COMPORTAMIENTO A FRACTURA DE DOS MATERIALES COMPUESTOS EXPUESTOS A TEMPERATURA Y HUMEDAD

Transcripción

1 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia COMPORTAMIENTO A FRACTURA DE DOS MATERIALES COMPUESTOS EXPUESTOS A TEMPERATURA Y HUMEDAD A. Argüelles a, J. Viña a, A. F. Canteli a, M.A. García a, L. Chacón b a Universidad de Oviedo, E.T.S. Ingenieros Industriales de Gijón, Campus de Viesques, 3324 Gijón, Asturias. España. antonio@correo.uniovi.es. b E. De Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales, U. Central de Venezuela, Ciudad Universitaria, Los Chaguaramos, Caracas, Venezuela. RESUMEN Se estudia el comportamiento a fractura y a tracción de dos materiales compuestos fabricados a partir de una misma matriz termoplástica reforzada con tejido de fibra de vidrio y de carbono, cuando se someten a una temperatura de 7ºC y a una humedad relativa del 95%, con períodos cortos de exposición. El comportamiento a fractura se analizó en régimen dinámico a partir de los datos obtenidos de ensayos impacto instrumentados, aplicando la propuesta de norma existente. El fin de este estudio es conocer el comportamiento de este material en periodos cortos de exposición, que es donde se aprecia una alteración más acusada de la tenacidad a fractura e identificar los mecanismos de fallo que inducen este comportamiento en el material. Palabras claves Material compuesto, humedad, temperatura, tracción, fractura 1. INTRODUCCION El proceso de fractura que se genera en un material compuesto cuando se somete a cargas de impacto está condicionado por la propia fractura de las fibras que lo componen así como de los procesos de deslaminación asociados a este tipo de materiales[1] [2], hasta el momento no está claro cual de los dos procesos es el determinante, ni por supuesto la aportación de cada uno de ellos a la energía total absorbida durante el proceso. Por otra parte, cuando un material de este tipo se somete durante, periodos más o menos prolongados, a ambientes con altas concentraciones de humedad se produce en él, una progresiva absorción de agua que depende de muchas variables, como son: el tipo de fibra, el tipo de matriz, la temperatura, etc. En la práctica, la presencia de alta concentración de humedad viene acompañada de temperaturas relativamente elevadas lo que hace que el estudio conjunto de los dos parámetros; temperatura y humedad sea prácticamente obligatorio[3]. En este momento parece demostrado que la humedad absorbida por el material compuesto depende de la estructura química de la matriz, de la temperatura y de la humedad relativa, lo cual produce una plastificación tanto en la matriz como en el refuerzo, así como una alteración dimensional que induce modificaciones en el estado tensional que favorece la propagación de fisuras[4], [5] [6]. En este trabajo se considera el efecto que la combinación de la humedad y la temperatura tiene en el comportamiento a tracción y a fractura dinámica de dos materiales compuestos fabricados a partir de una misma matriz termoplástica reforzada con tejidos de fibra de vidrio y de fibra de carbono, en periodos cortos de exposición. 2. MATERIAL En este trabajo se han elegido dos materiales compuestos que responden a las siguientes características: 87

2 Argüelles, Viña, Canteli, García y Chacón El primero de ellos, denominado compuesto 1, está formado por una matriz termoplástica(polieterimida) reforzada con tejido de fibra de vidrio. El denominado compuesto 2, fue fabricado a partir de la misma matriz termoplástica pero reforzada con tejido de fibras de carbono, ambos con una disposición de fibras del tipo 8H Satin. La elección de estos dos tipos de material se ha realizado con el fin de analizar como se comporta el compuesto en función de sus constituyentes, es decir analizar la influencia del tipo de fibra empleada en el refuerzo (carbono o vidrio), cuando se somete a un ambiente con alta concentración de humedad y temperatura. Las propiedades mecánicas de estos dos materiales se muestran en la tabla 1, En la que se refleja: su tensión de rotura, su módulo elástico, ambos a tracción, su tensión de rotura a cortadura y su fracción volumétrica de fibra. Ref. y tipo de material compuesto Compuesto 1 PEI-Vidrio Tabla 1. Propiedades mecánicas del material utilizado. Tensión de rotura Módulo elástico Tensión de rotura a (MPa) (GPa) cortadura (MPa) Fracción volumétrica fibra (%) Compuesto PEI-Carbono Las probetas para los ensayos de tracción se elaboraron utilizando los compuestos 1 y 2, de acuerdo a las normas ASTM D 339. Para la caracterización a fractura, se fabricaron probetas tipo Charpy (figura 1.), con entalla en v de 2 mm de profundidad. En el caso del compuesto 1, se fabrico a partir de un laminado de espesor B, 5 mm y 8 mm para el compuesto 2, siendo las dimensiones de las probetas 55x1xB [mm]. 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Figura 1. Geometría de las probetas utilizadas. El proceso de envejecimiento se llevó a cabo en cámara climática a una temperatura de 7ºC y a una humedad relativa del 95%. Los periodos de exposición para las probetas destinadas a ensayos de tracción han sido de: 5, 25, 5, 1, 2 días, mientras que las probetas destinadas a ensayos a fractura han sido de: 1,3, 4.5, 6, 7.5, 9, 3 y 9 días, para ambos compuestos. Los ensayos a tracción se realizaron en una máquina de ensayo MTS 81-1KN, siguiendo la norma ASTM D 339. Los de caracterización dinámica se efectuaron en una torre de caída de peso CEAST, seleccionando una velocidad de impacto 4.43 m/s y una energía máxima de impacto de 88

3 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia J, obteniendo un registro continuo de la evolución de la carga en función del tiempo durante todo el proceso de fractura; a partir de este registro se calcularon los valores de la tenacidad a fractura en régimen dinámico (K ID ) utilizando la propuesta por la norma ASTM E24.3.3, con las limitaciones propuestas por la norma [7] [8]. 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1 Absorción de humedad Un paso previo a los ensayos de caracterización mecánica fue la determinación del grado de absorción de humedad (determinada como la proporción de aumento de peso respecto al peso inicial) en función de los tiempos de exposición. Para ello se sometieron probetas de cada tipo de compuesto al mismo tipo de exposición en cámara climática. Los resultados se reflejan en la figura 2. Hi/Hs 1,2 1,8,6,4,2 Compuesto 1 compuesto Tiempo (h) Figura 2. Gráfico de absorción de humedad de los dos tipos de compuesto. Se puede apreciar que la mayor absorción de humedad se produce en los primeros días de exposición, en concreto en los primeros diez días (24 horas), alcanzándose un porcentaje en torno al 5% del total, a partir de los cuales la absorción se ralentiza hasta alcanzar el equilibrio final (porcentaje de absorción del 1%). 4.2 Ensayos de impacto Seguidamente se representan las gráficas obtenidas de los ensayos de impacto para cada uno de los dos materiales y en periodos de permanencia en cámara diferentes, con el fin de analizar la influencia que el proceso tiene en el comportamiento del compuesto. Se puede apreciar que el tiempo de permanencia en cámara no modifica significativamente su comportamiento, si bien en el caso del compuesto reforzado con fibra de vidrio se puede Figura 3. Curvas fuerza deformación para los dos tipos de compuestos y diferentes periodos de permanencia en cámara 89

4 Argüelles, Viña, Canteli, García y Chacón apreciar en todos los casos una pequeña pérdida de fragilidad, es decir un aumento de ductilidad, dado que se obtiene tiempos de rotura más dilatado, lo que puede justificar un aumento en su tenacidad a fractura, tal como se aprecia en los resultados experimentales, (figura 6). 4.3 Resultados de los ensayos a tracción A continuación se presentan los resultados de los ensayos a tracción realizados, figuras 4 y 5, para ambos compuestos y para diferentes tiempos de permanencia en cámara. Se ha representado como parámetro característico de este ensayo su tensión de rotura. Resistencia (MPa) Valores Máximos Valores Medios Valores Mínimos Tiempo en cámara (días) Figura 4 Resultados de los ensayos de tracción para los compuestos reforzado con fibra de vidrio 7 6 Resistencia (MPa) Valores Máximos Valores Medios Valores Mínimos Tiempo en camara (días) Figura 5 Resultados de los ensayos de tracción para el compuesto reforzado con fibra de carbono Se puede apreciar, en ambos materiales, una ligera pérdida de resistencia, ya patente desde los primeros días de exposición y algo más acusada en el caso del compuesto reforzado con tejido de fibra de vidrio 4.4 Resultados de la caracterización a impacto Seguidamente se exponen los resultados de los ensayos de impacto realizados, para los dos materiales seleccionados, en la figura 6 y 7 se muestra el comportamiento a fractura dinámica, en concreto su tenacidad a fractura, se representan los valores máximos, medios y mínimos obtenidos para entre cinco y diez ensayos por tiempo de exposición Se puede apreciar la prácticamente nula influencia del proceso en el comportamiento a fractura en 81

5 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia 22 periodos cortos, e incluso una mejora de las condiciones iniciales tras las primaras 16 horas, obteniéndose tenacidades superiores a las del material en estado original representado en ambas figuras como tiempo de permanencia en cámara de días. K ID (MN/m 3/2 ) Máximos Medios Mínimos Tiempo en cámara (días) Figura 6 Resultados de los ensayos de impacto para los compuestos tipo 1, refuerzo de fibra de vidrio En la figura 7 se representa la evolución de la tenacidad a fractura para el compuesto reforzado con tejido de fibra de carbono. Se aprecia un comportamiento semejante al compuesto reforzado con fibra de vidrio, con una mejora de sus propiedades en los primeras horas de exposición una recuperación de las condiciones iniciales en torno a los seis días para posteriormente mejorar ligeramente, cabe destacar la poca dispersión de los resultados obtenidos. K ID (MN/m 3/2 ) Máximos Medios Mínimos Tiempo en cámara (días) Figura 7 Resultados de los ensayos de impacto para los compuestos tipo 2, refuerzo de fibra de carbono 5. CONCLUSIONES El tipo de refuerzo condiciona el comportamiento del material frente a cargas de impacto, así el compuesto reforzado con fibra de vidrio muestra un comportamiento más frágil, con una menor energía absorbida durante el impacto, la exposición a un ambiente húmedo combinado con temperatura altera ligeramente su comportamiento haciéndolo más dúctil, mayores tiempos de rotura y mayor energía absorbida. El material reforzado con tejido 811

6 Argüelles, Viña, Canteli, García y Chacón de fibra de carbono no presenta desde el punto de vista de su comportamiento una alteración reseñable. La resistencia a tracción de estos dos materiales compuestos fabricados a partir de la misma resina termoplástica, con refuerzos de diferentes materiales no se ve sustancialmente modificada por el efecto de la humedad y de la temperatura, aunque si se puede apreciar, en los primeros días de exposición, una pequeña disminución de su tensión de rotura, del orden del 16.6 % para el compuesto reforzado con fibra de vidrio y 12% para el compuesto reforzado con fibra de carbono. La tenacidad a fractura dinámica no se ve sustancialmente modificada, en periodos cortos de exposición, cuando el material compuesto se somete a unas condiciones ambientales caracterizadas por una elevada temperatura y humedad. Apreciándose incluso una mejora de sus propiedades iníciales. 6. REFERENCIAS 1. S. Abrate Impact on Composite Structures. Cambridge University Press, New York, RL. Sierakowski, SK. Chaturvedi. Dynamic Loading and Characterization of Fiber- Reinforced Composites. John Wiley, New York, A Argüelles., J. Viña, I. Viña, M. J Lámela. Influencia del tamaño de grieta y del envejecimiento acelerado en la tenacidad a fractura de plásticos reforzados con fibras continuas unidireccionales, II Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica. CD- RON, BRK. Blackman, JG. Williams. Impact and High Rate Testing of Composites: An Overview. Proceedings of the NATO Advanced Study Institute on Mechanics of Composite Materials and Structures. NATO Science series Vol.361, , BRK. Blackman, JG. Williams. Impact and High Rate Testing of Composites: High Rate Delamination Testing. Proceedings of the NATO Advanced Study Institute on Mechanics of Composite Materials and Structures. NATO Science series Vol. 361: , JF. Kalthoff. On the Validity of Impact Energies Measured with Polymeric Specimens in Instrumented Impact Tests. In: Williams JG, Pavan A, editors. ESIS 19, London, Mechanical Engineering Publications, 21-31, ASTM E 399/81. Standard Method for Plane Strain Fracture of Metallic Materials, ASTM E Proposed Standard Method of Test for Instrumented Impact Testing of Precracked Charpy-specimens of Metallic Materials,