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

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Universitario en Ingeniería Aeronáutica Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Autor: María José Peña Manrique Tutor: María Luisa Velasco López Elena Correa Montoto Dpto. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Trabajo Fin de Máster Universitario en Ingeniería Aeroespacial Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Autor: María José Peña Manrique Tutor: María Luisa Velasco López Elena Correa Montoto Dpto. de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Trabajo Fin de Máster Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Autor: María José Peña Manrique Tutor: María Luisa Velasco López Elena Correa Montoto El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal A mi familia A mis amigos Agradecimientos La realización de este proyecto supone el fin a una de las etapas más intensas e importantes de mi vida: mi etapa universitaria. A pesar del esfuerzo necesario por mi parte para llegar a este punto y lo duro del camino, al mirar atrás solo puedo recordar el apoyo incondional que he recibido y todo lo que me ha aportado esta etapa. Nada de esto habría sido posible sin mi familia y amigos. En primer lugar, agradecer a mis padres, base fundamental y gracias a quienes soy quien soy, por brindarme siempre en el momento justo el empuje necesario y darme siempre todo, incluso más allá de sus posiblidades. A mi hermana, por su cariño incondicional y aguantar lo que nadie más aguanta. Gracias por vuestro cariño, paciencia y por no dejarme desistir nunca, el camino recorrido no es solo mío, si no de los cuatro. A mis sobrinas, que incluso en los momentos de mayor agobio son capaces de sacarme una sonrisa y hacer que vea las cosas a través de sus ojos alegres. A mis amigos, tanto a los que se han mantenido apoyándome en la distancia como a los que he ido conociendo a lo largo de estos años y se han quedado. Gracias, habéis definido esta etapa. Mención aparte merecen mis profesores, que me han dado la oportunidad de finalizar mis estudios con este proyecto. A Maria Luisa, gracias por tu acompañamiento, energía y apoyo durante la realización el trabajo. A Federico, gracias por su guía y por impulsarme siempre a analizar e ir un paso más allá sacando mis propias conclusiones. A Elena, muchas gracias por darme la oportunidad de repetir experiencia realizando un trabajo fin de máster dentro del laboratorio. Al equipo del LERM por acorgeme en la familia que conforman y hacerme formar parte de ella. En particular, gracias a Miguel, Patricia, Lorenzo, José Ramón y Antonio por estar siempre disponibles para ayudar ante cualquier problema. A todos ellos, gracias. Tabla 6-1 .Dimensiones de las probetas del laminado [04,902,04] ensayadas al primer aviso sonoro. 42 Tabla 6-2. Resultados del ensayo a primer aviso sonoro de las probetas del laminado [04,902,04]. 42 Tabla 6-3. Densidad de grietas en las probetas del laminado [04,902,04] ensayadas al primer aviso sonoro. 42 Tabla 6-4 .Dimensiones de las probetas del laminado [04,908,04] ensayadas al primer aviso sonoro. 45 Tabla 6-5. Resultados del ensayo a primer aviso sonoro de las probetas del laminado [04,908,04]. 45 Tabla 6-6. Densidad de grietas en las probetas del laminado [04,908,04] ensayadas al primer aviso sonoro. 45 Tabla 6-7. Dimensiones de las probetas del laminado [04,90,04] ensayadas a primer daño transversal. 47 Tabla 6-8. [04,90,04]: Probeta 2. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. 47 Tabla 6-9. [04,90,04]: Probeta 3. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. 48 Tabla 6-10. [04,90,04]: Probeta 4. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. 48 Tabla 6-11 [04,90,04]: Probeta 5. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. 49 Tabla 6-12. [04,90,04]: Probeta 6. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. 50 Tabla 6-13. [04,90,04]: Probeta 8. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. 50 Tabla 6-14. [04,90,04]: Probeta 9. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. 52 Tabla 6-15. [04,90,04]: Probeta 10. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. 53 Tabla 6-16. [04,90,04]: Resumen de resultados. Rango de aparición del primer daño transversal generalizado. 55 Tabla 6-17. Dimensiones de las probetas del laminado [04,902,04] ensayadas a primera grieta transversal. 56 Tabla 6-18. [04,902,04]: Probeta 7. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 56 Tabla 6-19. [04,902,04]: Probeta 8. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 56 Tabla 6-20. [04,902,04]: Probeta 9. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 57 Tabla 6-21. [04,902,04]: Probeta 10. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 57 Tabla 6-22. [04,902,04]: Probeta 11. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 57 Tabla 6-23. [04,902,04]: Resumen de resultados. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 61 Tabla 6-24. Dimensiones de las probetas del laminado [04,904,04] ensayadas a primera grieta transversal 61 Tabla 6-25. [04,904,04]: Probeta 19. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 61 Tabla 6-26. [04,904,04]: Probeta 20. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 62 Tabla 6-27. [04,904,04]: Probeta 21. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 62 Tabla 6-28. [04,904,04]: Probeta 22. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 62 Tabla 6-29. [04,904,04]: Probeta 23. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 62 Tabla 6-30. [04,904,04]: Probeta 24. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 63 Tabla 6-31.[04,904,04]: Resumen de resultados. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 65 Tabla 6-32. Dimensiones de las probetas del laminado [04,908,04] ensayadas a primera grieta transversal. 66 Tabla 6-33.[04,908,04] : Probeta 20. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 66 Tabla 6-34. [04,908,04]: Probeta 21. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 67 Tabla 6-35. [04,908,04]: Probeta 23. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 67 Tabla 6-36. [04,908,04]: Probeta 24. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 67 Tabla 6-37. [04,908,04]: Probeta 25. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. 68 Tabla 6-38. [04,908,04]: Resumen de resultados. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 71 Tabla 7-1. Dimensiones de las probetas del laminado [0,90,0] ensayadas al primer aviso sonoro. 73 Tabla 7-2. Resultados del ensayo a primer aviso sonoro de la probeta del laminado [0,90,0]. 73 Tabla 7-3. Dimensiones de las probetas del laminado [02,90,02] ensayadas al primer aviso sonoro. 74 Tabla 7-4. Resultados del ensayo a primer aviso sonoro de las probetas del laminado [02,90,02]. 74 Tabla 7-5. Dimensiones de las probetas del laminado [0,90,0] ensayadas al 80% de la carga de rotura. 75 Tabla 7-6. Resultados del ensayo al 80% de la carga de rotura de las probetas del laminado [0,90,0]. 75 Tabla 7-7. Dimensiones de las probetas del laminado [02,90,02] ensayadas al 80% de la carga de rotura. 76 Tabla 7-8. Resultados del ensayo al 80% de la carga de rotura de las probetas del laminado [02,90,02]. 76 Tabla 7-9.Dimensiones de las probetas del laminado [0,90,0] ensayadas a aumento de carga gradual. 79 Tabla 7-10. [0,90,0]: Probeta 6. Proceso de incremento gradual de carga. 79 Tabla 7-11. [0,90,0]: Resumen de resultados del proceso de aumento gradual de carga. 79 Tabla 7-12. Dimensiones de las probetas del laminado [02,90,02] ensayadas a aumento de carga gradual. 80 Tabla 7-13. [02,90,02]: Probeta 14. Proceso de incremento gradual de carga. 80 Tabla 7-14. [02,90,02]: Probeta 15. Proceso de incremento gradual de carga. 80 Tabla 7-15. [02,90,02]: Resumen de resultados del proceso de aumento gradual de carga. 80 Tabla 7-16. [04,90,04]: Resumen de resultados del proceso de aumento gradual de carga. 81 Tabla 8-1. Dimensiones de las probetas del laminado [0,904,0] ensayadas al primer aviso sonoro. 83 Tabla 8-2. Resultados del ensayo a primer aviso sonoro de las probetas del laminado [0,904,0]. 83 Tabla 8-3. Dimensiones de las probetas del laminado [02,904,02] ensayadas al primer aviso sonoro. 84 Tabla 8-4. Resultados del ensayo a primer aviso sonoro de las probetas del laminado [02,904,02]. 85 Tabla 8-5. Dimensiones de las probetas del laminado [0,904,0] ensayadas al 50% de la carga de rotura. 87 Tabla 8-6. Resultados del ensayo al 50% de la carga de rotura de las probetas del laminado [0,904,0]. 87 Tabla 8-7. Dimensiones de las probetas del laminado [02,904,02] ensayadas al 50% de la carga de rotura. 87 Tabla 8-8. Resultados del ensayo al 50% de la carga de rotura de las probetas del laminado [02,904,02]. 88 Tabla 8-9. Dimensiones de las probetas del laminado [0,904,0] ensayadas a aumento de carga gradual. 88 Tabla 8-10. [0,904,0]: Probeta 12. Proceso de incremento gradual de carga. 88 Tabla 8-11. [0,904,0]: Probeta 15. Proceso de incremento gradual de carga. 89 Tabla 8-12.[0,904,0]: Resumen de resultados del proceso de aumento gradual de carga. 89 Tabla 8-13. Dimensiones de las probetas del laminado [02,904,02] ensayadas a aumento de carga gradual. 89 Tabla 8-14. [02,904,02]: Probeta 13. Proceso de incremento gradual de carga. 90 Tabla 8-15. [02,904,02]: Probeta 18. Proceso de incremento gradual de carga. 90 Tabla 8-16. [02,904,02]: Probeta 19. Proceso de incremento gradual de carga. 90 Tabla 8-17.[02,904,02]: Resumen de resultados del proceso de aumento gradual de carga. 91 Tabla 8-18. [04,904,04]: Resumen de resultados. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 92 Tabla 9-1.Rango de aparición del primer daño trasversal generalizado o primera grieta en los laminados [04,90N,04]. 93 Tabla 9-2. Valor medio de los valores de carga y deformación en los que las muestras cuentan con un único daño transveral generalizado o grieta trasnversal para los laminados [04,90N,04]. 93 Tabla 10-1. Secuencia de lijado y pulido empleada en el presente proyecto. 99 Tabla 10-2. Comparación entre la carga media de rotura experimental y teórica de los laminados [04,90N,04]. 101 Tabla 10-3. Comparación entre la carga media de rotura experimental y teórica de los laminados [0Q,90,0Q]. 101 Tabla 10-4. Comparación entre la carga media de rotura experimental y teórica de los laminados [0P,904,0P] 101 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Morfología de material compuesto reforzado con fibras continuas-discontinuas en diferentes orientaciones [3]. 1 Figura 2-1. Rollo del material compuesto empleado en la fabricación de las probetas. 6 Figura 2-2. (a) Utensilios empelados en el corte de las láminas; (b) láminas cortadas. 7 Figura 2-3. (a) Espátulas empeladas en el apilado manual; (b) aplicación de la presión manual. 7 Figura 2-4. Materiales empleados en la fabricación de la bolsa de vacío. 8 Figura 2-5. Distintas fases de la preparación de una bolsa de vacío. 9 Figura 2-6. Máquina de corte. 10 Figura 3-1. Equipo de lijado y pulido de las probetas. 11 Figura 3-2.(a) Lija SiC#320; (b) disco MD-Largo 9μm; (c) disco MD-Dac 3μm; (d) disco MD-Nap 1μm. 12 Figura 4-1. Máquina Universal de Ensayos Instron 4483 (izquierda) y Máquina Universal de Ensayos Instron 4482 (derecha). 18 Figura 4-2. Muestra de la lupa colocada para visulizar in situ la aparición de la primera grieta durante el ensayo. 18 Figura 4-3. Extensómetro 2630-112. 19 Figura 4-4. Pie de rey. 19 Figura 4-5. Mordaza empleada en los ensayos de tracción. 20 Figura 4-6. Programa de gestión de Máquinas Universales de Ensayos Instron. Esquema pantalla 2. 21 Figura 5-1. [0,90,0]: Probetas ensayadas hasta rotura. 31 Figura 5-2. [02,90,02]: Probetas ensayadas hasta rotura. 33 Figura 5-3. [0,904,0]: Probetas ensayadas hasta rotura. 35 Figura 5-4. [02,904,02]: Probetas ensayadas hasta rotura. 37 Figura 6-1. Clasificación del daño: Despegues aislados. 39 Figura 6-2. Clasificación del daño: Despegues continuos. 40 Figura 6-3.Clasificación del daño: daño transversal generalizado. 40 Figura 6-4. Clasificación del daño: grieta transversal. 41 Figura 6-5. [04,902,04]: Probeta 1. Grieta transversal a x200. 43 Figura 6-6. [04,902,04]: Probeta 1. Grieta transversal a x500. 43 Figura 6-7. [04,902,04]: Probeta 2. Grieta transversal a x200. 44 Figura 6-8. [04,902,04]: Probeta 2. Despegues continuos a x500. 44 Figura 6-9.[04,908,04]: Probeta 14. Fotografía de la grieta transversal con la probeta cargada. 46 Figura 6-10. [04,908,04]: Probeta 14. Grieta transversal a x200. 46 Figura 6-11. [04,90,04]: Probeta 5. Prueba 2. Primer daño transversal generalizado encontrado a x500. 49 Figura 6-12.[04,90,04]: Probeta 5. Prueba 2. Primer daño transversal generalizado encontrado a x500. 49 Figura 6-13. [04,90,04]: Probeta 6. Prueba 3. Despegues continuos a x500. 50 Figura 6-14. [04,90,04]: Probeta 8. Prueba 2. Primer daño transversal generalizado encontrado a x500. 51 Figura 6-15. [04,90,04]: Probeta 8. Prueba 3. Primer daño transversal generalizado encontrado a x500. 51 Figura 6-16. [04,90,04]: Probeta 8. Prueba 3. Despegues continuos a x500. 51 Figura 6-17. [04,90,04]: Probeta 9. Prueba 2. Primer daño transversal generalizado a x500. 52 Figura 6-18. [04,90,04]: Probeta 9. Prueba 3. Despegues continuos a x500. 52 Figura 6-19. [04,90,04]: Probeta 10. Prueba 3. Primer daño transversal generalizado a x500. 53 Figura 6-20. [04,90,04]: Probeta 10. Prueba 5. Daño transversal generalizado a x500. 53 Figura 6-21. [04,902,04]: Grietas transversales a x200 observadas en: (a) Probeta 7; (b) Probeta 8; (c) Probeta 9. 58 Figura 6-22. [04,902,04]: Probeta 8. Despegues aislados paralelos a las fibras de la lámina de 0 grados localizados en los extremos de la grieta transversal. Observados a x1000. 58 Figura 6-23. Daño propagado en la dirección de aplicación de la carga a x500. Figura (a): Probeta 8. Prueba 2; Figura (b) Probeta 11. Prueba 1. 59 Figura 6-24. [04,904,04]: Probeta 18. Primera grieta transversal a x50. 63 Figura 6-25. [04,904,04]: Probeta 19. Primera grieta transversal a x200. 63 Figura 6-26. [04,904,04]. Daño incipiente asociado a una potencial delaminación en la primera grieta transversal encontrada. (a) Probeta 19. Prueba 4; (b) Probeta 20. Prueba 2. 64 Figura 6-27. [04,908,04]: Probeta 23. Primera grieta transversal fotografiada con la probeta cargada. 68 Figura 6-28. [04,908,04]: Probeta 23. Primera grieta transversal a x200. 68 Figura 6-29. [04,908,04]: Probeta 21. Prueba 10. Daño incipiente asociado a una potencial delaminación en la primera grieta transversal encontrada. 69 Figura 6-30. [04,908,04]: Probeta 24. Prueba 2. Despegues continuos a x500. 69 Figura 7-1. [0,90,0]: Probeta 5. Ensayo al 80% de carga. Rotura. 74 Figura 7-2. [02,90,02]. Probeta 12. (a)-(f) Grietas transversales y delaminaciones a x200. 77 Figura 7-3. [02,90,02]: Probeta 13. (a)-(f) Grietas transversales y delaminaciones a x200. 78 Figura 7-4. [04,90,04]: Probeta 3. Prueba 1. Daño transversal generalizado a x500. 81 Figura 8-1. [0,904,0]: Probetas ensayadas a primer aviso sonoro. Rotura. 84 Figura 8-2. [02,904,02]: Probeta 8. Grieta transversal a x50. 85 Figura 8-3. [02,904,02]: Probeta 8. Grieta transversal a x500. 85 Figura 8-4. [02,904,02]: Probeta 14. Grieta transversal a x200. 86 Figura 8-5.[04,904,04]: Probeta 21. Prueba 2. Primera grieta transversal a x50. 91 Figura 8-6 .[04,904,04]: Probeta 21. Prueba 2. Primera grieta transversal a x200. 91 Figura 8-7. [04,904,04]: Probeta 20. Prueba 2. Primera grieta transversal a x100. 92 Figura 9-1.[02,90,02]: Probeta12. Grieta transversal. 95 Figura 9-2. [04,90,04]: Probeta 5. Prueba 4. Segundo daño transversal generalizado encontrado a x500. 96 Figura 9-3.[02,904,02]: Probeta 8.Grieta trasnversal curvada a x50. 97 Figura 9-4. [04,904,04]: Probeta 19. Primera grieta transversal a x200. 97 ÍNDICE DE GRÁFICAS Gráfico 6-1. [04,90,04]: Fuerza. Rango de aparición del primer daño transversal generalizado. 54 Gráfico 6-2. [04,90,04]: Tensión. Rango de aparición del primer daño transversal generalizado. 54 Gráfico 6-3. [04,90,04]: Rango de aparición de la primera grieta transversal. 55 Gráfico 6-4. [04,902,04]: Fuerza. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 59 Gráfico 6-5. [04,902,04]: Tensión. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 60 Gráfico 6-6. [04,902,04]: Deformación. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 60 Gráfico 6-7. [04,904,04]: Fuerza. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 64 Gráfico 6-8. [04,904,04]: Tensión. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 65 Gráfico 6-9. [04,904,04]: Deformación. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 65 Gráfico 6-10. [04,908,04]: Fuerza. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 70 Gráfico 6-11. [04,908,04]: Tensión. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 70 Gráfico 6-12. [04,908,04]: Deformación. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 71 Gráfico 9-1. Fuerza media de aparición de la primera grieta transversal en laminados [04,90N,04] para N=2,4,8. 94 Gráfico 9-2. . Deformación media de aparición de la primera grieta transversal en laminados [04,90N,04] para N=2,4,8. 94 ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación (4-1) 17 Ecuación (4-2) 17 Ecuación (4-3) 17 Ecuación (4-4) 17 Ecuación (4-5) 17 Ecuación (4-6) 17 Ecuación (4-7) 17 1 1 INTRODUCCIÓN En los últimos años los materiales compuestos han experimentado un gran desarrollo, en particular, en la Ingeniería Aeronáutica. Su gran auge y su aplicación en áreas en las que se deben cumplir estrictos criterios de seguridad han motivado la necesidad de caracterizar su comportamiento. En particular, en este trabajo se intentará profundizar en cómo se produce el “efecto a escala” en laminados de material compuesto. Para ello, en este capítulo se introduce el concepto de material compuesto, se encuadra el trabajo realizado dentro de las líneas de investigación que se desarrollan en la actualidad en relación con estos materiales y se marcan los objetivos. 1.1 Contexto y motivación 1.1.1 Concepto de material compuesto Un material compuesto se suele definir como la combinación a escala macroscópica de dos o más materiales con interfase de separación entre ellos para formar un nuevo material [2]. El objetivo de esta unión es, por un lado, conformar un material cuyas propiedades no pueden ser alcanzadas por ninguno de sus constituyentes aisladamente y, por otro, aunar las propiedades individuales de dichos constituyentes en un solo material. Según los materiales empleados y la geometría del refuerzo que se introduce en la matriz se potenciarán unas características u otras. Los materiales compuestos pueden estar reforzados con fibras en distintas direcciones o con partículas, tal y como se ve en la Figura 1-1. Los primeros están más extendidos en la industria debido a sus excelentes propiedades mecánicas. En ellos las fibras actúan absorbiendo la mayor parte de la carga mientras que la matriz tiene la función de dar cohesión al material y aglutinar las fibras, transmitiendo las tensiones entre ellas. Figura 1-1. Morfología de material compuesto reforzado con fibras continuas-discontinuas en diferentes orientaciones [3]. Fabricación de las muestras a analizar 8 2.3.3 Fabricación de la bolsa de vacío Para aplicar el ciclo de curado que permite obtener paneles totalmente compactos se introducen los laminados en una bolsa de vacío. Esta bolsa tiene una triple función: evitar la inclusión de aire entre las distintas láminas, evitar la contaminación de los laminados mediante partículas de polvo, suciedad o humedad y proteger el material del aire caliente que recibirá en el autoclave y que permite que la resina fluya uniformemente, de forma que esta no se queme. Los materiales necesarios para fabricar una bolsa de vacío son, tal y como se recoge en la Figura 2-4: En la realización de la bolsa de vacío se han seguido los siguientes pasos: - Colocación de una plancha de aluminio sobre una superficie plana. Esta plancha ha de ser recubierta con una capa de teflón. - Se retiran los papeles protectores externos del material anteriormente apilado y se coloca este sobre el teflón, dejando márgenes y espacio suficiente para colocar las tomas de vacío, así como un cordón de corcho alrededor de cada lámina que evite que la resina escape durante el curado (Figura 2-5 (a)). - Colocar el retenedor de corcho y recubrir el conjunto con una nueva capa de teflón (Figura 2-5 (b)). - Recubrir el conjunto con una capa de airweave (tejido esponjoso que previene pinchazos en la bolsa de vacío y los consiguientes escapes) y la bolsa de vacío. Bajo la bolsa se colocan las tomas de vacío (Figura 2-5 (c) y (d)). - Adherir la capa exterior de la bolsa a la placa metálica para evitar que entre aire en la bolsa una vez realizado el vacío. Se moldea el cromato de manera que todas las posibles vías de entrada de aire queden cerradas. Una vez hecho esto queda conformada la bolsa de vacío, por lo que resta colocar las partes superiores de las tomas y activar el compresor para realizar el vacío (Figura 2-5 (e)). Alcanzado el vacío se ha comprobado que no existiera en la bolsa ningún tipo de escape de aire con el fin de que el proceso se ejecute adecuadamente. Terminado el proceso se iniciará el curado en autoclave (Figura 2-5 (f)). Figura 2-4. Materiales empleados en la fabricación de la bolsa de vacío. 1. Placa de aluminio. 2. Lámina desmoldeante. 3. Tejido aireador o Airweave. 4. Tomas de vacío. 5. Cinta de sellado para bolsa de vacío y cinta de cromato. 6. Bolsa de vacío. 9 9 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 2-5. Distintas fases de la preparación de una bolsa de vacío. Se han preparado en total dos bolsas de vacío en la realización de este proyecto, una por cada dos laminados. 2.3.4 Curado en autoclave El siguiente paso fue introducir la bolsa de vacío en el autoclave para el curado de los laminados. Se define el curado como el proceso de secado o polimerización de la matriz para formar los enlaces permanentes entre la matriz y las fibras en una lámina y a su vez entre las propias láminas [2]. Aunque existen distintos métodos para realizar el curado el método más extendido en los materiales pre-preg es el método de bolsa de vacío, presión o autoclave. Antes de aplicar el ciclo de curado se ha de comprobar que no existen pérdidas de aire en la bolsa de vacío. Para ello se conectan las tomas de vacío de la bolsa a las del autoclave y se aplica vacío hasta alcanzar en la bolsa los 0.8 bar de presión. Cuando se alcancen, se corta el vacío y se espera unos minutos. Si no baja la presión dentro de la bolsa significa que el vacío se ha realizado correctamente y no tiene perdidas. Una vez comprobado este aspecto se procede a introducir la bolsa en el autoclave y a someter los paneles al ciclo de curado. Fabricación de las muestras a analizar 10 2.3.5 Resanado de los paneles Una vez se tienen los paneles curados se procede al resanado de estos. El resanado es un proceso que consiste en eliminar, por un lado, el cerco de corcho con el que se rodearon los paneles a la hora de introducirlos en la bolsa de vacío para evitar que la resina fluyera, y, por otro, cualquier posible imperfección que haya podido surgir como consecuencia del proceso de fabricación como, por ejemplo, el que no todas las láminas lleguen perfectamente a los bordes y se produzcan en estas zonas huecos de material. Para llevar a cabo el resanado se ha usado una máquina de corte como la que se muestra en la Figura 2-6. Esta máquina consta de un disco de diamante que corta mediante abrasión, siendo refrigerado en todo momento por agua, y de una bancada de movimiento manual sobre la que se coloca la pieza. Es importante tener en cuenta la dirección de las fibras en cada laminado a la hora de cortar y mantenerla. Para ello la máquina de corte consta de un apoyo que ayuda a mantener la perpendicularidad y, además, se ha hecho uso de una escuadra para encuadrar. 2.3.6 Corte de las probetas Una vez resanados los paneles se ha procedido al corte de los mismos mediante la misma máquina de corte. Para realizar el corte con las medidas deseadas se ha empleado un equipo de medición adjunto a la máquina que consiste en un calibre que permite regular la distancia entre el soporte metálico que sirve de apoyo para el corte y la línea de corte. Se ha marcado 15 mm y se ha procedido al corte de las probetas. 2.3.7 Trazabilidad de las probetas obtenidas Conforme se fueron cortando las probetas se fueran numerando del 1 al 29. Además, se añadió la secuencia de apilado a cada una de las probetas para que todas quedaran perfectamente designadas. Figura 2-6. Máquina de corte. 11 3 PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS: PROCESO DE LIJADO Y PULIDO Tal y como se ha comentado en el capítulo introductorio, antes de ensayar las probetas (exceptuando las probetas empleadas en determinar la resistencia del laminado), se han lijado y pulido para, por un lado, poder detectar mientras se realiza el ensayo si se abre alguna grieta transversal o algún daño que pueda ser visto mediante la lupa y, por otro, tener la seguridad de que las probetas no han sido manipuladas tras el ensayo no habiendo sido eliminada ninguna capa de material para su posterior análisis en el microscopio. Para comenzar, se expondrá el material necesario para conseguir en las probetas una superficie que permita su observación a escala microscópica con el equipo disponible. A continuación, se comentará el proceso experimentado en este proyecto para llegar de la secuencia y útiles de pulido de anterioress trabajos a los finalmente empleados y se expondrán una serie de recomendaciones de cara a proyectos futuros. 3.1 Material empleado en el lijado y pulido: lijas y paños. Para realizar el pulido y lijado de las muestras se procede de la misma manera, variando únicamente el grano del paño y el líquido empleado. Los equipos usados son los mostrados en la Figura 3-1:  Pulidora LaboPol-5: consta de un plato giratorio en el que se han de colocar las lijas y paños para realizar el proceso. Permite regular la velocidad de giro del plato. Consta de un grifo que proporciona agua, el cual se puede abrir y cerrar de manera que proporcione lubricación de forma continua en el proceso de lijado y sirva para aclarar las probetas. Además, está conectada al sistema de dosificación de líquido para cada uno de los paños empleados en el pulido.  Sistema de dosificación automático LaboDoser de Struers: permite el suministro continuo y uniforme, de forma automática, de las soluciones de diamante empleadas durante el proceso de pulido. Figura 3-1. Equipo de lijado y pulido de las probetas. Preparación de las probetas: proceso de lijado y pulido 12 12  Soporte rígido de apoyo a las probetas: se trata de un soporte diseñado por el personal de laboratorio que permite mantener las probetas de forma perpendicular a la lija con la menor vibración de la probeta con la rotación del disco. Además, facilita la aplicación uniforme de fuerza.  Taco de superficie plana: para aplicar la presión lo más uniformemente posible se decidió aplicar con un taco de aproximadamente la longitud entre sujeciones del soporte rígido a la probeta. En cada fase del proceso se emplea un disco con una determinada superficie que determina si se trata de un proceso de lijado (eliminación de material para evitar posibles rayones y marcas profundas anteriores) o pulido (superficie de espejo). Los discos son de 250 mm, al igual que el soporte de la lijadora, y se emplea cada uno junto a su líquido correspondiente. Se emplea agua para las lijas y un líquido formado por una suspensión estable de base acuosa, que contiene una mezcla de diamantes de alto rendimiento y lubricante refrigerante, para los paños. A continuación se detallan cada uno de los paños empleados en las muestras bajo estudio.  Papel de lija para pulidora SiC#320, SiC#500, SiC#800 y SiC#1200: el número indica el tamaño de grano de la lija. Una muestra de una lija SiC#320 se puede observar en la Figura 3-2 (a).  Disco MD-Largo 9 μm: disco con fijación magnética que posee incrustaciones de diamante para un paso de molienda fina en materiales con dureza 40-150 HV. El paño empleado es el de la Figura 3-2 (b).  Disco MD-Dac 3 μm: paño de pulido para todo tipo de materiales, fabricado con un tejido satinado de acetato (Figura 3-2 (c)). Su rango abrasivo es 9-3 μm, y tiene dureza y resiliencia media. Está provisto de fijación magnética.  Disco MD-Nap 1 μm: paño de pulido para todo tipo de materiales, fabricado con pelo sintético corto (Figura 3-2 (d)). Su rango abrasivo inferior a 1 μm, su resiliencia muy alta y su dureza muy baja. Posee fijación magnética.  Líquido DiaPro Allegro/Largo 9 μm: para un alto rendimiento en el uso del disco MD-Largo.  Líquido DiaPro Dac 3 μm: para pulido materialográfico de alto rendimiento y correcto nivel de lubricación con el disco MD-Dac.  Líquido DiaPro Nap B1 1 μm: para pulido de alto rendimiento de materiales duros (HV>150) usando el disco MD-Nap. Figura 3-2.(a) Lija SiC#320; (b) disco MD-Largo 9𝜇𝑚; (c) disco MD-Dac 3𝜇𝑚; (d) disco MD-Nap 1𝜇𝑚. 13 13 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s 3.2 Evolución del proceso durante el proyecto En los inicios del trabajo se comenzó a lijar y pulir siguiendo la metodología de proyectos anteriores [1]. En estos proyectos de lijado y pulido manual se había introducido el soporte rígido para apoyar las probetas pero no los agarres que permitian fijar las probetas al soporte. En la Tabla 3-1 se presenta la secuencia de pulido que se utilizaba: Tabla 3-1. Secuencia de lijado y pulido empleada en proyectos anteriores. Lija/Paño Velocidad de giro del disco (RPM) Tiempo (min) Lija SiC #320 300 5 MD-Largo 9 μm 150 6 MD-Dac 3 μm 150 5 MD-Nap 1 μm 150 5 Se decidió empezar a lijar con las probetas de secuencia de apilado en las que se prentede estudiar el efecto de las laminas a 90°, pues al haber sido heredadas de otro proyecto estaban disponibles desde del principio. El primer problema que se encontró fue el hecho de que el diámetro interior de la pulidora cuenta con un filo a una altura ligeramente superior al plato donde se colocan las lijas y paños, filo en el que la probeta se quedaba ligeramente apoyada debido a que su longitud era superior a la de dicho diámetro interior. Para solucionarlo se optó por cortar las probetas empleando la misma máquina de corte con disco de diamante que ya se empleó en la fabricación de las probetas, obteniendo probetas más cortas. A pesar de esto, se observó que los resultados obtenidos no eran los esperados. Tras analizar la superficie de la probeta tras ser lijada y pulida en el microscopio, esta aparecía manchada y en la mayor parte de la sección no era posible distinguir bien las fibras y la matriz. Tras múltiples pruebas realizadas, cambiado las secuencias e introduciendo lijas de tamaño intermedio entre la lija de grano #320 y el paño de 9 μm, se llegó a la conclusión de que las probetas vibraban en el momento en el que el disco iba más rápido (300 RPM) no manteniéndose en todo momento perfectamente verticales a la lija. Por ello, se decidió añadir unos agarres metálicos a la probeta que garantizaran que esta no rotara alrededor de su eje durante el lijado (estos agarres pueden verse en la Figura 3-1). A pesar de que introducir estos agarres mejoró el resultado superficial este estaba lejos aún de ser el deseado. Se volvió a probar con la primera secuencia y con otras muchas. Algunos de los cambios que se probaron fueron: - Añadir lijas de tamaño intermedio entre la lija de grano #320 y el paño de 9 μm e ir variando el tiempo que se mantenía cada una de ellas así como las revoluciones. - Cambiar el modo en el que se aplicaba la presión manual. - Suprimir el paño de 9 μm y emplear todas las lijas disponibles desde grano #320 a 9 μm. - Introducir el taco de superficie plana de longitud ligeramente inferior a la longitud entre los agarres a la probeta para aplicar la presión manual. Finalmente, y tras las pruebas realizadas, se llegó a la conclusion de que el proceso que mejores resultados arrojaba y, que, por tanto, se ha empleado en el proyecto, es el mostrado en la Tabla 3-2: Preparación de las probetas: proceso de lijado y pulido 14 14 Tabla 3-2. Secuencia de lijado y pulido empleada I. Conforme avanzaba el proyecto llegó un momento en el que se agotaron las lijas de grano #800 por lo que se volvió a variar la secuencia encontrando otra que permitía obtener buenos resultados. En la Tabla 3-3 se recoge la secuencia de lijado y pulido que se empleó a partir de ese momento. Tabla 3-3. Secuencia de lijado y pulido empleada en el presente proyecto II. Una vez obtenida una buena secuencia de lijado y pulido se procedió a aplicar la misma a las probetas fabricadas en este proyecto, en las que se pretende estudiar el efecto de la lamina a 0°, y que, tal y como se comentó en el capitulo 2, no cuentan con tacos. Al hacer esto se comprobó que, sin tacos, estas probetas eran demasiado delgadas para que fueran sujetados por los agarres por lo que volvía a aparecer los problemas de acabado superficial que aparecian al principio. Para solucionar esto se deció lijar y pulir tantas probetas a la vez como fueran necesarias para garantizar un buen agarre, comprobándose que mejoraban los resultados. El problema que introduce esto es que no todas las probetas están cortadas con un ancho de 15 mm exactos, de manera que hay algunas ligeramente más anchas que otras y por tanto estas son las que más presión reciben durante el proceso. Este hecho trajo como resultado un peor acabado superficial en las probetas. 3.3 Recomendaciones para proyectos futuros Tras todos los problemas observados, en este apartado se pretende hacer una serie de recomendaciones de cara a proyectos similares realizados dentro del departamento. Lija/Paño Velocidad de giro del disco (RPM) Tiempo (min) Lija SiC #320 300 5 Lija SiC #800 300 4 MD-Largo 9 μm 150 6 MD-Dac 3 μm 150 5 MD-Nap 1 μm 150 5 Lija/Paño Velocidad de giro del disco (RPM) Tiempo (min) Lija SiC #320 300 5 Lija SiC #500 300 4 Lija SiC #1200 300 4 MD-Largo 9 μm 150 6 MD-Dac 3 μm 150 5 MD-Nap 1 μm 150 5 15 15 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s En primer lugar, se ha observado que añadir granos cada vez más finos entre la lija de grano #320 y paño de 9 μm mejora los resultados. Un compromiso entre calidad del acabado y tiempo se ha alcanzado añadiendo a la secuencia inicial (Tabla 3-1) la lija de grano #800 durante 4 minutos. De cara a proyectos futuros se recomienda comenzar con esta secuencia y si no se obtienen los resultados deseados ir disminuyendo paulatinamente el grano de la lija desde el de #320 al más pequeño disponible. En segundo lugar, se ha de aplicar la presión lo más uniformemente posible, la forma óptima encontrada en este proyecto ha sido presionar hacia la superficie del disco de la lija con un taco de cara plana y sujetarla en la parte central contra el soporte rígido. Se ha de que el objeto con una de sus superficies plana empleado tenga una longitud tal que permita presionar toda la sección de la probeta que queda entre mordazas. Por último, se ha observado que en las probetas que contaban con tacos, y por tanto con una mayor superficie de apoyo, se obtenían mejores resultados, a pesar de que estas probetas han debido ser lijadas una a una y, en el caso de las que no contaban con tacos, se podía aplicar el proceso a varias simultáneamente. Preparación de las probetas: proceso de lijado y pulido 16 16 17 4 ENSAYOS MECÁNICOS Los ensayos mecánicos sirven para comprobar cuál es la repuesta que ofrecen ciertos materiales al ser manipulados. Mediante distintos esfuerzos mecánicos se fuerza al límite el smaterial, permitiendo caracterizarlo mecánicamente. El presente trabajo se centra en el análisis de la resistencia y el daño sufrido por materiales sometidos a tracción en la dirección perpendicular a la fibra en la parte central del laminado, para lo cual se procede de la siguiente forma: - Determinación de la resistencia del laminado en la dirección de aplicación de la carga (𝑋𝑡). Para determinar esta se llevan 5 probetas de cada panel hasta la carga de rotura obteniendo la fuerza máxima que aguanta cada una de ellas 𝐹𝑅. La resistencia del laminado se expresa en forma de tensión (MPa), para su cálculo se aplicará la Ecuación 4-1: 𝜎=𝐹𝑅 𝐴 (4-1) Donde A se corresponde con el área de la sección resistente (sección de la probeta). Para evaluar la dispersión de los resultados se emplerán los siguientes indicadores: Valor medio 𝑋=∑𝑋𝑖 𝑛 𝑖=1 𝑛 ( 4-2) Desviación típica 𝑠=√∑ (𝑋𝑖−𝑋)2 𝑛 𝑖=1𝑛−1 ( 4-3) Coeficiente de variación 𝐶.𝐶.=𝑠 𝑋∙100 ( 4-4) Diferencia relativa porcentual 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑅=|𝑋𝑖−𝑋| 𝑋 ( 4-5) - Análisis microscópico del daño sufrido para distintos estados de carga que se corresponden al momento que: 1) Se escucha el primer aviso sonoro de rotura en la capa a 90 grados. 2) Aumento progresivo de carga hasta encontrar la primera grieta transversal. En el análisis del daño sufrido por cada laminado se ha tenido en cuenta la deformación a la que se ha llegado para cada uno de los estados de carga analizados. Esta se ha determinado a partir de la medida del extensómetro, teniendo en cuenta que este tiene una apertura (L) de 50 mm. Caracterización mecánica de los laminados 24 24 Se aprecia que las diferencias relativas están todas por debajo del 5% y que los valores de desviación típica y coeficiente de variación son pequeños, lo que indica que todas las probetas ensayadas muestran un comportamiento similar. Tabla 5-2. Dimensiones de las probetas del laminado [04,90,04] llevadas a rotura. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 1.R 1,7487 14,9700 26,1775 2.R 1,7693 15,003 26,5459 3.R 1,7513 14,9433 26,1707 4.R 1,7717 14,9667 26,5159 5.R 1,7760 15,0267 26,6874 Tabla 5-3. Resultados de resistencia y rigidez para las 5 probetas del panel [04,90,04] llevadas a la rotura. Probeta Fuerza Rotura (N) Resistencia (MPa) Módulo de Young (GPa) 1.R 45626,31 1742,93 108,73 2.R 48588,93 1830,37 110,78 3.R 44635,50 1705,55 109,82 4.R 47715,84 1799,52 116,61 5.R 46077,57 1726,57 114,49 Tabla 5-4. Resultados promedio de la resistencia y la rigidez para el panel [04,90,04]. Panel [𝟎𝟒,𝟗𝟎,𝟎𝟒] Fuerza (N) Resistencia (MPa) Rigidez (GPa) Valor medio 46528,83 1760,38 112,05 Desviación Típica 1601,24 52,16 3,33 Coeficiente de variación 3,44 2,96 2,97 Valor máximo 48588,93 1830,37 116,62 Valor mínimo 44635,50 1705,55 108,73 Diferencia relativa Max.Porcentual (%) 4,43 3,98 4,07 Diferencia relativa Min.Porcentual (%) 0,97 0,99 1,13 25 25 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s En cuanto a los valores de carga de rotura obtenidos parecen coherentes. Teniendo en cuenta que antes de que se produzca la rotura teóricamente la carga se reparte de forma homogénea en la sección resistente [2] con un sencillo cálculo se puede ver una primera estimación la carga teórica que debería aguantar el laminado a rotura La resistencia a tracción de una sola lámina a 0 grados es de Xt=2207 MPa el área media de la sección transversal de las probetas que nos ocupan es de 𝐴𝑠𝑡[04,90,04]=24,4186 mm2. Si el laminado estuviera únicamente formado por laminas a 0 grados y fuera completamente homogéneo, idealmente debería aguantar una carga en Newton de 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙=𝑋𝑡∙𝐴𝑠𝑡[04,90,04]. Teniendo en cuenta que son las láminas a 0 grados las que aportan resistencia al laminado (las láminas formadas por fibras perpendiculares a la dirección de aplicación de la carga rompen a valores de carga muy bajos cuando se ensayan por si solas) se calcula la fuerza de rotura ideal de este laminado: 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙[04,90,04]=𝑋𝑡∙𝐴𝑠𝑡[04,90,04]∙ 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑎 0 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜=51827,4224 𝑁 La fuerza de rotura media obtenida de forma experimental es de 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙[04,90,04]=46528,83N, es decir, se rompe antes de lo que dice la teoría. Este comportamiento está totalmente dentro de lo esperado si se tiene en cuenta la no homogeneidad de las muestras, posibles defectos introducidos en la fabricación o el estado tensional que genera la aparición de daño en la capa de 90 grados antes de la rotura. Para estimar la diferencia entre el valor teórico y el experimental se va a aplica la ecuación 4-5: %𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙=10,23%  Laminado [04,902,04] La forma de proceder en el resto de ensayos ha sido la misma que para el laminado [04,90,04]. En la Tabla 5-5 se muestran las dimensiones de las probetas del laminado [04,902,04] llevadas a la rotura. En la Tabla 5-6 los resutados de los ensayos de rotura realizados sobre estas muestras y, por último, en la Tabla 5-7 los valores medios de cada magnitud y parámetros para analizar la dispersión de los resultados entre unas muestras y otras. Comparando los resultados con los del laminado [04,90,04] se aprecian diferencias relativas y coeficiente de variación mayores lo que es indicativo de una mayor heterogeneidad del laminado. Tabla 5-5. Dimensiones de las probetas del laminado [04,902,04] llevadas a rotura. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 1.R 1,9067 15,0533 28,7017 2.R 1,9437 15,0300 29,2133 3.R 1,9232 15,0567 28,9690 4.R 1,9307 15,0533 29,0630 5.R 1,9430 15,0200 29,1839 Caracterización mecánica de los laminados 26 26 Tabla 5-6. Resultados de resistencia y rigidez para las 5 probetas del panel [04,902,04] llevadas a la rotura. Probeta Fuerza Rotura (N) Resistencia (MPa) Módulo de Young (GPa) 1.R 45881,37 1570,56 98,50 2.R 43595,64 1504,90 90,84 3.R 40868,46 1406,20 109,54 4.R 48176,91 1650,81 98,20 5.R 39004,56 1347,76 106,04 Tabla 5-7. Resultados promedio de la resistencia y la rigidez para el panel [04,902,04]. Panel 𝟗𝟎𝟐 Fuerza (N) Resistencia (MPa) Rigidez (GPa) Valor medio 43433,47 1492,05 100,41 Desviación Típica 3698,42 122,11 7,33 Coeficiente de variación 8,51 8,18 7,30 Valor máximo 48176,91 1650,81 109,55 Valor mínimo 39004,56 1347,76 90,84 Diferencia relativa Max.Porcentual (%) 10,92 10,64 9,53 Diferencia relativa Min.Porcentual (%) 2,13 0,86 1,91 Repitiendo el calculo de la fuerza teórica que debería aguantar el laminado se ve que, al igual que sucedía con el laminado [04,90,04]. se obtiene un valor superior al experimental pero del mismo orden. Esta desviación se achaca a los mismos motivos: heterogeneidad de las probetas, defectos de fabricación y efecto del daño previo en la capa de láminas a 90. 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙[04,902,04]=𝑋𝑡∙𝐴𝑠𝑡[04,902,04]∙ 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑎 0 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜=51247,5994𝑁 𝐴𝑠𝑡[04,902,04]=29,0256 𝑚𝑚2 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙[04,902,04]= 43433,4754𝑁< 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙[04,902,04] %𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙=15,25% 27 27 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s  Laminado [04,904,04]. En la Tabla 5-8 se muestran las medidas de las probetas del laminado [04,904,04] llevadas a rotura. Tabla 5-8. Dimensiones de las probetas del laminado [04,904,04] llevadas a rotura. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 1.R 2,2693 15,0667 34,1913 2.R 2,3057 15,0100 34,6080 3.R 2,3687 15,0467 34,1359 4.R 2,3157 15,0200 34,7813 5.R 2,2940 15,0267 34,4711 En la Tabla 5-9 se recogen los valores de carga a rotura obtenida en cada ensayo, así como la tensión de rotura y el módulo de Young calculados, viéndose que estos se mueven en un rango estrecho. Tabla 5-9. Resultados de resistencia y rigidez para las 5 probetas del panel [04,904,04] llevadas a la rotura. Probeta Fuerza Rotura (N) Resistencia (MPa) Módulo de Young (GPa) 1.R 43311,15 1266,73 94,22 2.R 39446,00 1139,79 89,67 3.R 41731,74 1222,52 95,18 4.R 45194,67 1299,39 87,11 5.R 41790,60 1212,33 87,84 En la Tabla 5-10 se recogen los valores medios de cada una de las magnitudes: fuerza, resistencia y rigidez, así como los valores máximos y mínimos obtenidos de cada magnitud, la desviación típica y la diferencia relativa porcentual máximo y mínimo. Se aprecia un coeficiente de variación superior que al de los laminados [04,90,04] y [04,902,04] pero aún así dentro de lo esperado. Las diferencias relativas están dentro de lo obtenido para el resto de laminados analizados hasta ahora. Tabla 5-10. Resultados promedio de la resistencia y la rigidez para el panel [04,904,04]. Panel 𝟗𝟎𝟒 Fuerza (N) Resistencia (MPa) Rigidez (GPa) Valor medio 42294,83 1226,94 112,05 Desviación Típica 4997,24 60,52 3,33 Caracterización mecánica de los laminados 28 28 Coeficiente de variación 11,81 4,93 2,97 Valor máximo 45194,67 1299,39 116,61 Valor mínimo 39446,00 1139,79 108,73 Diferencia relativa Max.Porcentual (%) 6,85 7,10 4,07 Diferencia relativa Min.Porcentual (%) 1,19 0,36 1,13 En cuanto al valor de carga obtenido es coherente. 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙[04,904,04]=𝑋𝑡∙𝐴𝑠𝑡[04,904,04]∙ 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑎 0 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜=50667,717𝑁 𝐴𝑠𝑡[04,904,04]=34,4366 𝑚𝑚2 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙[04,904,04]= 42294,832𝑁< 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙[04,904,04] %𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙=16,53%  Laminado [04,908,04] En la Tabla 5-11 se muestran las dimensiones del laminado [04,908,04] llevadas a rotura. Tabla 5-11. Dimensiones de las probetas del laminado [04,908,04] llevadas a rotura. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 1.R 3,0203 14,9967 45,2949 2.R 3,0183 15,0067 45,2951 3.R 3,0083 14,9733 45,8058 4.R 3,0503 15,0167 45,8390 5.R 3,0593 14,9833 45,5062 En la Tabla 5-12 están los valores de fuerza de rotura, tensión de rotura y módulo de Young. Se observa que todas las probetas rompen a una carga muy similar. 29 29 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Tabla 5-12. Resultados de resistencia y rigidez para las 5 probetas del panel [04,908,04] llevadas a la rotura. Probeta Fuerza Rotura (N) Resistencia (MPa) Módulo de Young (GPa) 1.R 45371,25 1001,68 87,21 2.R 44360,82 984,82 76,87 3.R 40633,02 887,07 83,81 4.R 42251,67 921,74 70,79 5.R 46254,15 1016,44 73,59 En la Tabla 5-13 se presenta el resumen de resultados. Se observan unos valores de los parámetros empleados para medir la desviación reducidos, lo que es un indicador de la validez del laminado fabricado. Tabla 5-13. Resultados promedio de la resistencia y la rigidez para el panel [04,908,04]. Panel 𝟗𝟎𝟖 Fuerza (N) Resistencia (MPa) Rigidez (Pa) Valor medio 43725,10 961,05 78,20 Desviación Típica 2304,45 55,44 6,90 Coeficiente de variación 5,27 5,77 8,83 Valor máximo 46254,15 1016,44 87,21 Valor mínimo 40633,02 887,07 70,78 Diferencia relativa Max.Porcentual (%) 7,07 7,70 11,51 Diferencia relativa Min.Porcentual (%) 1,45 2,47 1,70 En cuanto al valor de carga a rotura obtenido se ve, al igual que en el resto de laminados [04,90N,04]. considerados, está dentro de lo esperado. 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙[04,904,04]=𝑋𝑡∙𝐴𝑠𝑡[04,904,04]∙ 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑎 0 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜=50261,7767𝑁 𝐴𝑠𝑡[04,904,04]=45,5476 𝑚𝑚2 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙[04,904,04]= 43725,0988< 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙[04,904,04] %𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙=13,01% Caracterización mecánica de los laminados 30 30 5.2 Caracterización mecánica de laminados [0Q,90,0Q] Tal y como se ha comentado en la introducción de este trabajo se han fabricado 6 laminados a efectos de comparar con los que ya se contaba del proyecto anterior: [0,90,0] [02,90,02] [04,90,04] [0,904,0] [02,904,02] [04,904,04] A diferencia de los laminados [04,90N,04] estos han sido caracterizados mecánicamente mediante ensayos realizados durante el desarrollo del proyecto. A continuación se muestran los resultados obtenidos.  Laminado [0,90,0] En la Tabla 5-14 se muestran las dimensiones de las probetas del laminado [0,90,0] llevadas a la rotura. A continuación, en la Tabla 5-15, se muestran los valores de carga y tensión a los que ha roto cada muestra. En estas muestras no se ha calculado el módulo de Young porque no se ha colocado el extensómetro durante los ensayos. Por último, en la Tabla 5-16 se recogen los valores medios de cada magnitud, así como los valores máximos y mínimos de estos valores identificados en un ensayo en el momento de la rotura, y los valores de desviación típica, coeficiente de variación y diferencias relativas máximas y mínimas. A través de estos últimos se ve quela desviación de los resultados en este laminado es mayor que en el resto de laminados analizados hasta el momento. Tabla 5-14. Dimensiones de las probetas del laminado [0,90,0] llevadas a rotura. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 𝟎 0,6733 14,6180 9,8423 𝟏 0,6857 15,3128 10,5000 𝟐 0,6800 14,8300 10,0844 𝟑 0,6798 15,0530 10,2340 𝟒 0,68011 14,9875 10,1932 Tabla 5-15. Resultados de resistencia y rigidez para las 5 probetas del panel [0,90,0] llevadas a la rotura. Probeta Fuerza Rotura (N) Resistencia (MPa) 𝟎 9175,09 932,21 𝟏 7531,73 717,31 𝟐 7834,46 776,89 𝟑 9625,96 940,59 𝟒 9183,14 900,91 31 31 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Tabla 5-16. Resultados promedio de la resistencia y la rigidez para el panel [0,90,0]. [𝟎,𝟗𝟎,𝟎] Fuerza (N) Resistencia (MPa) Valor medio 8629,59 848,66 Desviación Típica 46330 50,35 Coeficiente de variación 5,37 5,93 Valor máximo 9625,96 940,59 Valor mínimo 7531,73 717,31 Diferencia relativa Max.Porcentual (%) 11,55 16,95 Diferencia relativa Min.Porcentual (%) 6,32 8,7 En la Figura 5-1 se ve como han roto algunas de las probetas del laminado [0,90,0] llevadas a la rotura. Se ve que en contra de lo esperado algunas de ellas han roto por la zona de los tacos. Figura 5-1. [0,90,0]: Probetas ensayadas hasta rotura. A la hora de analizar el valor de carga a rotura obtenida se ve que, a diferencia de lo que ocurría en los laminados [04,90N,04], la distancia respecto al valor teórico es bastante considerable. Esto podría ser indicativo de un mayor efecto del estado tensional que se genera en la lámina de 90 grados en la resistencia del laminado cuando el número de láminas a 0 grados a cada lado es muy reducido (una a cada lado en este caso). 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙[0,90,0] =𝑋𝑡∙𝐴𝑠𝑡[0,90,0]∙ 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑎 0 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜=14918,29𝑁 𝐴𝑠𝑡[0,90,0]=10,1393𝑚𝑚2 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙[0,90,0]= 8629,5856< 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙[0,90,0] %𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙=42,16% Caracterización mecánica de los laminados 32 32  Laminado [02,90,02] Las dimensiones de las probetas del laminado [02,90,02] llevadas a la rotura se recogen en la Tabla 5-17. A continuación, en la Tabla 5-18 se muestra la cargay tensión última que ha resistido cada muestra a tracción antes de romper. En la Tabla 5-19 se recogen los valores medios que permiten caracterizar el laminado, así como los parámetros de variación calculados para dar una idea de la heterogeneidad del laminado y de la validez de los resultados. Se ve que estos permanecen dentro de un rango aceptable. Tabla 5-17. Dimensiones de las probetas del laminado [02,90,02] llevadas a rotura. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 𝟏 1,1000 15,1403 16,6540 𝟐 1,1081 15,0291 16,5330 𝟑 1,1002 14,8777 16,3680 𝟒 1,0733 14,9937 16,0928 𝟓 1,0600 14,9700 15,8682 Tabla 5-18. Resultados de resistencia y rigidez para las 5 probetas del panel [02,90,02] llevadas a la rotura. Probeta Fuerza Rotura (N) Resistencia (MPa) 𝟏 19804,04 1189,14 𝟐 19077,90 1153,93 𝟑 20152,78 1231,23 𝟒 17313,28 1075,84 𝟓 21313,09 1343,13 Tabla 5-19. Resultados promedio de la resistencia y la rigidez para el panel [02,90,02]. [𝟎,𝟗𝟎𝟐,𝟎] Fuerza (N) Resistencia (MPa) Valor medio 19486,28 1195,43 Desviación Típica 740,40 43,47 Coeficiente de variación 3,80 4,14 Valor máximo 21313,09 1343,13 Valor mínimo 17313,28 1075,84 Diferencia relativa 9,37 11,16 33 33 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Max.Porcentual (%) Diferencia relativa Min.Porcentual (%) 3,42 0,56 En la Figura 5-2 se ven las probetas del laminado [02,90,02] levadas a la rotura. Figura 5-2. [02,90,02]: Probetas ensayadas hasta rotura. Si comparamos el valor medio de carga obtenido con el experimental calculado a partir de las propiedades del laminado se observa que está por debajo, tal y como cabría esperar debido a la heterogeneidad del material fabricado, y que la diferencia con respecto al valor teórico está un rango intermedio entre las diferencias existentes para el laminado [04,90,04] y el [0,90,0]. 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙[02,90,02]=𝑋𝑡∙𝐴𝑠𝑡[02,90,02]∙ 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑎 0 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑛° 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜=26504,839𝑁 𝐴𝑠𝑡[02,90,02]=10,1393𝑚𝑚2 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙[02,90,02]= 19486,282< 𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎−𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙[02,90,02] %𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜−𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙=26,48%  Laminado [04,90,04] El laminado [04,90,04] ha quedado caracterizado mecánicamente en la sección 5.1. 5.3 Caracterización mecánica de laminados [0P,904,0P]  Laminado [0,904,0] En la Tabla 5-20 aparecen las dimensiones de las probetas del laminado [0,904,0] llevadas a rotura. A continuación, en la Tabla 5-21 muestran los valores de los ensayos. Puede verse que una de las muestras, la probeta 5, ha roto a un valor muy inferior al resto pero que en general el comportamiento es bastante Influencia del espesor de la capa a 90 : Estudio laminados [04,90n,04] 40 40 Figura 6-2. Clasificación del daño: Despegues continuos.  Daño transversal generalizado: Se engloba dentro de esta categoría aquel daño transversal formado por despegues continuos a lo largo de toda la sección de la capa a 90 grados que buscan conectarse pero que no terminan de hacerlo ni de llegar del todo a la interfase entre la capa a 90 grados y la capa a 0. En la Figura 6-3 se ha representado un esquema del tipo de daño que se englobará dentro de esta categoría. Figura 6-3.Clasificación del daño: daño transversal generalizado.  Grieta transversal: En esta categoría de clasificación se engloba aquel daño transversal a la dirección de aplicación de la carga que se extiende de forma completa a través de todas las láminas a 90 grados, llegando a la interfase de separación de las láminas a 0-90 grados sin que se aprecien tramos en los que la grieta no se abra camino separando fibra/matriz o matriz/matriz. Ha de ser un daño extendido, sin que se aprecien discontinuidades en el mismo. En la Figura 6-4 aparece un esquema de esta categoría de clasificación. Es de recalcar que en este tipo de daño puede darse que cuando la grieta alcanza las últimas fibras de las láminas a 90 grados antes de llegar a las láminas a 0 grados se extienda paralelamente a las láminas a 0 grados y, si se continúa cargando la probeta, pueden aparecer delaminaciones. 41 41 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Figura 6-4. Clasificación del daño: grieta transversal. Comentar que en estos ensayos se ha colocado el extensómetro para determinar cuánto se ha deformado la probeta cuando se produce el primer daño. El objetivo de esto es relacionarlo con estudios previos [5] que han estimado que la aparición del daño se produce para deformaciones mayores a medida que disminuye el espesor de la probeta. 6.1 Detección del daño al primer aviso sonoro El primer paso fue intentar relacionar el primer aviso sonoro de rotura en la capa de 90 grados con la aparición de daño en dicha sección del laminado. En el proyecto anterior [1] del que se han rescatado las probetas ya se identificó a qué carga se daba el primer aviso sonoro de rotura en la capa de 90 grados y qué daño había en las muestras a esa carga para los laminados [04,90,04] y [04,904,04]. Por lo tanto, en este trabajo solo se han sometido a este ensayo las muestras de los laminados [04,902,04] y [04,908,04]. Para ello se procedió en primer lugar cargando 5 probetas de cada laminado hasta el primer aviso sonoro de fallo. Una vez escuchado este se ha detenido la máquina de ensayo y con la probeta aún cargada se ha procedido a la inspección de la probeta mediante una lupa (montada tal y como se ve en la Figura 4-2) para ver si se había producido o no la primera grieta transversal. Tras este primer barrido de la probeta con la lupa se ha descargado la probeta y se ha pasado a buscar daño a nivel de despegues, delaminaciones o grietas que no se hayan podido visualizar con los aumentos de la lupa, mediante un microscopio óptico. La detección del primer aviso sonoro se ha realizado mediante la audición directa por parte del autor del proyecto, sin ningún tipo de micrófono o útil que ayudara a este objetivo. La velocidad de ensayo ha sido de 0,2 mm/min. Aunque en un primer momento se intentó recorrer con la lupa las probetas de ambos laminados en los ensayos realizados se comprobó que en las probetas que solo contaban con 2 láminas a 90 grados no era posible visualizar bien la existencia o no de grieta. Esto se debía a la poca estabilidad del montaje, que hacía muy difícil enfocar la probeta al barrerarla desplazando la lupa hacia arriba o hacia abajo al máximo número de aumentos. Por este motivo finalmente se decidió únicamente emplear la lupa en las probetas del laminado [04,908,04] y pasar directamente al visionado mediante el microscopio óptico con el laminad [04,902,04]. A continuación, se muestran los resultados obtenidos con ambos laminados. Influencia del espesor de la capa a 90 : Estudio laminados [04,90n,04] 42 42 6.1.1 Detección del daño al primer aviso sonoro: Laminado [04,902,04] En el laminado [04,902,04] se han ensayado a primer aviso sonoro las probetas nombradas de 1 a 5. Las dimensiones de estas se presentan en la Tabla 6-1. A continuación se ha realizado el ensayo obteniéndose los resultados de carga y deformación de las probetas recogidos en la Tabla 6-2. En dicha tabla se presenta también el porcentaje que supone la carga a la que se ha escuchado el primer aviso sonoro del valor medio de la carga de rotura que en este laminado se corresponde con el valor de 43379,49 N. Tabla 6-1 .Dimensiones de las probetas del laminado [04,902,04] ensayadas al primer aviso sonoro. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 1 1,9067 14,8633 28,3399 2 1,9033 14,9067 28,3718 3 1,9000 15,1167 28,728 4 1,8367 15,0267 27,6736 5 1,9067 15,0800 28,6520 Tabla 6-2. Resultados del ensayo a primer aviso sonoro de las probetas del laminado [04,902,04]. Probeta Cara primer aviso sonoro (N) Tensión primer aviso sonoro (MPa) Deformación en el primer aviso sonoro (%) Porcentaje de la carga de rotura (%) 1 25859,16 915,89 0,8430 61,38 2 25770,87 910,31 0,7892 61,01 3 18531,09 645,05 0,5128 43,23 4 15136,83 546,98 0,4886 36,66 5 15705,81 548,16 0,4846 36,74 Se aprecia que para este laminado el primer aviso sonoro se produce en un amplio rango de carga. Además, tras ser visualizadas en el microscopio se ha observado que en todas ha aparecido ya la primera grieta transversal, por lo que en este laminado no ha sido posible relacionar el primer aviso sonoro con la aparición del primer daño. Se ha analizado la sección entre tacos y se ha determinado la densidad con la que contaba cada probeta. En la Tabla 6-3 se observa que el daño va desde un par de grietas hasta la saturación de la probeta. Tabla 6-3. Densidad de grietas en las probetas del laminado [04,902,04] ensayadas al primer aviso sonoro. Probeta Distancia entre taps (mm) Número de grietas Densidad de grietas (grieta/mm) 1 132,47 45 0,3397 43 43 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s 2 132,22 60 0,4538 3 132,56 5 0,0378 4 132,62 2 0,0151 5 133,37 4 0,0299 En las Figuras 6-5 a 6-8 se ve una muestra del daño encontrado en estas muestras. Figura 6-5. [04,902,04]: Probeta 1. Grieta transversal a x200. Figura 6-6. [04,902,04]: Probeta 1. Grieta transversal a x500. Influencia del espesor de la capa a 90 : Estudio laminados [04,90n,04] 44 44 Figura 6-7. [04,902,04]: Probeta 2. Grieta transversal a x200. Figura 6-8. [04,902,04]: Probeta 2. Despegues continuos a x500. 6.1.2 Detección del daño al primer aviso sonoro: Laminado [04,908,04] En el laminado [04,908,04] se han ensayado a primer aviso sonoro las probetas nombradas como 10, 11, 12,14 y 18. No se ha empleado una serie de probetas con nomeclatura consecutiva pues durante la búsqueda de una buena secuencia de pulido se despreciaron varias de estas muestras. 45 45 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s En primer lugar, en la Tabla 6-4 se exponen las dimensiones y a continuación, en las Tablas 6-5 y 6-6 los resultados extraídos para estas muestras. Tabla 6-4 .Dimensiones de las probetas del laminado [04,908,04] ensayadas al primer aviso sonoro. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 10 2,9533 14,9663 44,4609 11 2,9300 15,0867 44,2137 13 2,9097 15,1433 44,0628 14 2,9300 15,3567 45,0048 18 2,9267 15,2567 44,7118 Tabla 6-5. Resultados del ensayo a primer aviso sonoro de las probetas del laminado [04,908,04]. Probeta Carga primer aviso sonoro (N) Tensión primer aviso sonoro (MPa) Deformación en el primer aviso sonoro (%) Porcentaje de la carga de rotura (%) 10 15117,21 340,01 0,2322 35,38 11 9533,36 215,62 0,3046 22,44 13 12046,68 273,40 0,4014 28,45 14 11762,19 261,35 0,4684 27,19 18 11546,37 258,24 0,326 26,87 Se aprecia que para este laminado el primer aviso sonoro se produce en un rango de carga mucho más estrecho y para una carga menor. Tras ser visualizadas en el microscopio se ha observado que para este laminado el rango de aparición de la primera grieta transversal parece cercano al primer aviso sonoro, pues todas las muestras tienen una o ninguna grieta. En la Tabla 6-6 se recoge la densidad de grietas de cada probeta. Tabla 6-6. Densidad de grietas en las probetas del laminado [04,908,04] ensayadas al primer aviso sonoro. Probeta Distancia entre taps (mm) Número de grietas Densidad de grietas (grieta/mm) 10 131,43 1 0,0076 11 131,65 0 0,0000 13 131,72 0 0,0378 14 131,90 1 0,0076 18 132,61 0 0,0299 Influencia del espesor de la capa a 90 : Estudio laminados [04,90n,04] 46 46 En la Figura 6-9 se puede observar una fotografía realizada con la lupa a la grieta de la probeta 14 cuando esta estaba cargada y en la Figura 6-10 una realizada mediante la composición de tres micrografías tomadas con el microscopio a 200 aumentos. Figura 6-9.[04,908,04]: Probeta 14. Fotografía de la grieta transversal con la probeta cargada. Figura 6-10. [04,908,04]: Probeta 14. Grieta transversal a x200. 6.2 Detección del primer daño transversal: aumento gradual de carga Al no ser posible relacionar la aparición del primer daño o de la primera grieta transversal con el primer aviso sonoro en todos los laminados se decidió llevar a cabo un procedimiento diferente basado en un aumento gradual de carga con el objetivo de encontrar el rango de carga para el que se produce la primera grieta transversal completa (que cruza toda la sección de las láminas a 90 grados) en el laminado. Al igual que en el apartado anterior, en la búsqueda de la primera grieta transversal en el laminado con 8 láminas a 90 grados se empleo tanto la lupa como el microscopio mientras que en el resto solo el microscopio debido al poco espesor de las muestras. En estos ensayos se colocó el extensómetro para comparar el valor de deformación al que aparece el primer daño en cada laminado. El modo de proceder con cada laminado ha sido elegir una serie de probetas, prepararlas para el ensayo (lijado y pulido), llevarlas a una carga determinada donde se suponía, a partir de los ensayos a primer aviso sonoro, que no había ningún tipo de daño, barrido con la lupa en el laminado [04,908,04] , descarga de las probetas, visionado en el microscopio óptico y volver a cargar entre 50 y 100 kg respecto de la carga del ensayo anterior hasta que se ha encontrado la primera grieta transversal. El número de probetas ensayado ha variado de un laminado a otro en función de lo que ha costado encontrar el 47 47 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s rango en el que se produce el primer daño transversal o la primera grieta transversal. 6.2.1 Detección del primer daño trasnversal: Laminado [04,90,04] En la Tabla 6-7 se recogen las dimensiones de las probetas del laminado [04,90 ,04] ensayadas a primera grieta o primer daño transversal y, a continuación, hasta que carga se ha llevado cada probeta para cada incremento gradual de carga realizado, así como la deformación experimentada por la probeta en cada caso. Se especifica si ha existido o no aviso sonoro en cada incremento y si al ser la probeta visionada en el microscopio presentaba una grieta u otro tipo de daño. Tabla 6-7. Dimensiones de las probetas del laminado [04,90,04] ensayadas a primer daño transversal. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 𝟐 1,6967 14,5900 24,8030 𝟑 1,6767 14,5700 24,4776 𝟒 1,6967 14,3867 24,4630 𝟓 1,6933 14,7433 24.9106 𝟔 1,7500 14,1567 24,7800 8 1,6733 14,0133 23,4017 9 1,6567 14,6667 24,2055 10 1,6890 14,6033 24,6909 En la Tabla 6-8 se recoge el proceso de aumento gradual de carga al que se sometió la probeta 2. En esta probeta se ha parado el incremento de carga cada vez que se oía un aviso sonoro de rotura, de manera que las pruebas 1 a 3 se corresponden con los primeros avisos sonoros. Después de la tercera prueba se decidió cargar la probeta con un incremento mayor en base a los resultados obtenidos en el proyecto de referencia [1]. Al ser visionada en el microscopio se ve que para la carga correspondiente a la prueba 4 la probeta ya estaba saturada de daño por lo que no se ha tenido en cuenta para continuar a la hora de extraer el resultado deseado. Tabla 6-8. [04,90,04]: Probeta 2. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. Probeta 2 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 7766,58 0,1255 0,2510 NO NO 𝟐 10791 0,1886 0,3772 NO NO 𝟑 16451,37 0,3174 0,6348 NO NO 𝟒 21591,81 0,5275 1,0550 SI (+1) SI Influencia del espesor de la capa a 90 : Estudio laminados [04,90n,04] 48 48 En el siguiente ensayo, correspondiente a la probeta 3, tal y como se muestra en la Tabla 6-9, se decidió comenzar a cargar la muestra con la última carga a la que no había aparecido daño transversal en el ensayo anterior, pero al visionar la muestra en el microscopio se encontraron 3 daños transversales generalizados, por lo que esta probeta tampoco se ha tenido en cuenta. Tabla 6-9. [04,90,04]: Probeta 3. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. Probeta 3 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 16686,81 0,2852 0,5704 SI (+3) SI (Primero a 0,59 Toneladas) En base a los resultados obtenidos se decidió empezar por un valor de carga menor. En la Tabla 6-10 se puede observar el proceso de aumento gradual de carga al que se sometió la probeta 4. Se ve que tras realizar el primer incremento de carga se encontraron dos daños transversales generalizados, por lo que este resultado, a pesar de servir para acotar aún más el valor al que se produce la primera grieta, no es válido. Tabla 6-10. [04,90,04]: Probeta 4. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. Probeta 4 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 14302,98 0,2852 0,5704 NO SI (Primero a 0,62 Toneladas) 𝟐 15234,93 0,2953 0,5906 SI(+2) SI En base a estos resultados fue posible establecer el rango de ensayo al que se originaba el primer daño transversal. En la Tabla 6-11 se puede ver que en la probeta 5 se encontró en la prueba 2 un primer daño que se corresponde con el tipo de daño que se ha clasificado en el presente proyecto como daño transversal generalizado. Este daño transversal generalizado se muestra en la Figura 6-11, donde puede verse que dicho daño no formaba una grieta transversal completa pues no estaba completamente cerrado (no era continuo, presentaba discontinuidades en su recorrido alrededor de las fibras) y no cruzaba completamente el espesor de láminas a 90 grados hasta las de 0, por lo que se decidió seguir cargando para ver si se formaba una grieta transversal completa. En la prueba 3 se observó que el daño transversal generalizado se mantenía exactamente igual y en la prueba 4 ya había otro daño transversal generalizado (Figura 6-12), además de una serie de despegues continuos en otras zonas de la probeta. En este apartado se busca la aparición de la primera grieta transversal, pero al no ser posible encontrarla se ha tomado la carga a la que apareció el primer daño transversal generalizado a la hora de extraer resultados, aunque teniendo en cuenta que este no es una grieta transversal tal y como la definimos. 49 49 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Tabla 6-11 [04,90,04]: Probeta 5. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar el primer daño transversal. Probeta 5 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 13841,91 0,2208 0,4416 NO Si (Primero a 0,61 Toneladas) 𝟐 14803,29 0,247 0,4940 SI SI 𝟑 14881,77 0,2550 0,5100 SI SI 𝟒 15009,30 0,2523 0,5046 SI, más de una. SI Figura 6-11. [04,90,04]: Probeta 5. Prueba 2. Primer daño transversal generalizado encontrado a x500. Figura 6-12.[04,90,04]: Probeta 5. Prueba 2. Primer daño transversal generalizado encontrado a x500. En cuanto a la probeta 6, en la Tabla 6-12 se ve que el primer daño transversal generalizado se encontró en la prueba 3. A pesar de que presentaba las mismas características que el encontrado en la probeta 5, en primera instancia se decidió no seguir cargando pues existía daño en otras zonas de la probeta (despegues continuos) tal y como aparece en la Figura 6-13. Es de destacar que estos despegues continuos discurrían de forma paralela a las láminas a 0 grados, y no de forma transversal como cabría esperar. Esta probeta no ha sido contabilizada a la hora de analizar los resultados pues se busca el momento en el que la probeta tenga un único daño transversal generalizado. Influencia del espesor de la capa a 90 : Estudio laminados [04,90n,04] 56 56 Tabla 6-17. Dimensiones de las probetas del laminado [04,902,04] ensayadas a primera grieta transversal. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 7 1,8933 15,0033 28,4058 8 1,9267 15,0167 28,9886 9 1,9033 15,0667 28,6330 10 1,9433 14,9600 29,0224 11 1,9067 14,8767 28,4017 A continuación, en las Tablas 6-18 a 6-22, se muestra el proceso gradual de carga experimentado por cada una de las probetas de este laminado. Comentar que a diferencia del laminado [0,90,0] en el resto si que ha sido posible encontrar una primera grieta transversal completa sin que existiera más daño en el resto de la probeta. El nivel de carga y de deformación para el que se ha encontrado esta primera grieta será el que se tome para comparar resultados. Tabla 6-18. [04,902,04]: Probeta 7. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. Probeta 7 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏 4245,768 0,0899 0,1798 NO NO 𝟐 6212,673 0,1027 0,2054 NO NO 𝟑 8195,274 0,1403 0,2806 NO NO 𝟒 9391,113 0,0973 0,1946 NO NO 𝟓 10143,54 0,1617 0,3234 NO NO 𝟔 11997,63 0,1913 0,3826 NO NO 𝟕 12782,43 0,2302 0,4604 NO NO 𝟖 14244,12 0,2698 0,5396 NO NO 𝟗 15156,45 0,2678 0,5356 NO NO 𝟏𝟎 15774,48 0,2685 0,537 NO NO 𝟏𝟏 17128,26 0,3013 0,6026 NO NO 𝟏𝟐 18315,27 0,3141 0,6282 SI Primero Tabla 6-19. [04,902,04]: Probeta 8. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. Probeta 8 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏 14754,24 0,2658 0,5316 NO NO 57 57 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s 𝟐 16255,17 0,2913 0,5826 NO NO 𝟑 17334,27 0,3617 0,7234 SI NO Tabla 6-20. [04,902,04]: Probeta 9. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. Probeta 9 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏 13753,62 0,2127 0,4254 NO NO 𝟐 15745,05 0,2738 0,5476 SI NO Tabla 6-21. [04,902,04]: Probeta 10. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. Probeta 10 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏 15166,26 0,2248 0,4496 NO NO 𝟐 15746,05 0,2624 0,5248 NO NO 𝟑 16726,05 0,2658 0,5316 NO NO 𝟒 17402,94 0,2758 0,5516 SI NO Tabla 6-22. [04,902,04]: Probeta 11. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. Probeta 11 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏 12782,43 0,2302 0,4604 NO NO 𝟐 14646,33 0,2611 0,5222 SI (2 grietas) SI En la Figura 6-21 se observan muestras de las grietas encontradas en estas probetas. En la Figura 6-22 se puede ver que además de la presencia de una grieta transversal completa en cada una de las probetas se da también la presencia de un daño incipiente asociado a una futura posible delaminación. Dicho daño consiste en una serie de despegues aislados paralelos a las fibras de la lámina a 0 grados y cercanos a ella que se han encontrado en todas las muestras analizadas. Influencia del espesor de la capa a 90 : Estudio laminados [04,90n,04] 58 58 Figura 6-21. [04,902,04]: Grietas transversales a x200 observadas en: (a) Probeta 7; (b) Probeta 8; (c) Probeta 9. Figura 6-22. [04,902,04]: Probeta 8. Despegues aislados paralelos a las fibras de la lámina de 0 grados localizados en los extremos de la grieta transversal. Observados a x1000. Por último, comentar que a pesar de que lo esperado es que cuando el daño se inicia se propague de forma perpendicular a la dirección de aplicación de la carga en este laminado se ha encontrado daño propagado en la dirección contraria. En la Figura 6-23 se recogen ejemplos de este efecto, identificándose este por la probeta en la que han aparecido y el nivel de carga. 59 59 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Figura 6-23. Daño propagado en la dirección de aplicación de la carga a x500. Figura (a): Probeta 8. Prueba 2; Figura (b) Probeta 11. Prueba 1. En las gráficas 6-4 a 6-6 se ha representado el rango de valores de fuerza, tensión y deformación en el que se ha movido la aparición de la primera grieta transversal en este laminado. La probeta 11 se ha extraído de la representación gráfica porque en el incremento gradual de carga no se controló la aparición de la primera grieta y esta cuenta con dos grietas transversales. Hay que destacar que la aparición de estas dos grietas transversales se produjo a un nivel de carga y de deformación algo inferior, cuyos valores exactos se muestran en la Tabla 6- 22. Gráfico 6-4. [04,902,04]: Fuerza. Rango de aparición de la primera grieta transversal. Influencia del espesor de la capa a 90 : Estudio laminados [04,90n,04] 60 60 Gráfico 6-5. [04,902,04]: Tensión. Rango de aparición de la primera grieta transversal. Gráfico 6-6. [04,902,04]: Deformación. Rango de aparición de la primera grieta transversal. En la Tabla 6-23 se recoge un resumen de los intervalos representados en los gráficos con valores numéricos. 61 61 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Tabla 6-23. [04,902,04]: Resumen de resultados. Rango de aparición de la primera grieta transversal. Mínimo Máximo Fuerza [N] 13753,62 18315,27 Tensión [MPa] 480,34 646,04 Deformación [%] 0,43 0,72 Porcentaje de la carga media a rotura [%] 31,66 42,17 6.2.3 Detección del primer daño transversal: Laminado [04,904,04] Las dimensiones de la sección de las probetas del laminado [04,904,04] ensayadas a primera grieta transversal se recogen en la Tabla 6-24. Tabla 6-24. Dimensiones de las probetas del laminado [04,904,04] ensayadas a primera grieta transversal Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 𝟏𝟗 2,1800 14,7500 32,1550 𝟐𝟎 2,2367 14,5000 32,4321 𝟐𝟏 2,1767 14,8467 32,3730 𝟐𝟐 2,1467 14,6433 31,4760 𝟐𝟑 2,1667 14,7200 31,9424 𝟐𝟒 2,1533 14,8067 31,8415 A continuación, en las Tablas 6-25 a 6-30, se muestra el proceso de incremento gradual de carga experimentado por cada una de las probetas. Tabla 6-25. [04,904,04]: Probeta 19. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. Probeta 19 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏 14273,55 0,2389 0,4778 NO NO 𝟐 15274,17 0,251 0,502 NO NO 𝟑 15960,87 0,2705 0,541 NO NO 𝟒 16264,98 0,2844 0,5688 SI NO Influencia del espesor de la capa a 90 : Estudio laminados [04,90n,04] 62 62 Tabla 6-26. [04,904,04]: Probeta 20. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. Probeta 20 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏 14302,98 0,245 0,49 NO NO 𝟐 15803,91 0,2859 0,5718 SI NO Tabla 6-27. [04,904,04]: Probeta 21. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. Probeta 21 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏 12782,43 0,2302 0,4604 NO NO 𝟐 14646,33 0,2611 0,5222 SI SI Tabla 6-28. [04,904,04]: Probeta 22. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. Probeta 22 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏 13930,2 0,2208 0,4416 NO NO 𝟐 14312,79 0,2282 0,4564 NO NO 𝟑 14871,96 0,2436 0,4872 NO NO 𝟒 15352,65 0,2577 0,5154 NO NO 𝟓 15852,96 0,2611 0,5222 SI NO Tabla 6-29. [04,904,04]: Probeta 23. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. Probeta 23 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏 14283,36 0,245 0,49 NO NO 𝟐 14754,24 0,245 0,49 NO NO 𝟑 15293,79 0,2222 0,4444 NO NO 𝟒 16019,73 0,2476 0,4952 1 despegue NO 𝟓 16480,8 0,2877 0,5754 3 𝑁𝑂 63 63 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Tabla 6-30. [04,904,04]: Probeta 24. Proceso de incremento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta. Probeta 24 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏 14744,43 0,2517 0,5034 NO NO 𝟐 14960,25 0,2651 0,5302 Despegus NO 𝟑 15764,67 0,2792 0,5584 Despegues NO 𝟒 16078,59 0,2805 0,561 Grieta NO En la probeta 23 no fue posible encontrar una única grieta transversal, por lo que se excluye del análisis de resultados. En las Figuras 6-24 a 6-26 se ve una muestra del daño experimentado por las probetas. En todas las muestras tenidas en cuenta se ha encontrado una grieta transversal completa y daño incipiente asociado a una futura delaminación en distintas fases de desarrollo. Figura 6-24. [04,904,04]: Probeta 18. Primera grieta transversal a x50. Figura 6-25. [04,904,04]: Probeta 19. Primera grieta transversal a x200. Influencia del espesor de la capa a 90 : Estudio laminados [04,90n,04] 64 64 Figura 6-26. [04,904,04]. Daño incipiente asociado a una potencial delaminación en la primera grieta transversal encontrada. (a) Probeta 19. Prueba 4; (b) Probeta 20. Prueba 2. En las gráficas 6-7 a 6-9 se ha representado el rango de valores de fuerza, tensión y deformación en el que se ha movido la aparición de la primera grieta transversal en este laminado. Gráfico 6-7. [04,904,04]: Fuerza. Rango de aparición de la primera grieta transversal. 65 65 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Gráfico 6-8. [04,904,04]: Tensión. Rango de aparición de la primera grieta transversal. Gráfico 6-9. [04,904,04]: Deformación. Rango de aparición de la primera grieta transversal. En la Tabla 6-31 se recoge un resumen de los intervalos representados en los gráficos con valores numéricos. Tabla 6-31.[04,904,04]: Resumen de resultados. Rango de aparición de la primera grieta transversal. Mínimo Máximo Fuerza [N] 13792,86 16323,84 Influencia del espesor de la capa a 90 : Estudio laminados [04,90n,04] 72 72 73 7 INFLUENCIA DEL ESPESOR DE LA CAPA A 0°: ESTUDIO LAMINADOS [0Q,90,0Q] A la hora de estudiar la influencia de variar el espesor de las láminas a 0 grados vamos a diferenciar dos grupos: [0P,904,0P] y [0Q,90,0Q] , rescatando de la sección 6 los casos 𝑃=4 y Q=4. A estos laminados se les va a someter al mismo tipo de ensayos ya empleados para estudiar la influencia del espesor de las láminas a 90 grados. A continuación se describen los resultados obtenidos para los laminados [0Q,90,0Q]. 7.1 Detección del daño al primer aviso sonoro Siguiendo el mismo procedimiento que con las probetas en las que se ha analizado el efecto que tiene variar el espesor de las láminas a 90 grados, se ha intentado relacionar el primer aviso sonoro de rotura en la capa de 90 grados con la aparición de daño en la sección del laminado conformado por láminas a 90 grados con respecto a la dirección de aplicación de la carga. Para ello se han ensayado 5 muestras de cada laminado hasta el primer aviso de daño y una vez escuchado este se ha detenido la máquina de ensayo, se ha descargado y se ha analizado la muestra en el microscopio. En los ensayos se ha variado la velocidad de 0.1 a 0.2 mm/min y en algunos se ha empleado el extensómetro y en otros no, debido a que fue durante la realización de estos ensayos cuando se decidió usarlo para ver a qué deformación aparecía el primer daño. En aquellos ensayos en los que se ha utilizado se incluirá el valor de la deformación. 7.1.1 Detección del daño al primer aviso sonoro: Laminado [0,90,0] Aunque en un primer momento, tal y como se ha comentado, se prepararon 5 probetas para detectar el primer aviso sonoro, finalmente solo se ensayó una y se decidió ensayar las demás a porcentajes de la carga de rotura debido a que esta se rompió sin escuchar ningún tipo de aviso sonoro. Las dimensiones y los resultados de carga a la que rompió la probeta ensayada se recogen en las Tablas 7-1 y 7- 2 respectivamente. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 𝟓 0,5600 14,7300 8,2488 Tabla 7-1. Dimensiones de las probetas del laminado [0,90,0] ensayadas al primer aviso sonoro. Probeta Carga primer aviso sonoro Carga de rotura (N) Tensión rotura (MPa) Porcentaje de la cara de rotura (%) Presencia de grieta 𝟓 − 5928,18 718,67 85,10 NO Tabla 7-2. Resultados del ensayo a primer aviso sonoro de la probeta del laminado [0,90,0]. Influencia del espesor de la capa a 0 : Estudio laminados [0q,90,0q] 74 74 Esta probeta rompió antes de que se escuchara aviso sonoro de rotura de fibra. Se ve que la tensión a la que se rompió la probeta es muy inferior a su carga de rotura. Este hecho se achacó a las muescas, es decir, a los camios de sección que deja el proceso de lijado y pulido al que se somete a las probetas. Por ello, se decidió cortar las probetas por la zona de las muescas para que toda la probeta cuente con la misma sección en los ensayos posteriores. Hay que destacar que la probeta no se rompió de forma explosiva, sino que se rompió formando un corte seco en la dirección perpendicular a la dirección de aplicación de la carga, tal y como se ve en la Figura 7-1, y que tras ser analizada en el microscopio no se encontró daño en el resto de la sección. Figura 7-1. [0,90,0]: Probeta 5. Ensayo al 80% de carga. Rotura. 7.1.2 Detección del daño al primer aviso sonoro: Laminado [02,90,02] En el laminado [02,90,02] se han ensayado a primer aviso sonoro las probetas nombradas en la nomeclatura de 6 a 10. Las dimensiones de estas probetas se recogen en la Tabla 7-3. A continuación, en la Tabla7-4, se muestran los valores de carga y tensión a los que se apreció el primer aviso de daño, el porcentaje de la carga de rotura que esta carga supone y si se ha observado o no grieta. Tabla 7-3. Dimensiones de las probetas del laminado [02,90,02] ensayadas al primer aviso sonoro. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 6 1,0267 14,6133 15,0483 7 1,0433 14,7800 15,3712 8 1,0733 14,4933 15,5043 9 1,0530 14,48 15,2040 10 1,0067 14,7300 14,8282 Tabla 7-4. Resultados del ensayo a primer aviso sonoro de las probetas del laminado [02,90,02]. Probeta Carga primer aviso sonoro (N) Tensión primer aviso sonoro (MPa) Porcentaje de la carga de rotura (%) Presencia de grietas 𝟔 14401,08 956,99 73,90 NO 𝟕 16108,20 1047,95 82,66 NO 75 75 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s 𝟖 11438,27 737,75 58,69 NO 𝟗 14832,72 975,58 76,12 NO 𝟏𝟎 7863,70 533,86 40,35 NO Se observa que el primer aviso sonoro de daño aparece para un amplio rango de carga, que va desde el 40,35% al 82,66% de la carga de rotura del laminado. Sin embargo, al ser inspeccionadas en el microscopio ninguna de las muestras presentaba daño, por lo que no ha sido posible relacionar el primer aviso sonoro de rotura con la aparición de daño a escala microscópica en la sección de láminas a 90 grados. 7.1.3 Detección del daño al primer aviso sonoro: Laminado [04,90,04] Los resultados obtenidos para este laminado a primer aviso sonoro se recogen en un proyecto anterior [1] y a efectos de analizar los resultados del presente proyecto no se van a tener en cuenta. 7.2 Ensayos al 80% de la carga de rotura Al no ser posible relacionar el primer aviso sonoro con la presencia de daño transversal y al romperse las probetas [0,90,0] sin presencia de grieta se decidió cargar 3 probetas de cada laminado a un porcentaje determinado de su correspondiente carga de rotura y, a partir de ahí, realizar el aumento gradual de carga. En base a los resultados obtenidos en el ensayo a primer aviso sonoro se decidió partir de un 80% de carga. Para aplicar el porcentaje se tomo la tensión media de rotura del laminado correspondiente calculada en la sección 5 y se multiplicó por el área de la probeta a ensayar. Los ensayos se realizaron a una velocidad de 0.2mm/min. Las probetas estaban preparadas y cortadas por las zonas de las muescas y se colocó el extensómetro. 7.2.1 Ensayos al 80% de la carga de rotura: Laminado [0,90,0] En la Tabla 7-5 se muestran las dimensiones de las probetas del laminado [0,90,0] ensayadas al 80% de la carga media de rotura. En la Tabla 7-6 se recogen las cargas a las que han sido ensayadas cada una de las muestras, si durante el proceso de carga ha sido posible detectar o no aviso de rotura y si, al ser analizadas las muestras al microscopio, se ha observado la aparición de algún daño. Tabla 7-5. Dimensiones de las probetas del laminado [0,90,0] ensayadas al 80% de la carga de rotura. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 𝟔 0,5753 14,4167 8,2915 𝟕 0,5933 14,6767 8,6612 𝟖 0,5467 14,6267 8,0465 Tabla 7-6. Resultados del ensayo al 80% de la carga de rotura de las probetas del laminado [0,90,0]. Probeta Carga ensayo (N) Apertura extensómetro Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro Influencia del espesor de la capa a 0 : Estudio laminados [0q,90,0q] 76 76 (mm) 𝟔 5562,27 0,3624 0,7248 NO NO 𝟕 5968,404 0,3819 0,7638 NO NO 𝟖 5613,282 0,3557 0,7114 NO NO Se ve que a este nivel de carga no aparece ni aviso sonoro de daño ni presencia de grieta. Estos valores se emplearon para obtener un valor del que partir en el proceso de incremento gradual de carga que se realizó posteriormente. 7.2.1 Ensayos al 80% de la carga de rotura: Laminado [02,90,02] En la Tabla 7-7 se muestran las dimensiones de las probetas del laminado [02,90,02] ensayadas al 80% de la carga media de rotura. En la Tabla 7-8 se recogen las cargas a las que han sido ensayadas cada una de las muestras, si durante el proceso de carga ha sido posible detectar o no aviso de rotura y si, al ser analizadas las muestras al microscopio, se ha observado la aparición de algún daño. Tabla 7-7. Dimensiones de las probetas del laminado [02,90,02] ensayadas al 80% de la carga de rotura. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 𝟏𝟐 1,0567 14,3933 15,2534 𝟏𝟑 1,0467 14,2433 14,9520 𝟏𝟒 1,1000 14,8133 16,2910 Tabla 7-8. Resultados del ensayo al 80% de la carga de rotura de las probetas del laminado [02,90,02]. Probeta Carga ensayo (N) Porcentaje de la carga de rotura (%) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏𝟐 14607,09 74,96 0,3906 0,78 SI (+1) SI (1,260 toneladas) 𝟏𝟑 14322,6 73,5 0,4302 0,86 SI (+1) SI(1,256 toneladas) 𝟏𝟒 15588,09 79,99 0,4584 0,92 NO SI(1,589 toneladas) En dos de las probetas ensayadas sí que se encontró daño. Además, tal y como se ve en las Figuras 7-2 y 7-3 se trata de un daño generalizado, en el que aparecen grandes delaminaciones entre las láminas a 0 grados y las láminas a 90 grados y en la que la mayoría de las grietas aparecen inclinadas formando un ángulo aproximado de 45 grados con respecto a la dirección de aplicación de la carga. Además en ambas probetas exisitía una alta densidad de grietas. Hay que destacar el hecho de que cuando se encontró el daño ya se había producido el primer aviso sonoro de daño (en las Tablas se da el valor numérico en toneladas de la carga a la que se escuchó). 77 77 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 7-2. [02,90,02]. Probeta 12. (a)-(f) Grietas transversales y delaminaciones a x200. Influencia del espesor de la capa a 0 : Estudio laminados [0q,90,0q] 78 78 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 7-3. [02,90,02]: Probeta 13. (a)-(f) Grietas transversales y delaminaciones a x200. 79 79 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s 7.3 Detección del primer daño transversal: aumento gradual de carga 7.3.1 Detección del primer daño transversal: Laminado [0,90,0] En primer lugar, en la Tabla 7-9, se recogen las dimensiones de las probetas del laminado [0,90,0] sometida a un proceso de aumento gradual de carga. A continuación, en la Tabla 7-10, se muestran los resultados obtenidos a la hora de tratar de encontrar en qué momento se produce el primer daño transversal generalizado o la primera grieta transversal para el laminado [0,90,0]. Tabla 7-9.Dimensiones de las probetas del laminado [0,90,0] ensayadas a aumento de carga gradual. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 6 0,5750 14,4167 8,2915 Tabla 7-10. [0,90,0]: Probeta 6. Proceso de incremento gradual de carga. Probeta 6 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 5562,27 0,3624 0,7248 NO NO 𝟐 5625,05 0,4013 0,8026 ROTA NO Se ve que al incrementar gradualmente la carga las probetas rompían antes de que se llegara a encontrar la primera grieta. Además, tampoco se apreciaba aviso sonoro de daño. Es destacable el hecho de que ninguna de las dos probetas alcanzara su carga de rotura y rompiera incluso a cargas inferiores a las que ya se había sometido la misma probeta. Esto hace pensar que alguno de los valores de carga anteriores aplicados ha sido suficiente para dañar la probeta y generar el debilitamiento de la misma. En la Tabla 7-11 se puede ver a qué porcentaje de la carga de rotura nominal calculada en el capítulo 5 ha roto la probeta 6 del laminado [0,90 ,0]. Tabla 7-11. [0,90,0]: Resumen de resultados del proceso de aumento gradual de carga. Probeta Máxima carga que ha aguantado antes de la rotura Porcentaje de la carga de rotura 𝟔 5625,05 65,18% 7.3.2 Detección del primer daño transversal: Laminado [02,90,02] En este apartado se recogen los resultados para el laminado [02,90,02]. En la Tabla 7-12 se pueden ver las dimensiones de las probetas de este laminado ensayadas aplicando un aumento gradual de carga. A continuación, en las Tablas 7-13 y 7-14 se muestra el proceso de aumento gradual de carga al que se han sometido las muestras. Influencia del espesor de la capa a 0 : Estudio laminados [0q,90,0q] 80 80 En esta tabla se puede apreciar que se produce el mismo mecanismo de fallo que en el laminado [0,90,0]: las probetas se debilitan al ser cargadas y descargadas y rompen a una carga inferior a la de rotura, con un corte perpendicular a la dirección de la carga y sin que se aprecie más daño en la sección. En la Tabla 7-15 aparece a qué porcentaje de la carga media de rotura del laminado determinada experimentalmente se rompió cada probeta. Tabla 7-12. Dimensiones de las probetas del laminado [02,90,02] ensayadas a aumento de carga gradual. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 𝟏𝟒 1,0667 14,8100 16,291 𝟏𝟓 1,0800 14,7600 15,9408 Tabla 7-13. [02,90,02]: Probeta 14. Proceso de incremento gradual de carga. Probeta 14 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 15588,09 0,4584 0,9168 NO SI(Primero a 1,59 toneladas) 𝟐 16108,02 0,5396 1,0792 NO NO 𝟑 13243,5 0,4604 0,9208 NO SI Tabla 7-14. [02,90,02]: Probeta 15. Proceso de incremento gradual de carga. Probeta 15 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 12174,21 0,4295 0,8590 NO NO 𝟐 13429,89 0,4544 0,9088 ROTA SI(Primero a 1,23 toneladas) Tabla 7-15. [02,90,02]: Resumen de resultados del proceso de aumento gradual de carga. Probeta Máxima carga que ha aguantado antes de la rotura Porcentaje de la carga de rotura 𝟏𝟒 16108,02 82,66% 𝟏𝟓 13429,89 68,92% 81 81 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s 7.3.3 Detección del primer daño transversal: Laminado [04,90,04] Para este laminado se rescatan los resultados de la sección 6. En este laminado sí que fue posible identificar un primer daño transversal en el proceso de aumento gradual de la carga, pero dicho daño no era una grieta transversal completa, tal y como se ve en la Figura 7-4, sino lo que hemos denominado como un daño transversal generalizado (el daño no se cerraba completamente en su recorrido a través de las fibras y no llegaba a las láminas de 0). Figura 7-4. [04,90,04]: Probeta 3. Prueba 1. Daño transversal generalizado a x500. En la Tabla 7-16 se recogen los rangos de aparición de este primer daño transversal. Mínimo Máximo Fuerza [N] 13292,55 14803,29 Tensión [MPa] 549,15 597,78 Deformación [%] 0,4228 0,5154 Porcentaje de la carga media a rotura [%] 28,57 31,81 Tabla 7-16. [04,90,04]: Resumen de resultados del proceso de aumento gradual de carga. Influencia del espesor de la capa a 0 : Estudio laminados [0P,904,0P] 88 88 Tabla 8-8. Resultados del ensayo al 50% de la carga de rotura de las probetas del laminado [02,904,02]. Probeta Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de grieta Aviso sonoro 𝟏𝟑 8932,986 0,302 0,604 NO NO 𝟏𝟓 8987,922 0,302 0,604 NO NO 𝟏𝟔 9162,54 0,2966 0,5932 NO NO 8.3 Detección del primer daño transversal: aumento gradual de la carga 8.3.1 Detección del primer daño transversal: Laminado [0,904,0] A continuación se muestran los resultados obtenidos a la hora de tratar de encontrar en qué momento se produce el primer daño transversal generalizado o la primera grieta transversal para el laminado [0,904 ,0]. En la Tabla 8-9 se recogen las dimensiones de las probetas [0,904 ,0] sometidas al proceso de aumento gradual de carga y, a continuación, en las Tablas 8-10 y 8-11, el nivel de carga, la deformación, la presencia o no de daño y la detección o no de aviso sonoro de rotura en cada prueba que se ha realizado sobre la muestra correspondiente. Tabla 8-9. Dimensiones de las probetas del laminado [0,904,0] ensayadas a aumento de carga gradual. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 𝟏𝟐 1,2533 14,7367 18,4125 𝟏𝟓 1,2366 14,4467 17,918 Tabla 8-10. [0,904,0]: Probeta 12. Proceso de incremento gradual de carga. Probeta 12 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 4738,23 0,2785 0,557 NO NO 𝟐 5636,826 0,3362 0,6724 NO NO 𝟑 6616,845 0,3819 0,7638 NO NO 𝟒 6991,587 0,4168 0,8336 NO NO 𝟓 7880,373 0,4685 0,937 NO NO 𝟔 8355,177 1,039 1,039 ROTA SI 89 89 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Tabla 8-11. [0,904,0]: Probeta 15. Proceso de incremento gradual de carga. Probeta 15 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 6277,419 0,3765 0,753 NO NO 𝟐 8022,618 0,4993 0,9986 NO NO 𝟑 6308,811 0,4013 0,8026 ROTA SI Se ve el mismo efecto que ya apareció en otros laminados ([0,90,0] y [04,902,04] ) al realizar el aumento gradual de carga: la probeta rompe a una carga inferior a su carga de rotura (𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎=8629,58 N), con un corte seco perpendicular a la dirección de aplicación de la carga y sin que aparezca ninguna grieta en el resto de la sección. Si se comparan los valores de carga máxima aguantada por cada una de las probetas sometidas a un incremento gradual de la carga con la carga de rotura del laminado se obtienen los resultados de la Tabla 8-12. Tabla 8-12.[0,904,0]: Resumen de resultados del proceso de aumento gradual de carga. Probeta Máxima carga que ha aguantado antes de la rotura Porcentaje de la carga de rotura 𝟏𝟐 8355,18 83,93% 𝟏𝟓 8022,62 80,59% 8.3.2 Detección del primer daño transversal: Laminado [02,904,02] Las dimensiones de las probetas del laminado [02,904,02] sometidas a un proceso de aumento gradual de carga se recogen en la Tabla 8-13. Tabla 8-13. Dimensiones de las probetas del laminado [02,904,02] ensayadas a aumento de carga gradual. Probeta Espesor (mm) Ancho (mm) Área (mm2) 𝟏𝟑 1,6667 14,3933 23,8874 𝟏𝟖 1,7200 14,9433 25,6968 𝟏𝟗 1,7000 14,7267 25,041 En las Tablas 8-14 a 8-16 se muestra el proceso de incremento gradual de carga al que se ha sometido a las probetas. Se observa el mismo efecto que al aumentar gradualmente la carga en el laminado [0,904,0]: las probetas rompían antes de que se llegara a encontrar la primera grieta sin que se aprecie primer aviso sonoro de rotura de fibra. Además, sucede también que ninguna de las probetas alcanza su carga de rotura (18374,4089 N) y rompen a cargas inferiores a las aguantadas por la misma probeta en pasos del aumento gradual de carga anteriores. Influencia del espesor de la capa a 0 : Estudio laminados [0P,904,0P] 90 90 Tabla 8-14. [02,904,02]: Probeta 13. Proceso de incremento gradual de carga. Probeta 13 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 8932,986 0,302 0,604 NO NO 𝟐 11791,62 0,3812 0,7624 NO NO 𝟑 12860,91 0,4268 0,8536 NO NO 𝟒 13943,59 0,2765 0,8612 NO SI 𝟓 11343,50 0,3329 0,6458 ROTA SI Tabla 8-15. [02,904,02]: Probeta 18. Proceso de incremento gradual de carga. Probeta 18 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 12802,05 0,406 0,812 NO NO 𝟐 14754,24 0,4476 0,8952 NO NO 𝟑 11850,48 0,4121 0,8242 ROTA SI Tabla 8-16. [02,904,02]: Probeta 19. Proceso de incremento gradual de carga. Probeta 19 Prueba Carga ensayo (N) Apertura extensómetro (mm) Deformación (%) Presencia de daño Aviso sonoro 𝟏 13135,59 0,4051 0,8102 NO NO 𝟐 13743,81 0,4054 0,8108 NO NO 𝟑 14724,81 0,4631 0,9262 NO NO 𝟒 8821,152 0,2765 0,553 NO SI 𝟓 11418,84 0,3329 0,6658 ROTA SI Si se comparan estos resultados con los obtenidos a primer aviso sonoro para este laminado, en los que sí fue posible encontrar la primera grieta transversal para dos de las muestras, se ve que el comportamiento es muy heterogéneo. Las grietas aparecieron para porcentajes de la carga de rotura de 52% y 81,79%. Las 3 muestras en las que no se encontró nada presentaron el primer aviso sonoro de rotura de fibra en el rango del 69,43 al 76,77% de la 91 91 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s carga de rotura. Tal y como se ve en la Tabla 8-17, las cargas aguantadas por las probetas sometidas a incremento gradual de carga están en torno a estos valores, lo que podría explicar la no presencia de grieta transversal observada cuando se ha sometido las probetas a este procedimiento. Tabla 8-17.[02,904,02]: Resumen de resultados del proceso de aumento gradual de carga. Probeta Máxima carga que ha aguantado antes de la rotura Porcentaje de la carga de rotura 𝟏𝟑 13943,59 77,88% 𝟏𝟖 14754,24 80,29% 𝟏𝟗 14724,81 80,13% 8.3.3 Detección del primer daño transversal: Laminado [04,904,04] Tal y como se vio en la sección 5, para el laminado [04,904,04] si que fue posible encontrar el rango al que se produce el primer daño transversal generalizado y, cuando este se formaba, era una grieta transversal completa con daño incipiente asociado a la delaminación. En las Figuras 8-5 a 8-7 se ven más muestras de las grietas transversales observadas y de dicho daño asociado a la delaminación. Figura 8-5.[04,904,04]: Probeta 21. Prueba 2. Primera grieta transversal a x50. Figura 8-6 .[04,904,04]: Probeta 21. Prueba 2. Primera grieta transversal a x200. Influencia del espesor de la capa a 0 : Estudio laminados [0P,904,0P] 92 92 Figura 8-7. [04,904,04]: Probeta 20. Prueba 2. Primera grieta transversal a x100. Además, las probetas de este laminado no se rompieron a cargas inferiores a las de rotura en el proceso realizado. En la Tabla 8-18 se recoge un resumen de los rangos a los que aparecía la primera grieta transversal, correspondiéndose el valor mínimo con el mínimo valor al que se cargo una muestra antes de encontrar la primera grieta transversal y el máximo al que se encontró una única grieta transversal en una de las muestras. Mínimo Máximo Fuerza [N] 13792,86 16323,84 Tensión [MPa] 426,06 518,61 Deformación [%] 0,4644 0,5522 Porcentaje de la carga media a rotura [%] 24,64 35,08 Tabla 8-18. [04,904,04]: Resumen de resultados. Rango de aparición de la primera grieta transversal. Se ve que el valor de carga máximo al que se ha encontrado una primera grieta es del 38, 59 % de su carga de rotura (𝐹𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎=42294,83 𝑁), lo que hace pensar que un aumento del espesor de la lámina a 0 grados sí que puede tener influencia en el daño que se produce en la capa a 90 grados. 93 9 DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS Tras exponer los resultados obtenidos en cada uno de los laminados sometidos a estudio se pasa al análisis de resultados. 9.1 Influencia del espesor de la capa a 90°: Estudio de laminados [04,90N,04] En estos laminados ha sido posible determinar el rango de aparición en carga y deformación de la primera grieta transversal o daño transversal generalizado. A la hora de comparar resultados, se ha de tener en cuenta esta distinción. En la realización de este proyecto se ha intentado encontrar el momento en el que se producía la primera grieta transversal completa (que cruce completamente la sección de las láminas a 90 grados sin discontinuidades y llega a las de 0), pero en el laminado [04,90,04] no ha sido posible. Se ha comprobado que para N=1 se puede llegar a daño transversal generalizado, pero no a grieta transversal, ya que antes de que esta se produzca se ha producido otro daño transversal generalizado. A efectos de analizar el posible efecto escala que aparezca en estos laminados, en la Tabla 9-1 se vuelven a rescatar los rangos de carga y deformación de aparición del daño transversal y, a continuación, en la Tabla 9-2 se recogen los valores medios de fuerza y deformación a los que las muestras de cada laminado contaban con una única grieta transversal. Tabla 9-1.Rango de aparición del primer daño trasversal generalizado o primera grieta en los laminados [04,90N,04]. [𝟎𝟒,𝟗𝟎,𝟎𝟒] [𝟎𝟒,𝟗𝟎𝟐,𝟎𝟒] [𝟎𝟒,𝟗𝟎𝟒,𝟎𝟒] [𝟎𝟒,𝟗𝟎𝟖,𝟎𝟒] Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo Fuerza [N] 13292,55 14803,29 13753,62 18315,27 13792,86 16323,84 11850,48 18688,05 Tensión [MPa] 549,15 597,78 480,34 646,04 426,06 518,61 264,41 417,37 Deformación [%] 0,4228 0,5154 0,4300 0,7200 0,4644 0,5522 0,3800 0,5100 Porcentaje de la resistencia media a rotura [%] 28,57 31,81 31,66 42,17 24,64 35,08 28,22 42,74 Tabla 9-2. Valor medio de los valores de carga y deformación en los que las muestras cuentan con un único daño transveral generalizado o grieta trasnversal para los laminados [04,90N,04]. [𝟎𝟒,𝟗𝟎,𝟎𝟒] [𝟎𝟒,𝟗𝟎𝟐,𝟎𝟒] [𝟎𝟒,𝟗𝟎𝟒,𝟎𝟒] [𝟎𝟒,𝟗𝟎𝟖,𝟎𝟒] Media Desviación típica Media Desviación típica Media Desviación típica Media Desviación típica Discusión de los Resultados 94 94 Fuerza [N] 14282,32 317,62 17173,99 1068,10 15842,79 626,06 15653,65 2781,3473 Tensión [MPa] 1760,38 52,16 1492,05 122,11 1226,94 60,52 961,05 55,44 Deformación [%] 0,4924 0,0157 0,6087 0,082 0,5526 0,02098 0,449 0,0634 En las gráficas 9-1 y 9-2 se representan los valores medios calculados mostrando también el rango de error mediante la desviación típica. El caso N=1 se ha dejado fuera de la representación pues, tal y como se ha comentado, en las muestras analizadas no se ha llegado a producir una grieta transversal completa si no un daño transversal generalizado, por lo que no estaríamos comparando efecto del espesor en el mismo mecanismo de fallo. Gráfico 9-1. Fuerza media de aparición de la primera grieta transversal en laminados [04,90N,04] para N=2,4,8. Gráfico 9-2. . Deformación media de aparición de la primera grieta transversal en laminados [04,90N,04] para N=2,4,8. 95 95 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Si se comparan los tres laminados en los que se ha encontrado una única grieta transversal con daño incipiente asociado a la delaminación en cada una de las muestras, se ve que conforme aumenta el espesor de las láminas a 90 grados cae tanto la carga como la deformación media a la que aparece la primera grieta. Este es el efecto que esperábamos encontrar: retraso de la aparición del daño a medida que disminuimos el espesor de las láminas. Es decir, se aprecia efecto escala tal y como lo hemos definido. Otro dato curioso a comentar en cuanto al aviso sonoro de daño es el hecho de que la rotura de fibras del laminado N=1 era mucho más estruendosa que la del resto de laminados. Esto se puede asociar con una mayor energía asociada al mecanismo de rotura. Si se compara el valor medio de tensión (Fuerza por unidad de área que está aguantando la probeta, asociado a la carga que se lleva cada lámina) en el momento en el que se ha encontrado un único daño transversal generalizado (N=1) o grieta transversal (N=2,4,8) se ve que es mayor para N=1. 9.2 Influencia del espesor de la capa a 0°: Estudio de laminados [𝟎𝑸,𝟗𝟎,𝟎𝑸] En los laminados ensayados para distintos espesores de la lámina a 0 se han encontrado resultados muy diferentes, lo que hace pensar que esta tiene un importante efecto en la forma en la que se inicia y se propaga el daño. A continuación, se rescatan y analizan los resultados obtenidos para cada uno de los laminados: - Q=1 →Las muestras con una única lámina a 0 grados se han roto sin que se escuchara antes de la rotura ningún aviso sonoro de daño y sin que se viese daño en la sección de las láminas a 90. Además, el tipo de rotura ha sido un corte seco en la dirección perpendicular a la dirección de aplicación de la carga. - Q=2 → En estas probetas sí que se ha apreciado aviso sonoro de daño, pero cuando éste se producía no se ha visto en el análisis al microscopio ningún daño. Al seguir incrementando la carga se han encontrado muestras en las que ha aparecido un daño muy generalizado, formado por grietas transversales inclinadas ±45° con respecto a la dirección de aplicación de la carga, e importantes delaminaciones entre las láminas a 0 y 90 grados que se conectaban con las grietas, tal y como se puede apreciar en la Figura 9-1. Al intentar realizar un proceso de aumento gradual de carga hasta encontrar la primera grieta se ha visto que las probetas se debilitaban y rompían a una carga inferior a la carga de rotura sin que apareciera daño aparente en la sección. Además, el tipo de rotura identificado se corresponde con un corte recto y perpendicular a la dirección de aplicación de la carga. - Figura 9-1.[02,90,02]: Probeta12. Grieta transversal. Discusión de los Resultados 96 96 - Q=4 → En estas probetas sí que fue posible encontrar un primer aviso sonoro de rotura de fibra pero no primera grieta transversal completa. La forma de propagación de estos laminados es tal que aparece un primer daño generalizado (Figura 9-2) y al seguir cargando se forma otro y el primero no crece para formar la grieta transversal completa. Figura 9-2. [04,90,04]: Probeta 5. Prueba 4. Segundo daño transversal generalizado encontrado a x500. Todo esto parece indicar que el espesor de la lámina a 0 grados sí que tiene efecto y que conforme disminuye su espesor se generan estados tensionales que originan mecanismos de fallo diferentes a los esperados. Los resultados obtenidos para cada laminado son tan distintos que no se pueden establecer comparaciones. Estamos ante fenómenos de fallo distintos que sientan las bases de estudio para proyectos futuros. 9.3 Influencia del espesor de la capa a 0°: Estudio de laminados [𝟎𝑷,𝟗𝟎𝟒,𝟎𝑷] Al estudiar el efecto que tiene aumentar el espesor de las láminas a 0 grados cuando se tienen cuatro láminas a 90 se observa: - P=1 →Las muestras con una única lámina a 0 grados se han roto sin que se escuchara antes de la rotura ningún aviso sonoro de rotura de fibra y sin que se viese daño en la sección de las láminas a 90. Además, el tipo de rotura ha sido un corte seco en la dirección perpendicular a la dirección de aplicación de la carga. - P=2 → En estas probetas sí que se ha apreciado aviso sonoro de daño en la capa a 90 grados y este se producía en un rango cercano a la aparición de la primera grieta. En dos de las muestras ensayadas a primer aviso sonoro se ha encontrado una grieta transversal y dicha grieta era una grieta curvada en los dos casos, tal y como se ve en la Figura 9-3. Sin embargo, al intentar realizar un proceso de aumento gradual como el realizado en los laminados en los que se pretende estudiar la influencia del espesor de las laminas a 90° para obtener un rango, se ha visto que las probetas se debilitaban y rompían a una carga inferior a la carga de rotura sin que apareciera daño aparente en la sección. Además, el tipo de rotura identificado es el mismo que se vio en las probetas con P=1: un corte recto y perpendicular a la dirección de aplicación de la carga. 97 97 Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [0,90n]s Figura 9-3.[02,904,02]: Probeta 8.Grieta trasnversal curvada a x50. - P=4 → En estas probetas sí que fue posible encontrar un primer aviso sonoro de daño y una primera grieta transversal completa y que se propaga tal y como cabría esperar: de forma perpendicular a la dirección de aplicación de la carga. En la Figura 9-4 aparece una muestra de una de las grietas encontradas en este laminado. Figura 9-4. [04,904,04]: Probeta 19. Primera grieta transversal a x200. Al ver la forma de rotura que estaban teniendo algunas de las probetas de esta secuencia de laminados se decidió analizar la carga que aguantan las láminas de 0 en el momento de la rotura y compararlas con lo que estos laminados deberían aguantar teóricamente. Conclusiones 104 104 Es decir, a pesar de no poder establecer comparaciones respecto al nivel de carga y deformación al que aparece el primer daño entre laminados de un mismo grupo (con el mismo número de láminas a 90 grados y diferente número de láminas a 0 grados) debido a los diferentes mecanismos de fallo que aparecen, parece claro que variar el espesor de las láminas a 0 grados tiene un importante efecto. Al comparar laminados con el mismo número de láminas a 90 grados y distinto número de láminas a 0 no se ha encontrado ningún laminado en el que se produzca el mismo mecanismo de fallo: presentan formas de rotura diferentes, diferentes comportamientos al ser cargadas y descargadas, distintos tipos de daño y niveles de carga de aparición del mismo. Hasta ahora, el posible efecto que tuviera variar el espesor de la capa a 0 grados no se había tenido en cuenta en las distintas líneas de investigación llevadas a cabo por el GERM pero, en vista a los resultados obtenidos, parece necesaria una investigación futura más profunda. Expuestos los resultados obtenidos en este trabajo se plantean una serie de líneas de investigación abiertas para trabajos posteriores: - Realizar proyectos en los que se analice el efecto que tiene variar el espesor de las láminas a 0 grados dejando fijo el número de láminas a 90. - Estudiar la configuración del laminado [02,90,02], analizando porque el daño se inicia y propaga tal y como hemos visto: crecimiento de grietas a ±45 grados en la dirección de aplicación de la carga conectadas por una delaminación cotinuada entre la capa a 0 y 90 grados. - Completar los resultados obtenidos con estudios similares realizados con láminas ultradelgadas. - Comparar los mecanismos de daño que se producen con laminados formados por láminas convencionales y aquellos fabricados con láminas ultradelgadas. 105 REFERENCIAS [1] Arroyo E., «Efecto a escala en la resistencia a tracción en laminados de material compuesto», Trabajo Fin de Grado, Universidad de Sevilla, Sevilla, 2018. [2] Paris Caballero F., Cañas Delgado J., Marín Vallejo J. C. y Barroso A., Introducción al Análisis y Diseño con Materiales Compuestos, Sevilla: Sección de Publicaciones. Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales. Universidad de Sevilla. [3] UPV Universitat Politècnica de València, «www.upv.es,» [En línea]. Available: https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm15/pfcm15_9_2.html. [4] AENOR, «Material aeroespacial, Plásticos reforzados con fibra de carbono, Estratificados unidireccionales, ensayo de tracción paralelamente a la dirección de la fibra,» Norma Española, 1996. [5] Parvizi A., Garret K.V. y Bailey J.E., «Constrained cracking in glass fibre-reinforced epoxy cross-ply laminates.,» J of Mat Sci, 1978;13;195-201. Referencias 106 106