Caracterización experimental y estudio a fatiga de la aparición de daño en laminado cross-ply con lámina ultradelgada de 30g/m2 en la capa de 90º

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Caracterización experimental y estudio a fatiga de la aparición de daño en laminado cross-ply con lámina ultradelgada de 30g/m2 en la capa de 90º Autor: Roberto Prieto García Tutores: Elena Correa Montoto Serafín Sanchez Carmona Dpto. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Caracterización experimental y estudio a fatiga de la aparición de daño en laminado cross-ply con lámina ultradelgada de 30g/m2 en la capa de 90º Autor: Roberto Prieto García Tutores: Elena Correa Montoto Serafín Sánchez Carmona Dpto. de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 v Trabajo Fin de Grado: Caracterización experimental y estudio a fatiga de la aparición de daño en laminado cross-ply con lámina ultradelgada de 30g/m2 en la capa de 90º Autor: Roberto Prieto García Tutores: Elena Correa Montoto Serafín Sánchez Carmona El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2021 El Secretario del Tribunal A los que están A los que se fueron A los que vendrán vii ix Agradecimientos Este trabajo supone el final de una etapa fundamental de mi vida. A lo largo de estos 4 años en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla, han sido varias las ocasiones en las que he reflexionado sobre qué es ser ingeniero, en cómo los innumerables conceptos, fórmulas y teoremas estudiados a lo largo de este tiempo podían convertir a un chico normal de 18 años en un profesional de este gremio tan respetado. Fue una gran sorpresa descubrir que ser un ingeniero no es una cuestión de conocimientos, sino más bien de perspectiva. Perspectiva para sacar este grado adelante a pesar de lo empinado que ha sido el ascenso durante todos estos años, perspectiva para querer completar mi formación durante los dos próximos años y ser Ingeniero Superior. Pero sobre todo perspectiva para entender que la Ingeniería, mas que una carrera académica o profesional, es una carrera personal, una forma de pensar. Honestamente creo que esta es una conclusión a la que llegamos todos tarde o temprano. Cuando vemos que una serie de valores fundamentales arraigan profundamente en nosotros, cómo en mi caso el pragmatismo, la creatividad, el pensamiento crítico y sobre todo la humildad. Sin embargo, no somos capaces de comprender la belleza de esta reflexión solos, pues el mayor soporte que todos hemos tenido durante este viaje son aquellos que nos han acompañado. Por este motivo, me gustaría agradecer: A mis padres por haberme enseñado quién quiero ser. A mi hermana, por haber estado en todo momento a mi lado incondicionalmente. A mi perra Canela, por acompañarme y darme fuerza y cariño en todo momento. A mis amigas, Julia, Paula y Claudia, por ser mi oasis. A mis amigos, Daniel, Ismael, Juan, Javier, Jose, Manuel y Emilio, por acompañarme en este viaje desde el primer día. A mis profesores, todos los que han estado a mi lado desde primaria hasta la vida adulta. Espero poder devolver con creces todo lo que vosotros me habéis dado. Roberto Prieto García. Graduado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales. Sevilla, 2021 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Esquematización de diversas configuraciones matriz-refuerzo. 2 Figura 2: Pirámide de ensayos [1]. 3 Figura 3: Evolución del uso de materiales compuestos en la industria aeronáutica en las últimas décadas. 4 Figura 4: Rotura producida en el fuselaje de aviones Comets [2]. 4 Figura 5: Rotura a fatiga en un avión Comet [2]. 5 Figura 6: Proceso de fabricación de la bolsa de vacío. 1: Plancha debidamente lijada; 2.1: Distribución de laminados; 2.2: Colocación lamina de teflón; 3: Colocación tiras de corcho; 4: Sellado de la bolsa de vacío. 11 Figura 7: Detalles del curado del adhesivo de los tacos. 12 Figura 8: Configuración empleado en la caracterización de probetas a 0º. 20 Figura 9: Probetas de 0º a tracción tras ser ensayadas. 22 Figura 10: Configuración utilizada en el ensayo de tracción de 90º. 23 Figura 11: Rotura resultante en la probeta de 0º de compresión. 26 Figura 12: Configuración utilizada en los ensayos a compresión. 26 Figura 13: Rotura ocasionada en las probetas de 90º a compresión. 27 Figura 14: Probetas de ±45º tras ser ensayadas. 30 Figura 15: Rotura del laminado [04/90/04] 32 Figura 16: Probetas ensayadas en la caracterización del laminado [04/9004] 32 Figura 17: Definición daño ID. 33 Figura 18: Definición Daño ICD. 34 Figura 19: Definición Daño GTD. 34 Figura 20: Definición Daño GTDK. 35 Figura 21: Definición Daño LD. 35 Figura 22: Definición Daño DT. 36 Figura 23: Definición Daño DL. 36 Figura 24: Marcas en la matriz derivada del proceso de lijado/pulido. 39 Figura 25: Daño 1 en ∆N3(arriba) y ∆N4(abajo). 40 Figura 26: Evolución de ID a ICD en D17 en ∆N5(arriba) y ∆N7(abajo). 41 Figura 27: Evolución de ICD a GTD en D4. 42 Figura 28: Daños D31 (izquierda) y D36 (derecha). 43 Figura 29: Primeros indicios de la tendencia en la inclinación de los daños registrados. 43 Figura 30: Daños longitudinales en la interfase de la capa de 90º. 44 Figura 31: Daño longitudinal D11 detectado en la probeta 2. 45 Figura 32: Daños registrados en ∆N1 48 Figura 33: Primeros indicios de DT en la probeta 1. 49 Figura 34: Evolución del daño D2. 50 Figura 35: Evolución del tamaño de D8 desde ∆N1(arriba) hasta ∆N3(abajo). 51 xvii Figura 36: Representación esquemática de la evolución de D8. 51 Figura 37: Evolución del tamaño de D10 desde ∆N1(arriba) hasta ∆N4(abajo). 52 Figura 38: Daño detectado con 2 GTDs y 2 DTs. 53 Figura 39: Evolución de los daños D8 (arriba) y D10 (abajo). 53 Figura 40: GTDKs detectados en ∆N7 54 Figura 41: Primera delaminación detectada en la probeta 1. 54 Figura 42: Evolución del daño por delaminación y el daño en la capa de 0º en D126. 56 Figura 43: Posible daño por delaminación inclinado. 57 Figura 44: Evolución del daño por delaminación inclinado (daño en forma de diente de sierra). 57 Figura 45: Segundo daño por delaminación inclinado detectado. 58 Figura 46: Mecanismo promotor de la aparición de delaminaciones. 59 Figura 47: Delaminaciones procedentes de un despegue próximo. 59 Figura 48: Delaminacion de una longitud de siete micrografías. 60 Figura 49: Daños en la capa de 0º en ∆N9. 60 Figura 50: Sospechas de daños previos a la aplicación de carga en la probeta 3. 61 Figura 51: Aparición de ID en la probeta 3. 62 Figura 52: Aparición de despegues próximos entre si. 62 Figura 53: Daño similar registrado en la probeta 2 en ∆N2 63 Figura 54: Daño en la matriz en la probeta 3. 63 Figura 55: Daños visualizados en la replica en ∆N11. 66 ÍNDICE DE GRÁFICAS Gráfica 1: Ensayos de tracción a 0º. 22 Gráfica 2: Ensayos de tracción a 90º. 25 Gráfica 3: Ensayos de compresión a 90º. 28 Gráfica 4: Ensayos de cortadura a ±45º. 30 Gráfica 5: Conteo de daños de la probeta 2. 38 Gráfica 6: Conteo de daños de la probeta 1. 46 Gráfica 7: Conteo de daños transversales en la probeta 1. 47 Gráfica 8: Conteo de daños longitudinales en la probeta 1. 47 xix 1 INTRODUCCIÓN n la actualidad, la sociedad se enfrenta a uno de los mayores retos socio-tecnológicos de las últimas décadas, el cambio climático. Esto ha supuesto un cambio radical en la totalidad de las industrias que operan en la actualidad, no solo invirtiendo en tecnologías más limpias, sino también impulsando la investigación y el desarrollo de diseños pioneros bajo el mantra de la sostenibilidad y la conservación del medio ambiente. En esta línea se centra el motivo de este trabajo. 1.1 El uso de los materiales compuestos en la Industria Aeronáutica Durante el último siglo, la industria aeronaútica ha derivado en uno de los sectores más importantes a nivel económico y social. El salto de materiales metálicos a materiales compuestos ha supuesto uno de los mayores avances que se han dado dentro de esta industria, avance que permitió diseños más seguros y eficientes, tanto a nivel mecánico como a nivel económico. A continuación, se va a introducir brevemente que son los materiales compuestos, el por qué de su uso intensivo en la industria aeronaútica así como los principales estudios previos que han motivado la realización de este Trabajo Fin de Grado. 1.1.1 Definición de un material compuesto Debido a la aparición continua de nuevos materiales y compuestos, la definición de qué es un material compuesto está constantemente en revisión. Un material compuesto consiste en la combinación a escala macroscópica de dos o más materiales con interfases de separación entre ellos para formar un nuevo material [1]. El objetivo de dicha unión consiste en aglutinar las propiedades de los materiales implicados en uno nuevo, a la vez que la de obtener propiedades no presentes en ninguno de estos. La enorme variedad de materiales a combinar, así como la geometría resultante entre el material que actúa como “matriz” y el material que actúa como “refuerzo” resultan en un sinfín de situaciones posibles, lo cual dificulta en parte el poder realizar una clasificación de estos materiales de manera universal. Atendiendo a la idea de que los materiales compuestos aquí tratados han sido concebidos para aumentar sus propiedades mecánicas, y que dicha mejora se ve influida en gran medida por la geometría del refuerzo, se pueden clasificar entre aquellos reforzados por fibras y aquellos reforzados por partículas (Figura 1). E Introducción 2 Los materiales compuestos poseen una serie de propiedades que los hacen destacar sobre otros materiales convencionales utilizados en componentes estructurales. En primer lugar, resulta muy ilustrativo analizar las propiedades del material en relación con el peso que suponen, que se definen como propiedades específicas (Tabla 1). Se puede observar claramente la ventaja que supone usar materiales compuestos frente a materiales convencionales atendiendo a estas propiedades. Además de esta relación entre propiedades mecánicas y densidad del material, los materiales compuestos poseen un buen comportamiento en lo referente a su durabilidad, teniendo un buen comportamiento frente a la abrasión, la degradación y la vida a fatiga. En contraposición, los materiales compuestos añaden al proceso productivo de un componente una serie de complicaciones no presentes en los materiales convencionales. Este proceso de divide en dos etapas fundamentales. La primera consiste en la confección del laminado, gracias al cual se obtendrá la configuración deseada del material compuesto en función de como se orienten las láminas que lo componen. La segunda y última comprende el curado del material, durante el que se procede a polimerizar la matriz que compone el material compuesto, dando lugar la unión entre fibras y matriz. Este proceso productivo es sometido a un control de calidad exhaustivo no solo porque uno de los componentes es perecedero, la resina, sino porque además durante dicho proceso pueden aparecer numerosos defectos que comprometan la integridad y/o el comportamiento del laminado. Algunos de estos defectos son: • Poros en la matriz. • Orientación incorrecta de las láminas. Figura 1: Esquematización de diversas configuraciones matriz-refuerzo. Tabla 1: Propiedades de materiales convencionales y laminados cross-ply de materiales compuestos [1] 3 3 • Inclusiones. • Variaciones de espesor. • Delaminaciones y otros daños producidos durante el curado. • Discontinuidades entre láminas. Finalmente, es conveniente introducir un concepto fundamental en el proceso de cualquier diseño que implique el uso de materiales compuestos, la pirámide de ensayos (Figura 2). En ella se representa la necesidad de validar el diseño de un producto completo mediante una serie de ensayos previos que validen cada uno de los componentes que lo integran, ascendiendo desde simples probetas hasta elementos estructurales más complejos. 1.1.2 Motivación del uso de materiales compuestos en la Industria Aeronaútica. La introducción de los materiales compuestos en este sector atiende a una serie de factores, destacando principalmente dos de ellos. En primer lugar, los costes de operación de una aeronave se ven principalmente influidos por el peso total de esta, ya que impacta directamente en la cantidad de combustible necesaria para poder realizar el vuelo. Por otra parte, una aeronave supone una inversión considerable para una empresa, motivo por el cual se les exige que tenga un ciclo de vida lo suficientemente amplio como para poder acometer dicha inversión con seguridad. En lo referente al primer asunto, y con los conceptos introducidos anteriormente, la introducción de los materiales compuestos han supuesto un ahorro considerable de peso, lo cual ha impactado directamente en la cantidad de combustible que se utiliza y ha ayudado a disminuir la concentración de gases de combustión que se emiten a la atmósfera. Esto ha motivado una tendencia al alza en el uso de materiales compuestos en aeronaves durante las últimas décadas (Figura 3). Figura 2: Pirámide de ensayos [1]. Introducción 4 Para analizar el motivo del uso de los materiales compuestos con respecto a su ciclo de vida, es necesario introducir previamente una serie de acontecimientos acaecidos dentro de la industria aeronáutica, concretamente una serie de roturas históricas [2]. En la década de los 50 se dieron los primeros pasos de la aviación en el terreno de los vuelos comerciales con pasajeros a bordo, de mano de los aviones Comets, diseñados por de Havilland Aircraft Company. Dos de estas aeronaves sufrieron una serie roturas catastróficas en el fuselaje de la aeronave, construido en aleación de aluminio (Figura 4). Estas roturas condujeron a un estudio más exhaustivo acerca del comportamiento de estos fuselajes frente a la aparición de grietas, conduciendo a un ensayo a fatiga de un avión Comet que resultó nuevamente en la propagación de grietas de manera catastrófica (Figura 5). En ambas roturas se observó un comportamiento frágil del material debido en parte a la presencia de bajas temperaturas, rompiendo este a cargas muy inferiores a la de rotura y además, la presencia de concentradores de tensión en el origen de las grietas. Si bien la presencia de concentradores se puede reducir, pero no evitar en su totalidad, los materiales compuestos admiten mecanismos de fallo no presentes en los materiales metálicos, mostrando un buen comportamiento frente a cargas de fatiga y diferentes mecanismos frente a la aparición de daños. Dichos mecanismos suponen una de las principales líneas de investigación en lo referente a los materiales compuestos, encontrándose este trabajo enmarcado en dicha área. Figura 3: Evolución del uso de materiales compuestos en la industria aeronáutica en las últimas décadas. Figura 4: Rotura producida en el fuselaje de aviones Comets [2]. 5 5 1.1.3 Motivación y objetivos del trabajo. El comportamiento a fatiga de los materiales compuestos reforzados por fibra de carbono ha sido estudiado desde comienzos del nuevo milenio, motivados estos estudios principalmente por el uso extendido de este material en diversos componentes estructurales de la industria aeronáutica. Una de las líneas de investigación fundamentales en este campo ha tenido como objetivo analizar la formación y desarrollo de grietas inducidas en la matriz en las capas de 90º de diversos laminados (como [3] y [4] entre muchos otros). Estos estudios se llevaron a cabo en los laminados formados por láminas de materiales preimpegnados grafitoepoxy de espesores convencionales utilizados en la industria. Convencionalmente, estas láminas han tenido un espesor entre los 120 𝜇m y los 240 𝜇m, sin embargo, en los últimos años, se han desarrollado unas nuevas láminas que consiguen reducir significativamente este espesor, llegando a alcanzar hasta los 20 𝜇m, láminas que se conocen como láminas ultradelgadas. Esto ha motivado la realización de estudios experimentales que muestren el comportamiento de estas láminas ultradelgadas bajo cargas estáticas y dinámicas, así cómo el efecto de la introducción de estas en los laminados empleados en la industria. En especial, se ha estudiado el efecto de introducir estas láminas ultradelgadas en laminados cross-ply. Esta es una de las principales líneas de investigación actuales en el seno del Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales (GERM) de la Universidad de Sevilla. Uno de los principales resultados obtenidos [5] ha consistido en el análisis del conocido como “efecto escala”, que consiste fundamentalmente en el retraso de la aparición del primer daño detectado en la capa de 90º en laminados cross-ply a medida que se consigue reducir el espesor de dicha capa. Este ha sido un fenómeno estudiado fundamentalmente bajo solicitaciones estáticas, motivo por el cual actualmente en el seno del GERM se está tratando de analizar este mismo fenómeno bajo solicitaciones dinámicas. Esto ha supuesto la principal motivación detrás de la realización de este trabajo, resultando en un estudio pionero en búsqueda de resultados experimentales en laminados cross-ply con láminas ultradelgadas. El alcance de este trabajo no abarca la constatación de dicho fenómeno bajo carga cíclica, sino la generación de datos y resultados para poder comparar con otros estudios que se están realizando en paralelo en el seno del GERM, así como con futuros estudios, además de servir como un apoyo para estos. Por tanto, los objetivos de este trabajo se pueden condensar en: • Caracterizar el material de 150 g/m2 empleado para conocer sus principales propiedades de rigidez y de resistencia, orientadas a los estudios a fatiga a realizar. • Observar por primera vez la aparición y evolución de daños ante carga cíclica T-T en la capa de 90º ultradelgada del laminado cross-ply [04/90/04]. • Analizar cómo influye la variación en el nivel de carga en la aparición y evolución de daños en la capa de 90º del laminado cross-ply sometido a carga cíclica. Para este trabajo en concreto se va a estudiar el comportamiento a fatiga del laminado cross-ply [04/90/04] ante las siguientes condiciones de carga a fatiga mediante una curva senoidal con las siguientes carácterísiticas: • Un ratio de carga R=0.1. • Frecuencia de 1 a 3 Hz. Figura 5: Rotura a fatiga en un avión Comet [2]. Proceso de fabricación 12 2.3.5 Corte y trazabilidad de las probetas. Para terminar el proceso de fabricación de las probetas a ensayar, solo queda resanar los bordes del laminado que no tienen un grosor uniforme y cortarlos. Debido a la manera en que se han diseñado los paneles, solo es necesario realizar una operación de corte, la correspondiente al ancho de la probeta. El corte de los laminados se ha realizado en una sierra de disco de polvo de diamante, la cual está instalada en una bancada que cuenta con diversos accesorios. Dichos accesorios consisten en: una bandeja deslizable, la parte móvil que ejecuta el movimiento de avance durante el mecanizado; un pie de rey debidamente calibrado, mediante el cual se mide el grosor que se va a cortar; y finalmente sobre la bandeja hay dispuesta una escuadra, cuya parte inferior es solidaria a la bandeja y la parte lateral se mueve según lo que mande el calibre, garantizando en todo momento la perpendicularidad. Se procede finalmente al corte de las probetas según la geometría específica que se requiera para cada ensayo, teniendo especial cuidado en que el movimiento de corte sea suave y continuo, de forma que queden bordes sin rugosidades ni defectos y manteniendo el ancho de todas las probetas uniforme. A medida que se cortan los paneles, conviene ir numerando las probetas obtenidas para conocer la disposición de estas en el panel original. Esto es especialmente útil a la hora de poder detectar defectos que puedan aparecer durante el proceso de fabricación. Por ejemplo, si apareciera un poro en la probeta 4 de un determinado panel, se deberá tener especial cuidado con las probetas contiguas a esta, la 3 y la 5. Una vez identificadas las probetas, se deberá proceder al uso de ciertas técnicas de ensayos no destructivos, como por ejemplo los ultrasonidos, que permiten detectar posibles defectos en el interior del material. Figura 7: Detalles del curado del adhesivo de los tacos. 13 PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS n este capítulo se mostrarán todas las preparaciones necesarias que hay que realizar a cada tipo de probeta con el objetivo de agilizar/mejorar la obtención de datos. Se ha decidido separar estas preparaciones del proceso de fabricación de probetas debido a que no pertenecen a dicho proceso per se. A diferencia del proceso anterior, el cual era similar para todos los laminados, aquí se deben hacer una serie de operaciones específicas en función del tipo de probeta o ensayo a realizar. 3.1 Preparaciones para las probetas destinadas a caracterización. Esta sección engloba el conjunto de operaciones que se han realizado para la totalidad de las probetas que van a participar en la caracterización del material, las cuales se dividen en: • Probetas de 0º de tracción. • Probetas de 90º de tracción. • Probetas de 0º de compresión. • Probetas de 90º de compresión. • Probetas de ±45º de cortadura. Las preparaciones que se van a realizar en cada tipo de probeta son similares entre si, consistiendo principalmente en la colocación de galgas extensométricas, así como establecer el conexionado de dichas galgas mediante cables con la fuente de obtención de datos. La principal diferencia entre probetas consiste en el tipo de galga que se va a colocar y el número de pines que se deben soldar para establecer el canal de comunicación. 3.1.1 Equipo utilizado. Para proceder al pegado de galgas se necesitan una serie de herramientas y materiales que se detallan a continuación: • Pinzas metálicas. • Papel de lija. • Iso-propanol. • Papel. • Cinta adhesiva. • Pie de rey. • Adhesivo Z-70. • Cables con pines de conexión. • Pelacables. • Material decapante. • Rollo de estaño. • Estación de soldadura para estaño. Además, es recomendable seguir una serie de recomendaciones y preparaciones previas a la preparación de la galga: • Disponer de una superficie plana y lisa, la cual debe ser limpiada regularmente. E Preparación de las probetas 14 14 • Utilizar un flexo regulable durante la colocación de la galga y la soldadura de los cables a la misma, debido a la gran exigencia visual de ambas tareas. • Pegar varias galgas simultáneamente y soldarlas posteriormente, en vez de pegarlas y soldarlas de una en una. Esto permite aprovechar al máximo el tiempo de trabajo y dar tiempo suficiente a que se seque el adhesivo. 3.1.2 Proceso de pegado de una galga extensiométrica. A continuación, se va a detallar la metodología a seguir para poder colocar, pegar a la probeta y realizar el conexionado de una galga extensiométrica, dejando para los siguientes apartados las peculiaridades de cada tipo de probeta. Este proceso consta de los siguientes pasos: • Lijado de la zona de la probeta donde se emplazará la galga. • Se procede a marcar el emplazamiento de la galga en la probeta, la cual debe estar lo más centrada posible. • Después se limpia el puesto de trabajo con papel e isopropil para que los restos de fibra de carbono de la probeta no se adhieran a la superficie de la galga o a la de la cinta adhesiva. • Se corta un trozo de cinta adhesiva y se coloca la galga en el puesto de trabajo y se pega la galga adhiere intentando que este apenas toque la mesa, para no adherir posible polvo o succiedad al fiso. Se coloca la galga aprovechando las marcas que se han realizado en la probeta y las propias marcas que tiene la galga. • Se pega la galga a la probeta. • Se aplica presión con los dedos 15-20 segundos y se deja reposar el adhesivo unos 20 minutos para que se seque. • Una vez se ha secado el adhesivo, se retira la cinta adhesiva con cuidado y se comprueba si la galga se ha pegado adecuadamente. • Se lija suavemente mediante un pincel de fibra de vidrio los pines de la galga para facilitar la tarea de soldadura en ellos. • Se procede a preparar los cables y estañarlos para conexionarlos a la galga. • Se sueldan los cables a los pines de la galga. • Una vez se han soldado todos los cables, se comprueba que estos han quedado bien soldados y no se van a soltar, y a continuación se comprueba mediante un voltímetro que el conexionado es correcto. 3.1.3 Probetas de 0º de tracción. Las galgas empleadas han sido de 4 pines, que es equivalente a 2 galgas colocadas a 0º y 90º. Con estas galgas se puede obtener E11 y 𝜈12. 3.1.4 Probetas de 90º de tracción. Las galgas empleadas han sido de 2 pines, que permiten obtener E22. 15 3.1.5 Probetas de 0º de compresión. Debido a que finalmente se han utilizado exclusivamente para calcular Xc, no ha sido necesario emplear galgas extensiométricas en estas probetas. 3.1.6 Probetas de 90º de compresión. Debido a que finalmente se han utilizado exclusivamente para calcular Yc, no ha sido necesario emplear galgas extensiométricas en estas probetas. 3.1.7 Probetas de ±45º de cortadura. Las galgas empleadas han sido de 4 pines, que es equivalente a 2 galgas colocadas a 0º y 90º. Con estas galgas se obtiene G12. 3.2 Preparaciones para las probetas destinadas al estudio a fatiga. Esta sección engloba el conjunto de operaciones que se han realizado para la totalidad de las probetas que van a participar en el estudio a fatiga del material, las cuales se han obtenido de un laminado [04/90/04] donde las capas de 0º están formadas del material mencionado de 150 g/m2 mientras que la capa de 90º es de 30 g/m2. Las preparaciones que se deben realizar a todas estas probetas son similares entre sí, las cuales se resumen básicamente en lijar y pulir uno de los bordes libres de las probetas para poder observarlos en un microscopio y obtener micrografías lo suficientemente claras. 3.2.1 Equipo utilizado. Para el proceso de pulido y lijado se ha empleado: • Un equipo de esmerilado y pulido de la marca StruersTM bajo la denominación LaboPol-5. Se trata de un equipo de lijado orientado a probetas encapsuladas, motivo por el cual se ha tenido que añadir una especie de “bancada artesanal” que permite el lijado de probetas de las dimensiones aquí tratadas. Esto añade la dificultad de tener que realizar el proceso de lijado y pulido de manera manual, sin el soporte que pueda ofrecer el equipo. • Un dosificador automático de StruersTM bajo la denominación LaboDoser. Este permite configurar el dosificado de los diferentes líquidos que participan en el proceso, en concreto la de aquellos líquidos necesarios en el proceso de pulido, además del tiempo de funcionamiento ininterrumpido del equipo Labopol-5. • Una bancada auxiliar que consta de dos vigas metálicas dispuestas arriba y abajo del equipo de pulido, unidos entre si por unos tornillos en ambos extremos, fijándolos entre sí y al equipo. Finalmente se colocan 3 piezas metálicas en forma de U, de forma que el extremo trasero queda fijo con tornillos, y por la parte superior se vuelven a colocar otros tornillos que vuelven a fijar, mientras que en la parte delantera se coloca la probeta a lijar, y se ajusta con otros tornillos de forma que quede a gusto de la persona encargada de lijar. De estos tres tornillos, el izquierdo y el derecho coinciden con la posición de los tacos de la probeta, mientras que el central coincide aproximadamente con el centro de esta. • Tacos de fibra de vidrio del ancho de la probeta. Se colocan en la cara trasera, la que queda en contacto con la viga metálica, mediante un fiso, al igual que en la delantera que contactará con los tornillos de la bancada. Su objetivo es evitar que se produzca una flexión durante el apretado del tornillo central, protegiendo la probeta de daños a nivel microscópico que puedan aparecer debido a esto. • Microscopio Binocular modelo Eclipse MA100, del fabricante NikonTM. Con él se ha verificado el resultado final del proceso de lijado y pulido. Es utilizado junto con una cámara de fotografías, modelo Infinity 2 del fabricante Lumenera CorporationTM, y un software para microscopía denominado Perfect Image, perteneciente a la empresa Clara VisionTM. Preparación de las probetas 16 16 3.2.2 Proceso de lijado y pulido Las probetas que quedan aquí recogidas requieren una mayor preparación que las tratadas anteriormente. Esto es principalmente debido a que se deben realizar micrografías a la capa de 90º para poder observar detalladamente a nivel microscópico la fenomenología derivada tras la aplicación de carga cíclica. Esto deriva en la necesidad de una calidad muy alta durante el proceso de lijado y pulido, por lo que es necesario un proceso constante de prueba y error hasta encontrar la secuencia de lijado y pulido óptima para el material fabricado en concreto. En este proceso son muchas las variables que entran en juego para poder obtener el resultado deseado. Dos de las principales variables consisten en el tipo de paño de lijado/pulido a emplear y el tiempo total que se emplea para cada paño. La principal dificultad de este proceso, sin embargo, consiste en el factor humano que entra en juego, debido a que este proceso de lijado y pulido se realiza de manera manual. Factores como la fuerza a aplicar, la cual se puede ver afectada por la mano dominante de la persona encargada, así como la capacidad de la persona de mantener dicha fuerza constante a lo largo de lo que dure cada paso del proceso, y la aplicación de la fuerza siempre perpendicular al plano del disco de lijado, dificultan la obtención de un resultado similar en todas las probetas que deban ser preparadas. La técnica empleada para el lijado de las probetas se repite en los distintos pasos del ciclo, y consta de las siguientes operaciones: • Selección del paño de lijado/pulido que se necesite. Una vez se comprueba que el paño esté en buen estado, este se coloca en el equipo de trabajo. • Se configuran ahora los principales parámetros del paso del ciclo que se vaya a utilizar, como la velocidad de giro del plato y el tiempo de trabajo ininterrumpido que se considere oportuno. Se comprueba que el líquido a utilizar fluya correctamente, ya sea agua o un líquido específico. • Se coloca la probeta en la bancada artesanal dispuesta para sujetarla. Se tiene mucho cuidado al introducir la probeta de que esta no toque y se arrastre con el paño, se fija adecuadamente a la bancada auxiliar y se comienza el paso de lijado/pulido que toque realizar. • Una vez acabado el paso de lijado, se retira la probeta y se procede a limpiar el borde trabajado con agua, eliminando los restos de líquidos o de la propia probeta que puedan quedar adheridos a esta. Se procede a retirar el paño utilizado y a colocar el siguiente que vaya a ser utilizado. Los diferentes ciclos de lijado y pulido empleados se recogen a continuación: Tabla 2: Prueba 1 de ciclo de lijado y pulido. Paso Disco Líquido Tiempo (min) Velocidad (rpm) 1 220 Agua 2 300 2 320 Agua 3 300 3 500 Agua 3 300 4 1200 Agua 3 300 5 MD-Largo DiaPro Allegro/Largo 9𝜇m 6 150 6 MD-Nap DiaPro Nap 1𝜇m 4 150 17 Tabla 3: Prueba 2 de ciclo de lijado y pulido. Paso Disco Líquido Tiempo (min) Velocidad (rpm) 1 220 Agua 2 300 2 320 Agua 3 300 3 500 Agua 3 300 4 800 Agua 3 300 5 1200 Agua 3 300 6 MD-Largo DiaPro Allegro/Largo 9𝜇m 6 150 7 MD-Nap DiaPro Nap 1𝜇m 4 150 Tabla 4: Prueba 3 de ciclo de lijado y pulido. Paso Disco Líquido Tiempo (min) Velocidad (rpm) 1 320 Agua 5 300 2 500 Agua 3 300 3 1200 Agua 5 300 4 MD-Largo DiaPro Allegro/Largo 9𝜇m 6 150 5 MD-Dac DiaPro Dac 3𝜇m 5 150 6 MD-Nap DiaPro Nap 1𝜇m 5 150 Tabla 5: Prueba 4 de ciclo de lijado y pulido. Paso Disco Líquido Tiempo (min) Velocidad (rpm) 1 320 Agua 5 300 2 500 Agua 3 300 3 800 Agua 3 300 4 1200 Agua 5 300 5 MD-Largo DiaPro Allegro/Largo 9𝜇m 6 150 6 MD-Dac DiaPro Dac 3𝜇m 5 150 7 MD-Nap DiaPro Nap 1𝜇m 5 150 Preparación de las probetas 18 18 El proceso aquí explicado se emplea para encontrar el ciclo de lijado/pulido que mejor se adapte al material. Son numerosas las iteraciones a realizar en busca de este ciclo, ya que hay una gran cantidad de factores que se pueden variar de un paso a otro, como se ha comentado anteriormente. Una vez se ha encontrado dicho ciclo, el proceso a emplear es el mismo que se ha explicado previamente, con la excepción de que entre paso y paso de lijado/pulido el número de probetas aumenta. En este trabajo se ha encontrado el equilibrio óptimo entre carga de trabajo y el número de probetas a trabajar en el entorno de 4-5 probetas, una vez se ha encontrado el ciclo óptimo. Considerando que el tiempo promedio del proceso completo para una probeta es de alrededor de 1 hora (incluyendo leves pausas para descansar). Por esto, con este número de probetas, en un tramo de unas 5-6 horas, se podrían tener las probetas listas. Una vez se ha finalizado este proceso, se procede finalmente a una inspección visual en microscopio óptico del estado del borde libre de las probetas, corroborando que la muestra se puede observar correctamente al microscopio. También es importante recalcar la importancia del ancho de las probetas, el cual se va a ir reduciendo a medida que se vaya realizando el proceso de lijado/pulido. Es importante que todas las probetas que se vayan a ensayar tengan un ancho similar entre sí mismas, ya que en caso de que esto no sea así, no cumplirían las recomendaciones dadas por ASTM D3039/D3039M-14. 3.2.3 Pegado de galgas extensiométricas para caracterizar el laminado [04/90/04]. Finalmente es necesario realizar una caracterización similar a la que se va a realizar al material de 150 g/m2, si bien es cierto que solo es necesario que se caractericen 5 probetas de manera similar a como se procederá en los ensayos de tracción de 0º del material anteriormente mencionado. Este punto será comentado más en detalle en el capítulo 5. El proceso de pegado de galgas es idéntico al explicado anteriormente, y las galgas extensiométricas empleadas son las mismas que las utilizadas en las probetas de 0º de tracción. 19 4 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL NTPT THINPREG 402. n este capítulo se van a recoger los resultados y conclusiones obtenidas de la caracterización del material de 150 g/m2. así como se van a introducir los equipos y la instrumentación empleada durante esta tarea. Habiéndose realizado las preparaciones previas explicadas en el capítulo anterior, las únicas tareas que quedan por realizar son las correspondientes a las diferentes configuraciones a adoptar relativas al ensayo que se vaya a realizar, las cuales se consiguen en función del utillaje que se decida colocar. 4.1 Equipo utilizado. El equipo de laboratorio empleado en caracterizar las probetas fabricadas a partir del material NTPT Thinpreg 402 consta de: • Máquina Universal de Ensayos Estáticos Instron 4482. • Célula de carga de ±100 kN. • Célula de carga de ±5 kN. • Mordazas de agarre plano (empleado en la caracterización de los laminados de 90º a tracción). • Mordazas tipo cuña (empleado en la caracterización de los laminados de 0º a tracción y ±45º). • Plato de compresión. • Utillaje de compresión. 4.2 Ensayo de tracción a 0º. Para la caracterización de las probetas de 0º se ha utilizado la configuración mostrada en la Figura 8. Durante este ensayo se produce una rotura explosiva de la probeta, convirtiéndose la probeta en multitud de fragmentos. Por este motivo, es muy importante tomar una serie de precauciones. En primer lugar, se debe cubrir la zona del ensayo con una mampara de metacrilato que permita observar la realización del ensayo de manera segura, debido a que estos fragmentos se desprenden a grandes velocidades y pueden causar lesiones graves. Y, en segundo lugar, al terminar, es muy importante limpiar los restos de fibra que queden en la máquina entre probeta y probeta para evitar que estos se introduzcan en la máquina de ensayos, pudiendo averiarla. E 20 20 Se han caracterizado un total de 5 probetas para poder obtener E11, 𝜈12 y Xt, mostrándose los resultados en la siguiente tabla: Tabla 6: Datos propiedades de resistencia en ensayo a tracción 0º. Probeta Ancho (mm) Espesor (mm) Carga última (kN) Xt (MPa) T0_1 14,90 1,04 28,14 1915,68 T0_2 14,85 1,06 26,20 1664,60 T0_3 14,80 1,06 29,90 1905,97 T0_4 14,90 1,06 29,09 1841,63 T0_5 15,00 1,05 30,10 1910,93 Los resultados mostrados en esta tabla permiten calcular Xt así como la desviación típica de la muestra y el coeficiente de variación, garantizando que los resultados obtenidos en las diversas probetas tienen una dispersión dentro de lo establecido. Dichos valores son de: Tabla 7: Resultados propiedades de resistencia en ensayo a tracción 0º. Valor medio Xt  (MPa) Desviación típica (MPa) Coeficiente de variación (%) 1827,76 99,99 5,47 Figura 8: Configuración empleado en la caracterización de probetas a 0º. 21 Para el cálculo de E11 y 𝜈12, la norma ASTM D3039-D3039M_14 establece que se deben tomar los valores correspondientes para el cálculo de dicha propiedad en dos puntos, el primero a 1000 𝜇𝜀 y último a 3000 𝜇𝜀. En la siguiente tabla se muestran los valores medidos en los puntos registrados más próximos a estos: Tabla 8: Valores medidos en propiedades de rigidez en ensayo a tracción 0º. Probeta Ancho (mm) Espesor (mm) 𝜀11 (𝜇𝜀) F (kN) 𝜎 (MPa) E11 (GPa) 𝜀22 𝜈12 T0_1 14,90 1,04 1000,12 1,60 103,51 102,02 -376,44 0,37 T0_1 14,90 1,04 3003,32 4,75 306,4 -1120,28 T0_2 14,85 1,06 1012,72 1,51 96,04 93,37 -300,96 0,29 T0_2 14,85 1,06 3009,04 4,45 282,44 -880,44 T0_3 14,80 1,06 998,61 1,72 109,93 105,09 -383,25 0,36 T0_3 14,80 1,06 3005,03 5,03 320,79 -1101,22 T0_4 14,90 1,06 1005,8 1,77 111,86 109,69 -235,52 0,23 T0_4 14,90 1,06 3001,9 5,22 330,81 -697,78 T0_5 15,00 1,05 999,08 1,67 106,01 104,03 -323,12 0,31 T0_5 15,00 1,05 3004,86 4,96 314,66 -949,23 El valor medio, la desviación típica y el coeficiente de variación para cada una de estas propiedades de rigidez del material se recogen a continuación: Tabla 9: Resultados en las propiedades de rigidez ensayadas en ensayo a tracción 0º. Propiedad Valor medio Desviación típica Coeficiente de variación (%) E11 (GPa) 102,84 5,99 5,82 𝜈12 0,31 0,06 17,57 Para poder visualizar adecuadamente los resultados obtenidos, la Gráfica 1 muestra como se han producido los ensayos: 28 28 Para poder visualizar adecuadamente los resultados obtenidos, la Gráfica 3 muestra como se han producido los ensayos: 4.6 Ensayo de cortadura a ±45º. La configuración utilizada durante el ensayo de cortadura es idéntica a la empleada durante en ensayo de tracción de 0º (Figura 8). Se han caracterizado un total de 5 probetas para poder obtener G12. Las condiciones del ensayo van acorde a la norma UNE-EN ISO 14129, mostrándose los resultados a continuación: Gráfica 3: Ensayos de compresión a 90º. 29 Tabla 16:Valores medidos en propiedades de rigidez en ensayo a cortadura ±45º Probeta Ancho (mm) Espesor (mm) 𝜀11(𝜇𝜀) 𝜀22(𝜇𝜀) 𝛾12(𝜇𝜀) F (N) 𝜏12(MPa) G12(GPa) T45_1 24.72 2.04 563,20 -417,31 980,51 381,81 3,79 3,09 T45_1 24.72 2.04 2866,96 -2124,18 4991,14 1632,38 16,18 T45_2 24.57 2.04 554,98 -438,45 993,43 418,69 4,18 3,33 T45_2 24.57 2.04 2806,31 -2201,41 5007,72 1756,97 17,53 T45_3 24.56 2.03 573,21 -409,46 982,67 429,19 4,30 3,42 T45_3 24.56 2.03 2915,53 -2079,44 4994,97 1799,15 18,04 T45_4 24.46 2.05 536,68 -451,48 988,16 434,48 4,33 3,34 T45_4 24.46 2.05 2744,91 -2262,65 5007,56 1782,48 17,77 T45_5 24.55 2.02 565,89 -420,4 986,29 400,25 4,04 3,21 T45_5 24.55 2.02 2872,68 -2135,46 5008,14 1682,42 16,96 Calculando nuevamente el valor medio, así como la desviación típica y el coeficiente de variación: Tabla 17: Resultados en las propiedades de rigidez ensayadas en ensayo a cortadura ±45º. Valor medio G12      (GPa) Desviación típica (GPa) Coeficiente de variación (%) 3,28 0.13 3,94 Para poder visualizar adecuadamente los resultados obtenidos, la Gráfica 4 muestra como se han producido los ensayos: 30 30 Finalmente, se muestran las probetas tras ser ensayadas en la Figura 14: Figura 14: Probetas de ±45º tras ser ensayadas. Gráfica 4: Ensayos de cortadura a ±45º. 31 ESTUDIO A FATIGA DE LAMINADO CROSS-PLY USANDO LÁMINA ULTRADELGADA EN CAPA DE 90ᵒ VARIANDO EL NIVEL DE CARGA n este capítulo se encuentra el grueso del trabajo realizado a lo largo de los meses en los que se ha realizado este Trabajo Fin de Grado. Todo lo que se ha expuesto hasta este capítulo ha consistido en una serie de procesos que se utilizan de manera continua en la industria aeronáutica. Sin embargo, el contenido que se recoge en este apartado es pionero, ya que prácticamente no se están realizando de manera extendida estudios a fatiga en materiales compuestos con láminas ultradelgadas, lo que inevitablemente ha aladido dificultad a la realización del trabajo. Debido a esto también se ha visto afectada la metodología de trabajo. Esta se puede resumir a grandes rasgos en ciclar la probeta en una máquina universal de ensayos dinámicos un número determinados de ciclos a un cierto nivel de carga, y observar que ocurre en la capa de 90º en el microscopio óptico. Es cierto que la parte referente a la utilización de la máquina de ensayos apenas ha variado durante la realización de este trabajo, salvo en aquellas probetas en las que se han superado los 10000 ciclos, en las cuales se ha variado la frecuencia del ensayo de 1 a 3 Hz, para agilizar la realización de los ensayos. Sin embargo, la técnica empleada para visualizar y analizar los resultados obtenidos ha sufrido diversas transformaciones. Esto ha resultado, entre muchas otras consecuencias, que en función del nivel de carga que se esté utilizando, el número de ciclos que haya sufrido la probeta, o el detalle al que se quiera analizar lo que ocurre en la capa de 90º, el tiempo que se emplea en recorrer con ayuda del microscopio óptico la capa completa de 90º varíe desde 1h hasta en ocasiones en el que se han tenido que emplear tramos de 5-6 h. Más adelante se comentará en detalle como se ha realizado la obtención de datos a partir de las micrografías obtenidas. 5.1 Equipo utilizado. • Microscopio Binocular modelo Eclipse MA100, del fabricante NikonTM. Es utilizado junto con una cámara de fotografías, modelo Infinity 2 del fabricante Lumenera CorporationTM, y un software para microscopía denominado Perfect Image, perteneciente a la empresa Clara VisionTM. • Máquina Universal de Ensayos Dinámicos Instron 8802 250kN. • Sistema de réplicas RepliSet del fabricante StruersTM. 5.2 Preparaciones previas al estudio a fatiga. El principal parámetro que se va a variar en este estudio es el porcentaje de carga aplicada, siendo el 100% el equivalente a la carga máxima a rotura que soporta el laminado. Por este motivo, hay que caracterizar el material a tracción de manera similar a cómo se ha detallado en el capítulo anterior. Únicamente es necesario realizar este tipo de ensayo debido a que en el ciclo de carga no se van a emplear en ningún momento cargas de compresión, pero en caso de que se realicen otros ciclos de carga más complejos, que compaginen cargas de tracción-compresión, sería necesario ampliar la caracterización previa al estudio. Para caracterizar el laminado cross-ply [04/90/04] se han empleado 5 probetas. En estas probetas se han vuelto a colocar galgas extensiométricas de manera similar a como se hizo en el ensayo de 0º de tracción, pudiéndose determinar E11 y 𝜐12, aunque el objetivo es determinar únicamente la carga máxima a tracción del laminado. Para determinarla, se han ensayado estas probetas hasta ocasionar la rotura de las probetas. Debido a que la gran mayoría de láminas del laminado están orientadas a 0º, es necesario utilizar la misma configuración empleada E Estudio a fatiga de laminado cross-ply usando lámina ultradelgada en capa de 90ᵒ variando el nivel de carga 32 32 en el ensayo de tracción de 0º de la caracterización, debido a que la rotura va a estar dominada por la rotura explosiva de las capas de 0º, tal y como se muestra en la Figura 15. En la Figura 16 se muestran las 5 probetas ensayadas, así como la rotura ocasionada en cada una de ellas. Figura 15: Rotura del laminado [04/90/04] Figura 16: Probetas ensayadas en la caracterización del laminado [04/9004] 33 5.3 Metodología de trabajo y obtención de datos. Como se ha comentado anteriormente, la manera de obtener y analizar los resultados ha ido evolucionando de manera continua a medida que se ha ido obteniendo más experiencia y se han ido analizando más probetas. Para poder explicar bien como se ha procedido, es importante introducir en primer lugar qué es lo que puede aparecer a priori en las probetas a analizar, con el objetivo de poder identificar los diferentes tipos de daños que aparezcan unívocamente. 5.3.1 Probetas seleccionadas para el estudio y niveles de carga seleccionados. • Probeta 1: 60% de la carga máxima obtenida en la caracterización del laminado. • Probeta 2: 30% de la carga máxima obtenida en la caracterización del laminado. • Probeta 3: 20% de la carga máxima obtenida en la caracterización del laminado. Se recuerda las siguientes condiciones de carga a fatiga aplicadas mediante una curva senoidal con un ratio de carga 0.1 y una frecuencia de 1 a 3 Hz. El ratio de carga se define como el cociente entre fuerza mínima aplicada y fuerza máxima aplicada. 5.3.2 Tipología de daños. En este subapartado se van a presentar los principales tipos de daños detectados durante el estudio a fatiga del material, además de la nomenclatura utilizada para referenciarlos. Estos daños son: • ID (Isolated Debonds): Hace referencia a despegues aislados entre fibra y matriz de manera no continuada (Figura 17). Figura 17: Definición daño ID. Estudio a fatiga de laminado cross-ply usando lámina ultradelgada en capa de 90ᵒ variando el nivel de carga 34 34 • ICD (Isolated-Continued Debonds): Hace referencia a despegues entre fibra y matriz de manera aislada y continua (Figura 18). • GTD (Generalized Transverse Damage): Hace referencia a un conjunto de despegues entre fibra y matriz que forman un camino continuo que atraviesa entre interfases 0º/90º (Figura 19). Figura 18: Definición Daño ICD. Figura 19: Definición Daño GTD. 35 • GTDK (Generalized Transverse Damage + Kinking): Hace referencia a un GTD en el que sus despegues están unidos entre sí mediante un kinking, es decir, mediante una unión entre despegues a través de la matriz (Figura 20). • LD (Longitudinal Debonds): Hace referencia a despegues aislados entre fibra y matriz de manera continuada, apareciendo estos despegues de manera longitudinal a la capa de 90º (Figura 21). Figura 20: Definición Daño GTDK. Figura 21: Definición Daño LD. Estudio a fatiga de laminado cross-ply usando lámina ultradelgada en capa de 90ᵒ variando el nivel de carga 36 36 • DT (Delamination Trace): Hace referencia a despegues aislados entre fibra y matriz presentes en las interfases 0º/90º, apareciendo estos despegues de manera longitudinal a la carga aplicada al lado de un GTD o ICD previo (Figura 22). • DL (Delamination): Daño que aparece cuando existe grieta de separación atravesando las interfases 0º/90º (Figura 23). 5.3.3 Proceso de visionado de la capa de 90º. Este ha sido uno de los aspectos que más ha variado dentro del estudio a fatiga que se ha realizado. Al igual que sucedía con el proceso de lijado y pulido, este proceso es altamente subjetivo para la persona encargada de la tarea. También es importante recalcar el hecho de que en función del nivel de carga que se vaya a emplear, esta metodología puede cambiar para poder realizar el visionado acorde a los resultados que aparezcan. Para la identificación y registro de daños de todas las probetas se ha procedido clasificando en primer lugar el tipo de daño según lo expuesto en el apartado anterior, registrando a continuación el emplazamiento del daño en la probeta, con el principal motivo de poder encontrarlo fácilmente en revisiones posteriores y poder observar su evolución. Finalmente, se le da un nombre al daño encontrado, habiéndose utilizado una designación numérica en este trabajo para poder referenciarlos, de la forma DX, siendo X el número característico de este daño. El orden cronológico en el que se han visionado las probetas se muestra a continuación: • Probetas 1 y 2 de manera simultánea (hasta la rotura desafortunada de la probeta 2). • Probeta 1 en solitario mientras se preparaba la probeta 3 en el ciclo de lijado/pulido. • Probeta 1 y 3 de manera simultánea. En el caso de la probeta 2, debido a que el nivel de carga es relativamente bajo, el número de daños que van apareciendo en la probeta es pequeño, motivo por el cual se realizan paradas con una identificación más detallada Figura 22: Definición Daño DT. Figura 23: Definición Daño DL. 37 de los daños. Esto permite también, a medida que aumentan los ciclos, obtener micrografías de cada uno de los daños registrados sin invertir una cantidad de tiempo excesiva en ello. La probeta 1 se visionaba paralelamente a la probeta 2, motivo por el cual durante los primeros tramos se siguió el mismo proceso que en el caso de la probeta 2. Sin embargo, debido a que la carga empleada en la probeta 1 es considerablemente superior a la empleada en la probeta 2, el número de daños que han aparecido en esta es significativamente superior. El número de estos ha llegado a exceder el millar, por lo que resulta evidente que es imposible seguir un registro detallado de cada daño. Por este motivo, a raíz de que el número de daños excediera la centena y media aproximadamente, se decidió dejar de asignar nuevos nombres a los nuevos daños que aparecieran, procediendo en su lugar exclusivamente a realizar un conteo de cada tipo de daño existente en la probeta. Al haber llegado a tal número de daños, éstos se han propagado de manera uniforme a lo largo de la probeta, habiéndose obtenido numerosas micrografías que detallasen la evolución de estos. Por este motivo, también se dejó de realizar micrografías de manera general a cada daño, realizándose solo en aquellos que mostrasen una evolución muy destacable o que provengan de algún nuevo mecanismo de daño (por ejemplo, posibles delaminaciones). En el caso de la probeta 3, esta se planificó de manera distinta a como se hizo con las dos probetas anteriores, siendo su carga equivalente al 20% de la carga máxima a tracción. La principal diferencia con respecto a sus anteriores es que se le realiza un visionado completo de la probeta antes de empezar a ciclarla. Esto es debido a varias observaciones realizadas en las probetas anteriores que parecen indicar que se produce un daño previo a la puesta en carga de la probeta, posiblemente como consecuencia del ciclo de curado o lijado y pulido (se hablará más delante de esta cuestión). Por este motivo, se decide realizar micrografías a aquellas zonas donde se perciba la más mínima indicación de un posible daño, así como de las zonas más próximas, realizando un número elevado de micrografías intencionadamente, ascendiendo a 438 en el primer visionado. Esto ha conllevado que aproximadamente un 70% de la longitud de la probeta ha sido fotografiada sin haber recibido ningún ciclo de carga. Si bien esto ha supuesto una inversión considerable respecto del número de horas que se tarda en realizar el primer visionado (aproximadamente 8 horas), esta ha resultado rentable a la hora de identificar nuevos daños que apareciesen a medida que avanzacen los incrementos de ciclo de carga. 5.4 Resultados obtenidos. En esta sección se va a exponer en detalle los diferentes resultados que se han ido obteniendo. De manera similar a cómo se ha realizado en el apartado anterior, la exposición de los resultados será en orden cronológico, permitiendo verificar las mejoras que se han ido añadiendo al proceso de visionado y cómo han afectado en la obtención de resultados. Antes de empezar, es importante recordar el objetivo que pretende alcanzar este estudio a fatiga en el laminado de láminas ultradelgadas. Este objetivo se centra fundamentalmente en obtener resultados con los que poder verificar en estudios posteriores si el fenómeno conocido como efecto escala está latente no únicamente bajo carga estática, sino también bajo carga cíclica. Por esto se registrará exhaustivamente la aparición de los daños en las probetas, siendo de especial interés conocer cómo evolucionan los daños que aparezcan, así como su morfología. 5.4.1 Probeta 2. La principal carácterística de esta probeta es la de una aparición de daños y evolución de estos de manera pausada y progresiva. Esto parece ser debido principalmente a nivel de carga empleado en ella, el 30% de la carga máxima a tracción. El historial de ciclos realizados a esta probeta se recoge en la Tabla 18. Estudio a fatiga de laminado cross-ply usando lámina ultradelgada en capa de 90ᵒ variando el nivel de carga 44 44 Finalmente, es interesante enseñar dos fenómenos similares entre sí, pero con las diferencias suficientes como para ser tradados separadamente. Ambos fenómenos consisten en la aparición de despegues que aparecen longitudinalmente respecto a la dirección de la carga en vez de transversalmente, como todos los daños mostrados hasta ahora, sumado al hecho de que estos aparezcan en la interfase entre la capa de 0º y 90º. Estos daños aparecen recogidos en la Gráfica 5 y se muestran en la Figura 30, mostrando el D24 en el caso de la imagen superior y un daño sin haber sido contado en el caso de la imagen inferior, que se ha decidido dejar sin clasificar bajo la denominación de “marca de onda” debido a las marcas en forma de “onda” que aparecen encima de la fibra. Como se ha comentado, la principal diferencia en la aparición de estos despegues longitudinales radica en su origen: • En el caso de la imagen superior, este daño es el que se ha denominado como DT, lo cual supone el indicio de una posible delaminación futura. Es interesante que este daño suela aparecer entre dos daños transversales lo suficientemente grande, como un ICD lo suficientemente desarrollado, o sobre todo GTDs. En la probeta 1 se analizará este tipo de daño, así como sus implicaciones más en detalle. • En el caso de la imagen inferior, aunque los despegues han aparecido a un número de ciclos superior a 1000, existe constancia de que las denominadas “marcas de onda” están presente desde momentos previos a la aplicación de carga en la probeta. El origen de estas marcas está en evaluación por parte del GERM, ya que se barajan las posibilidades de que pudiesen deberse a esfuerzos térmicos de curado o al proceso de lijado y pulido, entre otros. Se analizarán más aspectos de este tipo de marcas en la probeta 1 y, sobre todo, en la probeta 3. Estos daños, a pesar de ser longitudinales, son distintos del daño longitudinal denominado LD, el cual ha llegado a aparecer en esta probeta de manera minoritaria a partir de un número de ciclos relativamente alto (a partir de ∆N5). Un ejemplo de este daño queda recogido en el D11 (Figura 31). Figura 30: Daños longitudinales en la interfase de la capa de 90º. 45 5.4.2 Probeta 1. A diferencia del caso anterior, en este espécimen han aparecido daños importantes desde el primer ciclo, e incluso, como se ha comentado previamente, llegando a apreciar un sonido similar al de un chasquido durante el primer ciclo de carga, indicativo de daño en la capa de 90º. Esto es debido principalmente a que el nivel de la carga empleado en la probeta es del 60% de la carga máxima a tracción. El historial de ciclos de la probeta se recoge en la Tabla 19. Como se puede observar, se ha llegado a alcanzar los 100.000 ciclos en esta probeta, lo que sumado al hecho de que el nivel de carga es del 60%, se ha alcanzado un nivel de daño bastante significativo en esta probeta. Por este motivo, esta es la primera probeta que permite obtener una primera proyección sobre como se comportan los materiales compuestos de láminas ultradelgadas bajo carga cíclica. Los primeros incrementos de ciclos son idénticos en las probetas 2 y 1; sin embargo, a partir del ∆N5, se aumenta el número de ciclos entre incremento en la probeta 1 con respecto a la 2. Esto es consecuencia directa de que el nivel de daño observado en la probeta 1 era bastante superior con respecto al de la probeta anterior, motivo por el cual se decide acelerar la progresión de estos daños aumentando el número de ciclos a emplear. Sin embargo, se han empezado a detectar cambios significativos en la tipología de los daños observados a partir del ∆N8, observándose una aparición significativa de delaminaciones que justifica el avanzar de manera más pausada para poder observar en detalle como se desarrollan estos daños. Tabla 19: Historial de ciclos de la probeta 1. x ∆Nx Ciclos 1 1 1 2 4 5 3 15 20 4 30 50 5 250 300 6 700 1000 7 2000 3000 8 7000 10000 9 5000 15000 10 15000 30000 Figura 31: Daño longitudinal D11 detectado en la probeta 2. Estudio a fatiga de laminado cross-ply usando lámina ultradelgada en capa de 90ᵒ variando el nivel de carga 46 46 De manera similar al apartado anterior se muestra la Gráfica 6 . Esta gráfica se divide en 2 gráficas (Gráfica 7 y Gráfica 8) para facilitar su comprensión, mostrando por separado daños transversales de daños longitudinales. Se van a exponer a continuación aquellos incrementos de ciclos donde el daño de la probeta sea lo suficientemente reseñable para no resultar repetitivo, así como los principales daños detectados y su evolución en el tiempo. Para ello, se ha decidido dividir el estudio realizado en esta probeta en tres etapas fundamentales: • Comportamiento inicial a fatiga, que comprende de ∆N1 a ∆N4. • Comportamiento intermedio a fatiga, que comprende de ∆N5 a ∆N6. • Comportamiento final a fatiga, que comprende de ∆N7 a ∆N10. 0 100 200 300 400 500 600 110 100 1000 10000 100000 Número de Daños Número de Ciclos ID ICD GTD LD DT DL Gráfica 6: Conteo de daños de la probeta 1. 47 0 100 200 300 400 500 600 110 100 1000 10000 100000 Número de Daños Número de Ciclos ID ICD GTD 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 110 100 1000 10000 100000 Número de Daños Número de Ciclos LD DT DL Gráfica 7: Conteo de daños transversales en la probeta 1. Gráfica 8: Conteo de daños longitudinales en la probeta 1. Estudio a fatiga de laminado cross-ply usando lámina ultradelgada en capa de 90ᵒ variando el nivel de carga 48 48 Comportamiento inicial a fatiga. ∆N𝟏 a ∆N𝟒. En este subtramo inicial de cuatro incrementos de ciclos de carga se ha llegado a superar la centena de daños registrados mediante el visionado de la capa de 90º. Durante el primer incremento de ciclos ya se pudieron registrar daños transversales de cada tipo (ID, ICD y GTD) de los tratados anteriormente, además de algunos LDs, que llegaron a aparecer incluso entre dos GTDs próximos. Una recopilación de estos daños se muestra en la Figura 32. Se puede apreciar claramente el estatus de estos daños, a diferencia de los primeros daños de la probeta anterior donde podía haber la confusión de si se trataba de un despegue o una marca del lijado. ID ICD 2 GTDs con LD en medio Figura 32: Daños registrados en ∆N1 49 Es sorprendente el hecho de que ya desde el primer incremento de ciclo se han podido observar hasta unos primeros indicios de DT, los cuales han aparecido al lado de daños transversales significativos, GTD (Figura 33). A medida que se ha ido aumentando el número de ciclos, se han sumado nuevos daños a los registrados previamente, pero lo más destacable es la rápida evolución que han sufrido estos daños, en algunos casos con un número de ciclos relativamente pequeño entre ellos. Un claro ejemplo de esto se puede apreciar en el denominado D2, que es el ICD mostrado en la Figura 32, cuya evolución se muestra en la Figura 34. Se puede observar la clara evolución de ICD a GTD a partir del ∆N3, pero lo más reseñable es cómo se ha propagado el daño hacia el borde superior de la capa de 90º por la izquierda, en forma de DT. Este comportamiento ejemplifica perfectamente la dinámica principal que ha presentado la evolución de daños en la probeta en estos estados iniciales del estudio a fatiga. Se parte de un daño inicial, los cuales suelen ser mayoritariamente ICDs o GTDs, y ha medida que aumenta el número de ciclos en la probeta, aumenta en tamaño de los despegues existentes previamente, así como comienzan a aparecer nuevos despegues próximos a estos. Además, esta sucesión de imágenes constata una de las impresiones obtenidas durante el estudio de la probeta anterior, la tendencia en los daños transversales a inclinarse. Se puede observar como en ∆N1 no hay un número suficiente de despegues como para poder afirmar en que dirección va a crecer el daño, pero a medida que el número de ciclos aumenta, el daño se propaga y los nuevos despegues aparecen mostrando una inclinación próxima a 45º con respecto a la capa de 0º. Figura 33: Primeros indicios de DT en la probeta 1. Estudio a fatiga de laminado cross-ply usando lámina ultradelgada en capa de 90ᵒ variando el nivel de carga 50 50 Este daño no es ni mucho menos el que más ha crecido durante este tramo inicial del estudio a fatiga. Mientras que en D2 el daño se puede observar en una sola micrografía, hay otros daños en los que ha sido necesario realizar una fotocomposición de varias micrografías para poder ver el alcance total del mismo. Los daños nombrados como D8 y D10 son claros ejemplos de este tipo de daños que han alcanzado una dimensión superior ∆N1 ∆N2 ∆N3 ∆N4 Figura 34: Evolución del daño D2. 51 a otros daños. El D8 ya fue presentado previamente en la Figura 32, tratándose de la micrografía con 2 GTDs y un LD en medio. La evolución de este daño se muestra en la Figura 35, marcándose en el estado final del daño el tamaño registrado inicialmente. Se puede apreciar cómo a partir del daño registrado inicialmente han aparecido otros daños transversales próximos a este, un nuevo GTD a la izquierda y un ICD a la derecha, los cuales parecen estar derivados del daño inicial mediante una serie de daños longitudinales. Estos daños se representan en la Figura 36 de manera esquemática para facilitar su comprensión. En ella, se muestra el daño inicial en el sector azul, el nuevo GTD en el sector verde, el nuevo ICD en el sector rosa, y los daños longitudinales entre ellos en los sectores naranjas. Si bien queda patente que existe una relación entre la aparición de nuevos daños transversales en conjunción con nuevos daños longitudinales, no queda claro cuál de los dos aparece primero, o si aparecen simultáneamente. En el caso del daño D10, desde su estado inicial era lo suficientemente grande como para llegar a ocupar una micrografía y media a 1000X, aumentando a un tamaño de tres micrografías a 1000X, durante ∆N4. Figura 35: Evolución del tamaño de D8 desde ∆N1(arriba) hasta ∆N3(abajo). Figura 36: Representación esquemática de la evolución de D8. Estudio a fatiga de laminado cross-ply usando lámina ultradelgada en capa de 90ᵒ variando el nivel de carga 52 52 La Figura 37 muestra como se ha propagado el daño a izquierda y derecha, apareciendo daños inclinados en ambos lados, si bien es cierto que existe una diferencia fundamental entre ambos. En el caso del daño que ha aparecido a la derecha, se puede observar cómo se ha formado un ICD muy avanzado, a falta de que se formen un despegue más para que sea considerado como GTD, además de la formación de un DT hacia la izquierda en el tramo superior de dicho ICD. Este DT se ve cómo nace del nuevo daño y va avanzando hacia al daño inicial, lo que parece indicar que en este daño en concreto la aparición de un nuevo daño transversal precede la aparición, y puede incluso llegar a motivar, la aparición de este DT. El caso que aparece a la izquierda resulta muy curioso, debido a que, a diferencia de las micrografías analizadas previamente, parece producirse la aparición de un daño longitudinal inclinado (debido a que los despegues se forman principalmente encima y debajo de la fibra, no en sus laterales. En concreto, este nuevo parece indicar la formación de un LD que va virando para encarar la intercara superior de la lámina de 90º con la lámina de 0º. 5.4.2.1 Comportamiento intermedio a fatiga. ∆N𝟓 y ∆N𝟔. A partir de estos incrementos de ciclos el seguimiento individual de cada daño, así como la obtención de micrografía de manera generalizada, ha resultado ser una tarea tediosa, debido a la cantidad de daños registrados a estas alturas. La estrategia seguida a partir de este punto ha consistido en el conteo de los daños registrados, clasificados según su tipología. Eso sí, se han realizado micrografías a aquellos daños que han resultado de especial relevancia. Por este motivo, se va a comentar las impresiones generales que se han obtenido del visionado de la probeta en ambos incrementos, así como se van a enseñar las micrografías obtenidas. Durante en ∆N5 el número de daños registrado alcanza el medio millar, llegando a superar durante el ∆N6 los 750 daños contados. Si bien es cierto que el número de daños es muy elevado, estos se concentran, una vez más, en los bordes de la probeta, en las zonas más próximas a los tacos, así como en el centro de esta. En lo referente a las capas de 0º, se han empezado a observar algunas pequeñas roturas puntuales en la fibra, pero no son lo suficientemente numerosas como para resultar significativas. Durante este tramo del estudio a fatiga de la probeta, no ha llegado a aparecer un daño de diferente tipología a los tratados anteriormente, pero sí que ha servido para asentar una de las principales impresiones obtenidas durante el tramo anterior. Esta corresponde a la dinámica que ha seguido la propagación de daños en la probeta. Durante estos ciclos parece que el mecanismo de daño principal ha consistido en la evolución de los daños transversales hacia ICDs muy desarrollados, y mayoritariamente, GTDs, los cuales se unen entre si mediante daños longitudinales, principalmente DTs. Figura 37: Evolución del tamaño de D10 desde ∆N1(arriba) hasta ∆N4(abajo). 53 Esto se puede constatar en las 2 figuras que se van a mostrar a continuación: En la Figura 38, se observa cómo este mecanismo tiene lugar a partir de una serie de daños transversales (marcados en verde) que se unen entre sí a través de daños longitudinales (marcados en naranja). Estos daños longitudinales no tienen por qué ser exclusivamente DTs o LDs, sino como ocurre en el daño longitudinal horizontal central de la Figura 25, a partir de los dos GTDs se producen un DT, que puede empezar a propagarse por el centro de la capa de 90º formando un LD. Otro aspecto importante a reseñar en esta imagen es que se pueden empezar a apreciar los daños en la capa de 0º, mostrándose marcado en rojo una rotura de fibra en la interfase entre la capa de 0º y 90º. La Figura 39 muestra una vez más la evolución de los dos daños tratados anteriormente, D8 y D10. Anteriormente no se había hecho la puntualización de que ambos daños se encuentran a estas alturas el uno al lado del otro debido a su constante desarrollo, coincidiendo el extremo derecho de la fotocomposición de D8 con el extremo izquierdo de la fotocomposición de D10. Esto hace que ya prácticamente se ha producido una continuidad importante entre daños en este subtramo de la probeta, conectando daños transversales mediante daños longitudinales. Para poder visualizar este fenómeno fácilmente, se va a indicar el camino seguido por los daños mediante trazos de color azul en aquellos tramos en los que no se ha producido discontinuidad, marcándose en rojo aquellos tramos donde sí ha habido alguna pequeña discontinuidad (en los dos casos mostrados, no se ha producido una continuidad absoluta por una sola fibra sin despegue), haciendo notar la continuidad prácticamente del 100% a lo largo de la longitud de ambos daños. 5.4.2.2 Comportamiento final a fatiga. ∆N𝟕 a ∆N𝟏𝟎. Tras la evolución descrita en el subapartado anterior, a partir de ∆N7 se han registrado por primera vez daños de una nueva tipología a los descritos previamente. Estos daños son: • GTDK: Se define este daño cuando se produce “kinking” entre despegues en un GTD. Esto es, las grietas de los despegues progresan a través de la matriz, produciendo un daño similar a una grieta transversal como convencionalmente se conoce. En el caso de que el “kinking” ocurra entre ICDs y el conjunto tenga la misma configuración de un GTD, este daño será considerado directamente como GTDK. Figura 38: Daño detectado con 2 GTDs y 2 DTs. Figura 39: Evolución de los daños D8 (arriba) y D10 (abajo). Estudio a fatiga de laminado cross-ply usando lámina ultradelgada en capa de 90ᵒ variando el nivel de carga 60 60 5.4.3 Probeta 3. Finalmente, la probeta 3 es la última que se ha ciclado para este estudio a fatiga. Tal y como se explicó previamente, el objetivo de esta probeta es distinto del que se pretendía con respecto a las dos probetas anteriores. Con esta probeta se pretende verificar: • Comprobar la existencia de daños previos a la aplicación de carga, mediante un visionado previo de la probeta. • Determinar si al 20% de carga máxima a tracción aparecen daños significativos en la probeta ante carga cíclica. En la probeta 3 se ha seguido los incrementos de ciclos mostrados en la Tabla 20, coincidiendo el último de los ciclos con el último de la probeta 1, debido a que ha sido la que más ha avanzado en el estudio a fatiga. Tabla 20: Historial de ciclos en la probeta 3. x ∆Nx Ciclos 1 1 1 2 49 50 3 350 400 4 2600 3000 5 7000 10000 6 20000 30000 Figura 49: Daños en la capa de 0º en ∆N9. Figura 48: Delaminacion de una longitud de siete micrografías. 61 Durante el visionado previo a la aplicación de carga en la probeta se realizaron numerosas micrografías de aquellas zonas donde se podía observar algún posible daño previo en la capa de 90º. Si bien es cierto que el número de micrografías tomado es muy elevado, 438, la inmensa mayoría no eran de daños claros y concisos, sino de pequeñas impresiones observadas con la ayuda del microscopio. Por ejemplo, el caso más habitual ha sido que al ir variando levemente el enfoque de la lente, se puede percibir diferentes tonalidades alrededor de la unión fibra-matriz de una determinada fibra de la capa de 90º, así como leves desenfoques, que no están presentes en otras fibras que rodean a esta. Se decidió hacer micrografías de estos casos teniendo por objetivo el comparar en ciclos superiores esas zonas “sensibles” y ver si algún daño aparece en estas localizaciones. Aun así, sí hay una serie de micrografías tomadas a unas fibras que, si bien no se pueden considerar como daños, si parecen mostrar una clara diferencia con respecto a las fibras que las rodean. Estas se muestran en la Figura 50. Como se puede observar, ambos daños han aparecido en el borde de la capa de 90º, además de que ambas muestran una morfología similar entre ellas. Además, en el caso de la imagen de la derecha, se puede apreciar como el “daño aparente” ha aparecido en una fibra que tiene la marca de onda de la que se ha hablado con anterioridad en este trabajo. A lo largo de todos los incrementos de ciclos revisados en el microscopio, la aparición de daños ha sido muy inferior comparada con los observados en las probetas al 30 y 60% de carga. Mientras, que en estas la aparición de daños ha ido escalando progresivamente en cuanto a la tipología y la seriedad de los daños, la probeta 3 solo ha presentado daños menores (IDs) en prácticamente la totalidad de los incrementos de ciclo ensayados en la probeta, apareciendo estos de manera clara en muy pocas ocasiones (Figura 51). Además, la aparición de estos daños siempre han aparecido en una sola fibra, y solo en una ocasión se han encontrado más de dos fibras con despegues próximas entre si. Dicho caso se muestra en la Figura 52, habiéndose obtenido esta micrografía en ∆N6, el cual corresponde a un total de 30000 ciclos en la probeta. A modo de comparación, la figura Figura 53 muestra un daño de similar apariencia (despegues próximos entre si) registrado en la probeta 2 durante el ∆N2, que corresponde a un total de 5 ciclos en dicha probeta. Finalmente, se muestra un tipo de daño que ha aparecido exclusivamente en esta probeta, el cual se muestra en la Figura 54. Como se puede observar, este daño está presente exclusivamente en la matriz, apareciendo en ∆N2. Figura 50: Sospechas de daños previos a la aplicación de carga en la probeta 3. Estudio a fatiga de laminado cross-ply usando lámina ultradelgada en capa de 90ᵒ variando el nivel de carga 62 62 ∆N0 ∆N6 Figura 51: Aparición de ID en la probeta 3. Figura 52: Aparición de despegues próximos entre si. 63 Figura 53: Daño similar registrado en la probeta 2 en ∆N2 Figura 54: Daño en la matriz en la probeta 3. ∆N0 ∆N2 Estudio a fatiga de laminado cross-ply usando lámina ultradelgada en capa de 90ᵒ variando el nivel de carga 64 64 65 CONCLUSIONES Y ESTUDIOS FUTUROS. 6.1 Probeta 1 y 2. Para comenzar esta sección, se van a resumir brevemente unas impresiones generales en lo referente a la aparición y la evolución de los daños en estas probetas. Con respecto a la aparición de los daños, el principal fenómeno a tener en cuenta es que los primeros daños detectados han aparecido prácticamente al lado de los tacos de fibra de vidrio, apareciendo más adelante en la zona central de la probeta, para finalmente, en los estados más avanzados de carga, empezar a aparecer nuevos daños a lo largo de toda la probeta. Finalmente, se realiza un conteo de los distintos tipos de daños en los diferentes ciclos de carga donde se ha practicado el visionado de la probeta. Si bien es cierto que el fallo prematuro de la probeta 2 no ha permitido obtener la situación de esta gráfica en ciclos superiores, esta gráfica sirve como una introducción previa a la gráfica similar que se obtendrá en el caso de la probeta 1. De hecho, se puede observar que el comienzo de ambas gráficas es idéntico, aunque con menor número de daños para la probeta 2. La Gráfica 6 muestra el conteo de daños que se ha ido realizando a medida que ha ido avanzando el número de ciclos en ella. Tal y como se observó en la Gráfica 5 en el caso de la probeta 2, la Gráfica 6 muestra un comportamiento similar durante los primeros incrementos de ciclos registrados. En esta etapa, el comportamiento de la probeta se caracteriza por la aparición de numerosos daños como IDs e ICDs, con la salvedad de que ahora en la probeta 1, al estar aplicándose desde el comienzo una carga 60%, lo que supone el doble que en el caso de la probeta 2, se registran GTDs desde el mismo comienzo del estudio de esta. La siguiente etapa está caracterizada por un decremento continuo en el número de IDs e ICDs, debido principalmente al hecho de que los daños identificados bajo estos términos han evolucionado lo suficiente como para ser reconocidos como GTDs, motivo por el cual el número de estos daños no para de ascender. De manera paralela a este incremento de GTDs, ha ido aumentando el número de DTs, debido principalmente al hecho de que tal y como se ha visto previamente, la aparición de ambos daños está relacionada entre si. Durante la etapa final del estudio, han aparecido nuevos daños bajo la denominación de DL (delaminaciones) y GTDK (GTDs con la presencia de kinking entre despegues) e incluso se ha llegado a plantear la cuestión de si los GTDKs pueden adquirir la condición de grieta transversal. La aparición de delaminaciones sí aparece recogida en la gráfica mostrada (Gráfica 6), sin embargo, la evolución de GTDKs como posibles grietas transversales teniéndola en cuenta de forma distinta a la evolución de GTDs no, debido a que es una cuestión que sigue en debate sobre cómo se considerarán; en el caso de los GTDKs, podrían llegar a ser considerados todavía GTDs por un lado, pero también debido a los kinkings producidos podrían adquirir la condición de grietas. Si se decidiera considerar estos daños por separados a los GTDs previos, ocurriría un caso idéntico al que ocurrió previamente con IDs e ICDs, es decir, el número de GTDs totales iría disminuyendo gradualmente mientras que aumentaría la aparición de grietas transversales en la capa de 90º (GTDKs). Conclusiones y estudios futuros. 66 66 Finalmente, se ha vuelto a ciclar la probeta 1 un incremento de ciclo más, alcanzando el ∆N11, con el objetivo de emplear la réplica para poder observar los daños mientras la probeta está bajo la aplicación de carga, permitiendo observarlos con más claridad usando menos aumentos si la probeta está bien lijada y pulida. El resultado se muestra en la Figura 55. Este incremento de ciclo no ha sido incluido en el estudio a fatiga de la probeta 1 mostrado en el capítulo anterior, debido a que durante este último visionado no se ha realizado ningún conteo de daños como en los anteriores, sino que se ha realizado un simple conteo de daños inclinados y transversales (GTDs o GTDKs). Cabe indicar que el resultado obtenido en la réplica es similar al de un espejo, por lo que en realidad estos daños no siguen una orientación de izquierda a derecha como se ve en la imagen, sino de derecha a izquierda. A raíz de estos resultados, se llega a dos conclusiones importantes: • La primera de ellas es que se puede observar cómo hay una tendencia mayoritaria de daños inclinados sobre daños puramente transversales, tal y como se puede apreciar claramente en la imagen. Concretamente, en la probeta 1 se han detectado en el visionado de ∆N11 una proporción del 72,3% de daños inclinados frente al total, siendo la proporción de los daños transversales del 27,3%. • La segunda, es que debido a los GTDs presentes y las delaminaciones que han producido el desprendimiento de la fibra en las capas de 0º, se observa que existe daño que atraviesa completamente la capa de 90º y penetra en la de 0º, pudiendo llegar a considerarse ya como una grieta transversal. Sin embargo, dado que la tipología de este daño es distinta a la de las grietas transversales convencionales, la consideración de este daño como grieta transversal no se realiza en este trabajo. 6.2 Probeta 3. Las principales conclusiones a extraer del estudio de la probeta 3 ya no se centran en la evolución de los daños que aparezcan en la capa de 90º, sino más bien en la aparición de estos y en el efecto del porcentaje de carga a aplicar en la probeta: • En lo referente a la aparición de daños, la probeta 3 ha permitido en primer lugar documentar la aparición de posibles daños previos a la puesta en carga de la probeta en el equipo de ensayos del laboratorio. Aunque no es el principal objetivo de este trabajo, en el caso de que esta sospecha sea correcta, se abren nuevas líneas de investigación en la línea de cómo pueden afectar estos daños derivados probablemente de la fabricación del material, y sobre cómo se podría reducir su potencial impacto. Por otra parte, se ha conseguido evidenciar que a niveles de carga bajos (20 %), la aparición de daños se ve considerablemente retrasada a un número de ciclos bastante elevado comparado con las otras probetas ensayadas. • En lo referente al efecto del porcentaje de carga a aplicar en la probeta, el conjunto de las tres probetas ensayadas ha permitido observar cómo este afecta a la tipología de los primeros daños detectados. Mientras que en la probeta 3 (20% de carga) la aparición de daños se ha limitado exclusivamente a Figura 55: Daños visualizados en la replica en ∆N11. 67 daños “ID”, en la probeta 2 (30% de carga) se observaron desde los primeros estados del estudio la aparición de daños bajo la denominación “ID” e “ICD”, para finalmente encontrar en la probeta 1 (60% de carga) daños del tipo “GTD” e incluso “DT” desde el primer ciclo ensayado en la probeta. 6.3 Desarrollos y estudios futuros. Este trabajo nace en un contexto pionero en lo referente a resultados experimentales del comportamiento de laminados con láminas ultradelgadas a fatiga. Por este motivo, son muchas las preguntas que han ido apareciendo a lo largo del trabajo. En algunas de ellas se ha conseguido aportar datos e imágenes relevantes, como por ejemplo en lo referente a la aparición y evolución de daño en la capa de 90º, pero también han aparecido nuevas cuestiones por el camino. Esto no abre sino la posibilidad a nuevas líneas de investigación a raíz de los resultados aquí observados, tales como: • La determinación de la causa por la que los daños no aparecen transversalmente a la lámina de 90º, sino con cierta inclinación. • El efecto de los esfuerzos de curado y la posible aparición de daños derivada de estos en la capa de 90º. • El comportamiento a otros porcentajes de carga empleados, así como el efecto de la frecuencia del ensayo o la combinación de cargas de tracción-compresión. • El uso de diferentes configuraciones en los laminados cross-ply a ensayar, así como el uso de un material de diferente gramaje en la capa de 90º. Algunos de estos trabajos se están desarrollando en el seno del Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales (GERM) de la Universidad de Sevilla, sirviendo las observaciones aquí recogidas como una fuente más en la que poder comparar resultados y así enriquecer el conocimiento aportado a la sociedad en lo referente al uso de materiales compuestos de láminas ultradelgadas. Referencias 68 68 REFERENCIAS [1] 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. [2] Paris Caballero F., Mantic Lescisin V., Mecánica de la Fractura, Sevilla: Sección de Publicaciones. Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales. Universidad de Sevilla, 2017. [3] Tomohiro Yokozeki, Takahira Aoiki, Takashi Ishikawa, Fatigue growth of matrix cracks in the transverse direction of CFRP laminates, ELSEVIER, 2002. [4] M.C. Lafarie-Frenot, C. Hénaff-Gardin, D. Gamby, Matrix cracking induced by cyclic ply stresses in composite laminates, ELSEVIER, 2001. [5] Paris Caballero F., Velasco M. L., Correa E., The scale effect in composites: An explanation physically based on the different mechanisms of damage involved in failure, vol. 257, Compos. Struct., Feb. 2021. 69