norseman Concept 1956

112

ANEXO 7.

Maserati Simun 1968

113

ANEXO 8.

Tabla de clasificación de los materiales termoplásticos

114

PROPIEDADES ISOCIANATO (PART A)

POLYOL (PART B)

Apariencia Liquido Amarillo Liquido Blanco

Gravedad específica a 25 ºC 1.19 1.04

Viscosidad a 25 ºC, mPa-s 400 1100

Flash Point PMCC, ºC >93 138

ANEXO 9.

Propiedades típicas de los componentes del material

Bayflex®

115

PARAMETROS DE MOLDEO ENSAYO

Temperatura del material, ºC (ºF) 28 (82)

Temperatura de moldeo, ºC (ºF) 49 (120)

Tiempo de desmoldeo min 3.5

Contracción lineal de 0,10 g/cc <1,0%

Hand mix reactivity 25 ° C:

Cream Time, sec 12 - 16

Tack-Free Time, sec 30 - 40

Pull time, sec 45 - 60

ANEXO 10.

Parámetros de moldeo para el material Bayflex®

116

PROPIEDADES ENSAYO VALOR

Densidad de moldeo (Bayer) 31.2 lb/ft3 (0.50 g/cm3)

Dureza (Shore D, 0.125 in) D2240 52A

Resistencia a la tracción D412 450 lb/in2

Alargamiento D412 400%

Resistencia al desgarre

Die C D624 80 lbf/in

Block (BAYER) 25 lbf/in

Abrasión Taber D3489

H-18 Wheel, 1000-g load, 1000 ciclos 70 mg loss

Ross Flex al 0% de crecimiento de corte D1052

73ºF, ¼” del panel >100,0000 ciclos

-20ºF, ¼” del panel >50,000 ciclos

Prueba de resistencia de aceite,% volumen oleaje

D5694 <5%

ANEXO 11.

Propiedades de la espuma de poliuretano Bayflex® 180/190

117

ANEXO 12.

Características de los tipos de refuerzos hechos con fibras

118

ORIGEN NOMBRE SIGLA

Algodón CO

Ceibo KP

Lino LI

Cáñamo HA

Cáñamo Sunn SN

Yute JU

Ramio RA

Kenaf KE

Paja STR

Banana BAN

Piña PIN

Papiro PAPY

Bambú BAM

Yute del Congo JR

Rafia RAF

Sisal SI

Abacá AB

Henequén HE

Fiqué, Cabuya FI

Esparto AL

Lino de NZ NF

Rosella JS

Acacia AKAZ

Yuca YUCC

Del Fruto Coco CC

De la Savia Caucho NR

Hilo de Papel PAP

De Turba PEAT

Hierba de algodón COG

De Semillas

De Tallo

De Hoja

De otras partes

ANEXO 13.

Resumen de fibras presentes en la naturaleza en la

actualidad

119

ANEXO 14.

Curva esfuerzo deformación para algunas fibras naturales

vegetales

120

ANEXO 15.

Comparación de propiedades mecánicas da la fibra de vidrio

y fibra de carbono a 20 ºC

121

ANEXO 16.

Ficha técnica de resina poliéster Anderpol 859-836

Generalidades

La resina ANDERPOL 859-836 es

una resina poliéster insaturado no

pre- acelerada.

Presenta rápido curado y desarrollo

de la dureza que, junto con una

excelente impregnación en

procesos de moldeo por contacto y

aspersión minimizan los

requerimientos de mano de obra y

permiten obtener laminados de

mejor desempeño mecánico,

generando beneficios en reducción

de costos y tiempos de proceso.

122

Campos de aplicación

Los laminados fabricados con

ANDERPOL 859-836 tienen muy

buena resistencia al agua y

excelentes propiedades

mecánicas, haciéndola apropiada

para fabricaciones artículos de

construcción como tanques de bajo

volumen, bañeras y autopartes

entre otros tipos de laminaciones

generales.

Formulación

Para curado a temperatura

ambiente (Temperatura

recomendada entre 20 - 25°C. No

se recomienda trabajar por debajo

de 15°C) se sugiere la siguiente

formulación:

Partes en peso - 100

ANDERPOL 859-836

MEK peróxido - 9 % oxigeno.

Activo (1.0 – 2.5)

Octoato de Cobalto (0,2 – 0,5)

Se adiciona los dos agentes debido

a que es una resina sin pre

acelerante.

Curado

La temperatura ambiente y la

cantidad de catalizador controlan el

tiempo de gel de la resina

ANDERPOL 859-836. El curado

debe realizarse a temperaturas

superiores a 15 °C, que es la

temperatura mínima de activación

de la reacción de Reticulación. La

catalización por debajo de esta

temperatura afecta notablemente

las propiedades mecánicas de los

laminados evitando el proceso de

curado del producto. Con el curado

a temperatura ambiente

(Temperatura recomendada entre

20 – 25 °C) se obtienen laminados

satisfactorios para muchas

aplicaciones. Sin embargo, cuando

se requieren óptimas propiedades y

buen desempeño a largo plazo, el

laminado se debe post-curar

mínimo durante un periodo de tres

horas a 80 °C o por más tiempo a

menor temperatura.

Aditivos

La resina ANDERPOL 859-836 se

puede pigmentar hasta con 5 % (en

peso) de nuestras pastas pigmento

Cristacolor. Si se requieren

laminados con retardancia al fuego

se puede adicionar entre 10% a

20% (phr) de nuestra pasta

retardante al fuego Cristafuego

190.

También puede cargarse hasta con

20% (phr) de carbonato de calcio u

otra carga mineral.

123

Debe tenerse en cuenta el efecto

que cualquier aditivo tiene sobre las

características de manejo de las

resinas y sobre las propiedades

finales del producto terminado

antes de implementar la producción

a nivel industrial. Si requiere de

alguna formulación especial debe

consultar al personal de Marketing

Técnico en Andercol s.a.

La resina ANDERPOL 859 está

clasificada como "líquido

inflamable" según código NFPA 30

(división 3.3.25.2), por tener un

punto de inflamación de 31 °C en

crisol cerrado. Debe mantenerse

alejado de llamas abiertas.

Se suministra en tambores

metálicos de 230 Kg.

La resina ANDERPOL 836 tiene un

tiempo de vida equivalente a seis

meses desde el momento de su

fabricación, siempre y cuando el

producto este almacenado a

condiciones de temperatura (25°C)

y humedad (menor a 80%)

adecuadas para obtener una mejor

estabilidad.

Manipulación y almacenamiento

La información detallada para el

manejo seguro de este material se

encuentra en la respectiva Hoja de

Seguridad de Materiales.

Dada la naturaleza química de este

producto, se presentara la

separación y precipitación de

partículas durante el

almacenamiento. Se recomienda

agitar el producto antes de su

utilización, tener una buena

limpieza de equipos y boquillas de

aspersión para evitar problemas en

la aplicación.

124

(Impresiones A4 adjuntas)

ANEXO 17.

Informe de Laboratorio de Nuevos Materiales

LANUM-EPN Página 1 de 8 Orden Nº 0002897

INFORME TÉCNICO LANUM-MAY.12

Quito, 12 de mayo de 2016

Trabajo solicitado por: Sr. Leonardo Luna

ORDEN DE TRABAJO Nº 000002897

Los resultados contenidos en el presente informe corresponden a ensayos de caracterización

mecánica de tracción y flexión realizados en tres grupos de muestras de material compuesto

con matriz de resina poliéster reforzado con fibra de coco. Las muestras fueron entregadas en

el Laboratorio de Nuevos Materiales de la Escuela Politécnica Nacional por la persona

solicitante.

MUESTRAS:

Los grupos de probetas fueron denominados por la persona solicitante de la siguiente forma:

- Resina poliéster + fibra de coco no tejido (RP + FCT)

- Resina poliéster + fibra de coco en polvo (RP + FC)

- Resina poliéster + malla metálica + fibra de coco en polvo (RP + FC)

ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN MECÁNICA Equipos utilizados

- Máquina universal de ensayos Tinius Olsen modelo H25K-S; capacidad máxima 25 KN;

apreciación: 0,01 N; 0,01 MPa.

- Calibrador de vernier Mitutoyo modelo Absolute Digimatic (12”/300 mm) con una

apreciación de 0,01 mm.

- Micrómetro Mitutoyo modelo M110-25 con una apreciación de 0,01 mm.

1. ENSAYO DE RESISTENCIA A LA TRACCIÓN SEGÚN LA NORMA ASTM D3039-15

Condiciones de ensayo según la norma ASTM D3039-15

- Velocidad de ensayo: 2 mm/min

- El extensómetro debe ser colocado con una separación de 50 mm entre marcas

En la Fig. 1 se ilustra el ensayo de tracción realizado a una probeta de material compuesto.


Figura 1. Ensayo de tracción realizado a una probeta de material compuesto, siguiendo los

parámetros de la norma ASTM D3039-15.

RESULTADOS

a) En la Tabla 1 se presentan los resultados obtenidos de los ensayos de tracción en las

probetas de material compuesto identificado como " Resina poliéster + fibra de coco no

tejido (RP + FCT)."

Tabla 1. Resultados de los ensayos de tracción realizados según la norma ASTM D3039-15 en

las probetas de material compuesto identificado como "Resina poliéster + fibra de coco no

tejido (RP + FCT)."

ENSAYO DE TRACCIÓN ASTM D3039-15: Resina poliéster + fibra de coco no tejido (RP + FCT)

Muestra No. Ancho (mm)

Espesor (mm)

Área (mm

2)

Carga última (N)

Resistencia última (MPa)

Módulo tangente

(MPa)

Deformación a la rotura

(%)

RP 80% + FCT 20% 22,71 3,27 74,26 1059,00 14,26 6962 0,199

RP 70% + FCT 30% 24,90 3,66 91,13 674,76 7,46 5191 0,147

RP 60% + FCT 40% 24,82 4,15 103,00 492,46 4,78 4761 0,073

RP 50% + FCT 50% 24,38 4,58 111,66 1140,50 10,20 7120 0,151

En la Fig. 2 se pueden apreciar las condiciones de las probetas del material identificado como

"Resina poliéster + fibra de coco no tejido (RP + FCT)" después de los ensayos de tracción.


Figura 2. Condiciones de las probetas de material compuesto identificado "Resina poliéster +

fibra de coco no tejido (RP + FCT)" después de los ensayos de tracción.

b) En la Tabla 2 se presentan los resultados obtenidos de los ensayos de tracción en las

probetas de material compuesto identificado como "Resina poliéster + fibra de coco en

polvo (RP + FC)".


las probetas de material compuesto identificado como "Resina poliéster + fibra de coco en

polvo (RP + FC)"

ENSAYO DE TRACCIÓN ASTM D3039-15: Resina poliéster + fibra de coco en polvo (RP + FC)


Espesor (mm)

Área (mm

2)

Carga última (N)


Módulo tangente

(MPa)


(%)

RP 80% + FC 20% 25,88 3,14 81,26 639,71 7,86 3422 0,270

RP 70% + FC 30% 26,75 2,88 77,04 1050,40 13,61 5038 0,281

RP 60% + FC 40% 25,78 3,36 86,62 876,52 10,10 4211 0,254

RP 50% + FC 50% 26,04 4,07 105,98 1224,30 11,54 5226 0,239

En la Fig. 3 se pueden apreciar las condiciones de las probetas de material compuesto

identificado como "Resina poliéster + fibra de coco en polvo (RP + FC)" después de los ensayos

de tracción.


Figura 3. Condiciones de las probetas de material compuesto identificado como "Resina

poliéster + fibra de coco en polvo (RP + FC)" después de los ensayos de tracción.

c) En la Tabla 3 se presentan los resultados obtenidos de los ensayos de tracción en las

probetas de material compuesto identificado como "Resina poliéster + malla metálica +

fibra de coco en polvo (RP + FC)".


las probetas de material compuesto identificado como "Resina poliéster + malla metálica +

fibra de coco en polvo (RP + FC)"

ENSAYO DE TRACCIÓN ASTM D3039-15: Resina poliéster + malla metálica + fibra de coco en polvo (RP + FC)


Espesor (mm)

Área (mm

2)

Carga última (N)


Módulo tangente

(MPa)


(%)

RP 80% + FC 20% 24,74 3,92 96,98 1179,10 12,17 5424 0,234

RP 70% + FC 30% 24,78 3,65 90,45 1532,00 16,94 4515 0,413

RP 60% + FC 40% 26,22 4,20 110,12 320,83 2,91 2584 0,162

RP 50% + FC 50% 24,74 4,74 117,27 1434,6 12,22 8402 0,148


identificado como "Resina poliéster + malla metálica + fibra de coco en polvo (RP + FC)"

después de los ensayos de tracción.


Figura 4. Condiciones de las probetas de material compuesto identificado como " Resina

poliéster + malla metálica + fibra de coco en polvo (RP + FC)" después de los ensayos de

tracción.

2. ENSAYO DE RESISTENCIA A LA FLEXIÓN SEGÚN LA NORMA ASTM D7264-15

Condiciones de ensayo según la norma ASTM D7264-15

- Velocidad de ensayo: 1 mm/min

- Método: Flexión por tres puntos

- La relación espesor - distancia entre apoyos que se considera es 1:16

En la Fig. 5 se ilustra el ensayo de flexión realizado en las probetas de material compuesto.

Figura 5. Ensayos de flexión realizados en las probetas de material compuesto, siguiendo los

parámetros de la norma ASTM D7264-15.


RESULTADOS

a) En la Tabla 4 se presentan los resultados obtenidos de los ensayos de flexión en las

probetas de material compuesto identificado como "Resina poliéster + fibra de coco no

tejido (RP + FCT)."

Tabla 4. Resultados de los ensayos de flexión realizados según la norma ASTM D7264-15 en las

probetas de material compuesto identificado como "Resina poliéster + fibra de coco no tejido

(RP + FCT)."

ENSAYO DE FLEXIÓN ASTM D7264-15: Resina poliéster + fibra de coco no tejido (RP + FCT)


Espesor (mm)

Área (mm

2)

Carga última

(N)


Módulo tangente

(MPa)

Deformación máxima (%)

RP 80% + FCT 20% 11,86 3,78 44,83 52,50 28,15 2840 0,96

RP 70% + FCT 30% 13,52 3,76 50,84 11,67 5,51 1160 2,31

RP 60% + FCT 40% 13,02 3,99 51,95 29,97 13,85 2450 0,56

RP 50% + FCT 50% 14,45 3,59 51,88 49,29 22,81 2250 0,99


identificado como "Resina poliéster + fibra de coco no tejido (RP + FCT)" después de los

ensayos de flexión.


poliéster + fibra de coco no tejido (RP + FCT)", después de efectuados los ensayos de flexión.

b) En la Tabla 5 se presentan los resultados obtenidos de los ensayos de flexión en las

probetas de material compuesto identificado como "Resina poliéster + fibra de coco en

polvo (RP + FC)".



probetas de material compuesto identificado como "Resina poliéster + fibra de coco en polvo

(RP + FC)."

ENSAYO DE FLEXIÓN ASTM D7264-15: Resina poliéster + fibra de coco en polvo (RP + FC)


Espesor (mm)

Área (mm

2)

Carga última

(N)


Módulo tangente

(MPa)


RP 80% + FC 20% 12,54 3,41 42,76 117,5 65,95 1900 8,08

RP 70% + FC 30% 12,60 3,15 39,69 81,67 49,38 2720 1,84

RP 60% + FC 40% 13,63 2,99 40,75 21,67 12,78 1700 0,85

RP 50% + FC 50% 13,83 3,72 51,45 40,00 18,66 1200 1,60


identificado como "Resina poliéster + fibra de coco en polvo (RP + FC)" después de los ensayos

de flexión.


poliéster + fibra de coco en polvo (RP + FC)", después de efectuados los ensayos de flexión.

c) En la Tabla 6 se presentan los resultados obtenidos de los ensayos de flexión en las

probetas de material compuesto identificado como "Resina poliéster + malla metálica +

fibra de coco en polvo (RP + FC)."



probetas de material compuesto identificado como "Resina poliéster + malla metálica + fibra

de coco en polvo (RP + FC)".

ENSAYO DE FLEXIÓN ASTM D7264-15:Resina poliéster + malla metálica + fibra de coco en polvo (RP + FC)


Espesor (mm)

Área (mm

2)

Carga última

(N)


Módulo tangente

(MPa)


RP 80% + FC 20% 13,46 3,02 40,65 66,67 39,31 1740 2,55

RP 70% + FC 30% 13,38 3,03 40,54 40,00 23,69 3460 0,65

RP 60% + FC 40% 13,53 3,48 47,08 28,33 14,44 1060 1,50

RP 50% + FC 50% 13,00 3,26 42,38 41,67 23,57 1850 1,41


identificado como "Resina poliéster + malla metálica + fibra de coco en polvo (RP + FC)"

después de los ensayos de flexión.


poliéster + malla metálica + fibra de coco en polvo (RP + FC)", después de efectuados los

ensayos de flexión.

Víctor Hugo Guerrero, Ph.D.

JEFE DEL LABORATORIO DE NUEVOS MATERIALES

133


# de hoja Diagrama esfuerzo-deformación

134 RP80%FC20%

135 RP70%FC30%

136 RP60%FC40%

137 RP50%FC50%

138 RP80%FC10%FCNT10%

139 RP70%FC15%FCNT15%

140 RP60%FC20%FCNT20%

141 RP50%FC25%FCNT25%

142 RP80%FC20%MM04

143 RP70%FC30%MM04

144 RP60%FC40%MM04

145 RP50%FC50%MM04

Se agra

ANEXO 18.

Diagramas esfuerzo-deformación correspondiente a ensayos

de tracción

Laboratorio de Nuevos MaterialesTracción con extensómetro

0.2% OFS, 0.5% EUL, Strain From Ext.

Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Total Elongation (Auto)%

Gage Length (Final)mm

Yield StressMPa

25.88 3.14 81.39 3422 0.270 639.71 7.860 0.270 7.860

0.06 0.08 0.11 0.13 0.16 0.18 0.20 0.23 0.25 0.280

0.80

1.60

2.40

3.20

4.00

4.80

5.60

6.40

7.20

8.00

0

Stre

ss (M

Pa)

Strain (%)v10.0.11.0Tracción con extensómetro (rev. 27) - Page 1 -

Escuela Politecnica NacionalPrinted: 5/10/2016 4:14 PM



Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa



Yield StressMPa

26.75 2.88 77.17 5038 0.281 1050.4 13.61 0.281 13.46

0.08 0.11 0.14 0.18 0.21 0.24 0.27 0.30 0.34 0.370

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

0

Stre

ss (M

Pa)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa



Yield StressMPa

25.78 3.36 86.77 4211 0.254 876.52 10.10 0.254 7.953

0.03 0.06 0.08 0.11 0.14 0.17 0.19 0.22 0.25 0.27

2.01

4.01

6.02

8.02

10.0

12.0

14.0

16.0

18.1

0

Stre

ss (M

Pa)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa



Yield StressMPa

26.04 4.07 106.1 5226 0.239 1224.3 11.54 0.239 11.54

0.06 0.08 0.11 0.13 0.16 0.18 0.20 0.23 0.25 0.28

2.02

4.04

6.06

8.08

10.1

12.1

14.1

16.2

18.2

0

Stre

ss (M

Pa)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa



Yield StressMPa

22.71 3.27 74.26 6962 0.199 1059.0 14.26 0.199 13.46

0.01 0.04 0.07 0.10 0.13 0.16 0.18 0.21 0.24 0.27

2.00

4.00

6.01

8.01

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

0

Stre

ss (M

Pa)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa



Yield StressMPa

24.90 3.63 90.41 5191 0.147 674.76 7.464 0.147 7.464

0.03 0.06 0.08 0.11 0.14 0.17 0.19 0.22 0.25 0.27

-1.00

-2.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

0Str

ess

(MPa

)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa



Yield StressMPa

24.82 4.15 103.0 4761 0.0630 492.46 4.780 0.0730 4.780

0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 0.11 0.12 0.14 0.16 0.180

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

0

Stre

ss (M

Pa)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa



Yield StressMPa

24.38 4.58 111.8 7120 0.151 1140.5 10.20 0.151 14.14

0.01 0.04 0.07 0.10 0.13 0.16 0.18 0.21 0.24 0.270

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

0

Stre

ss (M

Pa)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa



Yield StressMPa

24.74 3.92 96.88 5424 0.234 1179.1 12.17 0.234 11.51

0.05 0.08 0.10 0.13 0.15 0.18 0.20 0.23 0.25 0.28

2.02

4.04

6.06

8.08

10.1

12.1

14.1

16.2

18.2

0

Stre

ss (M

Pa)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa



Yield StressMPa

24.78 3.65 90.43 4515 0.413 1532.0 16.94 0.413 16.94

0.04 0.09 0.13 0.18 0.22 0.27 0.32 0.36 0.41 0.45

2.02

4.04

6.06

8.08

10.1

12.1

14.1

16.2

18.2

0

Stre

ss (M

Pa)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa



Yield StressMPa

26.22 4.20 110.1 2584 0.117 320.83 2.914 0.162 2.914

0.01 0.04 0.07 0.10 0.13 0.16 0.18 0.21 0.24 0.27

0.32

0.64

0.96

1.28

1.60

1.92

2.24

2.56

2.88

0

Stre

ss (M

Pa)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Ultimate Strain%

UltimateN

UltimateMPa



Yield StressMPa

24.74 4.74 117.4 8402 0.148 1434.6 12.22 0.148 17.79

0.02 0.05 0.08 0.10 0.13 0.16 0.19 0.22 0.24 0.270

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

0

Stre

ss (M

Pa)



146

ANEXO 19.

Diagramas esfuerzo-deflexión correspondiente a ensayos de

flexión


# de hoja Diagrama esfuerzo-deflexión

147 RP80%FC20%

148 RP70%FC30%

149 RP60%FC40%

150 RP50%FC50%

151 RP80%FC10%FCNT10%

152 RP70%FC15%FCNT15%

153 RP60%FC20%FCNT20%

154 RP50%FC25%FCNT25%

155 RP80%FC20%MM02

156 RP70%FC30%MM02

157 RP60%FC40%MM02

158 RP50%FC50%MM02

Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y VibracionesGeneric Flexure 3PT

Method Name: Flexion 3pt Output Name:

Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%

Total Elongation (Auto)mm/mm

12.54 3.41 42.8 1900 117.50 65.95 5.26 8.08 0.0808

12.54 42.8 1900 N/A 117.50 65.95 8.08AverageN/A N/A N/A N/A N/A N/A N/ASD

0 0.90 1.80 2.70 3.60 4.50 5.40 6.30 7.20 8.1000

7.00

14.0

21.0

28.0

35.0

42.0

49.0

56.0

63.0

70.0

0

Esfu

erzo

(MPa

)

Deformación (%)v10.0.11.0Flexion 3pt (rev. 15) - Page 1 -




Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%


12.60 3.15 39.7 2720 49.4 1.84 81.67 49.38 1.84 1.84 0.0184

12.60 39.7 2720 49.4 81.67 49.38 1.84AverageN/A N/A N/A N/A N/A N/A N/ASD

0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.8000

5.00

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

0

Esfu

erzo

(MPa

)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%


13.63 2.99 40.7 1700 12.8 0.768 21.67 12.78 0.751 0.85 0.00852


0 0.09 0.18 0.27 0.36 0.45 0.54 0.63 0.72 0.810-2.30

2.30

4.60

6.90

9.20

11.5

13.8

16.1

18.4

0

Esfu

erzo

(MPa

)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%


13.83 3.72 51.4 1200 16.3 1.36 40.00 18.66 1.60 1.60 0.0160


0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.8000

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

0

Esfu

erzo

(MPa

)




Method Name: Flexion 3pt Output Name: Flexion 3pt

Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%


11.86 3.78 44.8 2840 28.2 1.00 52.50 28.15 1.00 0.96 0.00963


0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.800

3.05

6.10

9.15

12.2

15.3

18.3

21.4

24.4

27.5

0

Esfu

erzo

(MPa

)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%


13.52 3.76 50.8 1160 4.72 0.397 11.67 5.51 0.660 2.31 0.0231


0 0.30 0.60 0.90 1.20 1.50 1.80 2.10 2.40 2.7000

0.60

1.20

1.80

2.40

3.00

3.60

4.20

4.80

5.40

6.00

0

Esfu

erzo

(MPa

)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%


13.02 3.99 51.9 2450 13.8 0.564 29.97 13.85 0.563 0.56 0.00564


0 0.06 0.12 0.18 0.24 0.30 0.36 0.42 0.48 0.540

2.04

4.08

6.12

8.16

10.2

12.2

14.3

16.3

18.4

0

Esfu

erzo

(MPa

)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%


14.45 3.59 51.9 2250 22.8 1.02 49.29 22.81 1.02 0.99 0.00995


0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.8000

3.00

6.00

9.00

12.0

15.0

18.0

21.0

24.0

27.0

30.0

0

Esfu

erzo

(MPa

)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%


13.46 3.02 40.7 1740 66.67 39.31 2.55 2.55 0.0255

13.46 40.7 1740 N/A 66.67 39.31 2.55AverageN/A N/A N/A N/A N/A N/A N/ASD

0 0.30 0.60 0.90 1.20 1.50 1.80 2.10 2.40 2.700

4.01

8.02

12.0

16.0

20.1

24.1

28.1

32.1

36.1

0

Esfu

erzo

(MPa

)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%


13.38 3.03 40.5 3460 23.7 0.688 40.00 23.69 0.684 0.65 0.00652


0 0.07 0.14 0.21 0.28 0.35 0.42 0.49 0.56 0.6300

3.00

6.00

9.00

12.0

15.0

18.0

21.0

24.0

27.0

30.0

0

Esfu

erzo

(MPa

)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%


13.53 3.48 47.1 1060 11.4 1.08 28.33 14.44 1.44 1.50 0.0150


0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.800

2.05

4.10

6.15

8.20

10.3

12.3

14.4

16.4

18.5

0

Esfu

erzo

(MPa

)





Widthmm

Thicknessmm

Areamm²

ModulusMPa

Yield StressMPa

Yield Strain%

UltimateN

UltimateMPa

Ultimate Strain%

TE (Auto)%


13.00 3.26 42.4 1850 17.4 0.953 41.67 23.57 1.43 1.41 0.0141


0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.8000

3.00

6.00

9.00

12.0

15.0

18.0

21.0

24.0

27.0

30.0

0

Esfu

erzo

(MPa

)



159


ANEXO 20.

Norma ASTM D638-03 Standard Test Method for Tensile

Properties of Plastics

Designation: D 638 – 03

Standard Test Method forTensile Properties of Plastics 1

This standard is issued under the fixed designation D 638; the number immediately following the designation indicates the year oforiginal adoption or, in the case of revision, the year of last revision. A number in parentheses indicates the year of last reapproval. Asuperscript epsilon (e) indicates an editorial change since the last revision or reapproval.

This standard has been approved for use by agencies of the Department of Defense.

1. Scope*

1.1 This test method covers the determination of the tensileproperties of unreinforced and reinforced plastics in the formof standard dumbbell-shaped test specimens when tested underdefined conditions of pretreatment, temperature, humidity, andtesting machine speed.

1.2 This test method can be used for testing materials of anythickness up to 14 mm [0.55 in.]. However, for testingspecimens in the form of thin sheeting, including film less than1.0 mm [0.04 in.] in thickness, Test Methods D 882 is thepreferred test method. Materials with a thickness greater than14 mm [0.55 in.] must be reduced by machining.

1.3 This test method includes the option of determiningPoisson’s ratio at room temperature.

NOTE 1—This test method and ISO 527-1 are technically equivalent.NOTE 2—This test method is not intended to cover precise physical

procedures. It is recognized that the constant rate of crosshead movementtype of test leaves much to be desired from a theoretical standpoint, thatwide differences may exist between rate of crosshead movement and rateof strain between gage marks on the specimen, and that the testing speedsspecified disguise important effects characteristic of materials in theplastic state. Further, it is realized that variations in the thicknesses of testspecimens, which are permitted by these procedures, produce variations inthe surface-volume ratios of such specimens, and that these variations mayinfluence the test results. Hence, where directly comparable results aredesired, all samples should be of equal thickness. Special additional testsshould be used where more precise physical data are needed.

NOTE 3—This test method may be used for testing phenolic moldedresin or laminated materials. However, where these materials are used aselectrical insulation, such materials should be tested in accordance withTest Methods D 229 and Test Method D 651.

NOTE 4—For tensile properties of resin-matrix composites reinforcedwith oriented continuous or discontinuous high modulus >20-GPa[>3.0 3 106-psi] fibers, tests shall be made in accordance with TestMethod D 3039/D 3039M.

1.4 Test data obtained by this test method are relevant andappropriate for use in engineering design.

1.5 The values stated in SI units are to be regarded as thestandard. The values given in brackets are for information only.

1.6 This standard does not purport to address all of thesafety concerns, if any, associated with its use. It is theresponsibility of the user of this standard to establish appro-priate safety and health practices and determine the applica-bility of regulatory limitations prior to use.

2. Referenced Documents

2.1 ASTM Standards:2

D 229 Test Methods for Rigid Sheet and Plate MaterialsUsed for Electrical Insulation

D 412 Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermo-plastic Elastomers—Tension

D 618 Practice for Conditioning Plastics for TestingD 651 Test Method for Tensile Strength of Molded Electri-

cal Insulating MaterialsD 882 Test Methods for Tensile Properties of Thin Plastic

SheetingD 883 Terminology Relating to PlasticsD 1822 Test Method for Tensile-Impact Energy to Break

Plastics and Electrical Insulating MaterialsD 3039/D 3039M Test Method for Tensile Properties of

Polymer Matrix Composite MaterialsD 4000 Classification System for Specifying Plastic Mate-

rialsD 4066 Classification System for Nylon Injection and Ex-

trusion MaterialsD 5947 Test Methods for Physical Dimensions of Solid

Plastic SpecimensE 4 Practices for Force Verification of Testing MachinesE 83 Practice for Verification and Classification of Exten-

someterE 132 Test Method for Poisson’s Ratio at Room Tempera-

tureE 691 Practice for Conducting an Interlaboratory Study to

Determine the Precision of a Test Method2.2 ISO Standard:3

1 This test method is under the jurisdiction of ASTM Committee D20 on Plasticsand is the direct responsibility of Subcommittee D20.10 on Mechanical Properties.

Current edition approved December 1, 2003. Published January 2004. Originallyapproved in 1941. Last previous edition approved in 2002 as D 638 - 02a.

2 For referenced ASTM standards, visit the ASTM website, www.astm.org, orcontact ASTM Customer Service at [email protected]. ForAnnual Book of ASTMStandardsvolume information, refer to the standard’s Document Summary page onthe ASTM website.

3 Available from American National Standards Institute (ANSI), 25 W. 43rd St.,4th Floor, New York, NY 10036.

1

*A Summary of Changes section appears at the end of this standard.

Copyright © ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959, United States.

ISO 527-1 Determination of Tensile Properties

3. Terminology

3.1 Definitions—Definitions of terms applying to this testmethod appear in Terminology D 883 and Annex A2.

4. Significance and Use

4.1 This test method is designed to produce tensile propertydata for the control and specification of plastic materials. Thesedata are also useful for qualitative characterization and forresearch and development. For many materials, there may be aspecification that requires the use of this test method, but withsome procedural modifications that take precedence whenadhering to the specification. Therefore, it is advisable to referto that material specification before using this test method.Table 1 in Classification D 4000 lists the ASTM materialsstandards that currently exist.

4.2 Tensile properties may vary with specimen preparationand with speed and environment of testing. Consequently,where precise comparative results are desired, these factorsmust be carefully controlled.

4.2.1 It is realized that a material cannot be tested withoutalso testing the method of preparation of that material. Hence,when comparative tests of materials per se are desired, thegreatest care must be exercised to ensure that all samples areprepared in exactly the same way, unless the test is to includethe effects of sample preparation. Similarly, for referee pur-poses or comparisons within any given series of specimens,care must be taken to secure the maximum degree of unifor-mity in details of preparation, treatment, and handling.

4.3 Tensile properties may provide useful data for plasticsengineering design purposes. However, because of the highdegree of sensitivity exhibited by many plastics to rate ofstraining and environmental conditions, data obtained by thistest method cannot be considered valid for applications involv-ing load-time scales or environments widely different fromthose of this test method. In cases of such dissimilarity, noreliable estimation of the limit of usefulness can be made formost plastics. This sensitivity to rate of straining and environ-ment necessitates testing over a broad load-time scale (includ-ing impact and creep) and range of environmental conditions iftensile properties are to suffice for engineering design pur-poses.

NOTE 5—Since the existence of a true elastic limit in plastics (as inmany other organic materials and in many metals) is debatable, thepropriety of applying the term “elastic modulus” in its quoted, generallyaccepted definition to describe the “stiffness” or “rigidity” of a plastic hasbeen seriously questioned. The exact stress-strain characteristics of plasticmaterials are highly dependent on such factors as rate of application ofstress, temperature, previous history of specimen, etc. However, stress-strain curves for plastics, determined as described in this test method,almost always show a linear region at low stresses, and a straight linedrawn tangent to this portion of the curve permits calculation of an elasticmodulus of the usually defined type. Such a constant is useful if itsarbitrary nature and dependence on time, temperature, and similar factorsare realized.

4.4 Poisson’s Ratio—When uniaxial tensile force is appliedto a solid, the solid stretches in the direction of the appliedforce (axially), but it also contracts in both dimensions lateralto the applied force. If the solid is homogeneous and isotropic,

and the material remains elastic under the action of the appliedforce, the lateral strain bears a constant relationship to the axialstrain. This constant, called Poisson’s ratio, is defined as thenegative ratio of the transverse (negative) to axial strain underuniaxial stress.

4.4.1 Poisson’s ratio is used for the design of structures inwhich all dimensional changes resulting from the applicationof force need to be taken into account and in the application ofthe generalized theory of elasticity to structural analysis.

NOTE 6—The accuracy of the determination of Poisson’s ratio isusually limited by the accuracy of the transverse strain measurementsbecause the percentage errors in these measurements are usually greaterthan in the axial strain measurements. Since a ratio rather than an absolutequantity is measured, it is only necessary to know accurately the relativevalue of the calibration factors of the extensometers. Also, in general, thevalue of the applied loads need not be known accurately.

5. Apparatus

5.1 Testing Machine—A testing machine of the constant-rate-of-crosshead-movement type and comprising essentiallythe following:

5.1.1 Fixed Member—A fixed or essentially stationarymember carrying one grip.

5.1.2 Movable Member—A movable member carrying asecond grip.

5.1.3 Grips—Grips for holding the test specimen betweenthe fixed member and the movable member of the testingmachine can be either the fixed or self-aligning type.

5.1.3.1 Fixed grips are rigidly attached to the fixed andmovable members of the testing machine. When this type ofgrip is used extreme care should be taken to ensure that the testspecimen is inserted and clamped so that the long axis of thetest specimen coincides with the direction of pull through thecenter line of the grip assembly.

5.1.3.2 Self-aligning grips are attached to the fixed andmovable members of the testing machine in such a manner thatthey will move freely into alignment as soon as any load isapplied so that the long axis of the test specimen will coincidewith the direction of the applied pull through the center line ofthe grip assembly. The specimens should be aligned as per-fectly as possible with the direction of pull so that no rotarymotion that may induce slippage will occur in the grips; thereis a limit to the amount of misalignment self-aligning grips willaccommodate.

5.1.3.3 The test specimen shall be held in such a way thatslippage relative to the grips is prevented insofar as possible.Grip surfaces that are deeply scored or serrated with a patternsimilar to those of a coarse single-cut file, serrations about 2.4mm [0.09 in.] apart and about 1.6 mm [0.06 in.] deep, havebeen found satisfactory for most thermoplastics. Finer serra-tions have been found to be more satisfactory for harderplastics, such as the thermosetting materials. The serrationsshould be kept clean and sharp. Breaking in the grips mayoccur at times, even when deep serrations or abraded specimensurfaces are used; other techniques must be used in these cases.Other techniques that have been found useful, particularly withsmooth-faced grips, are abrading that portion of the surface ofthe specimen that will be in the grips, and interposing thin

D 638 – 03

2

pieces of abrasive cloth, abrasive paper, or plastic, or rubber-coated fabric, commonly called hospital sheeting, between thespecimen and the grip surface. No. 80 double-sided abrasivepaper has been found effective in many cases. An open-meshfabric, in which the threads are coated with abrasive, has alsobeen effective. Reducing the cross-sectional area of the speci-men may also be effective. The use of special types of grips issometimes necessary to eliminate slippage and breakage in thegrips.

5.1.4 Drive Mechanism—A drive mechanism for impartingto the movable member a uniform, controlled velocity withrespect to the stationary member, with this velocity to beregulated as specified in Section 8.

5.1.5 Load Indicator—A suitable load-indicating mecha-nism capable of showing the total tensile load carried by thetest specimen when held by the grips. This mechanism shall beessentially free of inertia lag at the specified rate of testing andshall indicate the load with an accuracy of61 % of theindicated value, or better. The accuracy of the testing machineshall be verified in accordance with Practices E 4.

NOTE 7—Experience has shown that many testing machines now in useare incapable of maintaining accuracy for as long as the periods betweeninspection recommended in Practices E 4. Hence, it is recommended thateach machine be studied individually and verified as often as may befound necessary. It frequently will be necessary to perform this functiondaily.

5.1.6 The fixed member, movable member, drive mecha-nism, and grips shall be constructed of such materials and insuch proportions that the total elastic longitudinal strain of thesystem constituted by these parts does not exceed 1 % of thetotal longitudinal strain between the two gage marks on the testspecimen at any time during the test and at any load up to therated capacity of the machine.

5.1.7 Crosshead Extension Indicator—A suitable extensionindicating mechanism capable of showing the amount ofchange in the separation of the grips, that is, crossheadmovement. This mechanism shall be essentially free of inertiallag at the specified rate of testing and shall indicate thecrosshead movement with an accuracy of610 % of theindicated value.

5.2 Extension Indicator(extensometer)—A suitable instru-ment shall be used for determining the distance between twodesignated points within the gage length of the test specimen asthe specimen is stretched. For referee purposes, the extensom-eter must be set at the full gage length of the specimen, asshown in Fig. 1. It is desirable, but not essential, that thisinstrument automatically record this distance, or any change init, as a function of the load on the test specimen or of theelapsed time from the start of the test, or both. If only the latteris obtained, load-time data must also be taken. This instrumentshall be essentially free of inertia at the specified speed oftesting. Extensometers shall be classified and their calibrationperiodically verified in accordance with Practice E 83.

5.2.1 Modulus-of-Elasticity Measurements—For modulus-of-elasticity measurements, an extensometer with a maximumstrain error of 0.0002 mm/mm [in./in.] that automatically andcontinuously records shall be used. An extensometer classifiedby Practice E 83 as fulfilling the requirements of a B-2

classification within the range of use for modulus measure-ments meets this requirement.

5.2.2 Low-Extension Measurements—For elongation-at-yield and low-extension measurements (nominally 20 % orless), the same above extensometer, attenuated to 20 % exten-sion, may be used. In any case, the extensometer system mustmeet at least Class C (Practice E 83) requirements, whichinclude a fixed strain error of 0.001 strain or61.0 % of theindicated strain, whichever is greater.

5.2.3 High-Extension Measurements—For making mea-surements at elongations greater than 20 %, measuring tech-niques with error no greater than610 % of the measured valueare acceptable.

5.2.4 Poisson’s Ratio—Bi-axial extensometer or axial andtransverse extensometers capable of recording axial strain andtransverse strain simultaneously. The extensometers shall becapable of measuring the change in strains with an accuracy of1 % of the relevant value or better.

NOTE 8—Strain gages can be used as an alternative method to measureaxial and transverse strain; however, proper techniques for mountingstrain gages are crucial to obtaining accurate data. Consult strain gagesuppliers for instruction and training in these special techniques.

5.3 Micrometers—Apparatus for measuring the width andthickness of the test specimen shall comply with the require-ments of Test Method D 5947.

6. Test Specimens

6.1 Sheet, Plate, and Molded Plastics:6.1.1 Rigid and Semirigid Plastics—The test specimen shall

conform to the dimensions shown in Fig. 1. The Type Ispecimen is the preferred specimen and shall be used wheresufficient material having a thickness of 7 mm [0.28 in.] or lessis available. The Type II specimen may be used when amaterial does not break in the narrow section with the preferredType I specimen. The Type V specimen shall be used whereonly limited material having a thickness of 4 mm [0.16 in.] orless is available for evaluation, or where a large number ofspecimens are to be exposed in a limited space (thermal andenvironmental stability tests, etc.). The Type IV specimenshould be used when direct comparisons are required betweenmaterials in different rigidity cases (that is, nonrigid andsemirigid). The Type III specimen must be used for allmaterials with a thickness of greater than 7 mm [0.28 in.] butnot more than 14 mm [0.55 in.].

6.1.2 Nonrigid Plastics—The test specimen shall conformto the dimensions shown in Fig. 1. The Type IV specimen shallbe used for testing nonrigid plastics with a thickness of 4 mm[0.16 in.] or less. The Type III specimen must be used for allmaterials with a thickness greater than 7 mm [0.28 in.] but notmore than 14 mm [0.55 in.].

6.1.3 Reinforced Composites—The test specimen for rein-forced composites, including highly orthotropic laminates,shall conform to the dimensions of the Type I specimen shownin Fig. 1.

6.1.4 Preparation—Test specimens shall be prepared bymachining operations, or die cutting, from materials in sheet,plate, slab, or similar form. Materials thicker than 14 mm [0.55

D 638 – 03

3

Specimen Dimensions for Thickness, T, mm [in.]A

Dimensions (see drawings)7 [0.28] or under Over 7 to 14 [0.28 to 0.55], incl 4 [0.16] or under

TolerancesType I Type II Type III Type IVB Type VC,D

W—Width of narrow sectionE,F 13 [0.50] 6 [0.25] 19 [0.75] 6 [0.25] 3.18 [0.125] 60.5 [60.02]B,C

L—Length of narrow section 57 [2.25] 57 [2.25] 57 [2.25] 33 [1.30] 9.53 [0.375] 60.5 [60.02]C

WO—Width overall, minG 19 [0.75] 19 [0.75] 29 [1.13] 19 [0.75] ... + 6.4 [ + 0.25]WO—Width overall, minG ... ... ... ... 9.53 [0.375] + 3.18 [ + 0.125]LO—Length overall, minH 165 [6.5] 183 [7.2] 246 [9.7] 115 [4.5] 63.5 [2.5] no max [no max]G—Gage lengthI 50 [2.00] 50 [2.00] 50 [2.00] ... 7.62 [0.300] 60.25 [60.010]C

G—Gage lengthI ... ... ... 25 [1.00] ... 60.13 [60.005]D—Distance between grips 115 [4.5] 135 [5.3] 115 [4.5] 65 [2.5]J 25.4 [1.0] 65 [60.2]R—Radius of fillet 76 [3.00] 76 [3.00] 76 [3.00] 14 [0.56] 12.7 [0.5] 61 [60.04]C

RO—Outer radius (Type IV) ... ... ... 25 [1.00] ... 61 [60.04]

A Thickness, T, shall be 3.26 0.4 mm [0.13 6 0.02 in.] for all types of molded specimens, and for other Types I and II specimens where possible. If specimens aremachined from sheets or plates, thickness, T, may be the thickness of the sheet or plate provided this does not exceed the range stated for the intended specimen type.For sheets of nominal thickness greater than 14 mm [0.55 in.] the specimens shall be machined to 14 6 0.4 mm [0.55 6 0.02 in.] in thickness, for use with the Type IIIspecimen. For sheets of nominal thickness between 14 and 51 mm [0.55 and 2 in.] approximately equal amounts shall be machined from each surface. For thicker sheetsboth surfaces of the specimen shall be machined, and the location of the specimen with reference to the original thickness of the sheet shall be noted. Tolerances onthickness less than 14 mm [0.55 in.] shall be those standard for the grade of material tested.

B For the Type IV specimen, the internal width of the narrow section of the die shall be 6.00 6 0.05 mm [0.2506 0.002 in.]. The dimensions are essentially those of DieC in Test Methods D 412.

C The Type V specimen shall be machined or die cut to the dimensions shown, or molded in a mold whose cavity has these dimensions. The dimensions shall be:W = 3.18 6 0.03 mm [0.125 6 0.001 in.],L = 9.53 6 0.08 mm [0.375 6 0.003 in.],G = 7.62 6 0.02 mm [0.300 6 0.001 in.], andR = 12.7 6 0.08 mm [0.500 6 0.003 in.].

The other tolerances are those in the table.D Supporting data on the introduction of the L specimen of Test Method D 1822 as the Type V specimen are available from ASTM Headquarters. Request RR:D20-1038.E The width at the center Wc shall be +0.00 mm, −0.10 mm [ +0.000 in., −0.004 in.] compared with width W at other parts of the reduced section. Any reduction in W

at the center shall be gradual, equally on each side so that no abrupt changes in dimension result.F For molded specimens, a draft of not over 0.13 mm [0.005 in.] may be allowed for either Type I or II specimens 3.2 mm [0.13 in.] in thickness, and this should be taken

into account when calculating width of the specimen. Thus a typical section of a molded Type I specimen, having the maximum allowable draft, could be as follows:G Overall widths greater than the minimum indicated may be desirable for some materials in order to avoid breaking in the grips.H Overall lengths greater than the minimum indicated may be desirable either to avoid breaking in the grips or to satisfy special test requirements.I Test marks or initial extensometer span.J When self-tightening grips are used, for highly extensible polymers, the distance between grips will depend upon the types of grips used and may not be critical if

maintained uniform once chosen.

FIG. 1 Tension Test Specimens for Sheet, Plate, and Molded Plastics

D 638 – 03

4

in.] must be machined to 14 mm [0.55 in.] for use as Type IIIspecimens. Specimens can also be prepared by molding thematerial to be tested.

NOTE 9—Test results have shown that for some materials such as glass

cloth, SMC, and BMC laminates, other specimen types should beconsidered to ensure breakage within the gage length of the specimen, asmandated by 7.3.

NOTE 10—When preparing specimens from certain composite lami-nates such as woven roving, or glass cloth, care must be exercised incutting the specimens parallel to the reinforcement. The reinforcementwill be significantly weakened by cutting on a bias, resulting in lowerlaminate properties, unless testing of specimens in a direction other thanparallel with the reinforcement constitutes a variable being studied.

NOTE 11—Specimens prepared by injection molding may have differenttensile properties than specimens prepared by machining or die-cuttingbecause of the orientation induced. This effect may be more pronouncedin specimens with narrow sections.

6.2 Rigid Tubes—The test specimen for rigid tubes shall beas shown in Fig. 2. The length,L, shall be as shown in the tablein Fig. 2. A groove shall be machined around the outside of thespecimen at the center of its length so that the wall section aftermachining shall be 60 % of the original nominal wall thick-ness. This groove shall consist of a straight section 57.2 mm[2.25 in.] in length with a radius of 76 mm [3 in.] at each endjoining it to the outside diameter. Steel or brass plugs havingdiameters such that they will fit snugly inside the tube andhaving a length equal to the full jaw length plus 25 mm [1 in.]shall be placed in the ends of the specimens to preventcrushing. They can be located conveniently in the tube byseparating and supporting them on a threaded metal rod.Details of plugs and test assembly are shown in Fig. 2.

6.3 Rigid Rods—The test specimen for rigid rods shall be asshown in Fig. 3. The length,L, shall be as shown in the tablein Fig. 3. A groove shall be machined around the specimen atthe center of its length so that the diameter of the machinedportion shall be 60 % of the original nominal diameter. Thisgroove shall consist of a straight section 57.2 mm [2.25 in.] inlength with a radius of 76 mm [3 in.] at each end joining it tothe outside diameter.

6.4 All surfaces of the specimen shall be free of visibleflaws, scratches, or imperfections. Marks left by coarse ma-chining operations shall be carefully removed with a fine file orabrasive, and the filed surfaces shall then be smoothed withabrasive paper (No. 00 or finer). The finishing sanding strokesshall be made in a direction parallel to the long axis of the testspecimen. All flash shall be removed from a molded specimen,taking great care not to disturb the molded surfaces. Inmachining a specimen, undercuts that would exceed thedimensional tolerances shown in Fig. 1 shall be scrupulouslyavoided. Care shall also be taken to avoid other commonmachining errors.

6.5 If it is necessary to place gage marks on the specimen,this shall be done with a wax crayon or India ink that will notaffect the material being tested. Gage marks shall not bescratched, punched, or impressed on the specimen.

6.6 When testing materials that are suspected of anisotropy,duplicate sets of test specimens shall be prepared, having theirlong axes respectively parallel with, and normal to, thesuspected direction of anisotropy.

7. Number of Test Specimens

7.1 Test at least five specimens for each sample in the caseof isotropic materials.

DIMENSIONS OF TUBE SPECIMENS

Nominal WallThickness

Length of RadialSections,

2R.S.

Total CalculatedMinimum

Length of Specimen

Standard Length, L,of Specimen to BeUsed for 89-mm[3.5-in.] JawsA

mm [in.]

0.79 [1⁄32 ] 13.9 [0.547] 350 [13.80] 381 [15]1.2 [3⁄64 ] 17.0 [0.670] 354 [13.92] 381 [15]1.6 [1⁄16 ] 19.6 [0.773] 356 [14.02] 381 [15]2.4 [3⁄32 ] 24.0 [0.946] 361 [14.20] 381 [15]3.2 [1⁄8 ] 27.7 [1.091] 364 [14.34] 381 [15]4.8 [3⁄16 ] 33.9 [1.333] 370 [14.58] 381 [15]6.4 [1⁄4 ] 39.0 [1.536] 376 [14.79] 400 [15.75]7.9 [5⁄16 ] 43.5 [1.714] 380 [14.96] 400 [15.75]9.5 [3⁄8 ] 47.6 [1.873] 384 [15.12] 400 [15.75]

11.1 [7⁄16 ] 51.3 [2.019] 388 [15.27] 400 [15.75]12.7 [1⁄2 ] 54.7 [2.154] 391 [15.40] 419 [16.5]

A For other jaws greater than 89 mm [3.5 in.], the standard length shall beincreased by twice the length of the jaws minus 178 mm [7 in.]. The standardlength permits a slippage of approximately 6.4 to 12.7 mm [0.25 to 0.50 in.] in eachjaw while maintaining the maximum length of the jaw grip.

FIG. 2 Diagram Showing Location of Tube Tension TestSpecimens in Testing Machine

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5

7.2 Test ten specimens, five normal to, and five parallelwith, the principle axis of anisotropy, for each sample in thecase of anisotropic materials.

7.3 Discard specimens that break at some flaw, or that breakoutside of the narrow cross-sectional test section (Fig. 1,dimension “L”), and make retests, unless such flaws constitutea variable to be studied.

NOTE 12—Before testing, all transparent specimens should be inspectedin a polariscope. Those which show atypical or concentrated strainpatterns should be rejected, unless the effects of these residual strainsconstitute a variable to be studied.

8. Speed of Testing

8.1 Speed of testing shall be the relative rate of motion ofthe grips or test fixtures during the test. The rate of motion ofthe driven grip or fixture when the testing machine is runningidle may be used, if it can be shown that the resulting speed oftesting is within the limits of variation allowed.

8.2 Choose the speed of testing from Table 1. Determinethis chosen speed of testing by the specification for the materialbeing tested, or by agreement between those concerned. Whenthe speed is not specified, use the lowest speed shown in Table1 for the specimen geometry being used, which gives rupturewithin 1⁄2 to 5-min testing time.

8.3 Modulus determinations may be made at the speedselected for the other tensile properties when the recorderresponse and resolution are adequate.

8.4 The speed of testing for Poisson’s ratio determinationshall be 5 mm/min.

9. Conditioning

9.1 Conditioning—Condition the test specimens at 2362°C [73.46 3.6°F] and 506 5 % relative humidity for not lessthan 40 h prior to test in accordance with Procedure A ofPractice D 618, unless otherwise specified by contract or therelevant ASTM material specification. Reference pre-test con-ditioning, to settle disagreements, shall apply tolerances of61°C [1.8°F] and62 % relative humidity.

9.2 Test Conditions—Conduct the tests at 236 2°C [73.463.6°F] and 506 5 % relative humidity, unless otherwisespecified by contract or the relevant ASTM material specifica-tion. Reference testing conditions, to settle disagreements,shall apply tolerances of61°C [1.8°F] and62 % relativehumidity.

DIMENSIONS OF ROD SPECIMENS

Nominal Diam-eter

Length of RadialSections, 2R.S.

Total CalculatedMinimum

Length of Specimen

Standard Length, L, ofSpecimen to Be Used

for 89-mm [31⁄2-in.]JawsA

mm [in.]

3.2 [1⁄8 ] 19.6 [0.773] 356 [14.02] 381 [15]4.7 [1⁄16 ] 24.0 [0.946] 361 [14.20] 381 [15]6.4 [1⁄4 ] 27.7 [1.091] 364 [14.34] 381 [15]9.5 [3⁄8 ] 33.9 [1.333] 370 [14.58] 381 [15]

12.7 [1⁄2 ] 39.0 [1.536] 376 [14.79] 400 [15.75]15.9 [5⁄8 ] 43.5 [1.714] 380 [14.96] 400 [15.75]19.0 [3⁄4 ] 47.6 [1.873] 384 [15.12] 400 [15.75]22.2 [7⁄8 ] 51.5 [2.019] 388 [15.27] 400 [15.75]25.4 [1] 54.7 [2.154] 391 [15.40] 419 [16.5]

31.8 [11⁄4 ] 60.9 [2.398] 398 [15.65] 419 [16.5]38.1 [11⁄2 ] 66.4 [2.615] 403 [15.87] 419 [16.5]42.5 [13⁄4 ] 71.4 [2.812] 408 [16.06] 419 [16.5]

50.8 [2] 76.0 [2.993] 412 [16.24] 432 [17]

A For other jaws greater than 89 mm [3.5 in.], the standard length shall beincreased by twice the length of the jaws minus 178 mm [7 in.]. The standardlength permits a slippage of approximately 6.4 to 12.7 mm [0.25 to 0.50 in.] in eachjaw while maintaining the maximum length of the jaw grip.

FIG. 3 Diagram Showing Location of Rod Tension Test Specimenin Testing Machine

TABLE 1 Designations for Speed of Testing A

ClassificationB Specimen TypeSpeed of Testing,mm/min [in./min]

NominalStrainC Rate atStart of Test,mm/mm· min[in./in.·min]

Rigid and Semirigid I, II, III rods andtubes

5 [0.2] 6 25 % 0.1

50 [2] 6 10 % 1500 [20] 6 10 % 10

IV 5 [0.2] 6 25 % 0.1550 [2] 6 10 % 1.5

500 [20] 6 10 % 15V 1 [0.05] 6 25 % 0.1

10 [0.5] 6 25 % 1100 [5]6 25 % 10

Nonrigid III 50 [2] 6 10 % 1500 [20] 6 10 % 10

IV 50 [2] 6 10 % 1.5500 [20] 6 10 % 15

A Select the lowest speed that produces rupture in 1⁄2 to 5 min for the specimengeometry being used (see 8.2).

B See Terminology D 883 for definitions.C The initial rate of straining cannot be calculated exactly for dumbbell-shaped

specimens because of extension, both in the reduced section outside the gagelength and in the fillets. This initial strain rate can be measured from the initial slopeof the tensile strain-versus-time diagram.

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10. Procedure

10.1 Measure the width and thickness of each specimen tothe nearest 0.025 mm [0.001 in.] using the applicable testmethods in D 5947.

10.1.1 Measure the width and thickness of flat specimens atthe center of each specimen and within 5 mm of each end of thegage length.

10.1.2 Injection molded specimen dimensions may be de-termined by actual measurement of only one specimen fromeach sample when it has previously been demonstrated that thespecimen-to-specimen variation in width and thickness is lessthan 1 %.

10.1.3 Take the width of specimens produced by a Type IVdie as the distance between the cutting edges of the die in thenarrow section.

10.1.4 Measure the diameter of rod specimens, and theinside and outside diameters of tube specimens, to the nearest0.025 mm [0.001 in.] at a minimum of two points 90° apart;make these measurements along the groove for specimens soconstructed. Use plugs in testing tube specimens, as shown inFig. 2.

10.2 Place the specimen in the grips of the testing machine,taking care to align the long axis of the specimen and the gripswith an imaginary line joining the points of attachment of thegrips to the machine. The distance between the ends of thegripping surfaces, when using flat specimens, shall be asindicated in Fig. 1. On tube and rod specimens, the location forthe grips shall be as shown in Fig. 2 and Fig. 3. Tighten thegrips evenly and firmly to the degree necessary to preventslippage of the specimen during the test, but not to the pointwhere the specimen would be crushed.

10.3 Attach the extension indicator. When modulus is beingdetermined, a Class B-2 or better extensometer is required (see5.2.1).

NOTE 13—Modulus of materials is determined from the slope of thelinear portion of the stress-strain curve. For most plastics, this linearportion is very small, occurs very rapidly, and must be recorded automati-cally. The change in jaw separation is never to be used for calculatingmodulus or elongation.

10.3.1 Poisson’s Ratio Determination:10.3.1.1 The measurement of Poisson’s Ratio is optional

and need be determined only when requested. If the tensilemodulus is determined at a test speed of 5 mm/min, it isacceptable to determine the Poisson’s ratio at the same time asthe tensile modulus.

10.3.1.2 Poisson’s Ratio shall be determined at a speed of 5mm/min. For materials having a distinct linear elastic region onthe stress-strain curve the ratio shall be determined in the sameload range as that used for the measurement of the modulus of

elasticity. If the material does not exhibit a linear stress tostrain relationship the ratio shall be determined within the axialstrain range of 0.0005 to 0.0025 mm/mm (0.05 to 0.25%). Ifthe ratio is determined in this manner it shall be noted in thereport that a region of proportionality of stress to strain was notevident.

NOTE 14—A suitable method to judge the determination of linearity ofthe stress to strain curve is by making a series of tangent modulusmeasurements at different axial strain levels. Values equivalent at eachstrain level indicate linearity. Values showing a downward trend withincreasing strain level indicate non linearity.

10.3.1.3 Attach the transverse strain measuring device. Thetransverse strain measuring device must continuously measurethe strain simultaneously with the axial strain measuringdevice.

10.3.1.4 Make simultaneous measurements of load andstrain and record the data. The precision of the value ofPoisson’s Ratio will depend on the number of data points ofaxial and transverse strain taken. It is recommended that thedata collection rate for the test be a minimum of 20 points persecond. This is particularly important for materials having anon linear stress to strain curve.

10.4 Set the speed of testing at the proper rate as required inSection 8, and start the machine.

10.5 Record the load-extension curve of the specimen.10.6 Record the load and extension at the yield point (if one

exists) and the load and extension at the moment of rupture.

NOTE 15—If it is desired to measure both modulus and failure proper-ties (yield or break, or both), it may be necessary, in the case of highlyextensible materials, to run two independent tests. The high magnificationextensometer normally used to determine properties up to the yield pointmay not be suitable for tests involving high extensibility. If allowed toremain attached to the specimen, the extensometer could be permanentlydamaged. A broad-range incremental extensometer or hand-rule techniquemay be needed when such materials are taken to rupture.

11. Calculation

11.1 Toe compensation shall be made in accordance withAnnex A1, unless it can be shown that the toe region of thecurve is not due to the take-up of slack, seating of thespecimen, or other artifact, but rather is an authentic materialresponse.

TABLE 2 Modulus, 10 6 psi, for Eight Laboratories, Five Materials

Mean Sr SR Ir IR

Polypropylene 0.210 0.0089 0.071 0.025 0.201Cellulose acetate butyrate 0.246 0.0179 0.035 0.051 0.144Acrylic 0.481 0.0179 0.063 0.051 0.144Glass-reinforced nylon 1.17 0.0537 0.217 0.152 0.614Glass-reinforced polyester 1.39 0.0894 0.266 0.253 0.753

TABLE 3 Tensile Stress at Yield, 10 3 psi, for Eight Laboratories,Three Materials

Mean Sr SR Ir IR

Polypropylene 3.63 0.022 0.161 0.062 0.456Cellulose acetate butyrate 5.01 0.058 0.227 0.164 0.642Acrylic 10.4 0.067 0.317 0.190 0.897

TABLE 4 Elongation at Yield, %, for Eight Laboratories, ThreeMaterials

Mean Sr SR Ir IR

Cellulose acetate butyrate 3.65 0.27 0.62 0.76 1.75Acrylic 4.89 0.21 0.55 0.59 1.56Polypropylene 8.79 0.45 5.86 1.27 16.5

D 638 – 03

7

11.2 Tensile Strength—Calculate the tensile strength bydividing the maximum load in newtons [pounds-force] by theaverage original cross-sectional area in the gage length seg-ment of the specimen in square metres [square inches]. Expressthe result in pascals [pounds-force per square inch] and reportit to three significant figures as tensile strength at yield ortensile strength at break, whichever term is applicable. When anominal yield or break load less than the maximum is presentand applicable, it may be desirable also to calculate, in asimilar manner, the corresponding tensile stress at yield ortensile stress at break and report it to three significant figures(see Note A2.8).

11.3 Elongation values are valid and are reported in caseswhere uniformity of deformation within the specimen gagelength is present. Elongation values are quantitatively relevantand appropriate for engineering design. When non-uniformdeformation (such as necking) occurs within the specimen gagelength nominal strain values are reported. Nominal strainvalues are of qualitative utility only.

11.3.1 Percent Elongation—Percent elongation is thechange in gage length relative to the original specimen gagelength, expressed as a percent. Percent elongation is calculatedusing the apparatus described in 5.2.

11.3.1.1Percent Elongation at Yield—Calculate the percentelongation at yield by reading the extension (change in gagelength) at the yield point. Divide that extension by the originalgage length and multiply by 100.

11.3.1.2Percent Elongation at Break—Calculate the per-cent elongation at break by reading the extension (change ingage length) at the point of specimen rupture. Divide thatextension by the original gage length and multiply by 100.

11.3.2 Nominal Strain—Nominal strain is the change in gripseparation relative to the original grip separation expressed asa percent. Nominal strain is calculated using the apparatusdescribed in 5.1.7.

11.3.2.1Nominal strain at break—Calculate the nominalstrain at break by reading the extension (change in gripseparation) at the point of rupture. Divide that extension by theoriginal grip separation and multiply by 100.

11.4 Modulus of Elasticity—Calculate the modulus of elas-ticity by extending the initial linear portion of the load-extension curve and dividing the difference in stress corre-sponding to any segment of section on this straight line by thecorresponding difference in strain. All elastic modulus valuesshall be computed using the average original cross-sectionalarea in the gage length segment of the specimen in thecalculations. The result shall be expressed in pascals [pounds-force per square inch] and reported to three significant figures.

11.5 Secant Modulus—At a designated strain, this shall becalculated by dividing the corresponding stress (nominal) bythe designated strain. Elastic modulus values are preferable andshall be calculated whenever possible. However, for materialswhere no proportionality is evident, the secant value shall becalculated. Draw the tangent as directed in A1.3 and Fig. A1.2,and mark off the designated strain from the yield point wherethe tangent line goes through zero stress. The stress to be usedin the calculation is then determined by dividing the load-extension curve by the original average cross-sectional area of

the specimen.11.6 Poisson’s Ratio—The axial strain,ea, indicated by the

axial extensometer, and the transverse strain,et, indicated bythe transverse extensometers, are plotted against the appliedload,P, as shown in Fig. 4.

11.6.1 For those materials where there is proportionality ofstress to strain and it is possible to determine a modulus ofelasticity, a straight line is drawn through each set of pointswithin the load range used for determination of modulus, andthe slopesdea / dP anddet / dP, of those lines are determined.The use of a least squares method of calculation will reduceerrors resulting from drawing lines. Poisson’s ratio, µ, is thencalculated as follows:

µ 5 2~det / dP!/~dea / dP! (1)

where:det = change in transverse strain,dea = change in axial strain, anddP = change in applied load;

FIG. 4 Plot of Strains Versus Load for Determination of Poisson’s Ratio

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8

or

µ 5 2~det! / ~dea! (2)

The errors that may be introduced by drawing a straight linethrough the points can be reduced by applying the least squaresmethod.

11.6.2 For those materials where there is no proportionalityof stress to strain evident determine the ratio ofdet / dea whendea = 0.002 (based on axial strain range of 0.0005 to 0.0025mm/mm) and after toe compensation has been made.

µ 5 det / 0.002 (3)

11.7 For each series of tests, calculate the arithmetic meanof all values obtained and report it as the “average value” forthe particular property in question.

11.8 Calculate the standard deviation (estimated) as followsand report it to two significant figures:

s 5 =~(X 2 2 nX̄2! / ~n 2 1! (4)

where:s = estimated standard deviation,X = value of single observation,n = number of observations, andX̄ = arithmetic mean of the set of observations.

11.9 See Annex A1 for information on toe compensation.

12. Report

12.1 Report the following information:12.1.1 Complete identification of the material tested, includ-

ing type, source, manufacturer’s code numbers, form, principaldimensions, previous history, etc.,

12.1.2 Method of preparing test specimens,

12.1.3 Type of test specimen and dimensions,12.1.4 Conditioning procedure used,12.1.5 Atmospheric conditions in test room,12.1.6 Number of specimens tested,12.1.7 Speed of testing,12.1.8 Classification of extensometers used. A description

of measuring technique and calculations employed instead of aminimum Class-C extensometer system,

12.1.9 Tensile strength at yield or break, average value, andstandard deviation,

12.1.10 Tensile stress at yield or break, if applicable,average value, and standard deviation,

12.1.11 Percent elongation at yield, or break, or nominalstrain at break, or all three, as applicable, average value, andstandard deviation,

12.1.12 Modulus of elasticity or secant modulus, averagevalue, and standard deviation,

12.1.13 If measured, Poisson’s ratio, average value, stan-dard deviation, and statement of whether there was proportion-ality within the strain range,

12.1.14 Date of test, and12.1.15 Revision date of Test Method D 638.

13. Precision and Bias4

13.1 Precision—Tables 2-6 are based on a round-robin testconducted in 1984, involving five materials tested by eightlaboratories using the Type I specimen, all of nominal 0.125-in.thickness. Each test result was based on five individualdeterminations. Each laboratory obtained two test results foreach material.

13.1.1 Tables 7-10 are based on a round-robin test con-ducted by the polyolefin subcommittee in 1988, involving eightpolyethylene materials tested in ten laboratories. For eachmaterial, all samples were molded at one source, but theindividual specimens were prepared at the laboratories thattested them. Each test result was the average of five individualdeterminations. Each laboratory obtained three test results foreach material. Data from some laboratories could not be usedfor various reasons, and this is noted in each table.

13.1.2 Table 11 is based on a repeatability study involving asingle laboratory. The two materials used were unfilledpolypropylene types. Measurements were performed by a

4 Supporting data are available from ASTM Headquarters. Request RR:D20-1125 for the 1984 round robin and RR:D20-1170 for the 1988 round robin.

TABLE 5 Tensile Strength at Break, 10 3 psi, for EightLaboratories, Five Materials A

Mean Sr SR Ir IR

Polypropylene 2.97 1.54 1.65 4.37 4.66Cellulose acetate butyrate 4.82 0.058 0.180 0.164 0.509Acrylic 9.09 0.452 0.751 1.27 2.13Glass-reinforced polyester 20.8 0.233 0.437 0.659 1.24Glass-reinforced nylon 23.6 0.277 0.698 0.784 1.98

A Tensile strength and elongation at break values obtained for unreinforcedpropylene plastics generally are highly variable due to inconsistencies in neckingor “drawing” of the center section of the test bar. Since tensile strength andelongation at yield are more reproducible and relate in most cases to the practicalusefulness of a molded part, they are generally recommended for specificationpurposes.

TABLE 6 Elongation at Break, %, for Eight Laboratories, FiveMaterials A

Mean Sr SR Ir IR

Glass-reinforced polyester 3.68 0.20 2.33 0.570 6.59Glass-reinforced nylon 3.87 0.10 2.13 0.283 6.03Acrylic 13.2 2.05 3.65 5.80 10.3Cellulose acetate butyrate 14.1 1.87 6.62 5.29 18.7Polypropylene 293.0 50.9 119.0 144.0 337.0

A Tensile strength and elongation at break values obtained for unreinforcedpropylene plastics generally are highly variable due to inconsistencies in neckingor “drawing” of the center section of the test bar. Since tensile strength andelongation at yield are more reproducible and relate in most cases to the practicalusefulness of a molded part, they are generally recommended for specificationpurposes.

TABLE 7 Tensile Yield Strength, for Ten Laboratories, EightMaterials

MaterialTest

Speed,in./min

Values Expressed in psi Units

Average Sr SR r R

LDPE 20 1544 52.4 64.0 146.6 179.3LDPE 20 1894 53.1 61.2 148.7 171.3LLDPE 20 1879 74.2 99.9 207.8 279.7LLDPE 20 1791 49.2 75.8 137.9 212.3LLDPE 20 2900 55.5 87.9 155.4 246.1LLDPE 20 1730 63.9 96.0 178.9 268.7HDPE 2 4101 196.1 371.9 549.1 1041.3HDPE 2 3523 175.9 478.0 492.4 1338.5

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9

single technician on a single day. Each test result is anindividual determination. Testing was run using two Type B-1extensometers for transverse and axial measurements at a testspeed of 5 mm/min.

13.1.3 In Tables 2-11, for the materials indicated, and fortest results that derived from testing five specimens:

13.1.3.1Sr is the within-laboratory standard deviation ofthe average;Ir = 2.83Sr. (See 13.1.3.3 for application ofIr.)

13.1.3.2SR is the between-laboratory standard deviation ofthe average;IR = 2.83SR. (See 13.1.3.4 for application ofIR.)

13.1.3.3Repeatability—In comparing two test results forthe same material, obtained by the same operator using thesame equipment on the same day, those test results should bejudged not equivalent if they differ by more than theIr valuefor that material and condition.

13.1.3.4Reproducibility—In comparing two test results forthe same material, obtained by different operators using differ-ent equipment on different days, those test results should bejudged not equivalent if they differ by more than theIR valuefor that material and condition. (This applies between differentlaboratories or between different equipment within the samelaboratory.)

13.1.3.5 Any judgment in accordance with 13.1.3.3 and13.1.3.4 will have an approximate 95 % (0.95) probability ofbeing correct.

13.1.3.6 Other formulations may give somewhat differentresults.

13.1.3.7 For further information on the methodology used inthis section, see Practice E 691.

13.1.3.8 The precision of this test method is very dependentupon the uniformity of specimen preparation, standard prac-tices for which are covered in other documents.

13.2 Bias—There are no recognized standards on which tobase an estimate of bias for this test method.

14. Keywords

14.1 modulus of elasticity; percent elongation; plastics;Poisson’s ratio; tensile properties; tensile strength

ANNEXES

(Mandatory Information)

A1. TOE COMPENSATION

A1.1 In a typical stress-strain curve (Fig. A1.1) there is atoe region,AC, that does not represent a property of thematerial. It is an artifact caused by a takeup of slack andalignment or seating of the specimen. In order to obtain correctvalues of such parameters as modulus, strain, and offset yieldpoint, this artifact must be compensated for to give thecorrected zero point on the strain or extension axis.

A1.2 In the case of a material exhibiting a region ofHookean (linear) behavior (Fig. A1.1), a continuation of the

linear (CD) region of the curve is constructed through thezero-stress axis. This intersection (B) is the corrected zero-strain point from which all extensions or strains must bemeasured, including the yield offset (BE), if applicable. Theelastic modulus can be determined by dividing the stress at anypoint along the lineCD (or its extension) by the strain at thesame point (measured from PointB, defined as zero-strain).

A1.3 In the case of a material that does not exhibit anylinear region (Fig. A1.2), the same kind of toe correction of the

TABLE 8 Tensile Yield Elongation, for Eight Laboratories, EightMaterials

MaterialTest

Speed,in./min

Values Expressed in Percent Units

Average Sr SR r R

LDPE 20 17.0 1.26 3.16 3.52 8.84LDPE 20 14.6 1.02 2.38 2.86 6.67LLDPE 20 15.7 1.37 2.85 3.85 7.97LLDPE 20 16.6 1.59 3.30 4.46 9.24LLDPE 20 11.7 1.27 2.88 3.56 8.08LLDPE 20 15.2 1.27 2.59 3.55 7.25HDPE 2 9.27 1.40 2.84 3.91 7.94HDPE 2 9.63 1.23 2.75 3.45 7.71

TABLE 9 Tensile Break Strength, for Nine Laboratories, SixMaterials

MaterialTest

Speed,in./min

Values Expressed in psi Units

Average Sr SR r R

LDPE 20 1592 52.3 74.9 146.4 209.7LDPE 20 1750 66.6 102.9 186.4 288.1LLDPE 20 4379 127.1 219.0 355.8 613.3LLDPE 20 2840 78.6 143.5 220.2 401.8LLDPE 20 1679 34.3 47.0 95.96 131.6LLDPE 20 2660 119.1 166.3 333.6 465.6

TABLE 10 Tensile Break Elongation, for Nine Laboratories, SixMaterials

MaterialTest

Speed,in./min

Values Expressed in Percent Units

Average Sr SR r R

LDPE 20 567 31.5 59.5 88.2 166.6LDPE 20 569 61.5 89.2 172.3 249.7LLDPE 20 890 25.7 113.8 71.9 318.7LLDPE 20 64.4 6.68 11.7 18.7 32.6LLDPE 20 803 25.7 104.4 71.9 292.5LLDPE 20 782 41.6 96.7 116.6 270.8

TABLE 11 Poisson’s Ratio Repeatability Data for One Laboratoryand Two Polypropylene Materials

MaterialsValues Expressed as a Dimensionless RatioAverage Sr r

PP #1 Chord 0.412 0.009 0.026PP #1 Least Squares 0.413 0.011 0.032PP #2 Chord 0.391 0.009 0.026PP #2 Least Squares 0.392 0.010 0.028

D 638 – 03

10

zero-strain point can be made by constructing a tangent to themaximum slope at the inflection point (H8). This is extended tointersect the strain axis at PointB8, the corrected zero-strainpoint. Using PointB8 as zero strain, the stress at any point (G8)

on the curve can be divided by the strain at that point to obtaina secant modulus (slope of LineB8 G8). For those materialswith no linear region, any attempt to use the tangent throughthe inflection point as a basis for determination of an offsetyield point may result in unacceptable error.

A2. DEFINITIONS OF TERMS AND SYMBOLS RELATING TO TENSION TESTING OF PLASTICS

A2.1 elastic limit—the greatest stress which a material iscapable of sustaining without any permanent strain remainingupon complete release of the stress. It is expressed in force perunit area, usually megapascals [pounds-force per square inch].

NOTE A2.1—Measured values of proportional limit and elastic limitvary greatly with the sensitivity and accuracy of the testing equipment,eccentricity of loading, the scale to which the stress-strain diagram isplotted, and other factors. Consequently, these values are usually replacedby yield strength.

A2.2 elongation—the increase in length produced in thegage length of the test specimen by a tensile load. It isexpressed in units of length, usually millimetres [inches]. (Alsoknown asextension.)

NOTE A2.2—Elongation and strain values are valid only in cases whereuniformity of specimen behavior within the gage length is present. In thecase of materials exhibiting necking phenomena, such values are only ofqualitative utility after attainment of yield point. This is due to inability toensure that necking will encompass the entire length between the gagemarks prior to specimen failure.

A2.3 gage length—the original length of that portion of thespecimen over which strain or change in length is determined.

A2.4 modulus of elasticity—the ratio of stress (nominal) tocorresponding strain below the proportional limit of a material.It is expressed in force per unit area, usually megapascals[pounds-force per square inch]. (Also known aselastic modu-

lus or Young’s modulus).

NOTE A2.3—The stress-strain relations of many plastics do not con-form to Hooke’s law throughout the elastic range but deviate therefromeven at stresses well below the elastic limit. For such materials the slopeof the tangent to the stress-strain curve at a low stress is usually taken asthe modulus of elasticity. Since the existence of a true proportional limitin plastics is debatable, the propriety of applying the term “modulus ofelasticity” to describe the stiffness or rigidity of a plastic has beenseriously questioned. The exact stress-strain characteristics of plasticmaterials are very dependent on such factors as rate of stressing,temperature, previous specimen history, etc. However, such a value isuseful if its arbitrary nature and dependence on time, temperature, andother factors are realized.

A2.5 necking—the localized reduction in cross sectionwhich may occur in a material under tensile stress.

A2.6 offset yield strength—the stress at which the strainexceeds by a specified amount (the offset) an extension of theinitial proportional portion of the stress-strain curve. It isexpressed in force per unit area, usually megapascals [pounds-force per square inch].

NOTE A2.4—This measurement is useful for materials whose stress-strain curve in the yield range is of gradual curvature. The offset yieldstrength can be derived from a stress-strain curve as follows (Fig. A2.1):

On the strain axis lay offOM equal to the specified offset.Draw OA tangent to the initial straight-line portion of the stress-strain

NOTE 1—Some chart recorders plot the mirror image of this graph.FIG. A1.1 Material with Hookean Region

NOTE 1—Some chart recorders plot the mirror image of this graph.FIG. A1.2 Material with No Hookean Region

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11

curve.ThroughM draw a lineMN parallel toOAand locate the intersection of

MN with the stress-strain curve.The stress at the point of intersectionr is the “offset yield strength.” The

specified value of the offset must be stated as a percent of the original gagelength in conjunction with the strength value.Example:0.1 % offset yieldstrength = ... MPa [psi], or yield strength at 0.1 % offset ... MPa [psi].

A2.7 percent elongation—the elongation of a test specimenexpressed as a percent of the gage length.

A2.8 percent elongation at break and yield:

A2.8.1 percent elongation at break—the percent elongationat the moment of rupture of the test specimen.

A2.8.2 percent elongation at yield—the percent elongationat the moment the yield point (A2.22) is attained in the testspecimen.

A2.9 percent reduction of area (nominal)—the differencebetween the original cross-sectional area measured at the pointof rupture after breaking and after all retraction has ceased,expressed as a percent of the original area.

A2.10 percent reduction of area (true)—the differencebetween the original cross-sectional area of the test specimenand the minimum cross-sectional area within the gage bound-aries prevailing at the moment of rupture, expressed as apercentage of the original area.

A2.11 Poisson’s Ratio—The absolute value of the ratio oftransverse strain to the corresponding axial strain resultingfrom uniformly distributed axial stress below the proportionallimit of the material.

A2.12 proportional limit—the greatest stress which amaterial is capable of sustaining without any deviation fromproportionality of stress to strain (Hooke’s law). It is expressedin force per unit area, usually megapascals [pounds-force persquare inch].

A2.13 rate of loading—the change in tensile load carriedby the specimen per unit time. It is expressed in force per unittime, usually newtons [pounds-force] per minute. The initial

rate of loading can be calculated from the initial slope of theload versus time diagram.

A2.14 rate of straining—the change in tensile strain perunit time. It is expressed either as strain per unit time, usuallymetres per metre [inches per inch] per minute, or percentelongation per unit time, usually percent elongation per minute.The initial rate of straining can be calculated from the initialslope of the tensile strain versus time diagram.

NOTE A2.5—The initial rate of straining is synonymous with the rate ofcrosshead movement divided by the initial distance between crossheadsonly in a machine with constant rate of crosshead movement and when thespecimen has a uniform original cross section, does not “neck down,” anddoes not slip in the jaws.

A2.15 rate of stressing (nominal)—the change in tensilestress (nominal) per unit time. It is expressed in force per unitarea per unit time, usually megapascals [pounds-force persquare inch] per minute. The initial rate of stressing can becalculated from the initial slope of the tensile stress (nominal)versus time diagram.

NOTE A2.6—The initial rate of stressing as determined in this mannerhas only limited physical significance. It does, however, roughly describethe average rate at which the initial stress (nominal) carried by the testspecimen is applied. It is affected by the elasticity and flow characteristicsof the materials being tested. At the yield point, the rate of stressing (true)may continue to have a positive value if the cross-sectional area isdecreasing.

A2.16 secant modulus—the ratio of stress (nominal) tocorresponding strain at any specified point on the stress-straincurve. It is expressed in force per unit area, usually megapas-cals [pounds-force per square inch], and reported together withthe specified stress or strain.

NOTE A2.7—This measurement is usually employed in place of modu-lus of elasticity in the case of materials whose stress-strain diagram doesnot demonstrate proportionality of stress to strain.

A2.17 strain—the ratio of the elongation to the gage lengthof the test specimen, that is, the change in length per unit oforiginal length. It is expressed as a dimensionless ratio.

A2.17.1 nominal strain at break—the strain at the momentof rupture relative to the original grip separation.

A2.18 tensile strength (nominal)—the maximum tensilestress (nominal) sustained by the specimen during a tensiontest. When the maximum stress occurs at the yield point(A2.22), it shall be designated tensile strength at yield. Whenthe maximum stress occurs at break, it shall be designatedtensile strength at break.

A2.19 tensile stress (nominal)—the tensile load per unitarea of minimum original cross section, within the gageboundaries, carried by the test specimen at any given moment.It is expressed in force per unit area, usually megapascals[pounds-force per square inch].

NOTE A2.8—The expression of tensile properties in terms of theminimum original cross section is almost universally used in practice. Inthe case of materials exhibiting high extensibility or necking, or both(A2.16), nominal stress calculations may not be meaningful beyond the

FIG. A2.1 Offset Yield Strength

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12

yield point (A2.22) due to the extensive reduction in cross-sectional areathat ensues. Under some circumstances it may be desirable to express thetensile properties per unit of minimum prevailing cross section. Theseproperties are called true tensile properties (that is, true tensile stress, etc.).

A2.20 tensile stress-strain curve—a diagram in whichvalues of tensile stress are plotted as ordinates against corre-sponding values of tensile strain as abscissas.

A2.21 true strain(see Fig. A2.2) is defined by the follow-ing equation foreT:

eT 5 *Lo

LdL/L 5 ln L/Lo (A2.1)

where:dL = increment of elongation when the distance between

the gage marks isL,Lo = original distance between gage marks, andL = distance between gage marks at any time.

A2.22 yield point—the first point on the stress-strain curveat which an increase in strain occurs without an increase instress (Fig. A2.2).

NOTE A2.9—Only materials whose stress-strain curves exhibit a pointof zero slope may be considered as having a yield point.

NOTE A2.10—Some materials exhibit a distinct “break” or discontinu-ity in the stress-strain curve in the elastic region. This break is not a yieldpoint by definition. However, this point may prove useful for materialcharacterization in some cases.

A2.23 yield strength—the stress at which a material exhib-its a specified limiting deviation from the proportionality ofstress to strain. Unless otherwise specified, this stress will bethe stress at the yield point and when expressed in relation tothe tensile strength shall be designated either tensile strength atyield or tensile stress at yield as required in A2.18 (Fig. A2.3).(Seeoffset yield strength.)

A2.24 Symbols—The following symbols may be used forthe above terms:

FIG. A2.2 Illustration of True Strain Equation

FIG. A2.3 Tensile Designations

D 638 – 03

13

Symbol TermW Load

DW Increment of loadL Distance between gage marks at any time

Lo Original distance between gage marksLu Distance between gage marks at moment of ruptureDL Increment of distance between gage marks = elongation

A Minimum cross-sectional area at any timeAo Original cross-sectional areaDA Increment of cross-sectional areaAu Cross-sectional area at point of rupture measured after

breaking specimenAT Cross-sectional area at point of rupture, measured at the

moment of rupturet Time

Dt Increment of times Tensile stress

Ds Increment of stresssT True tensile stresssU Tensile strength at break (nominal)

sUT Tensile strength at break (true)e Strain

De Increment of straineU Total strain, at breakeT True strain

%El Percentage elongationY.P. Yield point

E Modulus of elasticity

A2.25 Relations between these various terms may bedefined as follows:

s = W/Ao

sT = W/AsU = W/Ao(where W is breaking load)

sUT = W/AT(where W is breaking load)e = DL/Lo = (L − Lo)/Lo

eU = (Lu − Lo)/Lo

eT = *Lo

L dL/L 5 ln L/Lo%El = [(L − Lo)/Lo] 3 100 = e 3 100

Percent reduction of area (nominal) = [(Ao − Au)/Ao] 3 100Percent reduction of area (true) = [(Ao − AT)/Ao] 3 100Rate of loading = DW/DtRate of stressing (nominal) = Ds/D = (DW]/Ao)/DtRate of straining = De/Dt = (DL/Lo)Dt

For the case where the volume of the test specimen does notchange during the test, the following three relations hold:

sT 5 s~1 1 e! 5 sL/Lo (A2.2)

sUT 5 sU ~1 1 eU! 5 sU Lu /Lo

A 5 Ao /~1 1 e!

SUMMARY OF CHANGES

This section identifies the location of selected changes to this test method. For the convenience of the user,Committee D20 has highlighted those changes that may impact the use of this test method. This section may alsoinclude descriptions of the changes or reasons for the changes, or both.

D 638 - 03:(1) Revised paragraphs 5.3, 10.1, 11.2, and 11.4 to reflect useof D 5947 and harmonization with ISO 527.(2) Revised 8.4.(3) Added new 10.3.1.1.(4) Renumbered old 10.3.1.1 to 10.3.1.2.(5) Added new Note 14.(6) Renumbered old 10.3.1.2 to 10.3.1.3.(7) Renumbered old 10.3.1.3 to 10.3.1.4.(8) Revised wording of new 10.3.1.4.(9) Renumbered old Note 14 to 15.(10) Revised 11.6.(11) Revised 11.6.1.(12) Added new 11.6.2.(13) Added new equation (3).(14) Renumbered old equation (3) to (4).(15) Revised 12.1.12.(16) Added new 12.1.13.(17) Add new Table 11.(18) Add new 13.1.2.(19) Renumbered old 13.1.2 through 13.1.2.8 to 13.1.3 through13.1.3.8.(20) Added Poisson’s ratio to 14.1 Keywords.

(21) Added new A2.11.(22) Renumbered A2.11 through A2.24 to A2.12 throughA2.25.D 638 - 02a:(1) Added 5.1.7.(2) Added new text from 11.3 to 11.3.2.1.(3) Revised 12.1.11.(4) Added A2.16.1.D 638 - 02:(1) Revised 9.1 and 9.2.D 638 - 01:(1) Modified 7.3 regarding conditions for specimen discard.D 638 - 00:(1) Added 11.1 and renumbered subsequent sections.D 638 - 99:(1) Added and clarified extensometer classification require-ments.D 638 - 98:(1) Revised 10.3 and added 12.1.8 to clarify extensometerusage.(2) Added 12.1.15.(3) Replaced reference to Test Methods D 374 with TestMethod D 5947 in 2.1 and 5.3.

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14

ASTM International takes no position respecting the validity of any patent rights asserted in connection with any item mentionedin this standard. Users of this standard are expressly advised that determination of the validity of any such patent rights, and the riskof infringement of such rights, are entirely their own responsibility.

This standard is subject to revision at any time by the responsible technical committee and must be reviewed every five years andif not revised, either reapproved or withdrawn. Your comments are invited either for revision of this standard or for additional standardsand should be addressed to ASTM International Headquarters. Your comments will receive careful consideration at a meeting of theresponsible technical committee, which you may attend. If you feel that your comments have not received a fair hearing you shouldmake your views known to the ASTM Committee on Standards, at the address shown below.

This standard is copyrighted by ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959,United States. Individual reprints (single or multiple copies) of this standard may be obtained by contacting ASTM at the aboveaddress or at 610-832-9585 (phone), 610-832-9555 (fax), or [email protected] (e-mail); or through the ASTM website(www.astm.org).

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ANEXO 21.

Norma ASTM D790-03 Standard Test Methods for Flexural

Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and

Electrical Insulating Materials

Designation: D 790 – 03

Standard Test Methods forFlexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plasticsand Electrical Insulating Materials 1



1. Scope*

1.1 These test methods cover the determination of flexuralproperties of unreinforced and reinforced plastics, includinghigh-modulus composites and electrical insulating materials inthe form of rectangular bars molded directly or cut from sheets,plates, or molded shapes. These test methods are generallyapplicable to both rigid and semirigid materials. However,flexural strength cannot be determined for those materials thatdo not break or that do not fail in the outer surface of the testspecimen within the 5.0 % strain limit of these test methods.These test methods utilize a three-point loading system appliedto a simply supported beam. A four-point loading systemmethod can be found in Test Method D 6272.

1.1.1 Procedure A, designed principally for materials thatbreak at comparatively small deflections.

1.1.2 Procedure B, designed particularly for those materialsthat undergo large deflections during testing.

1.1.3 Procedure A shall be used for measurement of flexuralproperties, particularly flexural modulus, unless the materialspecification states otherwise. Procedure B may be used formeasurement of flexural strength only. Tangent modulus dataobtained by Procedure A tends to exhibit lower standarddeviations than comparable data obtained by means of Proce-dure B.

1.2 Comparative tests may be run in accordance with eitherprocedure, provided that the procedure is found satisfactory forthe material being tested.

1.3 The values stated in SI units are to be regarded as thestandard. The values provided in parentheses are for informa-tion only.

1.4 This standard does not purport to address all of thesafety concerns, if any, associated with its use. It is theresponsibility of the user of this standard to establish appro-priate safety and health practices and determine the applica-bility of regulatory limitations prior to use.

NOTE 1—These test methods are not technically equivalent to ISO 178.


2.1 ASTM Standards:D 618 Practice for Conditioning Plastics for Testing2

D 638 Test Method for Tensile Properties of Plastics2

D 883 Terminology Relating to Plastics2

D 4000 Classification System for Specifying Plastic Mate-rials3

D 5947 Test Methods for Physical Dimensions of SolidPlastic Specimens4

D 6272 Test Method for Flexural Properties of Unrein-forced and Reinforced Plastics and Electrical InsulatingMaterials by Four-Point Bending4

E 4 Practices for Force Verification of Testing Machines5

E 691 Practice for Conducting an Interlaboratory Study toDetermine the Precision of a Test Method6

3. Terminology

3.1 Definitions—Definitions of terms applying to these testmethods appear in Terminology D 883 and Annex A1 of TestMethod D 638.

4. Summary of Test Method

4.1 A bar of rectangular cross section rests on two supportsand is loaded by means of a loading nose midway between thesupports (see Fig. 1). A support span-to-depth ratio of 16:1shall be used unless there is reason to suspect that a largerspan-to-depth ratio may be required, as may be the case forcertain laminated materials (see Section 7 and Note 8 forguidance).

4.2 The specimen is deflected until rupture occurs in theouter surface of the test specimen or until a maximum strain(see 12.7) of 5.0 % is reached, whichever occurs first.

4.3 Procedure A employs a strain rate of 0.01 mm/mm/min[0.01 in./in./min] and is the preferred procedure for this testmethod, while Procedure B employs a strain rate of 0.10mm/mm/min [0.10 in./in./min].

1 These test methods are under the jurisdiction of ASTM Committee D20 onPlastics and are the direct responsibility of Subcommittee D20.10 on MechanicalProperties.

Current edition approved March 10, 2003. Published April 2003. Originallyapproved in 1970. Last previous edition approved in 2002 as D 790 – 02.

2 Annual Book of ASTM Standards, Vol 08.01.3 Annual Book of ASTM Standards, Vol 08.02.4 Annual Book of ASTM Standards, Vol 08.03.5 Annual Book of ASTM Standards, Vol 03.01.6 Annual Book of ASTM Standards, Vol 14.02.

1



5. Significance and Use

5.1 Flexural properties as determined by these test methodsare especially useful for quality control and specificationpurposes.

5.2 Materials that do not fail by the maximum strainallowed under these test methods (3-point bend) may be moresuited to a 4-point bend test. The basic difference between thetwo test methods is in the location of the maximum bendingmoment and maximum axial fiber stresses. The maximum axialfiber stresses occur on a line under the loading nose in 3-pointbending and over the area between the loading noses in 4-pointbending.

5.3 Flexural properties may vary with specimen depth,temperature, atmospheric conditions, and the difference in rateof straining as specified in Procedures A and B (see also Note8).

5.4 Before proceeding with these test methods, referenceshould be made to the specification of the material being tested.Any test specimen preparation, conditioning, dimensions, ortesting parameters, or combination thereof, covered in thematerials specification shall take precedence over those men-tioned in these test methods. If there are no material specifi-cations, then the default conditions apply. Table 1 in Classifi-cation System D 4000 lists the ASTM materials standards thatcurrently exist for plastics.

6. Apparatus

6.1 Testing Machine— A properly calibrated testing ma-chine that can be operated at constant rates of crosshead motionover the range indicated, and in which the error in the loadmeasuring system shall not exceed61 % of the maximum loadexpected to be measured. It shall be equipped with a deflectionmeasuring device. The stiffness of the testing machine shall besuch that the total elastic deformation of the system does notexceed 1 % of the total deflection of the test specimen during

testing, or appropriate corrections shall be made. The loadindicating mechanism shall be essentially free from inertial lagat the crosshead rate used. The accuracy of the testing machineshall be verified in accordance with Practices E 4.

6.2 Loading Noses and Supports—The loading nose andsupports shall have cylindrical surfaces. In order to avoidexcessive indentation, or failure due to stress concentrationdirectly under the loading nose, the radii of the loading noseand supports shall be 5.06 0.1 mm [0.1976 0.004 in.] unlessotherwise specified or agreed upon between the interestedclients. When other loading noses and supports are used theymust comply with the following requirements: they shall havea minimum radius of 3.2 mm [1⁄8 in.] for all specimens, and forspecimens 3.2 mm or greater in depth, the radius of thesupports may be up to 1.6 times the specimen depth. They shallbe this large if significant indentation or compressive failureoccurs. The arc of the loading nose in contact with thespecimen shall be sufficiently large to prevent contact of thespecimen with the sides of the nose (see Fig. 1). The maximumradius of the loading nose shall be no more than 4 times thespecimen depth.

NOTE 2—Test data have shown that the loading nose and supportdimensions can influence the flexural modulus and flexural strengthvalues. The loading nose dimension has the greater influence. Dimensionsof the loading nose and supports must be specified in the materialspecification.

6.3 Micrometers— Suitable micrometers for measuring thewidth and thickness of the test specimen to an incrementaldiscrimination of at least 0.025 mm [0.001 in.] should be used.All width and thickness measurements of rigid and semirigidplastics may be measured with a hand micrometer with ratchet.A suitable instrument for measuring the thickness of nonrigidtest specimens shall have: a contact measuring pressure of256 2.5 kPa [3.66 0.36 psi], a movable circular contact foot6.356 0.025 mm [0.2506 0.001 in.] in diameter and a lowerfixed anvil large enough to extend beyond the contact foot inall directions and being parallel to the contact foot within 0.005mm [0.002 in.] over the entire foot area. Flatness of foot andanvil shall conform to the portion of the Calibration section ofTest Methods D 5947.

NOTE—(a) Minimum radius = 3.2 mm [1⁄8 in.]. (b) Maximum radiussupports 1.6 times specimen depth; maximum radius loading nose = 4times specimen depth.

FIG. 1 Allowable Range of Loading Nose and Support Radii

TABLE 1 Flexural Strength

Material Mean, 103 psi

Values Expressed in Units of %of 103 psi

VrA VR

B rC RD

ABS 9.99 1.59 6.05 4.44 17.2DAP thermoset 14.3 6.58 6.58 18.6 18.6Cast acrylic 16.3 1.67 11.3 4.73 32.0GR polyester 19.5 1.43 2.14 4.05 6.08GR polycarbonate 21.0 5.16 6.05 14.6 17.1SMC 26.0 4.76 7.19 13.5 20.4A Vr = within-laboratory coefficient of variation for the indicated material. It is

obtained by first pooling the within-laboratory standard deviations of the testresults from all of the participating laboratories: Sr = [[(s1)2 + (s2)2 . . . + ( sn)2]/n]1/2 then Vr = (Sr divided by the overall average for the material) 3 100.

B Vr = between-laboratory reproducibility, expressed as the coefficient of varia-tion: SR = {Sr

2 + SL2}1/2 where SL is the standard deviation of laboratory means.

Then: VR = (S R divided by the overall average for the material) 3 100.C r = within-laboratory critical interval between two test results = 2.8 3 Vr.D R = between-laboratory critical interval between two test results = 2.8 3 VR.

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7. Test Specimens

7.1 The specimens may be cut from sheets, plates, ormolded shapes, or may be molded to the desired finisheddimensions. The actual dimensions used in Section 4.2, Cal-culation, shall be measured in accordance with Test MethodsD 5947.

NOTE 3—Any necessary polishing of specimens shall be done only inthe lengthwise direction of the specimen.

7.2 Sheet Materials (Except Laminated Thermosetting Ma-terials and Certain Materials Used for Electrical Insulation,Including Vulcanized Fiber and Glass Bonded Mica):

7.2.1 Materials 1.6 mm [1⁄16 in.] or Greater in Thickness—For flatwise tests, the depth of the specimen shall be thethickness of the material. For edgewise tests, the width of thespecimen shall be the thickness of the sheet, and the depth shallnot exceed the width (see Notes 4 and 5). For all tests, thesupport span shall be 16 (tolerance61) times the depth of thebeam. Specimen width shall not exceed one fourth of thesupport span for specimens greater than 3.2 mm [1⁄8 in.] indepth. Specimens 3.2 mm or less in depth shall be 12.7 mm [1⁄2in.] in width. The specimen shall be long enough to allow foroverhanging on each end of at least 10 % of the support span,but in no case less than 6.4 mm [1⁄4 in.] on each end. Overhangshall be sufficient to prevent the specimen from slippingthrough the supports.

NOTE 4—Whenever possible, the original surface of the sheet shall beunaltered. However, where testing machine limitations make it impossibleto follow the above criterion on the unaltered sheet, one or both surfacesshall be machined to provide the desired dimensions, and the location ofthe specimens with reference to the total depth shall be noted. The valueobtained on specimens with machined surfaces may differ from thoseobtained on specimens with original surfaces. Consequently, any specifi-cations for flexural properties on thicker sheets must state whether theoriginal surfaces are to be retained or not. When only one surface wasmachined, it must be stated whether the machined surface was on thetension or compression side of the beam.

NOTE 5—Edgewise tests are not applicable for sheets that are so thinthat specimens meeting these requirements cannot be cut. If specimendepth exceeds the width, buckling may occur.

7.2.2 Materials Less than 1.6 mm [1⁄16 in.] in Thickness—The specimen shall be 50.8 mm [2 in.] long by 12.7 mm [1⁄2 in.]wide, tested flatwise on a 25.4-mm [1-in.] support span.

NOTE 6—Use of the formulas for simple beams cited in these testmethods for calculating results presumes that beam width is small incomparison with the support span. Therefore, the formulas do not applyrigorously to these dimensions.

NOTE 7—Where machine sensitivity is such that specimens of thesedimensions cannot be measured, wider specimens or shorter supportspans, or both, may be used, provided the support span-to-depth ratio is atleast 14 to 1. All dimensions must be stated in the report (see also Note 6).

7.3 Laminated Thermosetting Materials and Sheet andPlate Materials Used for Electrical Insulation, IncludingVulcanized Fiber and Glass-Bonded Mica—For paper-baseand fabric-base grades over 25.4 mm [1 in.] in nominalthickness, the specimens shall be machined on both surfaces toa depth of 25.4 mm. For glass-base and nylon-base grades,specimens over 12.7 mm [1⁄2 in.] in nominal depth shall bemachined on both surfaces to a depth of 12.7 mm. The supportspan-to-depth ratio shall be chosen such that failures occur in

the outer fibers of the specimens, due only to the bendingmoment (see Note 8). Therefore, a ratio larger than 16:1 maybe necessary (32:1 or 40:1 are recommended). When laminatedmaterials exhibit low compressive strength perpendicular to thelaminations, they shall be loaded with a large radius loadingnose (up to four times the specimen depth to prevent prematuredamage to the outer fibers.

7.4 Molding Materials (Thermoplastics and Thermosets)—The recommended specimen for molding materials is 127 by12.7 by 3.2 mm [5 by1⁄2 by 1⁄8 in.] tested flatwise on a supportspan, resulting in a support span-to-depth ratio of 16 (tolerance61). Thicker specimens should be avoided if they exhibitsignificant shrink marks or bubbles when molded.

7.5 High-Strength Reinforced Composites, Including HighlyOrthotropic Laminates—The span-to-depth ratio shall be cho-sen such that failure occurs in the outer fibers of the specimensand is due only to the bending moment (see Note 8). Aspan-to-depth ratio larger than 16:1 may be necessary (32:1 or40:1 are recommended). For some highly anisotropic compos-ites, shear deformation can significantly influence modulusmeasurements, even at span-to-depth ratios as high as 40:1.Hence, for these materials, an increase in the span-to-depthratio to 60:1 is recommended to eliminate shear effects whenmodulus data are required, it should also be noted that theflexural modulus of highly anisotropic laminates is a strongfunction of ply-stacking sequence and will not necessarilycorrelate with tensile modulus, which is not stacking-sequencedependent.

NOTE 8—As a general rule, support span-to-depth ratios of 16:1 aresatisfactory when the ratio of the tensile strength to shear strength is lessthan 8 to 1, but the support span-to-depth ratio must be increased forcomposite laminates having relatively low shear strength in the plane ofthe laminate and relatively high tensile strength parallel to the supportspan.

8. Number of Test Specimens

8.1 Test at least five specimens for each sample in the caseof isotropic materials or molded specimens.

8.2 For each sample of anisotropic material in sheet form,test at least five specimens for each of the following conditions.Recommended conditions are flatwise and edgewise tests onspecimens cut in lengthwise and crosswise directions of thesheet. For the purposes of this test, “lengthwise” designates theprincipal axis of anisotropy and shall be interpreted to mean thedirection of the sheet known to be stronger in flexure. “Cross-wise” indicates the sheet direction known to be the weaker inflexure and shall be at 90° to the lengthwise direction.

9. Conditioning

9.1 Conditioning—Condition the test specimens at 2362°C [73.46 3.6°F] and 506 5 % relative humidity for not lessthan 40 h prior to test in accordance with Procedure A ofPractice D 618 unless otherwise specified by contract or therelevant ASTM material specification. Reference pre-test con-ditioning, to settle disagreements, shall apply tolerances of61°C [1.8°F] and62 % relative humidity.

9.2 Test Conditions—Conduct the tests at 236 2°C [73.463.6°F] and 506 5 % relative humidity unless otherwise

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specified by contract or the relevant ASTM material specifica-tion. Reference testing conditions, to settle disagreements,shall apply tolerances of61°C [1.8°F] and62 % relativehumidity.

10. Procedure

10.1 Procedure A:10.1.1 Use an untested specimen for each measurement.

Measure the width and depth of the specimen to the nearest0.03 mm [0.001 in.] at the center of the support span. Forspecimens less than 2.54 mm [0.100 in.] in depth, measure thedepth to the nearest 0.003 mm [0.0005 in.]. These measure-ments shall be made in accordance with Test Methods D 5947.

10.1.2 Determine the support span to be used as described inSection 7 and set the support span to within 1 % of thedetermined value.

10.1.3 For flexural fixtures that have continuously adjust-able spans, measure the span accurately to the nearest 0.1 mm[0.004 in.] for spans less than 63 mm [2.5 in.] and to the nearest0.3 mm [0.012 in.] for spans greater than or equal to 63 mm[2.5 in.]. Use the actual measured span for all calculations. Forflexural fixtures that have fixed machined span positions, verifythe span distance the same as for adjustable spans at eachmachined position. This distance becomes the span for thatposition and is used for calculations applicable to all subse-quent tests conducted at that position. See Annex A2 forinformation on the determination of and setting of the span.

10.1.4 Calculate the rate of crosshead motion as follows andset the machine for the rate of crosshead motion as calculatedby Eq 1:

R5 ZL 2/6d (1)

where:R = rate of crosshead motion, mm [in.]/min,L = support span, mm [in.],d = depth of beam, mm [in.], andZ = rate of straining of the outer fiber, mm/mm/min [in./

in./min]. Z shall be equal to 0.01.In no case shall the actual crosshead rate differ from that

calculated using Eq 1, by more than610 %.10.1.5 Align the loading nose and supports so that the axes

of the cylindrical surfaces are parallel and the loading nose ismidway between the supports. The parallelism of the apparatusmay be checked by means of a plate with parallel grooves intowhich the loading nose and supports will fit when properlyaligned (see A2.3). Center the specimen on the supports, withthe long axis of the specimen perpendicular to the loading noseand supports.

10.1.6 Apply the load to the specimen at the specifiedcrosshead rate, and take simultaneous load-deflection data.Measure deflection either by a gage under the specimen incontact with it at the center of the support span, the gage beingmounted stationary relative to the specimen supports, or bymeasurement of the motion of the loading nose relative to thesupports. Load-deflection curves may be plotted to determinethe flexural strength, chord or secant modulus or the tangentmodulus of elasticity, and the total work as measured by thearea under the load-deflection curve. Perform the necessary toe

compensation (see Annex A1) to correct for seating andindentation of the specimen and deflections in the machine.

10.1.7 Terminate the test when the maximum strain in theouter surface of the test specimen has reached 0.05 mm/mm[in./in.] or at break if break occurs prior to reaching themaximum strain (Notes 9 and 10). The deflection at which thisstrain will occur may be calculated by lettingr equal 0.05mm/mm [in./in.] in Eq 2:

D 5 rL2/6d (2)

where:D = midspan deflection, mm [in.],r = strain, mm/mm [in./in.],L = support span, mm [in.], andd = depth of beam, mm [in.].

NOTE 9—For some materials that do not yield or break within the 5 %strain limit when tested by Procedure A, the increased strain rate allowedby Procedure B (see 10.2) may induce the specimen to yield or break, orboth, within the required 5 % strain limit.

NOTE 10—Beyond 5 % strain, this test method is not applicable. Someother mechanical property might be more relevant to characterize mate-rials that neither yield nor break by either Procedure A or Procedure Bwithin the 5 % strain limit (for example, Test Method D 638 may beconsidered).

10.2 Procedure B:10.2.1 Use an untested specimen for each measurement.10.2.2 Test conditions shall be identical to those described

in 10.1, except that the rate of straining of the outer surface ofthe test specimen shall be 0.10 mm/mm [in./in.]/min.

10.2.3 If no break has occurred in the specimen by the timethe maximum strain in the outer surface of the test specimenhas reached 0.05 mm/mm [in./in.], discontinue the test (seeNote 10).

11. Retests

11.1 Values for properties at rupture shall not be calculatedfor any specimen that breaks at some obvious, fortuitous flaw,unless such flaws constitute a variable being studied. Retestsshall be made for any specimen on which values are notcalculated.

12. Calculation

12.1 Toe compensation shall be made in accordance withAnnex A1 unless it can be shown that the toe region of thecurve is not due to the take-up of slack, seating of thespecimen, or other artifact, but rather is an authentic materialresponse.

12.2 Flexural Stress (sf)—When a homogeneous elasticmaterial is tested in flexure as a simple beam supported at twopoints and loaded at the midpoint, the maximum stress in theouter surface of the test specimen occurs at the midpoint. Thisstress may be calculated for any point on the load-deflectioncurve by means of the following equation (see Notes 11-13):

sf 5 3PL/2bd2 (3)

where:s = stress in the outer fibers at midpoint, MPa [psi],

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P = load at a given point on the load-deflection curve, N[lbf],

L = support span, mm [in.],b = width of beam tested, mm [in.], andd = depth of beam tested, mm [in.].

NOTE 11—Eq 3 applies strictly to materials for which stress is linearlyproportional to strain up to the point of rupture and for which the strainsare small. Since this is not always the case, a slight error will beintroduced if Eq 3 is used to calculate stress for materials that are not trueHookean materials. The equation is valid for obtaining comparison dataand for specification purposes, but only up to a maximum fiber strain of5 % in the outer surface of the test specimen for specimens tested by theprocedures described herein.

NOTE 12—When testing highly orthotropic laminates, the maximumstress may not always occur in the outer surface of the test specimen.7

Laminated beam theory must be applied to determine the maximumtensile stress at failure. If Eq 3 is used to calculate stress, it will yield anapparent strength based on homogeneous beam theory. This apparentstrength is highly dependent on the ply-stacking sequence of highlyorthotropic laminates.

NOTE 13—The preceding calculation is not valid if the specimen slipsexcessively between the supports.

12.3 Flexural Stress for Beams Tested at Large SupportSpans (s f)—If support span-to-depth ratios greater than 16 to1 are used such that deflections in excess of 10 % of thesupport span occur, the stress in the outer surface of thespecimen for a simple beam can be reasonably approximatedwith the following equation (see Note 14):

sf 5 ~3PL/2bd2!@1 1 6~D/L! 2 2 4~d/L!~D/L!# (4)

where:

sf, P, L, b,andd are the same as for Eq 3, andD = deflection of the centerline of the specimen at the

middle of the support span, mm [in.].

NOTE 14—When large support span-to-depth ratios are used, significantend forces are developed at the support noses which will affect themoment in a simple supported beam. Eq 4 includes additional terms thatare an approximate correction factor for the influence of these end forcesin large support span-to-depth ratio beams where relatively large deflec-tions exist.

12.4 Flexural Strength (sfM)—Maximum flexural stresssustained by the test specimen (see Note 12) during a bendingtest. It is calculated according to Eq 3 or Eq 4. Some materialsthat do not break at strains of up to 5 % may give a loaddeflection curve that shows a point at which the load does notincrease with an increase in strain, that is, a yield point (Fig. 2,Curve B),Y. The flexural strength may be calculated for thesematerials by lettingP (in Eq 3 or Eq 4) equal this point,Y.

12.5 Flexural Offset Yield Strength—Offset yield strength isthe stress at which the stress-strain curve deviates by a givenstrain (offset) from the tangent to the initial straight line portionof the stress-strain curve. The value of the offset must be givenwhenever this property is calculated.

NOTE 15—This value may differ from flexural strength defined in 12.4.

Both methods of calculation are described in the annex to Test MethodD 638.

12.6 Flexural Stress at Break (sfB )—Flexural stress atbreak of the test specimen during a bending test. It is calculatedaccording to Eq 3 or Eq 4. Some materials may give a loaddeflection curve that shows a break point,B, without a yieldpoint (Fig. 2, Curve a) in which cases fB = sfM. Othermaterials may give a yield deflection curve with both a yieldand a break point,B (Fig. 2, Curve b). The flexural stress atbreak may be calculated for these materials by lettingP (in Eq3 or Eq 4) equal this point,B.

12.7 Stress at a Given Strain—The stress in the outersurface of a test specimen at a given strain may be calculatedin accordance with Eq 3 or Eq 4 by lettingP equal the load readfrom the load-deflection curve at the deflection correspondingto the desired strain (for highly orthotropic laminates, see Note12).

12.8 Flexural Strain, ef—Nominal fractional change in thelength of an element of the outer surface of the test specimenat midspan, where the maximum strain occurs. It may becalculated for any deflection using Eq 5:

ef 5 6Dd/L2 (5)

where:ef = strain in the outer surface, mm/mm [in./in.],D = maximum deflection of the center of the beam, mm

[in.],L = support span, mm [in.], and

7 For a discussion of these effects, see Zweben, C., Smith, W. S., and Wardle, M.W., “Test Methods for Fiber Tensile Strength, Composite Flexural Modulus andProperties of Fabric-Reinforced Laminates, “Composite Materials: Testing andDesign (Fifth Conference), ASTM STP 674, 1979, pp. 228–262.

NOTE—Curve a: Specimen that breaks before yielding.Curve b: Specimen that yields and then breaks before the 5 % strain

limit.Curve c: Specimen that neither yields nor breaks before the 5 % strain

limit.FIG. 2 Typical Curves of Flexural Stress ( ßf) Versus Flexural

Strain ( ef)

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d = depth, mm [in.].D = maximum deflection of the center of the beam, mm

[in.],L = support span, mm [in.], andd = depth, mm [in.].

12.9 Modulus of Elasticity:12.9.1 Tangent Modulus of Elasticity—The tangent modu-

lus of elasticity, often called the “modulus of elasticity,” is theratio, within the elastic limit, of stress to corresponding strain.It is calculated by drawing a tangent to the steepest initialstraight-line portion of the load-deflection curve and using Eq6 (for highly anisotropic composites, see Note 16).

EB 5 L3m/4bd3 (6)

where:EB = modulus of elasticity in bending, MPa [psi],L = support span, mm [in.],b = width of beam tested, mm [in.],d = depth of beam tested, mm [in.], andm = slope of the tangent to the initial straight-line portion

of the load-deflection curve, N/mm [lbf/in.] of deflec-tion.

NOTE 16—Shear deflections can seriously reduce the apparent modulusof highly anisotropic composites when they are tested at low span-to-depth ratios.7 For this reason, a span-to-depth ratio of 60 to 1 isrecommended for flexural modulus determinations on these composites.Flexural strength should be determined on a separate set of replicatespecimens at a lower span-to-depth ratio that induces tensile failure in theouter fibers of the beam along its lower face. Since the flexural modulusof highly anisotropic laminates is a critical function of ply-stackingsequence, it will not necessarily correlate with tensile modulus, which isnot stacking-sequence dependent.

12.9.2 Secant Modulus— The secant modulus is the ratio ofstress to corresponding strain at any selected point on thestress-strain curve, that is, the slope of the straight line thatjoins the origin and a selected point on the actual stress-straincurve. It shall be expressed in megapascals [pounds per squareinch]. The selected point is chosen at a prespecified stress orstrain in accordance with the appropriate material specificationor by customer contract. It is calculated in accordance with Eq6 by letting m equal the slope of the secant to the load-

deflection curve. The chosen stress or strain point used for thedetermination of the secant shall be reported.

12.9.3 Chord Modulus (Ef)—The chord modulus may becalculated from two discrete points on the load deflectioncurve. The selected points are to be chosen at two prespecifiedstress or strain points in accordance with the appropriatematerial specification or by customer contract. The chosenstress or strain points used for the determination of the chordmodulus shall be reported. Calculate the chord modulus,Ef

using the following equation:

Ef 5 ~sf2 2 sf1!/~ef2 2 ef1! (7)

where:

sf2 andsf1 are the flexural stresses, calculated from Eq 3 orEq 4 and measured at the predefined points on the loaddeflection curve, ande f2 and

ef1 are the flexural strain values, calculated from Eq 5 andmeasured at the predetermined points on the load deflectioncurve.

12.10 Arithmetic Mean— For each series of tests, thearithmetic mean of all values obtained shall be calculated tothree significant figures and reported as the “average value” forthe particular property in question.

12.11 Standard Deviation—The standard deviation (esti-mated) shall be calculated as follows and be reported to twosignificant figures:

s 5 =~(X 2 2 nX̄2! / ~n 2 1! (8)

where:s = estimated standard deviation,X = value of single observation,n = number of observations, andX̄ = arithmetic mean of the set of observations.

13. Report

13.1 Report the following information:13.1.1 Complete identification of the material tested, includ-

ing type, source, manufacturer’s code number, form, principaldimensions, and previous history (for laminated materials,ply-stacking sequence shall be reported),

13.1.2 Direction of cutting and loading specimens, whenappropriate,

13.1.3 Conditioning procedure,13.1.4 Depth and width of specimen,13.1.5 Procedure used (A or B),13.1.6 Support span length,13.1.7 Support span-to-depth ratio if different than 16:1,13.1.8 Radius of supports and loading noses if different than

5 mm,13.1.9 Rate of crosshead motion,13.1.10 Flexural strain at any given stress, average value

and standard deviation,13.1.11 If a specimen is rejected, reason(s) for rejection,13.1.12 Tangent, secant, or chord modulus in bending,

average value, standard deviation, and the strain level(s) usedif secant or chord modulus,

13.1.13 Flexural strength (if desired), average value, andstandard deviation,

TABLE 2 Flexural Modulus

Material Mean, 103 psi

Values Expressed in units of %of 103 psi

VrA VR

B rC RD

ABS 338 4.79 7.69 13.6 21.8DAP thermoset 485 2.89 7.18 8.15 20.4Cast acrylic 810 13.7 16.1 38.8 45.4GR polyester 816 3.49 4.20 9.91 11.9GR polycarbonate 1790 5.52 5.52 15.6 15.6SMC 1950 10.9 13.8 30.8 39.1A Vr = within-laboratory coefficient of variation for the indicated material. It is

obtained by first pooling the within-laboratory standard deviations of the testresults from all of the participating laboratories: Sr = [[(s1)2 + ( s2)2 . . . + (sn)2]/n]1/2 then Vr = (Sr divided by the overall average for the material) 3 100.

B Vr = between-laboratory reproducibility, expressed as the coefficient of varia-tion: SR = {Sr

2 + SL2}1/2 where SL is the standard deviation of laboratory means.

Then: VR = (SR divided by the overall average for the material) 3 100.Cr = within-laboratory critical interval between two test results = 2.8 3 Vr.D R = between-laboratory critical interval between two test results = 2.8 3 VR.

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13.1.14 Stress at any given strain up to and including 5 % (ifdesired), with strain used, average value, and standard devia-tion,

13.1.15 Flexural stress at break (if desired), average value,and standard deviation,

13.1.16 Type of behavior, whether yielding or rupture, orboth, or other observations, occurring within the 5 % strainlimit, and

13.1.17 Date of specific version of test used.

14. Precision and Bias8

14.1 Tables 1 and 2 are based on a round-robin testconducted in 1984, in accordance with Practice E 691, involv-ing six materials tested by six laboratories using Procedure A.For each material, all the specimens were prepared at onesource. Each “test result” was the average of five individualdeterminations. Each laboratory obtained two test results foreach material.

NOTE 17—Caution: The following explanations ofr and R (14.2-14.2.3) are intended only to present a meaningful way of considering theapproximate precision of these test methods. The data given in Tables 2and 3 should not be applied rigorously to the acceptance or rejection ofmaterials, as those data are specific to the round robin and may not berepresentative of other lots, conditions, materials, or laboratories. Users of

these test methods should apply the principles outlined in Practice E 691to generate data specific to their laboratory and materials, or betweenspecific laboratories. The principles of 14.2-14.2.3 would then be valid forsuch data.

14.2 Concept of “r” and “R” in Tables 1 and 2—IfSr andSR have been calculated from a large enough body of data, andfor test results that were averages from testing five specimensfor each test result, then:

14.2.1 Repeatability— Two test results obtained within onelaboratory shall be judged not equivalent if they differ by morethan ther value for that material.r is the interval representingthe critical difference between two test results for the samematerial, obtained by the same operator using the sameequipment on the same day in the same laboratory.

14.2.2 Reproducibility— Two test results obtained by dif-ferent laboratories shall be judged not equivalent if they differby more than theR value for that material.R is the intervalrepresenting the critical difference between two test results forthe same material, obtained by different operators using differ-ent equipment in different laboratories.

14.2.3 The judgments in 14.2.1 and 14.2.2 will have anapproximately 95 % (0.95) probability of being correct.

14.3 Bias—No statement may be made about the bias ofthese test methods, as there is no standard reference material orreference test method that is applicable.

15. Keywords

15.1 flexural properties; plastics; stiffness; strength

ANNEXES

(Mandatory Information)

A1. TOE COMPENSATION

A1.1 In a typical stress-strain curve (see Fig. A1.1) there isa toe region,AC, that does not represent a property of thematerial. It is an artifact caused by a takeup of slack andalignment or seating of the specimen. In order to obtain correctvalues of such parameters as modulus, strain, and offset yieldpoint, this artifact must be compensated for to give thecorrected zero point on the strain or extension axis.

A1.2 In the case of a material exhibiting a region ofHookean (linear) behavior (see Fig. A1.1), a continuation ofthe linear(CD) region of the curve is constructed through thezero-stress axis. This intersection(B) is the corrected zero-strain point from which all extensions or strains must bemeasured, including the yield offset(BE), if applicable. Theelastic modulus can be determined by dividing the stress at anypoint along the LineCD (or its extension) by the strain at thesame point (measured from PointB, defined as zero-strain).

A1.3 In the case of a material that does not exhibit anylinear region (see Fig. A1.2), the same kind of toe correction ofthe zero-strain point can be made by constructing a tangent tothe maximum slope at the inflection PointH8. This is extendedto intersect the strain axis at PointB8, the corrected zero-strain

8 Supporting data are available from ASTM Headquarters. Request RR:D20 – 1128.

NOTE—Some chart recorders plot the mirror image of this graph.FIG. A1.1 Material with Hookean Region

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point. Using PointB8 as zero strain, the stress at any point(G8)on the curve can be divided by the strain at that point to obtaina secant modulus (slope of LineB8 G8). For those materialswith no linear region, any attempt to use the tangent throughthe inflection point as a basis for determination of an offsetyield point may result in unacceptable error.

A2. MEASURING AND SETTING SPAN

A2.1 For flexural fixtures that have adjustable spans, it isimportant that the span between the supports is maintainedconstant or the actual measured span is used in the calculationof stress, modulus, and strain, and the loading nose or noses arepositioned and aligned properly with respect to the supports.Some simple steps as follows can improve the repeatability ofyour results when using these adjustable span fixtures.

A2.2 Measurement of Span:

A2.2.1 This technique is needed to ensure that the correctspan, not an estimated span, is used in the calculation ofresults.

A2.2.2 Scribe a permanent line or mark at the exact centerof the support where the specimen makes complete contact.The type of mark depends on whether the supports are fixed orrotatable (see Figs. A2.1 and A2.2).

A2.2.3 Using a vernier caliper with pointed tips that isreadable to at least 0.1 mm [0.004 in.], measure the distancebetween the supports, and use this measurement of span in thecalculations.

A2.3 Setting the Span and Alignment of LoadingNose(s)—To ensure a consistent day-to-day setup of the spanand ensure the alignment and proper positioning of the loadingnose, simple jigs should be manufactured for each of thestandard setups used. An example of a jig found to be useful isshown in Fig. A2.3.

NOTE—Some chart recorders plot the mirror image of this graph.FIG. A1.2 Material with No Hookean Region

FIG. A2.1 Markings on Fixed Specimen Supports

FIG. A2.2 Markings on Rotatable Specimen Supports

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8

APPENDIX

(Nonmandatory Information)

X1. DEVELOPMENT OF A FLEXURAL MACHINE COMPLIANCE CORRECTION

X1.1 Introduction

X1.1.1 Universal Testing instrument drive systems alwaysexhibit a certain level of compliance that is characterized by avariance between the reported crosshead displacement and thedisplacement actually imparted to the specimen. This varianceis a function of load frame stiffness, drive system wind-up, loadcell compliance and fixture compliance. To accurately measurethe flexural modulus of a material, this compliance should bemeasured and empirically subtracted from test data. Flexuralmodulus results without the corrections are lower than if thecorrection is applied. The greater the stiffness of the materialthe more influence the system compliance has on results.

X1.1.2 It is not necessary to make the machine compliancecorrection when a deflectometer/extensometer is used to mea-sure the actual deflection occurring in the specimen as it isdeflected.

X1.2 Terminology

X1.2.1 Compliance—The displacement difference betweentest machine drive system displacement values and actualspecimen displacement

X1.2.2 Compliance Correction—An analytical method ofmodifying test instrument displacement values to eliminate theamount of that measurement attributed to test instrumentcompliance.

X1.3 Apparatus

X1.3.1 Universal Testing machineX1.3.2 Load cellX1.3.3 Flexure fixture including loading nose and specimen

supportsX1.3.4 Computer Software to make corrections to the dis-

placements

X1.3.5 Steel bar, with smoothed surfaces and a calculatedflexural stiffness of more than 100 times greater than the testmaterial. The length should be at least 13 mm greater than thesupport span. The width shall match the width of the testspecimen and the thickness shall be that required to achieve orexceed the target stiffness.

X1.4 Safety Precautions

X1.4.1 The universal testing machine should stop the ma-chine crosshead movement when the load reaches 90 % of loadcell capacity, to prevent damage to the load cell.

X1.4.2 The compliance curve determination should bemade at a speed no higher than 2 mm/min. Because the loadbuilds up rapidly since the steel bar does not deflect, it is quiteeasy to exceed the load cell capacity.

X1.5 Procedure

NOTE X1.1—A new compliance correction curve should be establishedeach time there is a change made to the setup of the test machine, such as,load cell changed or reinstallation of the flexure fixture on the machine. Ifthe test machine is dedicated to flexural testing, and there are no changesto the setup, it is not necessary to re-calculate the compliance curve.

NOTE X1.2—On those machines with computer software that automati-cally make this compliance correction; refer to the software manual todetermine how this correction should be made.

X1.5.1 The procedure to determine compliance follows:X1.5.1.1 Configure the test system to match the actual test

configuration.X1.5.1.2 Place the steel bar in the test fixture, duplicating

the position of a specimen during actual testing.X1.5.1.3 Set the crosshead speed to 2 mm/min. or less and

start the crosshead moving in the test direction recordingcrosshead displacement and the corresponding load values.

FIG. A2.3 Fixture Used to Set Loading Nose and Support Spacing and Alignment

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9

X1.5.1.4 Increase load to a point exceeding the highest loadexpected during specimen testing. Stop the crosshead andreturn to the pre-test location.

X1.5.1.5 The recorded load-deflection curve, starting whenthe loading nose contacts the steel bar to the time that thehighest load expected is defined as test system compliance.

X1.5.2 Procedure to apply compliance correction is asfollows:

X1.5.2.1 Run the flexural test method on the material at thecrosshead required for the measurement.

X1.5.2.2 It is preferable that computer software be used tomake the displacement corrections, but if it is not availablecompliance corrections can be made manually in the followingmanner. Determine the range of displacement (D) on the loadversus displacement curve for the material, over which themodulus is to be calculated. For Young’s Modulus that wouldsteepest region of the curve below the proportional limit. ForSecant and Chord Modulii that would be at specified level ofstrain or specified levels of strain, respectively. Draw twovertical lines up from the displacement axis for the two chosendisplacements (D1, D2) to the load versus displacement curvefor the material. In some cases one of these points maybe atzero displacement after the toe compensation correction ismade. Draw two horizontal lines from these points on the loaddisplacement curve to the Load (P) axis. Determine the loads(L1, L2).

X1.5.2.3 Using the Compliance Correction load displace-ment curve for the steel bar, mark off L1 and L2 on the Load(P) axis. From these two points draw horizontal lines across tillthey contact the load versus displacement curve for the steel

bar. From these two points on the load deflection curve drawtwo vertical lines downwards to the displacement axis. Thesetwo points on the displacement axis determine the corrections(c1, c2) that need to be made to the displacements measure-ments for the test material.

X1.5.2.4 Subtract the corrections (c1, c2) from the mea-sured displacements (D1, D2), so that a true measures of testspecimen deflection (D1-c1, D2-c2) are obtained.

X1.6 Calculations

X1.6.1 Calculation of Chord ModulusX1.6.1.1 Calculate the stresses (sf1, sf2) for load points L1

and L2 from Fig. X1.1 using the equation in 12.2 3.X1.6.1.2 Calculate the strains (ef1, ef2) for displacements

D1-c1 and D2-c2 from Fig. X1.3 using the equation in 12.8 Eq.5.

X1.6.1.3 Calculate the flexural chord modulus in accor-dance with 12.9.3 Eq. 7.

X1.6.2 Calculation of Secant ModulusX1.6.2.1 Calculation of the Secant Modulus at any strain

along the curve would be the same as conducting a chordmodulus measurement, except thatsf1 = 0, L1= 0, and D1-c1= 0.

X1.6.3 Calculation of Young’s ModulusX1.6.3.1 Determine the steepest slope “m” along the curve,

below the proportional limit, using the selected loads L1 andL2 from Fig. X1.1 and the displacements D1-c1 and D2-c2from Fig. X1.3.

X1.6.3.2 Calculate the Young’s modulus in accordance with12.9.1 Eq. 6.

FIG. X1.1 Example of Modulus Curve for a Material FIG. X1.2 Compliance Curve for Steel Bar

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SUMMARY OF CHANGES

This section identifies the location of selected changes to these test methods. For the convenience of the user,Committee D20 has highlighted those changes that may impact the use of these test methods. This section mayalso include descriptions of the changes or reasons for the changes, or both.

D 790 – 03:

(1) Added Appendix X1.

D 790 – 02:

(1) Revised 9.1 and 9.2.

D 790 – 00:

(1) Revised 12.1.

D 790 – 99:

(1) Revised 10.1.3.

D 790 – 98:

(1) Section 4.2 was rewritten extensively to bring this standardcloser to ISO 178.

(2) Fig. 2 was added to clarify flexural behaviors that may beobserved and to define what yielding and breaking behaviorslook like, as well as the appropriate place to select these pointson the stress strain curve.




FIG. X1.3 Example of the Material Curve Corrected for theCompliance Corrected Displacement or Strain

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11

187


ANEXO 22.

Norma ASTM D3841-97 Standard Specification for Glass-

Fiber-Reinforced Polyester Plastic Panels

Designation: D 3841 – 97 (Reapproved 2001) An American National Standard

Standard Specification forGlass-Fiber-Reinforced Polyester Plastic Panels 1



1. Scope *

1.1 This specification covers the classification, materials ofconstruction, workmanship, minimum physical requirements,and methods of testing glass-fiber reinforced polyester plasticpanels intended for use in construction. Panels for specializedor unique applications may require values significantly aboveor below those stated in this specification. Recommendedpractices for certain specific applications are included asAppendix X1. This specification is not intended to restrict orlimit technological changes affecting performance when thosechanges are agreed upon between the purchaser and the seller.

1.2 Supplementary information on chemical resistance, re-sistance to heat, and installation practices are provided inAppendix X1.

1.3 The classification of these plastic panels into typesbased on relative response to a laboratory test shall not beconsidered a fire hazard classification.

1.4 The values stated in inch-pound units are to be regardedas the standard. The values given in parentheses are forinformation only.

1.5 The text of this standard references notes and footnoteswhich provide explanatory material. These notes and footnotes(excluding those in Tables and Figures) shall not be consideredas requirements of this standard.

1.6 Laboratory flammability tests (Test Methods D 635,D 1929, D 2843, and E 84) applicable to this standard shouldbe used to measure and describe the properties of materials,products, or assemblies in response to heat and flame undercontrolled laboratory conditions and should not be used todescribe or appraise the fire hazard or fire risk of materials,products, or assemblies under actual fire conditions. However,results of these tests may be used as elements of a fire riskassessment which takes into account all of the factors whichare pertinent to an assessment of the fire hazard of a particularend use.

1.7 The following precautionary caveat pertains only to thetest method portion, Section 8 of this specification.Thisspecification does not purport to address all of the safetyconcerns, if any, associated with its use. It is the responsibilityof the user of this specification to establish appropriate safetyand health practices and determine the applicability of regu-latory limitations prior to use.

NOTE 1—There are no ISO standards covering the subject matter of thisspecification.


2.1 ASTM Standards:D 570 Test Method for Water Absorption of Plastics2

D 618 Practice for Conditioning Plastics for Testing2

D 635 Test Method for Rate of Burning and/or Extent andTime of Burning of Self-Supporting Plastics in a Horizon-tal Position2

D 638 Test Method for Tensile Properties of Plastics2

D 696 Test Method for Coefficient of Linear Thermal Ex-pansion of Plastics between —30°C and 30°C with aVitreous Silica Dilatometer2

D 790 Test Methods for Flexural Properties of Unreinforcedand Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materi-als2

D 883 Terminology Relating to Plastics2

D 1435 Practice for Outdoor Weathering of Plastics2

D 1494 Test Method for Diffuse Light Transmission Factorof Reinforced Plastic Panels2

D 1600 Terminology for Abbreviated Terms Relating toPlastics2

D 1929 Test Method for Ignition Properties of Plastics3

D 2843 Test Method for Density of Smoke from the Burn-ing or Decomposition of Plastics3

D 3892 Practice for Packaging/Packing of Plastics4

D 4364 Practice for Performing Accelerated OutdoorWeathering of Plastics Using Concentrated Natural Sun-light4

1 This specification is under the jurisdiction of ASTM Committee D20 onPlastics and is the direct responsibility of Subcommittee D20.24 on Plastic BuildingProducts.

Current edition approved April 10, 1997. Published November 1997. Originallypublished as D 3841 – 80. Last previous edition D 3841 – 92.

2 Annual Book of ASTM Standards, Vol 08.01.3 Annual Book of ASTM Standards, Vol 08.02.4 Annual Book of ASTM Standards, Vol 08.03.

1



E 72 Method for Conducting Strength Tests of Panels forBuilding Construction5

E 84 Test Method for Surface Burning Characteristics ofBuilding Materials5

E 424 Test Method for Solar Energy Transmittance andReflectance (Terrestrial) of Sheet Materials6

E 631 Terminology of Building Constructions7

E 831 Test Method for Linear Thermal Expansion of SolidMaterials by Thermomechanical Analysis7

E 903 Test Method for Solar Absorptance, Reflectance andTransmittance of Materials Using Integrating Spheres8

E 972 Test Method for Solar Photometric Transmittance ofSheet Materials Using Sunlight8

E 1084 Test Method for Solar Transmittance (Terrestrial) ofSheet Material Using Sunlight8

E 1175 Test Method for Determining Solar or PhotopicReflectance, Transmittance and Absorptance of MaterialsUsing a Large Diameter Integrating Sphere8

G 26 Practice for Operating Light-Exposure Apparatus(Xenon-Arc Type) With or Without Water for Exposure ofNonmetallic Materials7

3. Terminology

3.1 General—Definitions are in accordance with Terminol-ogy D 883 and E 631 and abbreviations with TerminologyD 1600 unless otherwise indicated.

3.2 Definitions of Terms Specific to This Standard:Descrip-tion of Term Specific to This Standard:

3.2.1 limited flammability—less response to fire than gen-eral purpose material when tested under laboratory conditions.

NOTE 2—Limited flammability is considered a fire hazard classification(see 1.3 and 1.6).

4. Classification

4.1 Light transmitting panels covered by this specificationare divided into two types, based on relative response to alaboratory flammability test:

4.1.1 Type CC1—Limited flammability.4.1.2 Type CC2—General purpose.

NOTE 3—Types CC1 and CC2 are classifications incorporated in themajor model building codes. Panels used in other applications are alsoclassified by major model building codes in accordance with appropriatechapters of those codes.

4.2 These types may be further subdivided by grades basedon relative response to weathering tests:

4.2.1 Grade 1—Weather resistance.4.2.2 Grade 2—General purpose.4.3 Within the classification of type and grade of plastic

panel described in this specification are commercial productswith the following variations as agreed upon between pur-chaser and supplier:

4.3.1 Size (Length and Width)—The most common nominalsizes currently available are 26 to 60 in. (66.0 to 152.4 cm) in

width, and 6 to 16 ft (1.8 to 4.9 m) in length. Corrugatedpanels, to approximately 40 ft (12.2 m), and flat sheet in coilsof longer lengths, are generally available.

4.3.2 Surface Treatments—Some manufacturers offer spe-cial surface treatments of various types for the purpose ofimproving durability. Individual suppliers can provide details.

4.3.3 Light Transmission—Refer to manufacturers’ litera-ture for range of transmission available.

4.3.4 Solar Energy Transmission—Refer to manufacturers’literature for range of transmission available.

4.3.5 Color—Refer to manufacturers’ literature for range ofcolored products available.

4.3.6 Load Deflection—Refer to manufacturers’ literaturefor load and deflection data on specific profiles.

4.3.7 Weight Per Square Foot or Thickness—Panels aregenerally designed and sold by weight per square foot, themost common of which are 4 through 12 oz (1.2 through 3.7kg/m2). Other weights are available. Flat sheet may be desig-nated and sold by either weight (as indicated above) orthickness, the most common of which are 0.030 through 0.125in. (0.76 through 3.2 mm), as measured in accordance with8.4.1. Other thicknesses are available.

4.3.8 Profile, Pitch and Depth—In addition to standardprofiles, special or custom profiles may be developed as agreedupon between the buyer and the seller.

5. Materials

5.1 The polyester resin used in the panels shall be athermosetting styrenated and acrylated polyester resin com-posed of polymeric esters in which the recurring ester groupsare an integral part of the main polymer chain. The resin shallbe reinforced with glass fibers. The polyester resin may containadditives for various purposes, such as additives to provide lowsmoke density or high fire retardancy, catalyst residues, stabi-lizers, pigments, dyes, fillers, and reinforcing fiber or filaments.For material specifications of other types of fiberglass rein-forced plastics, consult the manufacturers’ literature.

6. Workmanship, Finish, and Appearance

6.1 The panels will conform to the specific dimensions ofthe profile being produced and shall be fully cured. Panels shallnot contain visual cracks, resin voids, foreign inclusions, orsurface wrinkles that would impair the proper nesting of thecorrugated panels, alter the specific dimensions of the panels,or otherwise affect their serviceability.

7. Physical Requirements

7.1 Size (Length and Width)—Tolerance on nominal lengthand width specified by the purchaser shall be60.25 in. (66mm) measured in accordance with 8.2. Panels exceeding 16 ftin length shall have a length tolerance of +0.75 −0.125 in. (+19−3.2 mm).

7.2 Squareness—Panels shall be within 0.125 in. (3.2 mm)of square when measured in accordance with 8.3.

7.3 Weight—Tolerance on the specified weight of all panelsshall be610 % when determined in accordance with 8.4.

5 Annual Book of ASTM Standards, Vol 04.07.6 Discontinued—Replaced by E 903 and E 1084.7 Annual Book of ASTM Standards, Vols 08.03 and 14.02.8 Annual Book of ASTM Standards, Vol 12.02.

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2

7.3.1 Thickness—When a thickness requirement is specifiedfor flat panels in place of standard weight per square foot, thetolerance shall be610 % when determined in accordance with8.4.1.

7.4 Profile—The pitch and depth of the corrugations shallhave the following tolerances:Pitch 60.0625 in. (65.2 mm)per square foot when measured in accordance with 8.5, andDepth60.0625 in. when measured in accordance with 8.6.

7.5 Color—Color shall be as specified by the purchaser anduniform throughout the sheet when examined in accordancewith 8.7.

7.6 Light Transmission—The nominal light transmissionfactor shall have a tolerance of64 % from the nominal factorspecified by purchaser when determined by Test MethodsD 1494 or E 972.

7.7 Solar Energy Transmission—The nominal solar energytransmission shall be a tolerance of64 % from the nominaltransmission specified by the purchaser when determined byTest Methods E 424, Method B; E 903; E 1084; or E 1175.Measurements made using E 903 are to be integrated for airmass 1.5.

7.8 Weather Resistance—Panels are classified for WeatherResistance as Grade 1 or 2 based upon the exposure or lack ofexposure of glass fibers on the panels’ surface when tested inaccordance with Practice D 1435.

7.9 Coeffıcient of Linear Thermal Expansion—The linearthermal expansion of panels shall not exceed values specifiedin Table 1 when tested in accordance with Test Methods D 696or E 831.

7.10 Impact Resistance—Refer to X1.4.7.11 Load-Deflection Properties—The load-deflection char-

acteristics of a corrugated or ribbed panel shall be as agreedupon between the purchaser and the seller when determined inaccordance with 8.9.

7.12 Rate of Burning or Extent and Time of Burning, orBoth—Panels shall be classified as CC1 or CC2 when tested inaccordance with Test Method D 635 and when tested in thethickness intended for use as follows:

7.12.1 CC1—Plastic panels which have a burning extent of1.0 in. (25.4 mm) or less.

7.12.2 CC2—Plastic panels which have a burning rate of2.5 in. (63.5 mm)/min or less.

NOTE 4—These requirements are intended only to differentiate between

limited flammability panels and general purpose panels.

7.13 Ignition Properties—All panels shall have a minimumself-ignition temperature of 650°F (343°C) when tested by TestMethod D 1929.

7.14 Physical properties as shown in Table 1 shall bedetermined in accordance with methods specified in 8.11.

7.15 Panels shall have a smoke density rating no greaterthan 450 when tested in accordance with Test Method E 84, ora smoke density rating no greater than 75 when tested inaccordance with Test Method D 2843 in the thickness intendedfor use.

8. Test Methods

8.1 Conditioning—Condition the test specimens in accor-dance with Procedure A of Method D 618 where conditioningis required.

8.2 Length and Width—Lay the panel on a flat, smoothsurface and measure with a steel tape. Measure the length onthe two sides and the center to the nearest 0.03125 in. (0.8mm), and average the three measurements. Measure the widthon the projected width at each end and in the center to thenearest 0.03125 in., and average the three measurements.

8.3 Squareness—Any type jig that has two rails perpendicu-lar to one another, each of length at least equal to the length ofthe side of the panel in contact with the rail, may be used todetermine squareness. Place the panel in the jig so that thelongest edge of the panel touches the horizontal rail along itsentire length, and the vertical (short edge) touches the verticalrail at some point along its entire length. Measure the gapbetween the vertical rail and the short edge of the panel at thecorner opposite the one touching the rail. Measure to thenearest 0.03125 in. (0.8 mm). Rotate the panel 180° and repeatthe test.

8.4 Weight—Weigh the panel on a scale accurate to61 %.Calculate the area on the basis of length and width measure-ments made in accordance with 8.2. Calculate the weight inounces per square foot (or kilograms per square metre).

8.4.1 Thickness—Make thickness measurements on flatpanels every 4 in. (101.6 mm) across the width of the panel, atboth ends, with a micrometer incorporating an anvil no lessthan 0.375 in. (9.5 mm) in diameter and accurate to 0.001 in.(0.3 mm). Average the individual measurements in order todetermine the panel’s nominal thickness.

8.5 Pitch—The pitch of a profile of a panel is the averagedistance from the crest of one corrugation to the crest of anadjacent corrugation or, in the case of ribbed panels, thedistance from the center of one rib to the center of the nextadjacent rib. Determine the crests of the corrugations or ribs byplacing a metal straightedge crosswise on the panel so that ittouches the crests. Measure to within60.0625 in. (65.2mm/m)/ft (304.8 mm) of panel width and divide by the numberof pitches to obtain an average pitch value.

8.6 Depth—The depth of the corrugation is the verticaldistance between the plane of the crests and the upper side ofthe sheet at the bottom of the valley. Make ten depth measure-ments, five at each end, to the nearest 0.03125 in. (0.76 mm)with a depth micrometer on each specimen and average theresults.

TABLE 1 Physical Properties A

Property ValueB ASTM TestMethod

Water absorption, max 1 % D 570Tensile strength, min 7000 psi (48.3 MPa) D 638Coefficient of linear thermal

expansion, max2.53 10.5 in./in./°F (4.5 cm/

cm/°C)D 696 or E 831

Flexural strength, min 14 000 psi (96.6 MPa) D 790Flexural modulus, min 500 000 psi D 790

A The values reflect the minimum performance criteria for the most commonapplications. Specialized applications may require values significantly higher orlower than those stated here. For example, flat sheet formulated for interior use aswall liners may have lower modulus values in order to achieve the flexibilityrequired for applications of the panels to irregular substrates.

B These values are approximate. For specific product values refer to themanufacturers’ published literature. All published physical property data shallreport the test methods used to obtain the specific data.

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3

8.7 Color—Examine the panel visually from a distance of10 ft (3 m) for color uniformity by viewing. Minor differencesin intensity of the color due to the uneven dispersion of theglass fibers in the resin shall not be cause for rejection.

8.8 Weather Resistance—Expose specimens in accordancewith the procedures of Practice D 1435. For interim evaluationof weather resistance, the accelerated methods in PracticesG 26 or D 4364, Procedure B may be used.

8.8.1 Exposure Conditions—Outdoor— Outdoor exposurein accordance with Practice D 1435 is required. Sample speci-mens should be at least 1 ft2(929 cm 2) in size. Expose thesamples without backing at 45° from the horizontal, facingSouth. The duration of exposure shall be 9246 12 MJ/m2, oftotal ultraviolet radiation (295 to 385-nm wavelength region).

8.8.1.1 Cleaning—After each 3086 4-MJ/m2 total ultra-violet radiant exposure increment, the left one half of eachspecimen shall be washed. Use clean, clear tap water to rinsethe area to be washed as thoroughly as possible to removeloose surface deposits to avoid unnecessary abrasion. Saturatea clean, soft cotton cloth9 with clean, clear tap water and gentlyrub over the rinsed area. Continue the procedure until allsurface deposits have been removed. While washing, the cottoncloth must frequently be rinsed in and saturated with cleanwater to avoid specimen damage due to abrasive particleswhich are picked up and retained by the cloth from thespecimen. After washing, pat the area dry with a clean, softcotton cloth. Clear tap water may not remove the maximumamount of surface deposits. If necessary, a 5:95 solution of amild liquid detergent (see Note 6) and clean tap water may beused. If the solution is used, extra care must be taken to ensurethat any film caused by the solution is rinsed away prior todrying. A surface film generated by cleaning with a detergentsolution may affect instrumental and visual grading.

NOTE 5—If instrumentation is not available for measuring total ultra-violet as required in 8.8.1, expose materials for three calendar years.Conduct the procedure required in 8.8.1.1 each calendar year. Timingexposures on a calendar basis must be agreed upon by all interestedparties.

NOTE 6—Mild detergents are suitable.

8.8.2 Exposure Conditions—Accelerated—The followingartificial accelerated exposure test can be used to evaluate therelative durability of glass-fiber-reinforced plastic materials.The most meaningful comparisons are made between materialsexposed at the same time in the same device.

8.8.2.1 Xenon Arc Using Practice G 26, Method A, Appa-ratus Types AH or BH With Controlled IrradianceCapability—Equip and operate the apparatus as specified asfollows, and test the specimens for a minimum of the statedradiant exposure:

Filter combination borosilicate inner and outerIrradiance level 0.35 W/m2/340 nmProgram Cam No. 162 90 min light only followed by 30 min

light with front sprayBlack panel temperature 70 6 2°CRelative humidity 60 6 5 %

Spray water deionizedSpray nozzle F-80Radiant exposure 4500 6 45 kJ/m2/340 nm

8.8.2.2 Xenon Arc Using Practice G 26, Method A, Appa-ratus Types AH or BH Without Controlled IrradianceCapability—Equip and operate the apparatus as specified in8.8.2.1, except specimens shall be tested for a minimum of3600 h. The irradiance level shall be maintained by manualwattage adjustment. The suggested wattage settings for eachexposure interval of a 6500-W (see Note 8) xenon burner tubebased upon the average performance of xenon burner tubeswith borosilicate filters in Test Method A are as follows:

Time,light on hours of use Power, W

0 to 20 min20 to 100 5500100 to 200 6000200 to 500 6200500 to 1000 6500

1000 to 1500 70001500 to 2000 75002000 and over 8500

NOTE 7—Xenon burner tubes other than 6500-W are not recommendedfor this procedure.

NOTE 8—Exposure of 3600 h in accordance with the table of wattageadjustments in 8.8.2.2 does not guarantee a radiant exposure equivalent to4500 kJ/m2/340 nm when operating with controlled irradiance.

8.8.2.3 Fresnel-reflecting concentrator as in PracticeD 4364, Procedure B, shall be employed using spray Cycle 1.Specimens shall be exposed for a minimum of 9246 12MJ/m2 of total ultraviolet radiation (295 to 385-nm wavelengthregion).

8.8.3 Grading Specimens—Following exposure and aftercleaning as specified in 8.8.1.1, examine each specimen for theexternal appearance of glass fibers on the surface of the panelsas distinguished from any prominence of fibers under thesurface resin.

8.8.3.1 Specimens without any exposed glass fibers follow-ing exposure are to be classified as Grade 1. Specimens withexposed glass fibers are classified as Grade 2 (see 4.2).

8.8.4 Color Change—Color change in weathered panels isnot considered in determining panel grade. However, any colorchange that does occur provides an indication of a particularcolor’s performance in actual application. Consult the manu-facturer for specific information regarding a particular color.

8.8.5 Light Transmission—Light transmission values arenot part of the panel grading criteria. However, light transmis-sion values following weathering may be of significant impor-tance in certain applications. When required, consult manufac-turers’ literature for specific data.

8.9 Load Deflection (L/D) Properties— Use Method E 72(chamber method) to determine these properties.

8.9.1 Values for maximum positive and negative loads canbe obtained by Method E 72. Panels are inverted for negativetesting. Test reports shall indicate the panel profile tested, thepanel weight in ounces per square foot (or kilograms per squaremetre), and the span length.

8.9.2 Install panels on the test frame exactly as recom-mended by the manufacturer for appropriate application. Rec-ommended fastener spacing shall be included in the test report.

9 Rymplecloth purified wiping cloth available from American Fiber & Finishing,P.O. Box 3881, Boston, MA 02241 has been found suitable. Other materials such asnatural or synthetic sponge or chamois skin may be used.

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8.9.3 Report positive and negative load values in pounds persquare foot (kilograms per square metre).

8.9.4 Deflection data shall be reported in inches per poundper square foot (kilograms per square metre) of load.

8.9.5 Span Deflection Relationship—L/D shall not be lessthan 20 for vertical applications nor less than 40 for roofapplications.

8.10 Burning Characteristics—Determine burning charac-teristics in accordance with Test Method D 635, except that sixspecimens should be tested from different parts of panels. Forcorrugated and ribbed panels, take two specimens from crests,two from sides of valleys, and two from valleys. Average theresults.

8.11 Physical Properties—Determine physical properties inaccordance with Test Methods D 570, D 638, D 696, andD 790. Test Method E 831 may be used as an alternative to TestMethod D 696.

8.11.1 Test Method D 638 shall be performed on Type 1specimens at 0.20 in./min testing speed.

8.11.2 Test Method D 790 shall be performed on “sheet”specimens, using Method 1, Procedure A at an L/D ratio of 16to 1.

9. Retest and Rejection

9.1 If any failure occurs, the panels may be retested toestablish conformity in accordance with agreement betweenthe purchaser and the seller.

10. Inspection

10.1 Inspection of the panel shall be made as agreed uponbetween the purchaser and the seller as part of the purchasecontract.

11. Certification

11.1 Manufacturers shall supply certification of compliancewith this specification in the form of a statement appended oraffixed to invoices, or of labels affixed to panels or towrappings, or of other means agreed to between the buyer andthe seller. In any form, the certification shall state, as follows:

11.1.1 The name of the manufacturer,11.1.2 The fact of conformance with this specification by

number designation: ASTM D 3841,11.1.3 The nominal weight per square foot (square metre) or

nominal thickness,11.1.4 Type, and11.1.5 Grade.

12. Packaging and Package Marking

12.1 Packaging—The panels shall be packed in containersso constructed as to assure acceptance by common or othercarrier for safe transportation to the point of delivery.

12.2 Marking:12.2.1 Shipping containers shall be marked as agreed upon

between the purchaser and the seller.12.2.2 Labels on individual panels shall include Specifica-

tion D 3841, type, and grade.

APPENDIX

(Nonmandatory Information)

X1. SUPPLEMENTARY INFORMATION

X1.1 Chemical Resistance—Generally, glass fiber-reinforced plastic panels will provide satisfactory service forlong periods of time. However, exposure to chemical atmo-spheres may cause greater color degradation and greater fiberexposure than exposure to normal outdoor conditions. Since itis impossible to describe all of the conditions of exposure tochemical atmospheres, it is recommended that specific expo-sure conditions be discussed with the panel manufacturer priorto purchase.

X1.2 Resistance to Hail—The impact of hail stones orprojectiles of similar size and velocity may cause localized,visible dislocations of reinforcing fibers and some limitedflaking of the resin on the interior panel surface, known in thetrade as “stars” or “starring.” Such markings generally consti-tute no more than an appearance blemish and in the absence ofactual panel penetration that would permit leakage of water,

will not materially affect the performance of the panels in termsof physical properties, light transmission, or weather resis-tance.

X1.3 Installation Practice—The method of installation hasa bearing on the performance of the panel in use, which is ofspecial importance regarding weatherproof installation andspans. Consult the manufacturers’ recommendations for theirproducts. See also “Recommended Installation Practice forFiberglass Reinforced Panels.”10

X1.4 Work is presently underway to select the optimum testmethod for impact resistance.

10 This document was developed by the Fiberglass Reinforced Panel Council ofThe Society of the Plastics Industry, Inc., in March 1972, and may be obtained fromSPI, Inc., Composites Institute, 355 Lexington Ave., New York, NY 10017.

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SUMMARY OF CHANGES

Committee D-20 has identified the location of the following changes to this standard since the last issue thatmay impact the use of this standard.

(1) Added ISO equivalency statement. (2) Added new Paragraph 1.5 regarding notes.




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