Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s

Abstract

El objetivo del presente trabajo es avanzar en el estudio de lo que se conoce como efecto escala, es decir, el efecto que consiste en un retraso en la aparición del primer daño a medida que se reduce el espesor de las láminas. En este trabajo se pretende estudiar este efecto desde el punto de vista de la rotura a tracción transversal, analizando el fallo que se produce en las láminas situadas a 90 grados en laminados cross-ply. Para ello se han sometido a distintas metodologías de ensayo a tracción una serie de laminados cross-ply simétricos carbono-epoxy en los que se ha variado el espesor de las láminas a 90 y a 0 grados respectivamente, para ver en qué afecta el espesor de cada una de las capas a la aparición del primer daño. Para analizar el efecto que tiene variar el espesor de la capa a 90 grados se han rescatado una serie de probetas de un proyecto anterior [1] de secuencias de apilado [04,90N,04] con N=1, 2, 4 y 8. Con el objetivo de abarcar el mayor número de comparaciones posibles se decidió aprovechar algunos de los laminados que ya se tenían fabricados para el estudio del efecto que pueda tener variar el espesor de las capas a 0 grados en la manera en que aparece y se desarrolla el daño en la capa a 90 grados. Por ello se tomaron los casos N=1 y N=4 y se varió el número de láminas a 0 grados. Se han obtenido así otros dos grupos de laminados entre los que comparar resultados que se corresponden a secuencias de apilado [0Q,90,0Q] con Q=1,2 y 4 y [0P,904,0P] con P=1,2 y 4. Los laminados [0,90,0], [02,90,02], [0,904,0] y [02,904,02] han sido fabricados durante la realización de este proyecto. Una vez que se contaba con todas las probetas fabricadas, cortadas y listas para ensayar se ha procedido a la preparación de las mismas para la inspección del daño mediante el microscopio óptico tras ser ensayadas. Para ello se han sometido un procedimiento de lijado y pulido que ha dejado a las probetas con una de las caras en las que se puede visualizar la sección de láminas a 90 grados lisa y con efecto espejo, permitiendo la observación microscópica. Para llegar a la secuencia de lijado y pulido finalmente ejecutada en la realización del proyecto ha sido necesario un proceso de prueba y error en el que se han probado distintas secuencias y configuraciones de lijado y pulido. Preparadas las probetas se ha procedido a ensayar. Durante la realización de este proyecto se han realizado distintos tipos de ensayos con el objetivo de caracterizar los laminados y determinar en qué momento y cómo (nivel de carga, deformación, tipo de daño) se produce la aparición del primer daño.  Ensayos a rotura para caracterizar mecánicamente los laminados: se han llevado a la rotura una serie de probetas de cada laminado con el objetivo de determinar la carga promedio de rotura, tensión promedio de rotura y módulo de Young.  Ensayos a primer aviso sonoro de rotura. Estos ensayos han sido realizados con el objetivo de analizar si se puede establecer una relación entre el primer aviso sonoro de rotura detectable por el oído humano y la aparición del primer daño transversal en las muestras analizadas. El modo de proceder ha sido cargar las probetas hasta el primer aviso sonoro de rotura detectado, parar el ensayo, barrer la probeta mediante una lupa cuando todavía estaba colocada en la máquina de ensayo y cargada para ver si contaba con alguna grieta, descargar y analizar en el microscopio el daño introducido en la sección de la capa a 90 grados.  Ensayos a aumento gradual de la carga. Estos ensayos han sido realizados para determinar el rango de carga y deformación en la que se produce la aparición del primer daño transversal generalizado o grieta transversal en cada uno de los laminados. El modo de proceder ha sido 1) cargar la probeta bajo ensayo hasta un nivel de carga bajo, en la que de los ensayos anteriormente realizados en probetas del laminado correspondiente se supone que no se introduce daño en la probeta, 2) descargar, 3) analizarla en el microscopio, 4) volver ensayar subiendo la carga entre 50 y 100 kg y 5) repetir el procedimiento hasta que se encuentre en la probeta al ser analizada al microscopio un único daño transversal generalizado o grieta transversal. Tal y como se ha comentado, tras cada ensayo las muestras han sido analizadas en el microscopio y se ha analizado y tomado imágenes de cualquier anomalía o tipo de daño apreciado en el laminado. Gracias a la observación microscópica ha sido posible determinar si existe o no relación entre el aviso sonoro de daño y la aparición del primer daño y acotar, mediante el proceso de incremento gradual de carga, el rango en carga (N), tensión (MPa) y deformación (%) al que aparece el primer daño transversal generalizado o la primera grieta transversal para cada uno de los laminados considerados. Una vez obtenidos los resultados deseados se ha procedido a la comparación entre laminados diferenciando los mismos en los tres bloques comentados: - [04,90N,04] con N=1, 2, 4 y 8. - [0Q,90,0Q] con Q=1,2 y 4. - [0P,904,0P] con P=1,2 y 4 Además de analizar si efectivamente el hecho de variar el espesor de las laminas a 90 grados o a 0 grados produce efecto escala, es decir, si se produce un retraso en la aparición del daño a medida que se reduce el espesor, se ha comparado también la forma en la que se inicia y se propaga el daño. A la hora de establecer comparaciones entre distintos laminados se ha diferenciado entre distintos tipos de daño, estableciéndose comparación únicamente cuando el tipo de daño que aparecía en las muestras era el mismo.