Comportamiento de materiales compuestos laminados frente al fenómeno de deslaminación a fatiga bajo solicitación a fractura en modo mixto i/ii

Resumen

Los materiales compuestos, fabricados mediante la superposición de láminas junto con algunas geometrías específicas, son susceptibles de perder parte de su capacidad resistente por la presencia de zonas deslaminadas generadas por la presencia de fisuras o grietas entre dichas laminas. El objetivo fundamental de este trabajo ha sido evaluar experimentalmente la generación y propagación de estas grietas interlaminares en un material compuesto carbono-epoxi sometido a solicitación de fatiga bajo modo mixto de fractura I/II, a la vez que explorar la viabilidad del ensayo MMB (Mixed-Mode Bending) como herramienta para determinar a nivel experimental su comportamiento, bajo solicitación a fatiga, en este modo mixto de fractura. Para lo cual se comparan los resultados obtenidos con otra metodología de ensayo, la denominada ADCB (Asymmetric Double Cantilever Beam), alternativa más sencilla de ejecución, en especial en ensayos de fatiga, al ensayo MMB. En todo este trabajo se ha utilizado un material compuesto de calidad aeronáutica formado con una matriz epoxi del tipo MTM45-1 y un refuerzo de fibra de carbono unidireccional del tipo IM7. Para cumplir este objetivo se comenzó por la determinación bajo régimen estático de todos los parámetros necesarios para su posterior estudio a fatiga: cargas máximas, las contribuciones modales de la tasa de liberación de energía, GI y GII, y la tenacidad a fractura crítica Gc. Bajo régimen dinámico a fatiga se obtuvieron; por una parte, las curvas de iniciación del proceso de deslaminación a fatiga, entendiendo como tal el número de ciclos de carga necesarios para la generación de una grieta por fatiga; y por otra, la velocidad de crecimiento de grieta o velocidad de la deslaminación, para diferentes fracciones de la tenacidad a fractura crítica estática, Gc, en ambos casos para dos grados de modo mixto (GII/G = 0,4 y GII/G = 0,2) y para una relación de tensiones R= 0,1. Todo ello con el objetivo adicional de cuantificar la influencia que el grado de modo mixto tiene en el comportamiento del laminado ante cargas de fatiga, con esta metodología de ensayo. Una vez concluido el estudio a fatiga en lo referente a la metodología de ensayo se ha observado que para grados de modo mixto más elevados, los límites de fatiga alcanzados son prácticamente iguales para ambas metodologías de ensayo MMB y ADCB, por lo que se podría utilizar el ensayo tipo ADCB como sustituto del ensayo MMB para la determinación del límite de fatiga del material utilizado en este trabajo. Para proporciones de modo mixto bajas no es posible asegurar esta tendencia, a la vista de los resultados aportados por la metodología MMB, sensiblemente inferiores a las aportadas por la metodología ADCB. En relación a la influencia del grado de modo mixto de los resultados obtenidos se aprecia como al aumentar el nivel de solicitación, para ambos grados de modo mixto, la tasa de liberación de energía aumenta y el límite de fatiga está en torno a los mismos porcentajes, sin embargo, el comportamiento de la velocidad de crecimiento difiere de un grado a otro. Esta diferencia de comportamiento del material puede deberse a la mayor o menor influencia del modo I en el proceso de deslaminación. Con el objetivo de identificar la presencia y el significado de los diferentes daños sufridos por el material durante los ensayos bajo modo mixto y metodología MMB, se realizó un análisis fractográfico (SEM) de las superficies de fractura de las probetas ensayadas. Los resultados obtenidos a partir de este estudio demuestran la presencia de los dos modos de carga (modo I y modo II) lo que reafirma los resultados obtenidos en el proceso experimental.