Para estos ensayos se utilizaron probetas del cupón [02]S de matriz poliéster DCPD
reforzado con fibras de vidrio que se describió en la sección 3.2.1. Las dimensiones de las probetas estuvieron acorde a ASTM D2344-13 [65].
Fue empleada la misma máquina de fatiga de carga constante que se describió en la sección 3.2.1 (ver Fig. 36). Se usó una celda de carga de 1.3 kN de capacidad y el desplazamiento del punto de aplicación de carga fue medido mediante un LVDT modelo Omega 500 cuyo alcance es de 2.5 mm. El dispositivo de ensayo SBS y la luz entre apoyos fue la misma que se implementó en la sección 3.2.1.
Los valores de R, 𝜏𝑎,𝜏𝑚 y𝜏(𝑖)𝑠𝑏𝑠 fueron calculados con las fórmulas de las Ec.(16),
Ec.(17), Ec.(18) y Ec.(51) respectivamente.
La pérdida de rigidez de la probeta (δmax ratio) fue definida con la Ec.(53). La condición de falla adoptada fue detener el ensayo cuando la pérdida de rigidez fuera superior a un 20%. Todos los ensayos fueron llevados hasta la falla de la probeta.
𝛿 maxratio=𝛿𝑚𝑎𝑥1
𝛿𝑚𝑎𝑥𝑁 (53)
donde:
𝛿𝑚𝑎𝑥1= es el desplazamiento máximo en el primer ciclo de fatiga, mm, y
𝛿𝑚𝑎𝑥𝑁= es el desplazamiento máximo medido en el ciclo N, mm.
En algunas probetas fue medida la amplitud de desplazamiento de cada ciclo de fatiga. Con estos valores se calculó el valor de ∆𝛿 ratio mediante la Ec.(54).
∆𝛿 ratio= 𝛿max1−𝛿min1
𝛿max𝑁−𝛿min𝑁 (54)
donde:
𝛿𝑚𝑖𝑛1= es el desplazamiento mínimo en el primer ciclo de fatiga, mm, y
𝛿𝑚𝑖𝑛𝑁= es el desplazamiento mínimo medido en el ciclo N, mm.
Los ensayos fueron realizados en una atmósfera controlada de laboratorio con temperatura 23°C y humedad relativa 50%. La temperatura de las probetas fue medida
en un punto de la superficie mediante una termocupla. La misma se localizó en la zona que presentaría los máximos esfuerzos de corte como se indica en la Fig. 36. Cambios de temperatura menores a 1°C no fueron considerados. Las condiciones de carga fueron: forma de onda sinusoidal, R=0.1 y valores de τa de 11.0, 13.2 y 15.7 MPa. Entre 5 y 6 probetas fueron ensayadas para τa=11.0 y 13.2 MPa y 10 probetas para τa=15.7 MPa. Las frecuencias empleadas fueron: 1, 3, 6 y 10 Hz.
Para evidenciar el daño en las probetas luego de ensayarlas se las atacó con una solución de ácido fluorhídrico al 3% durante 10 s. Luego, se las limpió con hisopos de algodón, se las dejó secando en condiciones ambiente durante 1 día y, una vez secas, fueron escaneadas.
Para evaluar si una posible diferencia entre medias es o no significativa fue realizado un análisis de varianza de un factor (ANOVA). Para realizar el análisis se empleó una transformación para estabilizar la varianza del tipo logarítmica mostrada en la Ec.(55) y fue asumido un nivel de significación (α) de 0.05.
𝑦𝑖𝑗∗ = log 𝑁𝑓 𝑖𝑗 (55)
donde:
j = muestra u observación del tratamiento i. Los residuos fueron calculados con la Ec.(56) .
𝑒𝑖𝑗 = 𝑦𝑖𝑗∗ − 𝑦̂𝑖𝑗 (56)
donde:
𝑦̂𝑖𝑗 = estimación de la observación 𝑦𝑖𝑗∗ definido en la Ec.(57).
𝑦̂𝑖𝑗 = 𝑦̅𝑖=
∑𝑛 𝑦𝑖𝑗∗
𝑗=1
𝑛 (57)
Con la finalidad de verificar el supuesto de normalidad de la distribución se construyeron gráficos probabilidad normal en función de los residuos. Para verificar que los residuos no poseen alguna correlación, es decir, que el supuesto de independencia de los errores no sea erróneo, fueron graficados los valores de los residuos en función a la secuencia de ensayo. Además se realizaron gráficos de los residuos en función a los valores ajustados y la prueba de Bartlett para verificar una posible desigualdad de varianzas [144].
El modelo de ajuste de los datos en los gráficos τa vs. log 𝑁𝑓 fue el mismo que se usó en
Fractura M odo II
3.3
El cupón de material compuesto fue provisto por la empresa INVAP S.E., siendo sus dimensiones nominales las que se muestran en la Fig. 37. El material compuesto fue CFR epoxi con apilamiento [014]T, siendo fabricado por el método hand lay-up con
bolsa de vacío. Las láminas de fibra de carbono fueron de denominación comercial UD Torayca® T300 [145], mientras que la resina epoxi poseía una denominación comercial Wilpox CH4L [146]. Para generar la entalla se empleó un film separador de 25 μm inserto entre las láminas 7 y 8 del apilamiento, siendo su denominación comercial A4000 [147]. El curado fue realizado a temperatura controlada entre 22 y 23°C durante 24 horas.
Fig. 37 Fotografía del cupón y esquema de la forma en que se extrajeron las probetas de fractura.
El proceso de obtención de cada probeta, mostrado en la Fig. 38, se puede resumir en los siguientes ítems:
Corte del cupón para obtener 6 tiras de material en el sentido de las fibras. Rectificado de las tiras y corte en la zona con inserto para obtener un tamaño de fisura adecuado.
Ensayo de fractura 4ENF con el lado de la tira que posee el inserto. Corte de la tira para obtener la probeta de flexión en 3 puntos.
Ensayo de flexión en 3 puntos.
Corte y rectificado de la probeta rota de flexión para obtener la probeta de compresión.
Ensayo de compresión.
A continuación se detalla cada uno de los procesos de obtención de probetas de los ítems anteriores.
El cupón fue cortado según el esquema de la Fig. 37 para obtener 6 tiras con longitud mayor coincidente con la orientación principal de las fibras. Para el corte se empleó una sierra circular diamantada refrigerada con alcohol etílico. Obtenidas las tiras, se procedió a rectificar 3 caras de cada tira, las cuales están representadas en la Fig. 38a. La superficie inferior del laminado no fue rectificada porque su superficie era lisa, como consecuencia del proceso de fabricación. Para rectificar las superficies se empleó un disco de rectificado de grano medio con la finalidad de remover las marcas del corte y obtener un ancho y espesor uniforme. Una vez rectificadas las caras laterales, se las pintó con pintura blanca procedente de un lápiz corrector comercial. Definida la punta de la entalla, cada tira se cortó en el extremo que contaba con la capa inserta a fin de obtener una longitud de la entalla de aproximadamente 55 mm. Fueron marcadas grillas en las caras laterales con la finalidad de medir el avance de la fisura durante el ensayo. Estas grillas fueron originalmente impresas en papel fotográfico mediante una impresora láser y transferidas a las superficies de las probetas aplicando sobre el papel temperatura (aprox. 60°C) y presión mediante una plancha hogareña. Las grillas contaron con divisiones entre líneas de 0.5 mm.
Con la tira provista de la grilla se realizaron los ensayos de fractura. Una vez finalizados, de las probetas ensayadas se cortaron nuevas tiras con una longitud dependiente del espesor de cada probeta a fin de obtener las probetas de flexión en tres puntos. En este caso se empleó el lado contrario al usado para el ensayo de fractura como se muestra en la Fig. 38b.
Finalizados los ensayos de flexión, las probetas rotas fueron cortadas a fin de obtener probetas de compresión según ASTM D6641-09 [141], es decir, largo 140 mm y ancho 12 mm. Estas probetas fueron rectificadas a fin de eliminar las láminas de material que se encontraban bajo compresión en el ensayo anterior, como se esquematiza en la Fig. 38c. Las probetas quedaron con espesores cercanos a 2 mm.
Para los ensayos de fractura y flexión fue empleada la máquina universal de ensayos EMIC descrita en la sección 3.1. A continuación se describen, en distintas secciones, los distintos de ensayos realizados.
Fig. 38 R epresentación del proceso para obtener las distintas probetas. 3.3.1 Ensayo de fractura mediante flexión en 4 puntos.
Las dimensiones de las probetas de fractura 4ENF son presentadas en la Tabla 10. Las tolerancias empleadas cumplieron los lineamientos en los protocolos para round-robins
sobre ensayos Modo mixto I/II y Modo II de la ESIS [129].
Tabla 10. Dimensiones de las probetas de fractura 4EN F.
Probeta Largo [mm]
Ancho "B" [mm] Espesor "h" [mm]
I II III Media I II III Media
Probeta 1 140 20.60 20.55 20.53 20.56 3.546 3.542 3.502 3.530 Probeta 2 140 19.53 19.45 19.47 19.48 3.741 3.710 3.700 3.717 Probeta 3 140 19.10 19.04 19.03 19.06 4.070 4.084 4.071 4.075 Probeta 4 140 20.28 20.24 20.22 20.25 4.230 4.276 4.277 4.261 Probeta 5 140 18.88 18.86 18.86 18.87 4.444 4.497 4.505 4.482 Probeta 6 140 20.43 20.38 20.36 20.39 4.489 4.546 4.560 4.532 La medición de fuerza fue hecha con la celda de carga interna de 20 kN de capacidad de la máquina universal de ensayos EMIC. El desplazamiento se midió con dos instrumentos: un LVDT marca Omega modelo 25 de alcance ±25 mm y el sensor interno de la máquina EMIC. La disposición de la celda de carga y el punto de medición del LVDT pueden apreciarse en la fotografía de la Fig. 39.
Fig. 39 Fotografía del dispositivo de ensayo montado en el marco de carga de la máquina de ensayos.
El diámetro de los rodillos superiores fue de 10 mm, mientras que el de los rodillos inferiores fue de 12 mm. La luz entre los apoyos o span de los apoyos inferiores fue de 100 mm y la de los apoyos superiores 50 mm. Para observar el crecimiento de la fisura se emplearon dos microscopios digitales USB de 2.0 Mpx y 50x de aumento, uno a cada lado de la probeta como se observa en la primera fotografía de la Fig. 40.
Fig. 40 Fotografías de una probeta en el dispositivo de flexión en 4 puntos.
El tamaño de fisura fue estimado como el promedio de las mediciones hechas entre los dos microscopios para un instante dado.
Los ensayos se realizaron con una velocidad de desplazamiento de la traversa de 0.5 mm/min y las condiciones de ensayo fueron: temperatura 22°C y 40% de humedad relativa. En todas las probetas fueron realizadas 3 descargas parciales en la zona lineal de los registros P vs. a para obtener el valor de C correspondiente al tamaño inicial de fisura. Las descargas parciales fueron, en la mayoría de los casos, llevadas hasta el 50% de la fuerza medida en el instante en que se inició la descarga. El valor de C
experimental fue calculado como el promedio de las pendientes de la descarga y la recarga.
El efecto de la indentación de los rodillos sobre la probeta y la corrección de las mediciones por la C del sistema se hicieron mediante ensayos con span reducido. Los ensayos se hicieron sobre los extremos de las probetas de fractura que no contaban con entalla y que se encontraban en voladizo respecto al dispositivo de flexión en 4 puntos, tal como puede apreciarse en la Fig. 41. De estos ensayos se obtuvieron los registros P
vs. δ tanto para las mediciones de δ hechas con el LVDT como con el sensor de desplazamiento de la EMIC.
Fig. 41 Disposición de los rodillos para corregir las mediciones por indentación de rodillos y
com pliance del sistema.
Se calcularon los valores de GIIC para los criterios NL, 5% y MAX. Los datos
experimentales de C vs. a fueron sometidos a una regresión lineal para obtener las curvas de la forma de la Ec. (40). Las pendientes de estas curvas se emplearon para el cálculo de los valores de las curvas R según la Ec.(30). Los modelos teóricos de C
según la teoría clásica de vigas fueron calculados empleando tanto el valor individual y el valor medio de los módulos elásticos de los ensayos de compresión y flexión.