Estudio experimental de materiales grafito/epoxi antes impactos de baja energía

ESTUDIO EXPERIMENTAL DE MATERIALES GRAFITO/EPOXI ANTE IMPACTOS DE BAJA ENERGIA J.M. GARCIA, F. PARIS Y J. CAÑAS Universidad de Sevilla, Escuela Superior de Ingenieros Industriales, ESll, Av. Reina Mercedes s/n, 41012 Sevilla - España EXPERIMENTAL STUDY OF GRAPHITE/EPOXY MATERIALS UNDER LOW ENERGY IMPACTS ABSTRACT Thebehaviorof graEhite/epoxy materials under low energy impacts has been studied. The residualstrength and the delaminated area as a function of the incident energy of each impact have been determined for variolus laminates and three stacking sequences. The registration of the impact process was done by computer means using a data acquisition card. Several important conclusions on the behavior of the diffeiént laminates are drawn. Keywords : mmposite, I ow energy i m pact, graphite/epoxy mate ri als, mater¡at strength RESUMEN Se ha estudiado ei comportamiento de materiales grafito/epoxy somet¡dos a impactos de baja energía. Se determinó la resistencia residual y el área delaminada como'lunóión de la energíd iricidente en-cada irñpacto, para var¡os laminados y para tres sgcuencias de apilado.,El registro delproceso de impacto se realizó mediante ordenador usando una tarjeta de adquisición de datosSe deduceñ finalmente ¡mportantes conclusiones sobre el comportamiento de diferentes laminados. lnformación Tecnológica - Vol.7 Ne l - 1996 43 INTRODUCCION Los impactos de baja energía generalmente generan daños insignificantes en elementos metálicos. Sin embargo, cuando estos mtsmos impactos se realizan sobre materiales compuestos se puede reducir notablemente la capacidad portánte de dicho elemento aunque mediante una inspección visual pudiera parecer que dicho maierial no ha sufrido ningún daño aparente. La importancia del daño depende de múltiples faótores tales como la secuencia de apilado, el número de láminas, las propiedades matriz'fibra, etc. Un buen estudio que nos relacignase estos factores que influyen sobre el daño en el material.y la..energíá de impacto nos permitiría conocer de antemano el comportamiento de este tipo de materiales y predecir el daño que se produciría bajo dif erentes impactos. DETALLES EXPERIMENTALES Todos los estudios se han realizado utilizando probetas cuya dimensiones son 1.3 " 12.3' 12O mm. Los impactos se han realizado con un péndulo tipo'Charpy y un impaclor intermedio, 'Figura 1, (bntre péndulo y probeta) que distribuye uniformemente la carga de impacto y a su vez recoge la información del impacto mediante unas galgas extensométricas. El estudio de las áreas delaminadas se realiza utilizando técnicas de ultrasonidos pico'eco simple (Krautkrámer, J. y Krautkrámer., H.)' La resistencia iesidual a traccióh se ha rnedido con una máquina lnstron 8033 de acuerdo con las normas establecidas en la ASTM D 3039. Las áreas delaminadas se han obtenido como proyección horizontal del área delaminada aunque sobre la misma vertical pudieran existir varios planos de delaminación, comb se muestra en la Figura 1. F¡g.1.. Detalles del impactor intermedio' Area delaminada total de una probeta ensayada con una determinada energía de imPacto' 44 it illrut. I ESTUDIO DEL PROCESO DE IMPACTO Para estudiar dicho proceso se utilizan las galgas del impactor intermedio. Al realizar el impacto, si no ponemos ningún tipo de filtro a la señal anal'ógica, estamos recogiendo todo lo que ocurre (todal hs ondas) durante el proceso de impacto. Así, obtenemos únos registros quq 9e caracterizan porque poseen una grán dispérsión de picos de iensión,'como se puede ver en la Figura 2. F V=O E 1.s ¿ CI .o Pos (D o .(I5 -1 150 50 o0 ND ÉD, Tiempo (msg) Fig.2.- Registró sin filtrar de una probeta [0]29 para un imPacto de 2 Julios. Estudiando estos picos de tensión se observa que cuando la masa dól péndulo Qhoca con elimpactor intermedio, este bn su conjunto sufre una compresión. A la vez, se piensa que se producen tracóiones y compresiones en dicho impactor que son recogid-as poi las galgas, debido a. que existen ondas longitudinales y transversales que se oroDaoan por el material (acero) que tardan en bro'¿uéir ün ciclo completo de tracciones y tompresiones mucho menos tiempo que lo que ürOá "n producirse la compresión aparente del coniunto. Estos ciclos se pueden eliminar con fihrós. Así. utilizando elfíltro de lKHz se oblienen registros sin dichos Picos. Fig.3.- Secuencia de impacto para una energía que no oroduzca daño. lnformaciórt Tecnotógica - VoL 7 Ne 1 - 1996 Se pueden hacer varias comprobaciones para as"egurar la validez de los registros en el caso de que no se haya producido daño en la probeta impactada, Figura 3. Una de estas comprobaciones es ver que las áreas bajo la curva a ambos lados del máximo (punto de velocidad nula) son iguales, siempre que no se haya producido daño en la probeta. Algunos de los resultados obtenidos se muestran en las Figuras 4 y 5. 0.0 5.0 10.0 15.0 Tiempo(msg) Fig. 4.- Registro para 1.Zijulios, filtro de 1KHz, sin daño. mecanismos de rotura entre los que deslacan tres bien diferenciados que son: Delaminacíón, Fleixión y Penetración de la probeta. En nuestro caso solo se podrían producir los dos primeros, ya que la energía necesar¡a para producir el lercer mecanismo necesita una gran velocidad de impacto que no se obtiene con este tipo de experimentos. Para saber cual de los dos primeros es el que se produce estudiemos las energías elásticas de deformación asociadas a cada mecanismo, estas son: (Delaminación) I lrtexion¡ donde las dimensiones de nuestra probeta son: Ancho(w) = 12.3 mm, Longitud(l) = 120 mm, EsPesor(t) = 1.3 mm. y el resto de magnitudes son: E=Módulo de elasticidad, s=Resistencia a f lexión, t=Resistencia interlaminar a cortante. Podemos igualar ambas energías para encontrar el límite a los flistintos mecanismos de rotura, obteniendo: el mecanismo es la delaminación. -d 212*13 ==tE t -f 'l o2 ==lEE*t o z @ (o z o N o a LL lo t 2r lo Si: | 2t I c o z a (o z (ú N o LL Tiempo (msg) Fig. 5.. Registro para 7 julios, filtro de 1KHz, con rotura por flexión en la cara posterior. RESULTADOS POST.IMPACTO Para cada tipo de secuencia de apilado han sido ensayadas 40 probetas, dos o tres para cada nivel de energía de impacto. Los en-sayos se han realizado para niveles de energía corréspondientes a aumentos de 0.5 cm. de altura en el péndulo en cada ensayo. Tipo de rotura durante el impacto: La rotura delas probetas por energía de impacto qu*e seguir distintos mecanismoé dependiendo de las dimensiones de la probeta ensayáda. Como comenta Dorey podemos distingjuir varios lnformación Tecnológica - Vol.7 Ne I - l99O lo Si: t 2 ¡ el mecanismo es la flexión. Cogiendo valores de referencia para grafito/epoxi:, t está entre 100 y 200 MPa. y es prácticamente independiente de la secuencia de apilado. s está entre 200 y 2000 MPa., según se trate de fibras a 90 o Ogrados respectivamente. Por tanto, para fibras a g0 grados se obtíene: o 200 -=-=.1 2 r 2.1OO Para fibras a 0 grados se obtiene: o 2OO0 ñ=m=t Por consiguiente, nos movemos dentro de un intervalo cuyos límites son 1 y 5. Un valor Curva d€lmpacto con: F¡|fo cb lKHz Ard¡f caclón de 300x1 1 h=3.5 crn. - Fue¡za(N) - lmpulso(Nxmsg) 45 T t m C' trl F = z B m z F N o z o 2r intermedio representativo de la relación entre ambas resistencias para un material grafito-epoxi podría ser: =2.5 Con este valor obtenemos que para: lS t - 2 elmecanismo dominante es la delaminación l5 T'T el mecanisino dominante es elde flexión. Con las dirnensiones de nuestra probeta tenemos una rblación de valor: =# = e2.3 Por tanto, estamos claramente dentro de los límites del mecanismo de rotura por flexión. Al ser tan grande la relación l/t comparada con la relación s/t, el límite superior de nuestro intervalo entraría dentro del mismo caso. Secuencia de apilado [0]s: Los resultados se muestran en la Figura 6 donde se obserua que para una energía correspondiente a unos 2.3 Julios se origina una brusca reducción de resistencia residual llevando este valor aparejado una zona de daño considerable en el centro de la probeta. De la gráfica también se puede desprender la existencia de cuatro zonas correspondientes a diferentes comportamientos y daños. Así, podemos observar una primera zona entre 0 y 1.5 Julios de energía para la cual la probeta no ha sufrido daño y en consecuencia no se ha visto mermada para nada su capacidad portante, en esta zona la probeta actúa.como si tuviese un comportamiento elástico. Entre 1.5y 2.2 Julios, se puede apleciar por ultrasonidos que no se produce ninguna delaminación pero sí se deben producir pequeñas roturas de fibras en la cara posterior de la probeta principalmente, lo que provoca una disminución no dramática de la resistencia residual que es función del número de fibras que se hayan roto en el impacto. Entre 2.2 y 2.7 Juliob, la rotura de fibras ha alterado la flexibilidad de la probeta originando grandes delaminaciones y provogando una caída de la resistencia residual similar a lade la zona anterior..Por úllimo, para una energía superior a 2.7 Julios, prácticamente todas las láminas excepto una, la más próxima a la cara donde se produce el impacto, están rotas y en consecuencia la resistencia residual disminuye notablemenle quedando a niveles muy bajos. 46 Fig. 6.- Resistencia residual y área delaminada para distintas energÍas de impacto para probelas [0]9. La zona delaminada y la pérdida de rigidez son consecuencia de la rotura de todas las fibras de la lámina posterior y subsiguientes de la probeta siendo sus valores del mismo orden que los de la zona anterior. Al estudiar los valores de resistencia residual hay que tener en cuenta que, ésta, la estamos obteniendo a tracción por lo que la orientación de las fibras en dirección de la tracción tiene gran importancia. Así, estudiando los valores de los dos niveles de resistencia, podemos obseruar que en f a zona que se puede considerar de comportamiento eláFtico el valor de la resistencia es de 150 Kg/mm" aproximadamente, mientras que en la zona de daño dramático la resistencia r'esiduát. viene a ser del orden de 20 Kg/mm2 aproximadamente. Evidentemente si las probetas son de ocho láminas, la resistencia de cada lámina es 1/8 de la resistencia total del laminado. Por tanlo, esto nos corrobora el hecho de que solo resista la lámina más próxima a la cara del impacto cuando nos encontramos en la zona de daño dramático. En cualquier caso parece obselarse una gran dispersión en resistencia residual en las zonas centrales. Secuencia de apilado [0/90]2s: Observando la gráfica (Figura 7) se observa que para un valor de energía de aproximadamente 1.6 Julios, comienza a disminuir la resistencia residual como consecuencia de la rotura de fibras. Se puede observar que este valor es algo inferior al que originaba el'daño inicial en el caso de secuencia de apilado de la probeta de [0]r. No obstante, el intervalo para elcualse produce la caída brusca de resistencia.es menor y ya pa'a una energÍa de 2.1 Julios, la resistencia residual es ya muy baja, pero aproximadamente igual que la obtenída para la secuencia de apilado anterior. lntormación Tecnológica'Vol.7 Ne l - 1996 l_ t o n znl t 2ú? 3 t6o s ENEBGIA DE IMPACÍ O (J) RESULTADOS DE LA .SECUENCIA DE APILADo [0]¡ - RESISTENCIA O - g¡ftp ¡ N> zm mf¡ Zr -{> !3 22 ;.> 5> -um JZ r J 8.c 6¿ IJ¡ F cr;. fs >= gJ !¿ E8 o< HE N> o¡ zm o(, mm zr {> ¡3 D= :-> ¡0 => -um -z t1s0 50 0 g) J 3.c o 6É, I¡J F .c; o <:¿ 9ln ]¡J e ro ü9 rc t¡¡, E ccF U 2015 1005 Se observa que en la zona de comportamiento elástico tenemos una resistencia residual de 75 Kg/mm2 mientras que en la zona de daño dramático la resistencia residualestá en torno a 20 Kg/mm2. Al igual que en el caso anlerior, como solo tenemos cuatro láminas con fibras a cero grados, dirección de tracción, la resistencia de cada una de estas cuatro láminas es aproximadamente 114 de la resistencia total del laminado ya que en la dirección de tracción ni las láminas a 90 grados ni la matriz ofrecen prácticamente ninguna resistencia. de 55 Kg/mm2 aproximadamente, mientras que en la zona de daño dramático la resistencia residual es del orden de 18 Kg/mm2, que aproximadamenle tiene un valor de 113 de la resistencia inicial. Por otro lado, vemos que hay dos láminas con fibras a 0 grados, cuatro láminas a 45 grados y dos láminas a 90 gradosLas de 90 grados podemos suponer que no resisten a tracción como. se ha dicho en el caso anterior. Por su parte las de 45 grados se comportan ante la tracción de forma intermedia a las fibras a 0 grados y a las fibras a 90 grados, pero mas cerca del comportamiento de las de 90 grados que de las de 0 grados ya que. nos estamos saliendo de la dirección de tracción lo que hace que disminuya notablemente su resistencia. Así, podemos ver que las cuatro láminas con fibras a 45 grados se comportan como una lámina a 0 grados, lo que explica que la resislencia residual en la zona de daño dramático sea un lercio de la de comportamiento elástico. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.O 2.5 B.¡ EBGIA DE lM PACTO (J) Fí9. 8.- Resistencia residual y área delaminada para distintas energÍas d.e impacto para probetas Í45/Ol-45/eOJs. Para ver que las cuatro láminas a 45 grados se comportan como una a 0 grados se estudia la ley de compodamiento del laminado observando que las tensiones y deformaciones están relacionadas entie si en función de las constantes del materialy del ángulo g que forman la dirección de las fibras con la dirección de tracción mediante: cosaÓ, senaó o cos2q * sen2q. Por tanto, al ser Q = 45e, las fibras a 45 grados se comportan más o menos como 114 de una fibra a 0 grados. Por tanto, tener cuatro láminas a 45 grados y dos a 0 grados es prácticamente equivalente a tener tres láminas a 0 grados y que cada una de ellas resista 113 de la resistencia totaldel laminado sin dañar. CONCLUSIONES POST.lMPACTO Resulta instructivo la comparación conjunta en una misma escala de los resultados obtenidos para las tres secuencias de apilado, Figura 9. 60 50 40 30 r- ¡ l.ta _ RESISTENCIAA - DAño ^ RESULTA)OS DE LA SECUENCIA DE AH LADo [d90]28 800 700 600 500 400 300 200 100 20 't0 0J0 25 00 E NERGIA TE IMPACTO (4 Fig. 7Resistencia residual y área delaminada para distintas energÍas de impacto para probetas [0/90]2s. Al igual que en elcaso anterior, en el nivel bajo de resislencia residual, al producirse el daño dramático sólo queda la lámina más próxima a la cara del impacto sin romper, que es una lámina a 0 grados, es ésta la que apoda toda la resistencia residual, como corroboran los cálculos del párrafo anterior, ya que las fibras de las láminas a 90q están perpendiculares a la tracción del laminado con lo que podemos suponer que estas láminas no resisten nada, aunque pudiera ser que' no estuvieran dañadas por el impacto. Secuencia de apilado [45/0/-45190]5: De los resultados obtenidos en la gnáfica (Figura B) se observa que para valores de energía entre 1.1 y 1.4 Julios, se origina una dramática caída de la resistencia residual lo que lleva aparejado rotura de fibras que provocan delaminaciones. Conviene también hacer notar, que el üalor de energía para el cual se empieza a producir rotura de fibras es menor que en los casos anleriores, ello es consecuencia de que en esta secuencia de apilado las láminas a cero grados no se encuentran en las caras externas como ocurría en las dos anteriores. Siguiendo un razonamienlo análogo a los anteriores, podemos estudiar los niveles de resislencia residual viendo que en la zona de comportamiento elástico tenemos una resistencia lnformación Tecnológica - Vol. 7 Ne 1 - l996 - RESISTB¡CIAtr - o¡ño¡ RESULTADS DE LA SECUENCIA DEAPILADO [45/0/4/eQs 47 48 En las tres secuencias de apilado estudiadas, ta evolución de la resistencia residual con la energía de impacto es cualitativamente similar. Existe un umbral de energÍa que separa el comportamiento elástico de la zona que' expefimenta una ruina cuasitotal de la probeta. El diferente valor de este umbral, la nitidez del mismo y el valor de la resistencia residual están condicionados por la secuencia de apilado y fundamentalmente por el número de láminas con las fibras dispuestas a cero grados. Así, la resistencia de la probeta [0], es prácticamente el doble que de la probeta [0/90]r, y de un orden equivalente la relación entre sus umbrales. También es importante la posición de estas láminas a cero grados en el laminado. Así, el menor valor de la resistencia correspondiente a la probeta l45lO/-45/9OJ, en relación a la probeta [0/90]2s está condicionado por la mala situación de las láminas con las fibras a 0 grados en la probeta cuasi-isótropa ante la flexión originada'por el impacto. Al comparar las áreas delaminadas para las tres secuencias de apilado se observa que conforme menor es el número de láminas con fibras a cero grados, dirección mayor de la probeta y dirección de tracción, más homogéneos son los resultados para las distintas energías de impacto ensayadas. Esto puede ser debido a que al producirse el impacto las láminas a cero grados se flexionan todas por igual no influyendo mucho en la delaminación. Sin embargo, cuando hay láminas con fibr¿rs orientadar; en otras direcciones al producirse el impacto estas láminas no se flexionan por igual generando elevadas tensiones tangenciales en la interfase que dan lugar a delaminaciones en distintos planos. Así, la cuasiisótropa, para todos los impactos realizados, muestra una mayor homogeneidad en los resultados que la [0/90]2s y esta a su vez mayor homogeneidad que la de [0]s. Respecto a la dispersión de resistencia residual, parece que la probeta [0]g no se comporta como un verdadero matqrial compuesto, formado por varias capas de/maleriales homogéneos, con diferentes propiedades y orientación de fibras, sino más bien como un material heterogéneo. Si hubiésemos ensayado probetas [90]s o [+45]6 encontraríamos casi con toda seguridad dispersiones equivalentes a los niveles encontrados en la probeta [0]g. La explicación la podríamos encontrar en que existe una superposición de efectos: - por un lado, el laminado esrá formado por láminas ortótropas homogéneas orientadas de forma diferente. - por olro lado, las láminas no son homogéneas. En la probeta [0]g se da fundamentalmente el segundo efecto ya que realmente no es un laminado mientras que, por ejemplo, en la cuasiisótropa el primer efecto tiene mayor ponderación que el segundo, convidiéndose este primero en el mecanismo dominante por lo que la dispersión de resultados es mucho menor. Ver Figura 9. Se puede concluir que la dispersión no es consecuencia de que todas la láminas tengan sus fibras a cero grados sino de que todas las láminas tengan las fibras orientadas en una sola dirección, independientemente de que ésta sea la dirección de tracción o no. El papel que juega la delaminación en las tres secuencias de apilado' estudiadas es diferente aunque en los tres casos se observe una correlación más o menos pronunciada entre las evoluciones de la resistencia residual y el área delaminada con la energía de impacto, como se muestra en la Figura 5. En la probeia [0], la delaminación no juega ningún papel en la resistencia a tracción residual en el sentido de que a tracción es indiferente que las láminas estén o no adheridas. En la probeta [0/90]r, la delaminación tiene alguna inf luencia aunque pequeña puesto que la resistencia está fundamentalmente condicionada por la de las cuatro láminas con las fibras a cero grados. En la probeta con secuencia [45/0/-a5l90], la delaminación sí tiene una gran importancia, esto se aprecia en la casi coincidente relación entre caída de resistencia y aumento de área delaminada, situación que no se da en los otros dos casos donde la caída de resistencia es consecuencia de la rotura de fibras en las lámiñas, lo que progresivamente f ue generando delaminaciones al variar la flexibilidad de cada una de las láminas dellaminado. En cualquier caso, dada la relación entre la longitud de la probeta y su espesor, la delaminación no es el mecanismo de fallo generado por la carga de impacto. La flexión es el mecanismo de fallo que provoca rotura de fibras en las láminas más traccionadas y posteriores delaminaciones. Al comparar las áreas delaminadas en la zona de daño dramático para las tres secuencias de apilado, Figura 5, se observa que las áreas delaminádas para la probeta [0/90]2s son muy superiores a las encontradas en las otras dos secuencias de apilado. Las áreas delaminadas que aparecen en las gráficas son la suma de las producidas por la diferencia de flexibilidad de las láminas adyacentes y las producidas por la rotura de fibras tras el impacto. Así, en el laminado [0/90]2s s e tienen las láminas contiguas con las lnformación Tecnológica - Vo,l. Z Ne 1 - 1996 fibras en direcciones perpendiculares enlre sí con lo que en la direoción longitudinal de la viga, la lámina a 0 grados es mucho más rígida que la lámina a 90 grados, esta diferencia de flexibilidad hace que aparezcan grandes tensiones tangenciales que pueden generar la suficiente energía como para provocar delaminaciones. En el resto de secuencias de apilado, en las que no existe ese cambio tan dramático de orientación de fibras en láminas contiguas, este efecto de las tensiones tangenciales es menor generándose áreas delamínadas menores. 160 140 t20 100 REFERENCIAS ASTM D 3039. Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber-Resin Composites. Dorey G., Damage tolerancé and damage assessment in advanced composites, Materials and structures departament, R. A. F. Hampshire, UK. Krautkrámer, J.y Krautkrámer, H., Ultrasonic testing of materíals. 4th revised. Ed. SpringerVerlang. 80 50 40 20 0 N b |é z ¡l Er J v) Q z - F U) rt) Resistencia [0]g O Area delaminada tOfu O Resistencia [0/90]¡ Are¡ delomin¡do [0/90]2, A II-II Resistenci¡ [4Y,0/.45/90]s ! Are¡ del¡min¡da t49U-a5l90t I ¡l ¡t tt ¡t ¡¡ l¡ tt lt I 700 600 500 400 300 200 100 0 800 1.0 0.5 t< 2.01.5 3.0 ENERGIA DE IMPACTO (J) Fig.9.- Comparación de las lres secuencias de apilado bajo la misma escala. Rto/eotk \ o I i;t¡**-:\r,fl -;;,;,Í;;Zr'E, ).1 :' Ar4s,o,.4s,eo,s\ Trp!#i lnformación Tecnológica'Vol.7 Ne 1 - 1996 49