Estudio experimental del efecto escala en materiales compuestos de fibra de carbono empleando láminas ultradelgadas.

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo de Fin de Máster Máster en Ingeniería Industrial Estudio experimental del efecto escala en materiales compuestos de fibra de carbono empleando láminas ultradelgadas. Autor: Javier Navarro Hinojosa Tutores: María Luisa Velasco López Federico París Carballo Dpto. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 Trabajo de Fin de Máster Máster en Ingeniería Industrial Estudio experimental del efecto escala en materiales compuestos de fibra de carbono empleando láminas ultradelgadas. Autor: Javier Navarro Hinojosa Tutor: María Luisa Velasco López Federico París Carballo Dpto. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 Trabajo de Fin de Máster: Estudio experimental del efecto escala en materiales compuestos de fibra de carbono empleando láminas ultradelgadas. Autor: Javier Navarro Hinojosa Tutores: María Luisa Velasco López Federico París Carballo El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Resumen A diferencia de los metales, los materiales compuestos aún presentan muchas incógnitas sobre su comportamiento. El hecho de que sean materiales heterogéneos y no isótropos hace que el estudio de los mismos sea notablemente complicado. En concreto, un aspecto de gran relevancia por su utilidad práctica son los múltiples mecanismos de daño que presentan, que son muy variados y complejos. Se sabe que el empleo de láminas ultradelgadas conlleva un retraso en la aparición del primer daño crítico en el material. Sin embargo, el motivo por el que se produce este fenómeno conocido como efecto escala no está del todo claro. Recientemente, se ha propuesto por parte del GERM una explicación basada en conceptos energéticos que daría respuesta al por qué de este suceso. [1] Los resultados experimentales obtenidos previamente en [ 1 ] han suscitado nuevas cuestiones relativas a la aparición y crecimiento de los primeros daños en el material, que son a las que se les pretende dar respuesta en este Trabajo de Fin de Máster. De este modo, el objetivo de este trabajo es ampliar el estudio mencionado mediante la fabricación y ensayo de nuevos laminados [012/90n]s con un espesor variable de la lámina de 90 °para analizar el mecanismo de daño que se manifiesta en cada caso y su evolución. Concretamente, se emplearán láminas ultradelgadas de 50 gsm para obtener 3 paneles con un espesor de la lámina de 90 °de 300, 600 y 1200 gsm que, sumados a los 5 ya fabricados de 50, 100, 200, 400 y 800 gsm permitirán cubrir un rango de espesores muy amplio para comparar con la predicción teórica. I Abstract Unlike metals, composite materials still have many unknows about their behaviour. As they are heterogeneous and non-isotropic materials, their study is remarkably complicated. Specifically, an aspect of great relevance due to its practical utility is the multiple damage mechanisms they present, which are very varied and complex. It is known that a decrease in the thickness of a ply oriented at 90°respect the load direction entails a delay in the appearance of the first critical damage in the material. However, the reason for this phenomenon known as scale effect is not entirely clear. Recently, an explanation physically based which has been proposed by the GERM would provide an answer to the reason for this event. [1] The experimental results obtained in [ 1 ] have raised new questions related to the appearance and growth of the first damages in the material, which are the ones we intend to answer in this Master’s Thesis. Thus, the aim of this TFM is to extend the previously mentioned study by manufacturing and testing new [012/90n]s laminates with a variable thickness of the 90 °ply in order to analyse the damage mechanism that appears in each case and its evolution. Specifically, ultra-thin plies of 50 gsm will be used to obtain 3 panels with a 90 ° ply thickness of 300, 600 and 1200 gsm which, added to the 5 already manufactured of 50, 100, 200, 400 and 800 gsm, will cover a very wide range of thicknesses to compare with the theoretical prediction. III Índice de Tablas 2.1 Dimensiones de las probetas 13 2.2 Nomenclatura de los laminados 14 2.3 Proceso de lijado y pulido 16 3.1 Resultados de los ensayos de caracterización 20 3.2 Resultados de los ensayos de caracterización del panel 300 gsm 21 3.3 Resultados de los ensayos de caracterización del panel 600 gsm 22 3.4 Resultados de los ensayos de caracterización del panel 1200 gsm 23 4.1 Datos de los ensayos de aparición de daño: panel 300 gsm 26 4.2 Datos de los ensayos de aparición de daño: panel 600 gsm 32 4.3 Datos de los ensayos de aparición de daño: panel 1200 gsm 38 5.1 Datos de los ensayos progresivos panel 50 gsm 47 5.2 Datos de los ensayos progresivos panel 100 gsm 57 5.3 Datos de los ensayos progresivos panel 200 gsm 67 5.4 Datos de los ensayos progresivos panel 300 gsm 77 XI Notación E Modulo de Elasticidad del laminado XtResistencia a tracción de una lámina en la dirección de las fibras YtResistencia a tracción de una lámina en la dirección perpendicular a las fibras σTensión aparente en el laminado σRTensión aparente de rotura del laminado FRCarga de rotura del laminado εDeformación ε(YT)Deformación correspondiente a σ=YT ε(XT)Deformación correspondiente a σ=XT n Número de láminas con la misma orientación XIII 1 Introducción Este Trabajo de Fin de Máster (TFM) se enmarca dentro de la investigación desarrollada en el Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales (GERM) de la Universidad de Sevilla, concretamente en el ámbito de los materiales compuestos. El trabajo se plantea como una ampliación del estudio realizado en el Trabajo de Fin de Grado del mismo autor. Al igual que en el TFG [ 1 ], en este Capítulo se plantea el objetivo del TFM después de una breve introducción a los materiales compuestos y un resumen del marco teórico en el que se apoya el trabajo experimental desarrollado. En el Capítulo 2 se describe el material empleado y el proceso de fabricación desde el corte de las láminas hasta el pulido de las probetas. En los Capítulos 3, 4 y 5 se muestran los resultados de los ensayos llevados a cabo: ensayos de caracterización, de aparición del primer daño y de progresión del daño. Finalmente, en los Capítulos 6 y 7 se presentan las conclusiones del estudio y posibles desarrollos futuros. 1.1 Materiales compuestos Un material compuesto consiste en la combinación a escala macroscópica de dos o más materiales separados por una interfase que forman un nuevo material. El objetivo de dicha unión es obtener propiedades que no pueden conseguir ninguno de los componentes por separado, así como aunar las propiedades individuales de cada uno. [2] Entre las cualidades que destacan se pueden mencionar: elevada resistencia mecánica, baja densidad, gran rigidez o buena resistencia a fatiga, entre otras muchas. Estas características los hace muy adecuados para su uso en aplicaciones donde la estructura se mueve, como en aviones, barcos o automóviles, donde se pueden emplear tanto en el chasis como en los depósitos de combustibles como el hidrógeno. Sin embargo, este movimiento implica un riesgo de impacto que hace necesario el estudio de los mecanismos de daño que absorben la energía en un evento de este tipo. Dado el carácter heterogéneo y no isótropo del material, estos mecanismos son variados y complejos y pueden interaccionar entre sí, lo que convierte su investigación en algo muy complicado. En el presente TFM se va a trabajar con un material compuesto reforzado con fibra continua multicapa de carbono-epoxy. De este modo, frente a una carga que actúa en una dirección, la lámina orientada a 90° respecto a la dirección de la fuerza aplicada es la más débil y es aquella por donde comenzará el daño en el laminado. Principalmente este daño consiste en despegues entre fibra y matriz: si se reduce a despegues aislados o conectados que no afectan a las láminas vecinas es tolerable, pero si provoca una delaminación se puede originar una merma considerable del comportamiento del laminado ante otro tipo de cargas como torsión o flexión. No obstante, se sabe desde hace tiempo ([ 3 ], [ 4 ]) que la disminución del espesor de la lámina de 90° produce un retraso en la aparición de daño en ella, previniendo al material de un fallo catastrófico del tipo antes mencionado. Este será el tema del presente Trabajo de Fin de Máster. 1 2Capítulo 1. Introducción 1.2 Marco teórico Para interpretar los resultados que se van a obtener del estudio es preciso contar con un marco teórico que permita realizar predicciones y que concuerde con la evidencia experimental. De este modo, los experimentos llevados a cabo se encuadran dentro de la investigación del conocido como efecto escala: el retraso del fallo a medida que disminuye el espesor de la lámina de 90 °, entendiendo como fallo la rotura del laminado o la aparición de una grieta completa en la lámina más débil, la de 90°, y no únicamente el abandono del estado primitivo del material, que como se estudiará a continuación, sucede siempre en un intervalo independiente del espesor de dicha lámina. Este fenómeno, estudiado desde múltiples puntos de vista, carecía hasta el momento de una explicación física que no involucrase parámetros de ajuste o propiedades de difícil interpretación. Esta explicación, basada en conceptos energéticos, se detalla en [ 5 ], [ 6 ]y[ 7 ] y se resume a continuación ya que va a ser necesaria para interpretar los resultados del trabajo experimental. Según modelos basados en la Mecánica de la Fractura, la energía necesaria para producir una grieta transversal en la lámina de 90°de un laminado [0/90]s disminuye a medida que aumenta el espesor según la curva de la Fig (1.1) . Esto se debe a que la energía liberada en el crecimiento de la grieta es función tanto de la tensión en el estado primitivo como de la apertura de los labios de la grieta una vez que se ha originado. Para producir una grieta completa se debe cumplir el balance de energía de la ecuación (1.1) ; en el que, como se muestra en la Fig (1.2) , σ90 es la tensión normal en el estado primitivo, u90 corresponde a los desplazamientos normales de los labios de la grieta, t90 es la mitad del espesor de la lámina de 90°y γ es la tenacidad a la fractura de la lámina de 90°considerada como un material isótropo homogéneo. Se observa que para espesores muy finos el término de la izquierda de la ecuación es muy bajo. Por lo tanto, para satisfacer el balance energético, la tensión requerida (y la deformación) deben ser muy elevadas, produciéndose un retraso en la aparición de la grieta. Además, en algunos casos esta deformación es tan grande que puede romper la lámina de 0°antes que la de 90°. 21 2σ90 Zt90 0 u90ds=2γt90 (1.1) Figura 1.1 Energía necesaria para producir una grieta transversal completa en función del espesor de la lámina de 90°[5]. 1.2 Marco teórico 3 Figura 1.2 Esquemas de generación de una grieta transversal en la lámina de 90 °considerada como un material isótropo homogéneo: (a) estado primitivo, (b) grieta transversal [7]. Sin embargo, en la Mecánica de la Fractura los modelos parten de la premisa de que ya existe una grieta previa, por lo tanto solo son aplicables una vez ha aparecido un daño asemejable a una grieta en el material. Este daño aparecerá en el punto más débil: la interfase entre fibra y matriz, por lo que es necesario saber cuándo sucede esto y cuales son los parámetros que intervienen en el suceso. Un estudio detallado en el que se investiga, mediante el Método de los Elementos de Contorno (BEM), la influencia del espesor de la lámina de 90ºen la aparición del primer despegue en la lámina se muestra en [ 8 ]. En él se llega a la conclusión de que la energía asociada al crecimiento del despegue de la interfase entre la fibra y la matriz no está afectada por el espesor de la lámina de 90°. Es decir, dado que el espesor no influye en el momento de aparición del primer despegue, este fenómeno estará asociado al carácter heterogéneo del material y a la variabilidad de las propiedades de la interfase fibra-matriz. Este resultado conduce a que los primeros despegues se generarán en aquellas fibras que hayan quedado más débilmente unidas a la matriz, hecho que tiene un carácter aleatorio y que puede suceder dentro de un amplio rango de valores. Asimismo, otro resultado interesante del estudio es que, una vez que el primer despegue se ha producido, las fibras orientadas a 45°con respecto a la primera tienen más probabilidad de despegarse en base a la energía liberada, mientras que las orientadas a 0°tienen bastante menos, hecho que concuerda con la evidencia experimental observada. Uniendo estas dos conclusiones se le puede dar una explicación al efecto escala, que se muestra de forma gráfica en la Fig (1.3) . En ella se ha representado la curva asociada a la energía necesaria para que aparezca una grieta transversal completa y un área correspondiente al valor de ε(YT) , siendo YT el valor de la tensión necesario para que haya energía suficiente para producir un despegue entre fibra y matriz. Se ha dibujado un área ya que como se ha explicado este valor tiene un carácter aleatorio dentro de un rango. De este modo, en la gráfica se observa que a medida que aumenta la deformación del material puede ocurrir que se alcance antes la curva EFGH o el intervalo ε(YT). En función de ello se pueden distinguir dos escenarios de daño: • Escenario 1: en el caso de grandes espesores en los que primero se alcanza la curva EFGH, el material dispone desde ese momento (punto J) de energía suficiente para propagar la grieta por toda la lámina. De este modo, al llegar al punto K, correspondiente a ε(YT) , y producirse el primer despegue, se genera un daño consistente en la rotura completa de la lámina. Además, si este exceso de energía es muy elevado, se producirán grietas de delaminación entre las láminas de diferente orientación tal y como se muestra en la Fig (1.4). • Escenario 2: si antes de alcanzar la curva EFGH se alcanza ε(YT) se producirán despegues aislados que aumentarán en número a medida que crece ε . Una vez se alcance la curva EFGH crecerá la grieta completa, pero como se observa, esto sucede a un valor mayor de ε que en el caso anterior, lo que 4Capítulo 1. Introducción conduce a un retraso en la aparición del daño crítico cuando el espesor es delgado. Cabe destacar que puede darse el caso de que se alcance antes el valor ε(XT) que la curva EFGH y el laminado rompa antes de que haya una grieta completa en la lámina de 90°. Por lo tanto, debe existir un espesor de la lámina de 90°tal que la rotura de esta suceda al mismo nivel de deformación que en la lámina de 0°y se aproveche al máximo la capacidad de todas las láminas. Desde un punto de vista práctico, el estudio del efecto escala y la comprensión del mismo encuentra su aplicación en la optimización de estructuras de material compuesto. Es decir, si para un material se consigue saber a qué espesor la lámina de 90ºse rompe al mismo nivel de deformación que la lámina de 0ºse podrá diseñar estructuras en las que la cantidad de material empleado sea lo más eficiente posible para las cargas que tiene que soportar, con todas las ventajas que ello conlleva. Figura 1.3 Representación esquemática del efecto escala. [5]. Figura 1.4 Grietas de delaminación. 1.3 Objetivos 5 1.3 Objetivos Partiendo de lo anteriormente expuesto, los objetivos principales del TFM son los siguientes: • Ampliar el estudio realizado en el TFG sobre la aparición del primer daño en el material, ya sea un despegue aislado o una grieta transversal, y compararlo con las predicciones teóricas. Concretamente, se analizarán tres laminados [012/90n]s con unos espesores de la lámina de 90°de 300, 600 y 1200 gsm fabricados con láminas ultradelgadas. • Realizar un análisis de la progresión del primer daño de todos los laminados fabricados (laminados [012/90n]s con unos espesores de la lámina de 90°de 50, 100, 200, 300, 400, 600, 800 y 1200 gsm fabricados con láminas ultradelgadas. 1.4 Metodología Para estudiar el citado efecto escala se fabricarán 3 laminados [012/90n]s con un espesor constante de las láminas de 0°y un rango de espesores de la lámina de 90°comprendido entre 300 gsm y 1200 gsm, concretamente: 300, 600 y 1200 gsm. Los laminados serán fabricados con láminas ultradelgadas (UTP) de 50 gsm y de cada uno se obtendrán 10 probetas, de las cuales 5 se destinarán a ensayos de caracterización y 5 a ensayos de aparición de daño. De cara a los ensayos de aparición de daño será necesario un tratamiento superficial de la probeta para permitir una buena observación al microscopio, por lo que se deberá emplear la mejor secuencia de lijado y pulido posible para este material. Una vez ensayadas todas las probetas se analizarán los resultados obtenidos y serán comparados con la teoría para determinar el grado de similitud. Además se comparará con los resultados obtenidos en los ensayos realizados para el TFG y se llevará a cabo otro análisis que consistirá en estudiar la progresión del primer daño en todos los paneles fabricados para ver su crecimiento. 1.5 Consideraciones previas Como se ha explicado previamente, los daños que pueden aparecer son de varios tipos y configuraciones. En los Capítulos 4 y 5 se mostrarán las micrografías de los ensayos con una breve descripción de los daños observados. Para aclarar la nomenclatura empleada se muestra a continuación una representación esquemática tomada de [9] de cada tipo de daño y cómo se le ha denominado, ver Fig (1.5). Despegues aislados: separación parcial de una o dos fibras de la matriz de forma aislada y puntual. Despegues continuos: separación de varias fibras de la matriz de manera consecutiva y conectada. Daño transversal generalizado: despegues continuos a lo largo de toda la lámina cuya conexión es inminente. Grieta transversal: daño en forma de grieta continua que alcanza los extremos de la lámina sin ninguna discontinuidad. 12 Capítulo 2. Fabricación de probetas Resanado de laminados Con el objetivo de eliminar irregularidades, se han resanado los bordes de los paneles. Este proceso se ha llevado a cabo con un disco abrasivo refrigerado con agua ubicado en el taller. Para su uso es necesario contar con una serie de EPIs como gafas, guantes, bata y cascos para los oídos. Tacos de vidrio En los ensayos mecánicos la zona de agarre de la mordaza con la probeta es una parte crítica. Para reforzarla se van a adherir a los laminados unos tacos de vidrio de dimensiones 50x300 mm. Partiendo de unos paneles ya curados de fibra de vidrio, el primer paso ha consistido en lijar la superficie para conseguir una buena adhesión del pegamento, Fig (2.10)(a). A continuación se han cortado los tacos con dimensiones 50x300 mm mediante un disco abrasivo refrigerado con agua, Fig (2.10)(b). La siguiente etapa consiste en pegar los tacos a los laminados, para ello se ha empleado pegamento Z-15429 y se han sometido a un ciclo de presión y temperatura en el autoclave. El resultado de todo el proceso se puede observar en la Fig (2.10) (f), donde se muestran los tacos perfectamente pegados a los paneles. (a) Lijado. (b) Corte con disco abrasivo. (c) Tacos cortados. (d) Pegado. (e) Curado. (f) Laminados con tacos pegados. Figura 2.10 Proceso de colocación de tacos de vidrio. 2.3 Proceso de fabricación 13 Corte de probetas El siguiente paso consiste en extraer las probetas de cada panel haciendo uso del disco abrasivo. Las dimensiones de las probetas son de 25x200mm y se ha logrado extraer 10 de cada laminado, dando lugar a un total de 30 probetas cuyas dimensiones se muestran en la Tabla (2.1) Tabla 2.1 Dimensiones de las probetas. Probeta Ancho (mm)Espesor (mm)Longitud libre (mm)Área transversal (mm2) Panel 300 gsm 1 25.00 1.69 95.71 42.46 2 25.03 1.71 95.81 42.80 3 25.03 1.74 95.75 43.55 4 25.02 1.72 95.24 43.03 5 24.88 1.72 95.76 42.80 6 24.99 1.72 95.77 43.07 7 25.02 1.71 95.80 42.78 8 25.03 1.72 95.78 43.05 9 25.03 1.73 95.80 43.22 10 25.03 1.70 95.81 42.47 Panel 600 gsm 1 25.04 2.01 90.59 50.41 2 25.04 2.02 90.62 50.66 3 24.97 2.03 90.60 50.77 4 25.01 2.04 90.55 51.10 5 24.92 2.03 90.53 50.58 6 24.98 2.04 90.52 50.97 7 24.97 2.03 90.55 50.77 8 24.97 2.07 90.51 51.77 9 25.06 2.04 90.59 51.12 10 25.04 2.07 90.67 51.83 Panel 1200 gsm 1 25.08 2.72 91.15 68.22 2 25.08 2.71 91.12 68.05 3 25.09 2.74 91.10 68.83 4 25.11 2.73 91.11 68.62 5 25.07 2.72 91.09 68.12 6 25.03 2.73 91.08 68.26 7 25.07 2.77 91.10 69.37 8 25.08 2.77 91.11 69.39 9 25.12 2.72 91.10 68.34 10 25.17 2.71 91.12 68.29 14 Capítulo 2. Fabricación de probetas Trazabilidad Para identificar cada probeta y tener definida su secuencia de apilado y su ubicación dentro del panel se han numerado del 1 al 10 e indicado a qué laminado pertenece. Un ejemplo de ello se muestra en la Fig (2.11). De este modo las probetas quedan identificadas con el gramaje de la lámina de 90 °y su posición dentro del panel. Asimismo, en el resto de los Capítulos los paneles quedarán identificados por el gramaje de la lámina de 90 ° tal y como se indica en la Tabla (2.2). Se ha elegido esta nomenclatura ya que permite diferenciar al instante qué panel tiene una lámina de 90 °con más espesor. Esto facilitará la lectura del documento ya que se realizarán varias comparaciones entre los laminados y conviene tener bien definido los espesores de cada uno. Tabla 2.2 Nomenclatura de los laminados. Numeración del laminado Secuencia apilado Espesor lámina 90º 300 [012/906/012]300 gsm 600 [012/9012/012]600 gsm 1200 [012/9024/012]1200 gsm Figura 2.11 Probetas numeradas del 1 al 10 [1]. 2.3 Proceso de fabricación 15 Lijado y pulido Para observar el primer daño en el material es necesario hacer un análisis micrográfico que permita observar las grietas que se formen en las láminas. Con el objetivo de lograr una buena observación en el microscopio es necesario llevar a cabo un tratamiento de la superficie lateral de la probeta consistente en un lijado y pulido. Este es el último paso del proceso de fabricación. De cada panel se han escogido las probetas 1 a 5 para este cometido, siendo las demás necesarias para caracterizar los laminados. De este modo, en total hay que lijar y pulir 15 probetas. Para ello se ha empleado una máquina pulidora de la marca Struers y diferentes lijas, paños de pulido y líquidos abrasivos. Con el fin de facilitar la tarea se ha empleado un útil metálico para mantener la probeta recta y los soportes diseñados en el desarrollo del TFG y fabricados mediante impresión 3D para mejorar la sujeción de la probeta con las manos. Con estos soportes, además de una aplicación más homogénea de la presión, se consigue facilitar esta tarea ya que se evita el contacto con las aristas afiladas de las probetas, haciendo el proceso más ameno y eficiente. Una imagen de ambos útiles así como de la pulidora se puede ver en la Fig (2.12). Los datos detallados del proceso se recogen en la Tabla (2.3) , en ella se muestra para cada paso el disco empleado, el líquido, la velocidad, el tiempo y el resultado de dicho paso observado al microscopio. En la Fig (2.13) se presentan imágenes de los diferentes discos usados. (a) Pulidora. (b) Colocación del útil. (c) Diseño del útil [1]. Figura 2.12 Pulidora y útiles empleados. 16 Capítulo 2. Fabricación de probetas Tabla 2.3 Proceso de lijado y pulido. Paso Disco Líquido Velocidad Tiempo Resultado 1 Lija 320 Agua 300rpm 5min 2 Lija 500 Agua 300rpm 3min 3 Lija 1200 Agua 300rpm 5min 4 Trapo MD-Largo DiaPro Allegro/Largo 9 νm 150rpm 6min 5 Trapo MD-Dac DiaPro Dac 3 νm 150rpm 5min 6 Trapo MD-Nap DiaPro Nap B1 1 νm 150rpm 5min (a) Lija 320. (b) Lija 500. (c) Lija 1200. (d) Trapo MD-Largo. (e) Trapo MD-dac. (f) Trapo MD-Nap. Figura 2.13 Discos empleados en el proceso de lijado y pulido. 2.3 Proceso de fabricación 17 Resumen Un esquema del proceso completo de fabricación se muestra en la Fig (2.14). Figura 2.14 Esquema del proceso de fabricación [1]. 3 Ensayos de caracterización En este Capítulo se describen los resultados de los ensayos de tracción uniaxial hasta la rotura realizados. El objetivo ha sido medir la carga máxima que soporta el laminado para luego, en los ensayos de aparición del primer daño, poder comparar con la carga a la que se aprecia el primer daño. De este modo, se busca obtener los valores de la carga de rotura ( FR ), tensión aparente de rotura ( σR ) y el Módulo de Elasticidad (E). Se ha empleado una máquina Instron 4483 con una célula de carga de 15000 kg y un extensómetro para medir las deformaciones de la probeta. La máquina ha sido controlada a través del programa Test Control Instron Series 44 v17-6 en un ordenador conectado a ella. Al realizar los ensayos se ha calibrado adecuadamente tanto la célula de carga como el extensómetro y se ha prestado especial atención a que la probeta esté perfectamente alineada con la dirección de la carga. Una imagen de una probeta lista para ensayar y otra después de la rotura se muestra en la Fig (3.1). (a) Probeta antes del ensayo. (b) Probeta despúes del ensayo. Figura 3.1 Probeta colocada en la máquina de ensayos [1]. 19 20 Capítulo 3. Ensayos de caracterización Del total de las 30 probetas que se han obtenido de los laminados se han ensayado 15 de ellas, 5 de cada panel. En concreto, las numeradas del 6 al 10. El motivo de ello es obtener suficientes valores con los que calcular un valor medio de los resultados. Además, se ha calculado la desviación típica y el coeficiente de variación respecto a la media para determinar la fiabilidad de los valores obtenidos experimentalmente. Las ecuaciones empleadas para obtener estos parámetros estadísticos son de la (3.1) a la (3.6). De este modo, los resultados medios se explicitan en la Tabla (3.1) , y una presentación más detallado de los datos de cada panel se realiza en las secciones siguientes. Por último, un resumen con las conclusiones se presenta en el Capítulo 6. -Tensión aparente de rotura: σR=FR A(3.1) -Módulo de Young: E=∆σR ∆ε(3.2) -Deformación: ε=∆L L0 (3.3) -Valor medio: X=Σn i=1Xi n(3.4) -Desviación típica: DT =pΣn i=1(Xi−X)2 n−1(3.5) -Coeficiente de variación respecto a la media: CV =σ X ·100 (3.6) En la tabla (3.1) se incluyen tanto los resultados de los ensayos elaborados en [ 1 ] como los realizados para este TFM. Tabla 3.1 Resultados de los ensayos de caracterización. Panel Tensión aparente de rotura (MPa) Carga de rotura (kN) Módulo de Young (GPa) Media DT CV n Media DT CV n Media DT CV n 50 gsm 2201.36 127.13 5.77 5 80.48 5.74 7.14 5 104.51 8.24 7.89 5 100 gsm 2046.90 94.92 4.63 5 76.11 2.37 3.58 5 104.40 5.48 5.25 5 200 gsm 1869.53 75.73 4.05 5 74.93 2.23 2.98 5 96.53 12.13 12.57 5 300 gsm 1452.55 48.65 3.34 5 62.34 2.30 3.69 5 96.15 2.60 2.71 5 400 gsm 1649.39 20.10 1.21 5 73.97 2.76 3.73 5 81.47 7.12 8.74 5 600 gsm 1276.12 60.86 4.76 5 65.42 2.55 3.9 5 81.74 5.11 6.26 5 800 gsm 1315.16 39.43 2.99 5 73.97 2.76 3.73 5 72.19 4.20 5.82 5 1200 gsm 1085.39 57.52 5.29 4 74.41 3.70 4.97 4 60.87 4.16 6.83 4 3.1 Panel 300 gsm 21 3.1 Panel 300 gsm En la Fig (3.2) se puede observar la evolución de la tensión aplicada en cada probeta del panel de 300 gsm frente a la deformación de la misma. Como cabría esperar en este tipo de material la tendencia es lineal. A partir de estos datos y aplicando las ecuaciones anteriores se han obtenido los resultados de la Tabla (3.2) . En cuanto al Modulo de Young, de valor medio E=96.15 GPa, el coeficiente de variación es pequeño (2.71 % ) por la gran coincidencia de las pendientes de los ensayos, mientras que la tensión aparente de rotura, de valor medio σR=1452.55 MPa tiene un CV de (3.34%) y una desviación típica de (48.65 MPa). Figura 3.2 Evolución de la tensión aparente frente a la deformación de las probetas de 300 gsm. Tabla 3.2 Resultados de los ensayos de caracterización del panel 300 gsm. Panel Probeta σR(MPa) FR(kN) E (GPa) 6 1410.96 60.77 95.87 7 1436.27 61.44 97.86 300 gsm 8 1532.39 65.97 99.42 9 1462.27 63.20 92.69 10 1420.87 60.34 90.01 Valor medio 1452.55 62.34 95.17 Desviación típica 48.65 2.30 3.82 CV (%) 3.34 3.69 4.02 28 Capítulo 4. Ensayos de aparición de daño (a) (P1-E1 ε=0.67 %) Primer daño detectado, grieta transversal. Figura 4.2 Micrografía de la probeta 1 (Panel 300 gsm). (a) (P2-E2 ε=0.68 %) Primer daño detectado, grieta transversal. Figura 4.3 Micrografía de la probeta 2 (Panel 300 gsm). (a) (P3-E2 ε=0.68 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. Figura 4.4 Micrografía de la probeta 3 (Panel 300 gsm). 4.1 Panel 300 gsm 29 (a) (P1-E1 ε=0.67 %) Primer daño detectado, grieta transversal. Figura 4.5 Micrografía editada de la probeta 1 (Panel 300 gsm). (a) (P2-E2 ε=0.68 %) Primer daño detectado, grieta transversal. Figura 4.6 Micrografía editada de la probeta 2 (Panel 300 gsm). (a) (P3-E2 ε=0.68 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. Figura 4.7 Micrografía editada de la probeta 3 (Panel 300 gsm). 30 Capítulo 4. Ensayos de aparición de daño (a) (P4-E3 ε=0.76 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. Figura 4.8 Micrografía de la probeta 4 (Panel 300 gsm). (a) (P5-E2 ε=0.77 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. Figura 4.9 Micrografía de la probeta 5 (Panel 300 gsm). 4.1 Panel 300 gsm 31 (a) (P4-E3 ε=0.76 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. Figura 4.10 Micrografía editada de la probeta 4 (Panel 300 gsm). (a) (P5-E2 ε=0.77 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. Figura 4.11 Micrografía editada de la probeta 5 (Panel 300 gsm). 32 Capítulo 4. Ensayos de aparición de daño 4.2 Panel 600 gsm Se presentan en la Tabla (4.2) los resultados del ensayo de las probetas correspondientes al panel con espesor de la lámina de 90°de 600 gsm. El valor medio de la tensión aparente al que se ha detectado el primer daño es de 640.60 MPa, con una desviación típica de 37.95 y un CV de 5.93%. En cuanto a la deformación, el valor medio es de 0.75%, con una desviación típica de 0.03 y un CV de 4.47%. A continuación de la tabla, se muestran en la Figura (4.12) los resultados para cada probeta de forma gráfica. En las siguientes páginas se pueden encontrar las Figuras (4.13) , (4.14) , (4.15) , (4.16) , (4.17) , (4.18) , (4.19) , (4.20), (4.21) y (4.22), correspondientes a las micrografías del primer daño de cada probeta. Tabla 4.2 Datos de los ensayos de aparición de daño: panel 600 gsm. Panel 600 gsm Probeta Ensayo σ(MPa) ε(%) 1 1 697.53 0.82 21 587.65 0.69 2 636.30 0.75 31 575.78 0.65 2 644.18 0.74 4 1 535.38 0.62 2 585.86 0.69 3 619.84 0.73 4 633.85 0.75 51 542.08 0.64 2 591.15 0.72 Valor medio 640.60 0.75 Desviación típica 37.95 0.03 CV (%) 5.93 4.47 4.2 Panel 600 gsm 33 (a) Tensión aparente de cada probeta previa y posterior a la aparición del primer daño. (b) Deformación de cada probeta previa y posterior a la aparición del primer daño. Figura 4.12 Representación gráfica de los resultados de los ensayos de aparición de daño del panel de 600 gsm. 34 Capítulo 4. Ensayos de aparición de daño (a) (P1-E1 ε=0.82 %) Primer daño detectado, grieta transversal con indicios de delaminación. Figura 4.13 Micrografía de la probeta 1 (Panel 600 gsm). (a) (P2-E2 ε=0.75 %) Primer daño detectado, grieta transversal con delaminación. Figura 4.14 Micrografía de la probeta 2 (Panel 600 gsm). (a) (P3-E2 ε=0.74 %) Primer daño detectado, grieta transversal con indicios de delaminación. Figura 4.15 Micrografía de la probeta 3 (Panel 600 gsm). 4.2 Panel 600 gsm 35 (a) (P1-E1 ε=0.82 %) Primer daño detectado, grieta transversal con indicios de delaminación. Figura 4.16 Micrografía editada de la probeta 1 (Panel 600 gsm). (a) (P2-E2 ε=0.75 %) Primer daño detectado, grieta transversal con delaminación. Figura 4.17 Micrografía editada de la probeta 2 (Panel 600 gsm). (a) (P3-E2 ε=0.74 %) Primer daño detectado, grieta transversal con indicios de delaminación. Figura 4.18 Micrografía editada de la probeta 3 (Panel 600 gsm). 36 Capítulo 4. Ensayos de aparición de daño (a) (P4-E4 ε=0.75 %) Primer daño detectado, grieta transversal con indicios de delaminación. Figura 4.19 Micrografía de la probeta 4 (Panel 600 gsm). (a) (P5-E2 ε=0.72 %) Primer daño detectado, grieta transversal con delaminación. Figura 4.20 Micrografía de la probeta 5 (Panel 600 gsm). 4.2 Panel 600 gsm 37 (a) (P4-E4 ε=0.75 %) Primer daño detectado, grieta transversal con indicios de delaminación. Figura 4.21 Micrografía editada de la probeta 4 (Panel 600 gsm). (a) (P5-E2 ε=0.72 %) Primer daño detectado, grieta transversal con delaminación. Figura 4.22 Micrografía editada de la probeta 5 (Panel 600 gsm). 44 Capítulo 4. Ensayos de aparición de daño 4.4 Resumen En este Capítulo se han mostrado los resultados de los ensayos de aparición del primer daño llevados a cabo. En la Fig (4.34) se presentan los valores medios de la deformación obtenidos de cada panel. Como se ha mencionado anteriormente, estos valores hacen referencia al primer daño que ha sido posible observar. Es decir, lo que muestran es la deformación a la que se ha detectado un primer daño, no el momento exacto en el que este ha aparecido. Un análisis de estos resultados y la comparación con los ensayos llevados a cabo para el desarrollo del TFG [1] se muestran en el Capítulo 6. Figura 4.34 Deformación media a la que se ha detectado el primer daño en cada laminado. 5 Ensayos de progresión de daño Una vez conocida la deformación a la que aparece el primer daño en la lámina de 90 °, se busca ahora conocer cómo evoluciona. A continuación se muestran los resultados de los ensayos de progresión del daño realizados, llamados así porque consisten en estudiar el crecimiento del primer daño que aparece en la probeta hasta que forme una grieta transversal completa o hasta que aparece una grieta completa en otro punto de la probeta. Se muestran únicamente los ensayos de los paneles de 50, 100, 200 y 300 gsm por ser aquellos en los que se aprecia una evolución del daño. En el caso de los paneles de 600, 800 y 1200 gsm, el primer daño detectado corresponde con una grieta completa con posible delaminación, por lo que este tipo de ensayo no aplica. El procedimiento es igual que para los ensayos anteriores pero en este caso se continúan las iteraciones hasta que el daño se ha propagado por todo el espesor de la lámina de 90°. En las siguientes páginas se presentan para cada panel los valores de carga y deformación alcanzados en cada ensayo y las micrografías correspondientes a los daños encontrados. Un análisis de los resultados se realiza en el Capítulo 6. Los valores numéricos de cada ensayo se ha decidido mostrarlos en forma de tabla. Para cada probeta se muestran los datos relevantes de cada ensayo ( σ y ε ) y una columna extra llamada "Apertura (%)" en la que se muestra qué porcentaje del espesor total de la lámina de 90ºrepresenta el daño encontrado. En el caso de no haber daño, en esta columna se mostrará mostrará un valor de 0, mientras que si el daño ocupa toda la lámina se mostrará un valor de 100. Además, si un ensayo corresponde al último en el que no se ha observado daño se ha subrayado en azul, mientras que si es el primero en el que se detecta daño se ha remarcado en color rojo. Las líneas en color verde son aquellas que corresponden con la detección de una grieta transversal completa. En línea con el capítulo anterior y dado que algunas grietas y despegues son difícilmente apreciables, para facilitar la lectura del documento se ha considerado adecuado incluir una imagen editada donde se represente claramente cada daño encontrado y que se podrá encontrar justo en la página siguiente a las micrografías originales. Para hacer más fácil la identificación y seguimiento de la posición del daño se ha pintado una fibra como referencia en ambas imágenes, tanto la original como la editada. Conviene destacar que, salvo en las probetas de 50 gsm, todas las micrografías han sido orientadas con las fibras de 0ºen dirección vertical. No obstante, en caso de duda basta con mirar la dirección de las fibras a 0 ° que se observan en los márgenes de cada imagen para saber la dirección de la carga. 45 46 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño Esta página se ha dejado en blanco intencionalmente. 5.1 Panel 50 gsm 47 5.1 Panel 50 gsm Se presentan en la Tabla (5.1) los resultados de los ensayos de las probetas correspondientes al panel con espesor de la lámina de 90°de 50 gsm. El valor medio de la tensión aparente a la que se ha detectado una grieta completa en la lámina de 90 °es de 1611.07 MPa, con una desviación típica de 159.50 MPa y un CV de 9.90%. En cuanto a la deformación, el valor medio es de 1.46%, con una desviación típica de 0.18 y un CV de 12.40%. En las siguientes páginas se pueden encontrar las Figuras (5.1) , (5.2) , (5.3) , (5.4) , (5.5) , (5.6) , (5.7) y (5.8) , correspondientes a las micrografías del primer daño de cada probeta y su progresión con una breve descripción en el título del daño encontrado. Tabla 5.1 Datos de los ensayos progresivos panel 50 gsm. Panel 50 gsm Probeta Ensayo σ(MPa) ε(%)Apertura (%) 2 1 945.98 0.88 20 2 1216.03 1.02 72 3 1407.83 1.22 74 4 1607.57 1.41 95 5 1718.71 1.50 100 3 1 945.43 0.85 60 2 1059.82 0.98 60 3 1147.94 1.06 86 4 1422.10 1.32 100 4 1 941.04 0.84 0 2 1003.26 0.90 28 3 1051.26 0.92 42 4 1206.80 1.16 50 5 1542.01 1.48 90 6 1765.14 1.70 100 5 1 981.52 0.84 60 2 1320.56 1.14 86 3 1481.38 1.16 98 4 1538.33 1.32 100 Valor medio - 1611.07 1.46 - Desviación típica - 159.50 0.18 - CV (%) - 9.90 12.40 - 48 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño (a) (P2-E1 ε=0.88 % ) Primer daño detectado, consiste en dos despegues aislados. (b) (P2-E2 ε=1.02 % ) Aparecen más despegues aislados y algún despegue continuo. (c) (P2-E3 ε=1.22 % ) Continúan apareciendo despegues y algunos se conectan. (d) (P2-E4 ε=1.41 %) Continúan apareciendo despegues y conectándose. (e) (P2-E5 ε=1.50 %) Grieta completa. Figura 5.1 Micrografías de la probeta 2 (Panel 50 gsm). 5.1 Panel 50 gsm 49 (a) (P2-E1 ε=0.88 % ) Primer daño detectado, consiste en dos despegues aislados. (b) (P2-E2 ε=1.02 % ) Aparecen más despegues aislados y algún despegue continuo. (c) (P2-E3 ε=1.22 % ) Continúan apareciendo despegues y algunos se conectan. (d) (P2-E4 ε=1.41 %) Continúan apareciendo despegues y conectándose. (e) (P2-E5 ε=1.50 %) Grieta completa. Figura 5.2 Micrografías editadas de la probeta 2 (Panel 50 gsm). 50 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño (a) (P3-E1 ε=0.85 % ) Primer daño detectado, consiste en un daño transversal generalizado. (b) (P3-E2 ε=0.98 %) Continúan apareciendo despegues y conéctandose. (c) (P3-E3 ε=1.06 %) Continúan apareciendo despegues y conectándose. (d) (P3-E4 ε=1.32 %) Grieta completa. Figura 5.3 Micrografía de la probeta 3 (Panel 50 gsm). 5.1 Panel 50 gsm 51 (a) (P3-E1 ε=0.85 % ) Primer daño detectado, consiste en un daño transversal generalizado. (b) (P3-E2 ε=0.98 %) Continúan apareciendo despegues y conéctandose. (c) (P3-E3 ε=1.06 %) Continúan apareciendo despegues y conectándose. (d) (P3-E4 ε=1.32 %) Grieta completa. Figura 5.4 Micrografía editada de la probeta 3 (Panel 50 gsm). 52 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño (a) (P4-E2 ε=0.90 % ) Primer daño detectado, consiste en varios despegues aislados. (b) (P4-E3 ε=0.92 %) Aparecen más despegues. (c) (P4-E4 ε=1.16 % ) Continúan apareciendo despegues y conectándose. (d) (P4-E5 ε=1.48 % ) Continúan apareciendo despegues y conectándose. (e) (P4-E6 ε=1.70 %) Grieta completa. Figura 5.5 Micrografías de la probeta 4 (Panel 50 gsm). 5.1 Panel 50 gsm 53 (a) (P4-E2 ε=0.90 % ) Primer daño detectado, consiste en varios despegues aislados. (b) (P4-E3 ε=0.92 %) Aparecen más despegues.. (c) (P4-E4 ε=1.16 % ) Continúan apareciendo despegues y conectándose. (d) (P4-E5 ε=1.48 % ) Continúan apareciendo despegues y conectándose. (e) (P4-E6 ε=1.70 %) Grieta completa. Figura 5.6 Micrografías editadas de la probeta 4 (Panel 50 gsm). 60 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño (a) (P2-E7 ε=0.93 %) Primer daño detectado, se observan despegues aislados. (b) (P2-E8 ε=1.07 %) Los despegues crecen y se conectan. (c) (P2-E9 ε=1.34 %) El daño continúa propagándose. (d) (P2-E9 ε=1.59 %) Aparece un daño transversal generalizado en otro punto. Figura 5.11 Micrografía de la probeta 2 (Panel 100 gsm). 5.2 Panel 100 gsm 61 (a) (P2-E7 ε=0.93 %) Primer daño detectado, se observan despegues aislados. (b) (P2-E8 ε=1.07 %) Los despegues crecen y se conectan. (c) (P2-E9 ε=1.34 %) El daño continúa propagándose. (d) (P2-E9 ε=1.59 %) Aparece un daño transversal generalizado en otro punto. Figura 5.12 Micrografía editada de la probeta 2 (Panel 100 gsm). 62 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño (a) (P3-E8 ε=0.99 %) No es el primer daño, se observa una grieta completa. Figura 5.13 Micrografía de la probeta 3 (Panel 100 gsm). (a) (P4-E2 ε=0.85 %) Primer daño detectado, consiste en dos despegues aislados. (b) (P4-E3 ε=0.89 %) Al incrementar la carga se observó una grieta completa en una ubicación distinta. Figura 5.14 Micrografías de la probeta 4 (Panel 100 gsm). 5.2 Panel 100 gsm 63 (a) (P3-E8 ε=0.99 %) No es el primer daño, se observa una grieta completa. Figura 5.15 Micrografía editada de la probeta 3 (Panel 100 gsm). (a) (P4-E2 ε=0.85 %) Primer daño detectado, consiste en dos despegues aislados. (b) (P4-E3 ε=0.89 %) Al incrementar la carga se observó una grieta completa en una ubicación distinta. Figura 5.16 Micrografías editadas de la probeta 4 (Panel 100 gsm). 64 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño (a) (P5-E1 ε=0.84 % ) Primer daño detectado, se observan varios despegues aislados y continuos. (b) (P5-E2 ε=1.07 %) Los despegues continúan creciendo y se conectan. (c) (P5-E3 ε=1.32 %) Los despegues continúan creciendo y se conectan. (d) (P5-E4 ε=1.44 %) Los despegues continúan creciendo y se conectan. (e) (P5-E5 ε=1.59 %) Grieta completa. Figura 5.17 Micrografía de la probeta 5 (Panel 100 gsm). 5.2 Panel 100 gsm 65 (a) (P5-E1 ε=0.84 % ) Primer daño detectado, se observan varios despegues aislados y continuos. (b) (P5-E2 ε=1.07 %) Los despegues continúan creciendo y se conectan. (c) (P5-E3 ε=1.32 %) Los despegues continúan creciendo y se conectan. (d) (P5-E4 ε=1.44 %) Los despegues continúan creciendo y se conectan. (e) (P5-E5 ε=1.59 %) Los despegues continúan creciendo y se conectan. Figura 5.18 Micrografía editadas de la probeta 5 (Panel 100 gsm). 66 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño Esta página se ha dejado en blanco intencionalmente. 5.3 Panel 200 gsm 67 5.3 Panel 200 gsm Se presentan en la Tabla (5.3) los resultados del ensayo de las probetas correspondientes al panel con espesor de la lámina de 90ºde 200 gsm. El valor medio de la tensión aparente a la que se ha detectado un daño completo en la lámina de 90ºes de 1127.48 MPa, con una desviación típica de 147.49 y un CV de 13.08%. En cuanto a la deformación, el valor medio es de 1.02%, con una desviación típica de 0.08 y un CV de 7.87%. En las siguientes páginas se pueden encontrar las Figuras (5.19) , (5.20) , (5.21) , (5.22) , (5.23) , (5.24) , (5.25) , (5.26) , (5.27) y (5.28) , correspondientes a las micrografías del primer daño de cada probeta y su progresión con una breve descripción en el título del daño encontrado. Tabla 5.3 Datos de los ensayos progresivos panel 200 gsm. Panel 200 gsm Probeta Ensayo σ(MPa) ε(%)Apertura (%) 1 1 962.65 0.93 0 2 1025.20 1.02 24 3 1082.64 1.08 100 2 1 304.08 0.27 0 2 507.26 0.51 0 3 753.12 0.76 0 4 997.93 0.91 0 5 1047.49 0.98 4 6 1124.20 1.05 18 7 1201.90 1.06 100 3 1 997.28 0.95 5 2 1108.52 0.93 12 3 1199.79 1.01 30 4 1346.31 1.08 100 41 950.53 0.89 0 2 984.21 0.90 100 5 1 977.44 0.90 68 2 993.17 0.89 84 3 1022.33 0.97 100 Valor medio - 1127.48 1.02 - Desviación típica - 147.49 0.08 - CV (%) - 13.08 7.87 - 68 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño (a) (P1-E2 ε=1.02 %) Primer daño detectado consistente en un despegue continuo. (b) (P1-E3 ε=1.08 %) Grieta transversal con indicio de delaminación en otro punto de la probeta. Figura 5.19 Micrografía de la probeta 1 (Panel 200 gsm). 5.3 Panel 200 gsm 69 (a) (P1-E2 ε=1.02 %) Primer daño detectado consistente en un despegue continuo. (b) (P1-E3 ε=1.08 %) Grieta transversal con indicio de delaminación en otro punto de la probeta. Figura 5.20 Micrografía de la probeta 1 (Panel 200 gsm). 76 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño Esta página se ha dejado en blanco intencionalmente. 5.4 Panel 300 gsm 77 5.4 Panel 300 gsm Se presentan en la Tabla (5.4) los resultados del ensayo de las probetas correspondientes al panel con espesor de la lámina de 90ºde 300 gsm. El valor medio de la tensión aparente a la que se ha detectado un daño completo en la lámina de 90ºes de 753.92 MPa, con una desviación típica de 66.67 MPa y un CV de 8.84%. En cuanto a la deformación, el valor medio es de 0.76%, con una desviación típica de 0.08 y un CV de 10.70%. En las siguientes páginas se pueden encontrar las Figuras (5.29) , (5.30) , (5.31) , (5.32) , (5.33) , (5.34) , (5.35) , (5.36) , (5.37) , (5.38) y correspondientes a las micrografías del primer daño de cada probeta y su progresión con una breve descripción en el título del daño encontrado. Tabla 5.4 Datos de los ensayos progresivos panel 300 gsm. Panel 300 gsm Probeta Ensayo σ(MPa) ε(%)Apertura (%) 1 1 673.02 0.67 100 21 639.32 0.64 0 2 689.52 0.68 100 3 1 625.06 0.61 0 2 680.24 0.68 40 3 742.41 0.82 40 4 798.27 0.83 100 4 1 641.69 0.65 0 2 705.52 0.71 0 3 747.69 0.76 40 4 800.81 0.81 100 5 1 640.4 0.65 0 2 708.94 0.72 0 3 759.59 0.77 27 4 807.96 0.83 100 Valor medio - 753.92 0.76 - Desviación típica - 66.67 0.08 - CV (%) - 8.84 10.70 - 78 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño (a) (P1-E1 ε=0.67 %) Primer daño detectado, grieta transversal. Figura 5.29 Micrografía de la probeta 1 (Panel 300 gsm). (a) (P2-E2 ε=0.68 %) Primer daño detectado, grieta transversal. Figura 5.30 Micrografía de la probeta 2 (Panel 300 gsm). 5.4 Panel 300 gsm 79 (a) (P1-E1 ε=0.67 %) Primer daño detectado, grieta transversal. Figura 5.31 Micrografía editada de la probeta 1 (Panel 300 gsm). (a) (P2-E2 ε=0.68 %) Primer daño detectado, grieta transversal. Figura 5.32 Micrografía editada de la probeta 2 (Panel 300 gsm). 80 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño (a) (P3-E2 ε=0.68 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. (b) (P3-E4 ε=0.83 %) Grieta transversal. Figura 5.33 Micrografías de la probeta 3 (Panel 300 gsm). 5.4 Panel 300 gsm 81 (a) (P3-E2 ε=0.68 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. (b) (P3-E4 ε=0.83 %) Grieta transversal. Figura 5.34 Micrografías editadas de la probeta 3 (Panel 300 gsm). 82 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño (a) (P4-E3 ε=0.76 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. (b) (P4-E4 ε=0.81 %) Grieta transversal. Figura 5.35 Micrografías de la probeta 4 (Panel 300 gsm). 5.4 Panel 300 gsm 83 (a) (P4-E3 ε=0.76 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. (b) (P4-E4 ε=0.81 %) Grieta transversal. Figura 5.36 Micrografías editadas de la probeta 4 (Panel 300 gsm). 84 Capítulo 5. Ensayos de progresión de daño (a) (P5-E3 ε=0.77 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. (b) (P5-E4 ε=0.83 %) Grieta transversal completa con indicio de delaminación. Figura 5.37 Micrografías de la probeta 5 (Panel 300 gsm). 5.4 Panel 300 gsm 85 (a) (P5-E3 ε=0.77 %) Primer daño detectado, despegues continuos conectados. (b) (P5-E4 ε=0.83 %) Grieta transversal completa con indicio de delaminación. Figura 5.38 Micrografías editadas de la probeta 5 (Panel 300 gsm). 92 Capítulo 6. Análisis de resultados y conclusiones Figura 6.5 Representación esquemática del efecto escala [5]. Por último, en la Figura (6.6) se muestra la misma gráfica añadiendo la micrografía del daño más representativo detectado en cada espesor. Figura 6.6 Gráfica experimental obtenida y micrografías de la probeta con el daño más representativo de cada espesor. 7 Desarrollos futuros En este TFM se ha estudiado experimentalmente el efecto escala con láminas ultradelgadas de 50 gsm cubriendo un rango de espesor desde los 50 a los 1200 gsm. Con la experiencia acumulada durante la realización de este trabajo y en vista de las conclusiones obtenidas se plantea el estudio de las siguientes cuestiones: • Realizar experimentos iguales pero con un espesor de lámina de 90°inferior a 50 gsm para tratar de ubicar el espesor en el que se aparece una grieta transversal en la lámina de 90°al mismo tiempo que rompe la de 0°. • Realizar más experimentos con espesores entre 100 y 200 gsm y entre 300 y 400 gsm para delimitar aún más la región de transición, ya que se ha comprobado que esta se extiende, al menos, entre espesores de 200 y 300 gsm. • Repetir estos mismos ensayos con nuevos materiales para estudiar si las curvas experimentales siguen la misma tendencia mostrada. •Estudiar si hay influencia del espesor de las láminas de 0°en los resultados. 93 Bibliografía Bibliografía [1] J.N. Hinojosa. Estudio experimental de la aparición de daño transversal en laminados [012/90n]s en función del espesor de la lámina de 90°usando láminas ultradelgadas. Trabajo de Fin de Grado defendido en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla (2020). [2] F. París, J. Cañas, J.C. Marín, A. Barroso. Introducción al análisis y diseño con materiales compuestos. Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla (2009). [3] A. Parvizi, K. V. Garret, J. E. Bailey. Constrained cracking in glass fibre-reinforced epoxy cross-ply laminates. J. Mat. Sci. 13 (1978) 195–201. [4] D.L. Flaggs, M.H. Kural. Experimental Determination of the In Situ Transverse Lamina Strength in Graphite/Epoxy Laminates. J. Com. Mat. 16 (1982) 103-116. [5] F. París, M.L. Velasco, E. Correa. The Scale Effect in Composites: An explanation physically based on the different mechanisms of damage involved in failure. Enviado para publicación. [6] F. París, M.L. Velasco, E. Correa. Modelling fibre/matrix interface debonding and matrix cracking in composite laminates. Capítulo 9 de Multi-Scale Continuum Mechanics Modelling of Fibre-Reinforced Polymer Composites. ISBN: 9780128189849. Pendiente de publicación. [7] M.L. Velasco, E. Correa, F. París The scale effect in composites, an explanation based on the mechanisms of damage. Capítulo 12 de Modeling Damage, Fatigue and Failure of Composite Materials. ISBN: 9780443184895. [8] M.L. Velasco, F. París, E. Correa. Estudio Micromecánico del Efecto Escala en laminados de Material Compuesto. Revista AEMAC vol 2, nº4 (2017) 58-63. [9] M.J. Peña. Efecto a escala en materiales compuestos: estudio del fallo a primera lamina en laminados [0,90n]s. Proyecto Fin de Máster defendido en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla (2019). [10] E. Correa, M.I. Valverde, F. París. Estudio experimental micromecánico del fallo entre fibras ante tracción: observaciones al microscopio. Revista AEMAC vol 2, nº4 (2017) 52-57. [11] E. Arroyo. Efecto escala en la resistencia a tracción de laminados de material compuesto. Proyecto Fin de Carrera defendido en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla (2019). [12] M.J. Peña. Efecto escala en la resistencia a tracción de laminados de material compuesto. Proyecto Fin de Carrera defendido en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla (2017). [13] V.G. Navarrete. Efecto escala en Materiales Compuestos: estudio del fallo a primera lámina en laminados [04/90n]s .Proyecto de Fin de Grado defendido en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla (2019). 95