Determinación de la Energía de Fractura de un Material Compuesto Carbono-Epoxy con Delaminaciones sometido a carga Cuasi-Estática y a Fatiga

Abstract

En este trabajo, se determina la tasa de liberación de energía de fractura interlaminar en Modo I de un material compuesto bidireccional carbono-epoxy mediante el cálculo de la rapidez de crecimiento de grietas por fatiga aplicando la ley de Paris modificada para materiales compuestos. El material de prueba lo constituye un tejido bidireccional de fibra de carbono y resina epóxica, fabricado mediante el método de bolsa de vacío. En las probetas se indujo de forma artificial una delaminación en la mitad del espesor con la finalidad de simular la presencia de una discontinuidad tipo grieta. Posteriormente, se cortaron probetas doble cantiléver de 100 mm de largo, 25 mm de ancho y 1 mm de espesor. La experimentación consistió en realizar ensayos cuasi-estáticos en apertura tensil de acuerdo a la norma AST M D5528 para determinar el valor crítico de la resistencia a la fractura interlaminar en Modo I. Posteriormente, con base en la norma AST M D6115, se determinó la rapidez de crecimiento de grietas por fatiga mediante ensayos de fatiga, para valores de relación de carga de 0.1, 0.5 y 0.7. El avance de la de laminación fue monitoreado mediante microscopía óptica con respecto al número de ciclos de carga. Con la finalidad de relacionar los mecanismos de falla operantes con las relaciones de carga y diferenciar las topografías características de fatiga y las de carga cuasi-estática, se realizó el examen fractográfico por inspección visual y microscopía electrónica de barrido. Esta metodología es efectiva ya que los resultados permitieron calcular la rapidez de crecimiento de grietas por fatiga y asociar la con la tasa de liberación de energía de fractura interlaminar mediante la ley de Paris modificada; obteniendo de esta manera las constantes del material asociado a la sensibilidad al ambiente y a la sensibilidad de esfuerzo en la punta de la grieta.

This study aims to determine the mode interlaminar fracture energy release rate of a bidirectional epoxy-carbon composite material through the calculation of the fatigue delamination growth rate applying the modified law of Paris for composite materials. The composite plate is made of a bidirectional carbon fiber woven and an epoxy resin; the manufacture was following the method of vacuum bag. In the composite plate was induced an artificial delamination at a half of the thickness in order to simulate a pre-existing crack. Subsequently, double cantilever beams specimens were cut with the dimensions of 100 mm long, 25 mm width and 4 mm of thickness. The experimentation consisted in perform cuasi-static tests in tensile opening displacement mode, according the ASTM D5528 standard to determine the critic interlaminar fracture toughness in Mode I. The fatigue test were carry out with different values of load ratio of 0.1, 0.5 and 0.7, following the ASTM D6115 standard and it was possible to estimate the fatigue delamination growth rate of the material. During dynamic tests, the progress of the delamination was frequently monitored respect the number of cycles with an optical microscope. With the objective to correlate the failure mechanisms with the load ratio and differentiate the topographic characteristics of the fatigue failure respect the cuasi-static failure, it was done the fractographic examination by visual inspection and SEM. This methodology is effective because the results allowed to correlate the fatigue delamination growth rate with the interlaminar fracture energy release rate applying the modified law of Paris, obtaining the material constants associated to the environment sensitivity and the stress sensitivity in the tip of the crack