PRUEBA DE TRACCIÓN BIAXIAL

Las pruebas planas biaxiales aplican un estado biaxial controlado de tensión y

tensión de esfuerzo a las muestras planas para ayudar a caracterizar el
comportamiento anisotrópico. Los datos producidos proporcionan insumos para el
modelado constitutivo de materiales y permiten a los investigadores comparar
nuevos materiales avanzados con materiales existentes o nativos. Pueden ayudar
a evaluar la anisotropía, las relaciones de tensión no lineal y la
viscoelasticidad. Los sistemas biaxiales planos se pueden configurar para
aplicaciones de prueba estática, dinámica y de fatiga.

Las máquinas están especialmente diseñadas y configuradas para cumplir con las
dimensiones específicas de las muestras de los clientes y las condiciones de
prueba. Cuatro pinzas conectan la muestra de prueba al actuador de la máquina a
lo largo de cada uno de los cuatro lados de la muestra plana. La máquina se
puede configurar con dos o cuatro actuadores que aplican su carga a la muestra a
lo largo de dos ejes principales.
Las máquinas están especialmente diseñadas y configuradas para cumplir con las
dimensiones específicas de las muestras de los clientes y las condiciones de
prueba. Cuatro pinzas conectan la muestra de prueba al actuador de la máquina a
lo largo de cada uno de los cuatro lados de la muestra plana. La máquina se
puede configurar con dos o cuatro actuadores que aplican su carga a la muestra a
lo largo de dos ejes principales.

PROPÓSITO DE LAS PRUEBAS BIAXIALES PLANAS

Las pruebas biaxiales planas determinan las propiedades mecánicas de la
muestra de prueba que experimenta estados biaxiales de tensión extensibles. Las
tensiones aplicadas a una muestra durante una prueba biaxial planar representan
las tensiones que experimentará el material durante las condiciones reales de
servicio, también se pueden usar con fines de modelado. Los datos de prueba
biaxial planar son superiores a los datos de prueba uniaxial si el material o
producto final experimenta estrés en configuraciones multiaxiales complejas
durante su vida útil. La resistencia a la tracción biaxial, la resistencia a la
compresión, la resistencia a la flexión, las propiedades de fractura y la vida útil a la
fatiga pueden determinarse para un material utilizando una prueba biaxial
planar. Tenga en cuenta que los sistemas de prueba biaxiales planos de
TestResources pueden realizar pruebas de tensión-tensión, compresión-tensión,
compresión-compresión y tensión-cortante.

PRUEBAS HECHAS POSIBLES CON UN PROBADOR BIAXIAL PLANAR

Los probadores biaxiales planar de TestResources pueden configurarse para

servir un rango de muestras de prueba con diferente capacidad de carga, tamaños
de muestra y elongaciones de muestra. Las configuraciones de prueba pueden
incluir pruebas uniaxiales que se pueden realizar en la misma muestra. Para
aplicar una carga bidireccional a un material, se debe formar en una forma
rectangular delgada, también conocida como cruciforme, y las cargas aplicadas se
configuran entonces para que sean perpendiculares entre sí. La carga aplicada a
la muestra puede usar uno o más de los siguientes métodos de tensión: tensión,
compresión, flexión, cizalladura, tenacidad a la fractura y / o fatiga.

TIPOS DE MATERIALES UTILIZADOS EN LAS PRUEBAS BIAXIALES

PLANAS

Las pruebas planas biaxiales más comunes se realizan en tejidos biológicos

blandos, tejidos blandos fibrosos, placas y láminas metálicas, espumas duras,
caucho hiperelástico, laminados compuestos, películas delgadas, compuestos de
polímero reforzado con fibras, elastómeros de silicona, materiales textiles,
materiales flexibles y sustratos rígidos. . Las pruebas blandas de tejidos biológicos
son comunes en la industria biomédica.

GEOMETRÍA BÁSICA DE MUESTRA BIAXIAL PLANAR COMÚN

ESPECÍMENES BIAXIALES Y MULTIAXIALES
Para generar datos útiles de resistencia, una muestra biaxial debe ser capaz de
cumplir un conjunto de requisitos se debe generar una zona homogénea
suficientemente amplia de tensión biaxial para mediciones de deformación, la falla
debe ocurrir dentro de esta zona, no debe haber cargas falsas (que no sean
tensión / compresión) en la muestra del medidor. La muestra debe aceptar
relaciones de carga biaxiales arbitrarias. El mismo diseño de especímenes que
recrean componentes cargados biaxialmente se ha convertido en un campo en
constante evolución, con el objetivo de proporcionar una geometría óptima,
fabricación y disposición general para una prueba válida y confiable
Las muestras diseñadas para pruebas biaxiales se pueden clasificar en tres
grupos principales: tubos, placas delgadas y cruciformes. A continuación, se
ofrece una revisión de estos grupos y sus principales características.

ESPECÍMENES TUBULARES
Los estados de tensión multiaxial se crearon anteriormente con tubos de pared
delgada sometidos a presión interna, torsión y cargas axiales. Estas muestras
permiten la aplicación simultánea de cargas longitudinales y de compresión, así
como cargas tangenciales y cortantes, por lo que representan un esquema versátil
para la conducción de la caracterización multiaxial.
Sin embargo, la existencia de gradientes de tensión en la pared tubular hace que
este método sea menos preciso que las configuraciones basadas en placas
planas, que también son más representativas de aplicaciones industriales
comunes que la geometría tubular. Algunos estudios también revelan altas
concentraciones de estrés en los extremos de agarre. Una desventaja adicional es
una fuga de presión después del inicio de la falla de la matriz, aunque puede
proporcionarse alguna corrección mediante revestimientos internos.

Espécimen de tubo de pared delgada.

PLACAS DELGADAS
Las hojas planas circulares o elípticas sujetas a presión en la prueba de
protuberancia hidráulica, pueden desarrollar un estado de tensión biaxial, aunque
la técnica tiene varias desventajas, por ejemplo, distribuciones de tensiones no
homogéneas inducidas por el agarre de los bordes. Además, al igual que la caja
de la placa romboidal, la relación de carga depende de la forma y, por lo tanto, no
se puede variar durante la prueba para obtener una caracterización completa.
Hoja plana elíptica utilizada en la prueba de protuberancia

ESPECÍMENES CRUCIFORMES

Las pruebas de especímenes cruciformes cargados biaxialmente representan un

enfoque más directo para obtener estados de tensión biaxiales verdaderos, y en
consecuencia este método ha ganado amplia aceptación. Según lo sugerido por
muchos investigadores en el campo, una muestra cruciforme ideal debe cumplir
las siguientes características: i ) Debe ser capaz de generar un campo biaxial de
tensión / deformación suficientemente amplio y homogéneo en el área del
medidor, ii ) la falla debe ocurrir en la zona del medidor predefinida, iii) el
cruciforme debe aceptar relaciones de carga biaxiales arbitrarias para generar una
envolvente de falla completa (dentro de un rango deseado), iv ) tanto la capa
probada como la de refuerzo deben ser del mismo material, v ) la transición entre
la zona de calibre y las regiones reforzadas debe ser lo suficientemente gradual
como para evitar concentraciones de alto estrés indeseables, vi ) el radio del filete
cruciforme debe ser lo más pequeño posible para reducir los efectos de
acoplamiento de tensión, y vii) las mediciones de tensión en el área de prueba
deberían ser comparables a los valores nominales obtenidos al dividir cada carga
aplicada por su área de sección transversal correspondiente. Cruciforme con una
región central adelgazada y una serie de miembros separados por ranuras; la
configuración ranurada permite que se produzcan deformaciones mayores en la
sección adelgazada, lo que impone la falla allí. Sin embargo, el cambio de grosor
puede inducir concentraciones indeseadas de tensión que generalmente conducen
a una falla prematura fuera de la zona de calibración. Además, el mecanizado
extensivo requerido para el raleo es una característica no deseada.

a). Configuración ranurada b). Zona circular adelgazada en la zona de calibre

Otro cruciforme, que se muestra con una zona circular adelgazada en el área de
calibre muestra un fallo fuera de este, principalmente porque los defectos de
fabricación causaron una mayor resistencia inesperada en un eje. La
implementación de una zona de prueba con forma romboidal se sugiere, aunque,
según el conocimiento de los autores, hasta la fecha no se han informado
resultados con esta geometría. Algunos experimentos concluyeron que la carga
debe ser ortogonal a la orientación de la fibra para producir falla en la zona de
prueba. La principal dificultad para obtener una configuración óptima es eliminar
las concentraciones de estrés en las articulaciones de los brazos. Para resolver
esto, un proceso de optimización iterativo (numérico / experimental) arrojó
parámetros geométricos óptimos de la muestra. Los resultados de este estudio
condujeron a una configuración caracterizada por una zona de prueba cuadrada
adelgazada y esquinas fileteadas entre los brazos. Dado que es probable que
ocurra una falla en los brazos, la referencia presenta un diseño en el que se
coloca una pequeña ranura cruciforme en el centro para provocar la transferencia
de carga de los brazos a esta región.

a). Ranura cruciforme interior b). Cruciforme con zona de calibre cuadrada redondeada
adelgazada y esquinas fileteadas.
Sin embargo, la zona de calibre es muy reducida, y esto hace que este espécimen
sea inútil para la caracterización de TC. En el cruciforme propuesto por Ebrahim et
al se logra la falla en la zona de calibre. El diseño se caracteriza por una zona de
calibre cuadrada redondeada adelgazada y considera una reducción gradual de
espesor en la zona cargada biaxialmente, y también esquinas fileteadas. Los
resultados fueron satisfactorios, pero se encontró que los bordes superior e inferior
de la depresión presentaban altos gradientes de deformación. Con base en las
referencias antes mencionadas, los autores realizaron un estudio exhaustivo para
obtener un diseño cruciforme mejorado. Una característica principal de este nuevo
diseño es una zona de calibre con forma romboide que condujo a una distribución
de deformación / deformación mucho más homogénea debido al alivio de las
concentraciones de tensión que se producen en otros diseños debido a la corta
distancia entre la zona de calibre y las esquinas de los brazos. Además, las
esquinas están fileteadas para evitar otra zona de concentración de estrés. La
muestra está compuesta de diferentes capas donde la capa interna está en
estudio, mientras que las externas (igual cantidad en cada lado) son solo para
refuerzo.
La geometría de muestra más común es la cruciforme, con cuatro pestañas que se
pueden agarrar y conectar a los actuadores de prueba. Otras geometrías incluyen
geometría de prueba biaxial de tracción-tensión-tensión
(IPTT). Independientemente de los detalles de la muestra de prueba, los
apretones tienden a hacerse para coincidir con las opciones de unión de muestra.

Aplicaciones seleccionadas
Probador biaxial plano para tejidos blandos biológicos
Pruebas biaxiales planas de tejidos biológicos blandos de colágeno
Pruebas de tensión biaxial de chapa
Resistencia a la fractura biaxial y pruebas de crecimiento de grietas del metal
Planar Biaxial Metals Crack Growth

MÁQUINAS DE PRUEBA BIAXIALES

Para aplicar cargas biaxiales en especímenes cruciformes se requiere un
dispositivo específico, que puede cumplir con los siguientes requisitos: i) Las
cargas aplicadas a una muestra cruciforme deben estar estrictamente en tensión o
compresión, evitando cargas espurias de cizallamiento o flexión. ii) La restricción
mencionada anteriormente implica que la ortogonalidad entre los ejes de carga
debe estar garantizada en todo momento durante la prueba y, en consecuencia, iii)
el centro de la muestra debe permanecer inmóvil o los ejes de carga deben
desplazarse con ella. Un método eficiente para garantizar la condición anterior es
aplicar desplazamientos iguales en el eje cargado.

Campo de deformación lineal (parte superior del gráfico) y campo de tensión de

cizalladura (parte inferior) dentro y cerca de la zona del calibre de la muestra optimizada.
Uso de actuador independiente por carga aplicada.

Gráficos de contorno de la magnitud del vector de desplazamiento para el caso de una

configuración en la que un extremo de cada eje se fija y el otro se desplaza.

MÁQUINA DE PRUEBA BIAXIAL PLANAR

Debido al diseño de la estructura modular de la línea de productos de
TestResources, los sistemas biaxiales planos pueden diseñarse para satisfacer las
necesidades de aplicaciones específicas que abarcan desde aplicaciones de
fuerza baja a alta. Cada sistema generalmente incluirá sensores especiales de
medición y control de deformación por contacto y sin contacto, y baños o cámaras
para sumergir la muestra en medios que coincidan con las condiciones del servicio
final.
Máquina de prueba biaxial plana de la serie 174

Capacidad máxima de la fuerza

50 kN a 200 kN (11,250 lbf a 45,000 lbf)
Frecuencia máxima
2 Hz

Los sistemas de pruebas biaxiales planas electromecánicas de la serie 174

proporcionan a los investigadores nuevas capacidades para caracterizar y evaluar
el rendimiento cuasi-estático de materiales de alta resistencia bajo condiciones de
carga biaxiales planas. Puede realizar pruebas estáticas y de fatiga de hasta 2 Hz
con el sistema de prueba de la serie 174.

Máquina de prueba biaxial plana serie 574

Capacidad máxima de la fuerza
100 N a 30 kN (22 lbf a 6,750 lbf)
Frecuencia máxima
15 Hz

Los sistemas de prueba biaxiales planos electrodinámicos de la Serie 574 brindan

a los investigadores nuevas habilidades para caracterizar y evaluar el rendimiento
cuasiestático, dinámico y de fatiga de materiales de baja resistencia en
condiciones de carga biaxial plana. Con el sistema 574, puede realizar
prácticamente cualquier prueba mecánica utilizada para caracterizar las
propiedades del material.
Máquina de prueba biaxial planar serie 974
Capacidad máxima de la fuerza
50 kN a 2MN (11,250 lbf a 450 kip)
Frecuencia máxima
30 Hz

El sistema de prueba biaxial planar servohidráulico de la serie 974 permite

pruebas estáticas, dinámicas y de fatiga en muestras de prueba cuadradas,
rectangulares y cruciformes de alta resistencia. Los sistemas 974 se utilizan para
la fatiga y la fractura de compuestos y metales, y están configurados para
capacidades de fuerza más altas y capacidades de velocidad de prueba.

FABRICACIÓN DE ESPÉCIMEN
Según lo declarado por una investigación reciente el proceso de molienda
típicamente empleado para diluir la zona de calibre produce concentraciones de
daño y estrés indeseables en compuestos unidireccionales (UD); para los
materiales compuestos textiles (TC), la molienda agravaría este problema debido
a su estructura tridimensional más compleja, por lo que la molienda es una opción
inaceptable. La principal preocupación es preservar la integridad de la estructura
textil, especialmente al caracterizar una sola lámina. Para generar una muestra
cruciforme libre de daños con una zona de calibre de una sola capa, los autores
desarrollaron un nuevo proceso de fabricación, que se explica a continuación:
1). Las hojas de tela no impregnadas se fijaron a una base de madera
contrachapada de 6 mm de espesor para garantizar la estabilidad dimensional,
con una rejilla impresa para ayudar a la alineación correcta de las fibras de cada
tela. Todo el arreglo se cortó en una forma cuadrada con un chorro de
agua. Posteriormente, el material se secó en el horno a 60 ° C durante 12 horas
para eliminar la humedad.
2) Los siguientes valores numéricos dentro de los paréntesis se refieren a las
indicaciones dadas en la Figura A. Se colocaron dos capas de refuerzo (1)
correspondientes al lado inferior de la muestra cruciforme en un marco de
laminación, que consta de una superficie plana (2) rodeada por un borde cuadrado
(3) con una longitud lateral igual a la de la muestra. En el centro, se ubicó un paso
romboidal (4) preformado de 2 capas, correspondiente a la ubicación de la zona
de calibre, para asegurar la planitud de la capa central (5). Las capas de refuerzo
se impregnaron manualmente con resina e inmediatamente después se colocó e
impregnó la capa central (5). Finalmente, el proceso se repitió para las dos últimas
capas de refuerzo (6), como se muestra. El ambiente de la sala se controló
durante el proceso de laminación a una temperatura de 80 ± 2 ° C y 50-60% de
humedad relativa. Inmediatamente después de completar el proceso de
impregnación, el laminado se colocó en una bolsa de vacío que consistía en una
capa de pelado (7), película perforada (8), tela de purga (9) y la propia bolsa (10),
usando cinta de sellado para garantizar el sellado al vacío (11). Se aplicó una
presión de vacío de 0,8 bares a través de una válvula situada en una esquina (12),
suficientemente lejos de donde se cortaría la forma final. Todo el arreglo se curó
durante 4 horas dentro de un horno precalentado a 80 ± 2 ° C, medido por un
termopar (13) ubicado en la zona de calibre, como se muestra en Figura A. 3)
Después del curado, la geometría cruciforme final se obtuvo por corte con chorro
de agua. Nueve especímenes fueron preparados cumpliendo con las
especificaciones dimensionales.

Ventana romboidal cortada en las capas de refuerzo y otras herramientas auxiliares.

FIGURA A.
Disposición para la fabricación de muestras.
Para proporcionar una referencia visual para la medición del campo de tensión de
correlación de imágenes digitales (DIC), las muestras se pintaron con un patrón de
puntos aleatorios de puntos negros sobre un imprimador blanco. Esta técnica se
prefirió a la técnica de pulverización informada en, ya que podría dar como
resultado un control inadecuado de la distribución del tamaño del punto, lo que
generaría incertidumbre en las mediciones del DIC. Además, se prepararon
muestras uniaxiales para realizar pruebas uniaxiales para proporcionar datos de
entrada precisos para el desarrollo de criterios de falla.

Muestra finalizada que muestra su patrón de moteado utilizado con la técnica de

correlación de imagen digital

PRUEBA BIAXIAL
La validación experimental del cruciforme optimizado se realizó con el aparato de
prueba biaxial descrito de la siguiente manera: después de montar el espécimen
en las pinzas, se aplicó una precarga de 500 N a cada eje antes de apretar los
pernos de montaje. Luego, se quitaron los pernos de precarga y alineación,
ajustando los desplazamientos y las cargas medidas a cero.
Un cronómetro sincronizado con el reloj de la computadora fue colocado cerca de
la muestra y dentro del campo de visión de la cámara, para asegurar su inclusión
en las imágenes capturadas; esto proporcionó una referencia de tiempo para
relacionar con los datos de carga correspondientes. La rutina de captura de datos,
se aplicaron desplazamientos biaxiales a una velocidad de 1 mm / min hasta la
falla final. Esta velocidad de carga se seleccionó en base a la norma ASTM 3039,
que recomienda una velocidad de desplazamiento tal que la falla ocurre de 1 a 10
minutos después del inicio de la prueba.

Muestra cruciforme montada en la máquina de prueba biaxial.

Secuencia de falla final registrada a 30 fotogramas por segundo.
La falla final está claramente dominada por las fibras, debido a su naturaleza
catastrófica; es posible identificar la región de inicio de falla final dentro de la zona
de calibre romboidal, como se requiere para una prueba exitosa. Con respecto al
campo de deformación, que la concordancia entre los resultados experimentales
(obtenidos de DIC) y la predicción de FE es notablemente buena. Las imágenes
DIC y FE muestran la misma simetría del patrón de deformación por corte
experimental y homogeneidad y suavidad similares, y los valores de deformación
absoluta cubren un rango similar. Esto se puede considerar un indicador adicional
del éxito del procedimiento experimental presentado en este trabajo.
El mismo procedimiento utilizado para caracterizar la deformación final puede
usarse para obtener la envolvente de falla de inicio de la matriz (en oposición a la
falla de la fibra), pero debido al hecho de que este fenómeno no puede deducirse
visualmente, se utilizó un enfoque diferente para este propósito. Los gráficos de
carga vs. desplazamiento se usaron para identificar el cambio en la pendiente que
evidencia daños en la matriz. Este método se propone como una extrapolación del
método empleado para las pruebas uniaxiales definidas por la norma ASTM 3039
para la caracterización uniaxial de la tensión de los materiales compuestos. Se
obtuvieron ajustes lineales para cada segmento lineal de curvas correspondiente a
cada eje perpendicular, y las intersecciones se calcularon resolviendo las
ecuaciones resultantes, lo que permitió cuantificar los valores de deformación
correspondientes al inicio del daño de la matriz, considerando que este último
ocurre en el primer cambio de pendiente. Una vez que se identificaron el
desplazamiento y la deformación, se utilizó la imagen digital correspondiente para
realizar un análisis DIC y obtener la tensión de campo completa de la misma
manera descrita anteriormente.
Comparación de campo de deformación FE vs DIC para la prueba n. ° 5. La primera
columna corresponde a los resultados FE, mientras que la segunda columna exhibe los
resultados del proceso de correlación de imágenes digitales (DIC). La primera y la
segunda fila muestran el campo de deformación lineal, mientras que la última fila muestra
el campo de tensión de deformación de corte.

Carga vs diplacement para la prueba biaxial n. ° 3. La ubicación donde se produce el

cambio de pendiente se interpreta como el inicio de la falla de la matriz.
Datos de la envolvente de falla obtenidos a partir de los datos experimentales

Es importante destacar que el uso del cambio de pendiente en la carga frente a las
curvas de desplazamiento puede verse significativamente influenciado por los
efectos geométricos y la no linealidad de los materiales, y deben emplearse otras
técnicas auxiliares como emisión sónica o escaneo de rayos X in situ para verificar
que este cambio se pueda utilizar efectivamente como una indicación de inicio de
daño de la matriz.
Los datos de resistencia experimentales para la resistencia biaxial de una sola
capa obtenidos del programa experimental, así como los datos de una prueba
uniaxial realizada en muestras de cinco capas. Los intervalos de confianza
calculados para las cepas de falla observadas en pruebas uniaxiales se presentan
en la figura. Cabe señalar que los datos de resistencia de una sola capa caen
dentro de los límites de confianza del 95% que sugieren que las interacciones
entre ε 1 y ε 2 cepas son significativos para laminados de una sola capa. Este
hallazgo no debe usarse como criterio de diseño antes de que se obtengan más
datos experimentales, pero proporciona una buena indicación de la viabilidad de la
metodología presentada para el análisis de fallas.
CONCLUSIONES
Se logró mejorar las muestras cruciformes existentes para las pruebas biaxiales al
proponer una muestra con zona romboidal de espesor diluido, basada en las
conclusiones de un análisis cualitativo de concentración de esfuerzos. Se realizó
una optimización basada en la metodología de diseño del experimento para lograr
una distribución de la deformación altamente homogénea dentro de la zona de
calibre romboidal mientras que las deformaciones de corte en los filetes
cruciformes se mantuvieron muy por debajo de los valores de falla para evitar la
falla prematura que típicamente afecta a este tipo de especímenes. La geometría
resultante genera un campo de deformación muy homogéneo dentro de la zona de
calibre y mantiene las tensiones de corte cerca de cero, mientras mantiene las
deformaciones de corte en los filetes por debajo del valor de falla; Se cree que
esto representa una gran mejora con respecto a otras muestras reportadas en la
literatura.
Se desarrolló un proceso de fabricación que evita las operaciones de maquinado
que normalmente se requieren para generar la zona de calibre diluido, en un
intento de preservar la arquitectura textil del daño por microdesarrollo. Consiste en
cortar las ventanas romboidales de las capas de refuerzo antes de su
impregnación de matriz mediante el uso de una máquina de corte por chorro de
agua. A pesar del trabajo altamente manual involucrado en el proceso de
fabricación de las muestras, las especificaciones medidas se ajustaron a las
extrapoladas de ASTM 3039 para muestras unidireccionales de materiales
compuestos.
La validación de la geometría de la muestra y la técnica de fabricación se realizó a
través de pruebas experimentales, que se llevaron a cabo en la máquina biaxial
desarrollada internamente. El campo de deformación total del cruciforme se midió
mediante correlación de imágenes digitales; los resultados demuestran, de
acuerdo con los resultados obtenidos de las simulaciones de elementos finitos
(FE), que la muestra genera un estado de carga biaxial significativamente más
homogéneo en la zona del medidor que otros reportados en la literatura, y se
produce un fallo, para todas las pruebas, dentro de la zona del medidor, según lo
previsto.
REFERENCES

 Biaxial Tensile Strength

https://www.intechopen.com/books/composites-and-their-properties/biaxial-tensile-
strength-characterization-of-textile-composite-materials

 Planar Biaxial Test

https://www.testresources.net/applications/test-types/planar-biaxial-test/

 Testing Machines for Biaxial Tensile Tests

https://www.zwick.com/biaxial-testing-machines/cruciform-testing-machine

 Biaxial Tensile Strength Characterization of Textile Composite Materials

http://cdn.intechopen.com/pdfs/38394/InTech-
Biaxial_tensile_strength_characterization_of_textile_composite_materials.pdf