Crack initiation in composites at micro and meso scales. Development and applications of finite fracture mechanics

Abstract

El uso de los materiales compuestos en aplicaciones estructurales ha aumentado considerablemente durante los últimos años, especialmente en aquellas industrias donde el peso es un factor clave en el diseño. Su uso se ha extendido a determinadas partes con una alta responsabilidad estructural, un buen ejemplo de ello son las estructuras primarias en aplicaciones aeroespaciales. Así, una mejora sustancial de los criterios de fallo existentes para los materiales compuestos es necesaria para caracterizar y comprender los diferentes mecanismos de fallo a las escalas a las que son iniciados. Esta idea ha motivado un gran esfuerzo en el estudio de la propagación de grietas en estos materiales a diferentes escalas y ante diferentes estados de carga. Sin embargo, se ha prestado una relativamente menor atención al estudio de la iniciación de grietas a esas mismas escalas a pesar de ser una etapa clave en algunos casos.

Esta tesis se centra en la aplicación del criterio acoplado, recientemente propuesto para el estudio de la iniciación de grietas, a la caracterización de los primeros pasos de algunos mecanismos de fallo en materiales compuestos. El criterio acoplado se desarrolló en el contexto de la mecánica de la fracture finita y se basa en asumir que una grieta de una longitud finita aparece súbitamente cuando se cumple un criterio tensional y la aparición de la grieta es admisible desde el punto de vista energético. Este criterio permite obtener expresiones semianalíticas para predecir la carga crítica a la que la grieta aparece, siendo expresada en función de parámetros físicos bien establecidos como la resistencia y la tenacidad a la fractura del material.

El criterio acoplado se ha aplicado aquí al problema de despegue en la interfase fibra-matrix a escala micro cuando el material es sometido a cargas transversales a la fibra. El modelo obtenido facilita el estudio de la influencia de todos los parámetros que gobiernan el problema. Un modelo análogo se ha desarrollado para el caso de materiales compuestos reforzados con partículas esféricas para analizar la iniciación de la grieta en la interfaz entre la partícula esférica y la matriz. A una escala meso, se ha desarrollado un modelo termomecánico para predecir la aparición de grietas transversales en laminados cruzados. Gracias a este modelo, el principal resultado observado en experimentos es explicado y comprendido desde la óptica de un modelo generalista: el fuerte efecto de tamaño encontrado para la deformación crítica que origina las primeras grietas transversales. Finalmente, los criterios previamente desarrollados para la predicción de la iniciación de grietas en esquinas reentrantes se han extendido para tener en cuenta la presencia de interfases como una primera etapa para el estudio de la iniciación en esquinas multimaterial muy presentes en algunos fallos de estructuras de material compuesto.