Caracterización de la respuesta de vidrio multilaminado de

12mm ante el impacto de fragmentos

Proyecto de grado

John Paul Portilla Cuellar

201217343

Asesor

Prof. Edgar Alejandro Marañón León, Ph. D.

Jurado

Prof. Luis Mario Mateus, Msc.

Universidad de los Andes

Facultad de ingeniería

Departamento de ingeniería mecánica

Bogotá, Colombia.

2019.

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INDICE RESUMEN ____________________________________________________________________ 5

INTRODUCCIÓN ______________________________________________________________ 6

I. OBJETIVOS _______________________________________________________________ 7

Objetivo principal ______________________________________________________________ 7

Objetivos secundarios ___________________________________________________________ 7

II. MARCO TEORICO ________________________________________________________ 8

Composición química ___________________________________________________________ 8

Dureza _______________________________________________________________________ 8

Tenacidad a la fractura __________________________________________________________ 8

Flexión ______________________________________________________________________ 8

Tenacidad ____________________________________________________________________ 8

III. MÉTODO _________________________________________________________________ 9

Composición química ___________________________________________________________ 9

Pruebas de dureza ______________________________________________________________ 9

Pruebas de tenacidad a la fractura ________________________________________________ 10

Pruebas de flexión y determinación de la tenacidad. __________________________________ 11

Pruebas de impacto ____________________________________________________________ 12

Cañón Taylor ______________________________________________________________ 12

Descripción de los proyectiles _________________________________________________ 13

Sabot _____________________________________________________________________ 13

Fragmento _________________________________________________________________ 15

Calibración del cañón Taylor __________________________________________________ 16

Descripción del montaje ______________________________________________________ 17

Marco de soporte ____________________________________________________________ 17

Probeta de vidrio ____________________________________________________________ 18

Fondo de grabación __________________________________________________________ 18

Barrera de protección ________________________________________________________ 19

Protecciones en acrílico ______________________________________________________ 19

Adquisición de datos y Software _______________________________________________ 20

IV. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ______________________________ 21

Prueba de composición química __________________________________________________ 21

Pruebas de dureza _____________________________________________________________ 22

Pruebas de Tenacidad a la fractura ________________________________________________ 23

Prueba de flexión y determinación de la tenacidad ___________________________________ 24

Pruebas de impacto ____________________________________________________________ 27

3

Análisis de planta ___________________________________________________________ 27

Análisis lateral _____________________________________________________________ 33

V. CONCLUSIONES _________________________________________________________ 34

VI. RECOMENDACIONES ____________________________________________________ 34

VII REFERENCIAS ___________________________________________________________ 35

INDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1. Dureza tipo Vickers. ____________________________________________________ 9 Ecuación 2. Tenacidad a la fractura. ________________________________________________ 10 Ecuación 3. Esfuerzo de flexión máximo. ____________________________________________ 11 Ecuación 4. Velocidad del fragmento en términos de presión. ____________________________ 16

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Panel de vidrio laminado y sus partes. ________________________________________ 6 Figura 2. Huella y mediciones para la prueba Vickers. __________________________________ 10 Figura 3. Medición para la huella generada. __________________________________________ 10 Figura 4. Resultados aceptables para la prueba. ________________________________________ 11 Figura 5. Montaje de anillos concéntricos para la prueba. ________________________________ 11 Figura 6. Cañón Taylor y sus partes. ________________________________________________ 12 Figura 7. Sabot versión 2._________________________________________________________ 13 Figura 8. Centro de masa del sabot. _________________________________________________ 14 Figura 9. Sabot físico para la prueba. ________________________________________________ 15 Figura 10. Fragmento utilizado para la prueba. ________________________________________ 15 Figura 11. Calibración del cañón. __________________________________________________ 16 Figura 12. Montaje utilizado para la prueba de impacto. _________________________________ 17 Figura 13. Marco de soporte. ______________________________________________________ 18 Figura 14. Probeta de vidrio utilizada en las pruebas. ___________________________________ 18 Figura 15. Fondo de grabación. ____________________________________________________ 19 Figura 16. Barrera de protección para la cámara de alta velocidad. _________________________ 19 Figura 17. Protecciones en acrílico. _________________________________________________ 20 Figura 18. Lámparas y cámara de alta velocidad utilizados. ______________________________ 20 Figura 19. Marcas obtenidas en la prueba de tenacidad. _________________________________ 23 Figura 20. Tipos de falla durante la prueba de flexión. (A) Probeta de baja energía, (B) Probeta de

energía media, (C) Probeta de alta energía. ___________________________________________ 24 Figura 21. Curva de esfuerzo vs deformación. _________________________________________ 25 Figura 22. Parámetros para la distribución de Weibull. __________________________________ 26 Figura 23. Histograma de frecuencias de Weibull. _____________________________________ 27 Figura 24. Vista de planta general a una presión de 0,21 MPa. ____________________________ 28 Figura 25. Detalles de la zona de impacto correspondiente a una presión de 0,21 MPa._________ 28 Figura 26. Vista de planta general a una presión de 0,55 MPa. ____________________________ 29 Figura 27.Detalles de la zona de impacto correspondiente a una presión de 0,55 MPa. _________ 29 Figura 28.Vista de planta general a una presión de 0,83 MPa. ____________________________ 30 Figura 29.Detalles de la zona de impacto correspondiente a una presión de 0,83 MPa. _________ 30 Figura 30.Vista de planta general a una presión de 2,06 MPa. ____________________________ 31 Figura 31.Detalles de la zona de impacto correspondiente a una presión de 2,06 MPa. _________ 31 Figura 32. Vista de planta trasera para todos los paneles. ________________________________ 32 Figura 33. Micrografías panorámicas y de detalle laterales para el panel de 0,21 y 2,06 MPa. ___ 33

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INDICE DE TABLAS

Tabla i. Especificaciones de dimensiones para la prueba según la probeta. __________________ 11 Tabla ii. Propiedades mecánicas de la resina Tough. ____________________________________ 14 Tabla iii. Resultados de composición química prueba (XRF) _____________________________ 21 Tabla iv. Composición química para el vidrio Sódico cálcico. ____________________________ 21 Tabla v. Dureza de las caras A y B _________________________________________________ 22 Tabla vi. Dureza de los vidrios en la cara más dura. ____________________________________ 22 Tabla vii. Valores de referencia documento de G.R. Antis _______________________________ 23 Tabla viii. Resultados de la tenacidad a la fractura y beta. _______________________________ 24 Tabla ix. Valores de tenacidad para la prueba. _________________________________________ 25 Tabla x. Variables de entrada para la distribución de Weibull. ____________________________ 26 Tabla xi. Distancia de cada una de las zonas al punto de impacto __________________________ 32

5

Resumen

En el presente proyecto de grado se realizó la caracterización de vidrio multilaminado de 12mm, es decir, es un panel de vidrio compuesto por 3 láminas de vidrio de 4 mm cada una y 2 láminas de butiral de polivinilo que cumplen con la función de unir mediante adhesión las 3 láminas de vidrio. Para la caracterización, se analizaron láminas de vidrio de 4mm de espesor con el fin de obtener propiedades mecánicas, tales como dureza, tenacidad, tenacidad a la fractura y esfuerzo de flexión de cada una de las láminas que componen el panel de vidrio. Para definir estas propiedades se realizaron pruebas de micro dureza Vickers, tenacidad a la fractura mediante el método de medición directa de grieta y pruebas de flexión mediante pruebas de anillos concéntricos. Finalmente, se realizó el diseño de un sabot que mejoró la dinámica y confiabilidad de disparo de fragmentos; una vez definidas las características del sabot, se caracteriza el cañón de aire comprimido Taylor con el fin de realizar disparos a diferentes presiones que permitan evaluar los daños generados en los paneles de vidrio. Los resultados obtenidos en estas pruebas de impacto se analizaron mediante micrografía óptica con el fin de detallar los daños generados en los vidrios impactados.

6

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo busca caracterizar paneles de vidrio laminado mediante pruebas estandarizadas

para conocer las propiedades mecánicas de los mismos. Esto permitirá divulgar valiosa información

y ser punto de referencia para la exploración y el desarrollo de trabajos relacionados con los aspectos

en mención.

Para contextualizar, es importante mencionar que el vidrio es uno de los materiales esenciales para

llevar a cabo una gran variedad de acciones en la sociedad, debido a que por sus diferentes

características puede ser utilizado en diversas aplicaciones, ya sean decorativas, arquitectónicas,

elaboración de recipientes, aislamientos, recubrimiento o seguridad. En la actualidad existen

diferentes formas de fabricar vidrio, sin embargo, la forma más común es la fabricación por medio

del flotado, el cual consiste en fundir vidrio sobre una superficie plana de estaño también fundido,

donde el vidrio adquiere la forma plana de esta superficie de estaño y luego de un proceso de

enfriamiento se solidifica hasta obtener el vidrio plano[1].

Con el fin de obtener vidrios que cumplan con las aplicaciones anteriormente descritas, se han

transformado o combinado los componentes básicos del vidrio (sílice, carbonato sódico y roca caliza)

para modificar sus propiedades mecánicas o físicas y de este modo cumplir con su función. Sin

embargo, existen diferentes procesos que se realizan luego de su fabricación para mejorar sus

propiedades mecánicas como lo son el templado y laminado; el proceso de templado como su nombre

lo indica es un incremento de temperatura en el vidrio hasta alrededor de los 620 grados Celsius (°C)

y luego es enfriado mediante aire a presión hasta una temperatura cercana a la temperatura ambiente.

De este modo, se consiguen superficies con mayor resistencia y dureza[2].

El vidrio laminado consiste en la unión de láminas de vidrio mediante un butiral de polivinilo (PVB),

para esta unión se calientan las láminas de butiral de polivinilo hasta los 60 grados Celsius (°C) para

lograr que el PVB llegue hasta su punto más blando y luego mediante rodillos se compactan las dos

láminas de vidrio con la lámina de PVB en medio de estos (Figura 1), a este tipo de unión se le

denomina como paneles de vidrio, estos paneles obtienen alta resistencia al impacto de elementos,

por lo que sus principales usos son el aislamiento y la seguridad.

Figura 1. Panel de vidrio laminado y sus partes.[3]

En este proyecto se trabajó con paneles de vidrio de 12 milímetros (mm) compuestos por 3 láminas

de vidrio de 4 mm y dos láminas de PVB, cada panel de vidrio tiene un tamaño de 110 x 110 mm.

Con el fin de caracterizar las propiedades mecánicas de estos paneles de vidrio se realizaron pruebas

de microdureza, tenacidad a la fractura, flexión e impacto.

7

I. OBJETIVOS

Objetivo principal

- Caracterizar la respuesta del vidrio multilaminado de 12 milímetros de espesor, compuesto

por tres láminas de vidrio y dos de PVB ante el impacto de fragmentos disparados a diferentes

presiones.

Objetivos secundarios

- Caracterizar propiedades mecánicas como dureza, tenacidad, tenacidad a la fractura y flexión

para el panel de vidrio.

- Determinar la composición química del vidrio.

- Diseñar y fabricar un sabot que mejore la dinámica y confiabilidad de disparo.

- Realizar un montaje para impacto en vidrio multilaminado que permita instalar una cámara

de alta velocidad detrás del blanco utilizado, con el fin de detectar el comportamiento de

fractura del vidrio.

- Describir el modo de fractura en los paneles de vidrio impactados a diferentes presiones.

- Exponer la penetración y deformación en los paneles de vidrio impactados a baja y alta

presión.

8

II. MARCO TEORICO

En el marco del proceso expuesto en el presente trabajo, es relevante definir algunos conceptos con

el fin de aclarar y dar a conocer elementos relacionados con cada una de las etapas y propiedades

mecánicas seleccionadas para su desarrollo, a saber:

II.I Composición química: Las propiedades mecánicas de los vidrios dependen en gran medida de

la composición química de estos, típicamente los vidrios se componen de sílice, carbonato sódico y

roca caliza. Sin embargo, existen diferentes tipos de vidrio en los cuales se encuentran adiciones de

elementos químicos o variaciones en sus porcentajes de composición química con el fin de utilizarlos

en determinada aplicación, los vidrios que principalmente se encuentran son: sílice vítrea, sódico

cálcico y borosilicatos. Los vidrios de sílice vítrea son utilizados para fines artesanales o decorativos.

El vidrio sódico cálcico es el más comercializado en el mundo, debido a su bajo costo de fabricación

y las diferentes aplicaciones en las cuales puede ser utilizado, este vidrio se utiliza principalmente en

la arquitectura, blindaje y recubrimiento de superficies. Los vidrios borosilicatos tienen una mayor

cantidad de componentes químicos, por lo que estos son más costosos de fabricar, sin embargo, esta

adición de componentes le dan al vidrio borosilicato mayor resistencia en algunas aplicaciones en

comparación con el vidrio sódico cálcico (soda-lime) como los cambios o choques térmicos y el

aislamiento eléctrico.[4]

II.II Dureza: La dureza es una propiedad mecánica de los materiales, esta se define como Resistencia

del material a su deformación plástica permanente por rayado o penetración. Comúnmente la dureza

del vidrio se define en la escala Mohs propuesta por Friedrich Mohs, esta escala es utilizada para

describir la resistencia de un material a ser rayado por otro material más duro clasificándolo en una

escala del 0 al 10.[5]

La dureza de penetración se refiere a la resistencia del material a sufrir deformación plástica o

destrucción debido a la penetración de otro cuerpo que genera un esfuerzo local sobre la superficie

del material, este cuerpo se denomina indentador y es de una dureza mayor a la del material de prueba,

con el fin de que este no se deforme mientras se aplica el esfuerzo sobre el material de prueba ya que

esto generaría una medida errónea de la dureza del material de prueba. [6]

II.III Tenacidad a la fractura: En el estudio de los materiales es de vital importancia conocer el

límite de un material cuando este se ve sometido a un esfuerzo, normalmente esto se puede determinar

mediante ensayos de tensión llevando el material hasta su punto de falla. Sin embargo, en materiales

como el vidrio donde su zona de plasticidad es muy limitada se busca conocer su tenacidad a la

fractura, la cual mide el esfuerzo necesario sobre el material para propagar grietas o defectos presentes

en él. [7]

II.IV Flexión: La flexión es la propiedad que cuantifica la relación existente entre esfuerzo y

deformación para un material. Físicamente se le denomina flexión a la deformación generada por un

esfuerzo perpendicular al eje longitudinal de la probeta de prueba, este esfuerzo es aplicado sobre la

zona libre de la probeta que se encuentra apoyada en sus extremos o en cantiléver.

II.V Tenacidad: La tenacidad es la propiedad que determina la cantidad de energía absorbida por el

material durante un ensayo de deformación hasta su punto de falla, este ensayo puede ser de tracción,

compresión o flexión. Para determinar la tenacidad es necesario conocer la curva de esfuerzo vs

deformación del material, de este modo la tenacidad se conoce hallando el área bajo la curva de

esfuerzo vs deformación.[7]

9

III. MÉTODO

Desde el punto de vista metodológico, la experiencia aquí descrita estuvo desarrollada a partir de una

serie de pruebas necesarias ligadas a las características y usos del material:

Composición química

Para realizar el análisis de composición química, se utilizaron las pruebas de fluorescencia de rayos

X (XRF) ya que esta prueba permite conocer la composición química de elementos en estado líquido

o solido sin importar el brillo o transparencia de las muestras. Esta prueba consiste en emitir una serie

de ondas conocidas y un haz de luz (para este tipo de prueba son rayos X) sobre las muestras del

material y medir los rayos difractados de la muestra de acuerdo con la ley de Bragg1, los cuales

obtienen un tipo de onda diferente que está relacionada con los componentes presentes en la

muestra.[8]

Para esta prueba se realizaron muestras de vidrio de 30x30 mm de 4mm de espesor.

Pruebas de dureza

Las pruebas de dureza consisten en penetrar mecánicamente el material y luego de esta penetración

medir la marca generada por el indentador (Figura 2), debido a que en los paneles de vidrio laminado

no se puede medir de manera correcta la dureza del vidrio que se encuentra en la mitad, entonces se

realizaron las mediciones de esta propiedad tomando vidrios de 110x110mm y 4mm de espesor para

poder obtener la dureza de forma individual; además, debido a la condición de la fabricación del

vidrio flotado, las caras de este vidrio no obtienen las mismas propiedades porque como se explicó

anteriormente una de las caras del vidrio queda en contacto con una capa de estaño y la otra cara

queda libre, por lo que al momento de realizar su solidificación las dos caras obtienen durezas

diferentes. Para encontrar la dureza del material se realizaron 5 mediciones por cada cara del material

con el fin de identificar la diferencia de durezas entre estas, una vez definidas las caras más duras se

realizó nuevamente la prueba tomando 10 mediciones en cada una de estas caras.

En esta medición se utilizó la norma ASTM C1327-99 con un indentador tipo Vickers (Figura 2) y

las demás condiciones de medición que allí se describen, el equipo utilizado para esta medición fue

el equipo Buehler micromet 5104.[9]

La dureza de los vidrios se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

𝐻𝑉 =𝑃

𝑐2 ∗ 𝑘

Ecuación 1. Dureza tipo Vickers.[11]

Donde:

𝑃: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎

𝑐: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑖𝑒𝑡𝑎 𝑘: 𝐸𝑠 𝑢𝑛𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑉𝑖𝑐𝑘𝑒𝑟𝑠 𝑒𝑠 2

1 Ley de Bragg: condición de reflexión o de difracción para rayos x.

10

Figura 2. Huella y mediciones para la prueba Vickers.[10]

Pruebas de tenacidad a la fractura

Para las pruebas de tenacidad a la fractura se utilizó el método de medición directa de grieta con el

equipo Buehler micromet 5104, este método consiste en realizar la penetración de las probetas con

un indentador tipo Vickers con los parámetros de la norma ASTM C1327-99 con un tiempo de 40

segundos para lograr la fractura del material, luego de esto se realizó la medición directa de la grieta

generada (Figura 3) [11]. Para esta prueba se realizaron 10 mediciones por cada probeta en las caras

más duras identificadas anteriormente.

La tenacidad a la fractura se calculó mediante la siguiente ecuación, la cual relaciona la carga con una

constante del material y la longitud de grieta obtenida.

𝑲𝟏𝒄 =𝑷

𝒄𝟑𝟐 ∗ 𝜷

Ecuación 2. Tenacidad a la fractura.[11]

Donde:

𝐾𝑖𝑐 = 𝑇𝑒𝑛𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑐 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑖𝑒𝑡𝑎 𝛽 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙

Figura 3. Medición para la huella generada.[12]

11

Debido a que esta prueba es destructiva es necesario establecer parámetros para aceptar o rechazar

los resultados obtenidos, en la Figura 4 se observan el tipo de resultados aceptables para esta prueba.

Figura 4. Resultados aceptables para la prueba.[12]

Pruebas de flexión y determinación de la tenacidad.

Para las pruebas de flexión se utilizó la prueba de anillos concéntricos, esta prueba consiste en dos

anillos de diferente diámetro con la probeta de vidrio en medio de ellos (Figura 5), Las probetas

utilizadas para esta prueba son de 110x110 mm y 4mm de espesor; finalmente, para esta prueba se

siguieron los parámetros de la norma DIN 52-292 donde la probeta de vidrio se sometió a una carga

de compresión en el anillo superior hasta llegar al punto de falla, este esfuerzo de flexión se describe

mediante la siguiente Ecuación 3. La cantidad de probetas en esta prueba fue de 30 para poder realizar

una distribución de Weibull para su esfuerzo máximo.

𝜎𝑏 = 1,04 ∗𝐹𝑚𝑎𝑥

𝑠2

Ecuación 3. Esfuerzo de flexión máximo.

Donde:

𝐹𝑚𝑎𝑥 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑠 = 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎

𝜎𝑏 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛

Figura 5. Montaje de anillos concéntricos para la prueba.[13]

Como se observa en la Figura 5 este montaje tiene diferentes dimensiones las cuales son establecidas

por el tipo de probeta que se esté utilizando, que pueden ser circulares o cuadradas. Como se

mencionó anteriormente las probetas para esta prueba son cuadradas por lo que las dimensiones de

montaje se establecen en la referencia R45 de la Tabla i.

Tabla i. Especificaciones de dimensiones para la prueba según la probeta.[13]

12

Pruebas de impacto

Las pruebas de impacto como su nombre lo indica, consisten en impactar elementos sobre el material

de prueba con el fin de conocer la dinámica de fractura en el mismo y la penetración generada por el

impacto, en este proyecto se realizaron estas pruebas mediante el uso de un cañón de Taylor, el cual

utiliza aire comprimido para desplazar en su interior un proyectil que impacta sobre el material que

se desea probar; como se mencionó anteriormente para este proyecto se utilizaron paneles de vidrio

multilaminado de 110x110 mm y 12 mm de espesor que son denominados como blanco. Los

proyectiles utilizados en el cañón de Taylor están compuestos de dos partes: Sabot y fragmento, el

sabot se encarga de transportar y centrar el fragmento a lo largo del tubo del cañón, y una vez

finalizado el recorrido es detenido por una placa metálica al final del tubo del cañón y se separa del

fragmento que al salir del cañón impacta con el blanco.

Cañón Taylor

En la Figura 6 se encuentra descrito el cañón Taylor, este utiliza aire comprimido para impulsar el

proyectil dentro de su ánima o cañón con un límite de máximo 2,76 MPa (400 psi). Como se observa

en la Figura 6 cada una de estas partes cumplen con una función en específico, el ánima o cañón

cumple con la función de transportar el proyectil en su interior e impactarlo contra el blanco. La

electroválvula se divide en dos partes: medidor y válvula, el medidor cumple con la función de

mostrar al usuario la presión que se está cargando en el tanque de almacenamiento, y la válvula

cumple la función típica de una válvula que es permitir o limitar el paso de determinado fluido; esta

válvula se encuentra controlada por medio de un software computacional diseñado para este cañón.

El tanque de almacenamiento como su nombre lo indica es el encargado de almacenar el aire

comprimido con el cual se realiza el disparo. Las válvulas de estrangulamiento se accionan cuando

se requiere aumentar o disminuir la cantidad de aire comprimido en el tanque de almacenamiento.

Figura 6. Cañón Taylor y sus partes.

13

Descripción de los proyectiles

Sabot

El sabot es un elemento cilíndrico que cumple con la función de casquillo, es decir, transportar y

centrar a lo largo del cañón un fragmento metálico que impacta los paneles de vidrio.

Debido a que el sabot recibe directamente todo el aire comprimido, este es el responsable del

comportamiento del fragmento dentro y fuera del cañón Taylor. Actualmente los sabot utilizados son

un cilindro uniforme, por lo que el comportamiento de estos no es constante ya que con diferentes

presiones se presentan cabeceos durante el movimiento del sabot a lo largo del cañón, otro problema

que presenta este tipo de sabot es que cuando el fragmento se separa de este no tiene una trayectoria

similar en todos los disparos realizados, por lo que en general la dispersión de los datos de esta prueba

es muy alta.

Con el fin de reducir los problemas anteriormente mencionados, se realizó un nuevo diseño para el

sabot, basado en la patente WO99/51933 de la empresa SABOT TECHNOLOGIES, INC.[14] Sin

embargo, para poder utilizar este diseño en el cañón de Taylor fue necesario modificar todas sus

dimensiones, ya que esta patente posee un diseño para un arma de fuego tipo escopeta. La

modificación principal respecto a los sabot cilíndricos tradicionales consiste en agregar una zona de

aletas (1, Figura 7) que permitan que el flujo de aire pase por esta zona para poder inducir la rotación

del sabot y el fragmento dentro del cañón. De este modo, el fragmento se comporta de manera más

uniforme una vez sale del cañón, por lo que el punto de impacto en el blanco será menos disperso

entre disparos en comparación con el sabot cilíndrico uniforme. Para reducir el cabeceo se incluye un

sello de presión (2, Figura 7) con el fin de mantener el aire comprimido alrededor de esta zona del

sabot y de manera uniforme alrededor del mismo, además con las aletas de la zona 1 ocurre un

desplazamiento del centro de masa hacia el centro del sabot, lo cual reduce el cabeceo (Figura 8). Por

último, se modifica el área trasera del sabot con una forma cóncava (3, Figura 7) para tener una mejor

distribución del aire comprimido y que las fuerzas ejercidas sobre el sabot tengan una distribución

simétrica. Además, el fragmento se aloja al frente del sabot (4, Figura 7).

Figura 7. Sabot versión 2.

14

Figura 8. Centro de masa del sabot.

La manufactura de este sabot presentaba diferentes complicaciones con los métodos tradicionales de

maquinado debido a la zona de aletas (1,Figura 7) por esta razón fue necesario emplear métodos de

manufactura aditiva como la impresión 3d; el material más utilizado en los sabot es el nylon por su

bajo coeficiente de fricción con el cañón y su resistencia a los impactos. Sin embargo, a pesar de que

el nylon es un material utilizado en la manufactura aditiva, no fue posible encontrar un fabricante con

el filamento adecuado para realizar la impresión 3d con la calidad necesaria para las pruebas. Por este

motivo fue necesario seleccionar un material que cumpliera con características y propiedades

similares a las del nylon y que su impresión fuera más sencilla y con una mejor calidad en cuanto a

la rugosidad de la superficie, por lo que se encontró que el material que más se acerca a estas

características es la resina Tough. Esta resina es utilizada en impresión 3d de tipo fotocurado, es

importante tener en cuenta que las propiedades de esta resina son variables y dependen si se curan

una vez finalizada la impresión o si estas se dejan en su estado libre, debido a que las propiedades de

la resina curada son más altas en comparación con las de estado libre se optó por curar los sabots una

vez finalizada la impresión; el proceso de curado consiste en aplicar alcohol etílico durante 5 minutos

a las impresiones una vez finalizadas y en lo posible exponerlas a luces ultravioleta. Las propiedades

mecánicas de esta resina curada se encuentran en la siguiente tabla demarcadas con un recuadro rojo.

Tabla ii. Propiedades mecánicas de la resina Tough.[15]

15

El resultado final del sabot se puede observar en la Figura 9. Las dimensiones generales de este sabot

son 9,60 mm de diámetro y 27 mm de largo.. Finalmente, con esta resina Tough el sabot obtiene un

peso de 1,04±0,11g

Figura 9. Sabot físico para la prueba.

Fragmento

Esta prueba se caracteriza por que el impacto a los paneles de vidrio se realiza mediante fragmentos,

estos fragmentos se encuentran estandarizados para pruebas de impacto, sus especificaciones son

sobre el tipo de acabado que debe tener la cara de impacto, ya que esto determinará en gran medida

la dinámica de falla durante la prueba. Los fragmentos se realizaron a partir de una barra circular de

½” de acero de herramientas k110, este se llevó hasta sus dimensiones finales por medio de

mecanizado en un torno convencional, sus dimensiones son: 6,90±0,5mm de diámetro y 14±0,5mm

de largo; además, este posee un chaflán de 45° en uno de sus extremos. El peso de este fragmento es

de 4,04±0,11g. Por último, este fragmento se pintó de color naranja y verde para poder identificarlo

con mayor facilidad en las grabaciones del impacto.

Figura 10. Fragmento utilizado para la prueba.

16

Calibración del cañón Taylor

Debido a que se buscaba establecer el modo de falla de los vidrios a diferentes presiones de disparo,

fue necesario relacionar la presión de disparo con la velocidad del fragmento en el estado 1. Para

poder establecer esta relación, se realizó la calibración del cañón con el sabot y fragmento diseñados

para esta prueba, para lo cual se realizaron 15 disparos desde los 0,03 MPa hasta los 2,76 MPa y se

determinó la velocidad del fragmento de cada disparo. Esto se llevó a cabo por medio de la grabación

lateral de cada uno de estos disparos y su posterior análisis en el software computacional Tracker. A

continuación, se observa la curva obtenida para la relación de velocidad vs presión.

Figura 11. Calibración del cañón.

A la anterior grafica se le realizó un ajuste con una línea de tendencia de tipo polinomial de 4 grado,

con el fin de conocer la relación existente entre la velocidad de salida y la presión de disparo

obteniendo la siguiente ecuación, con la presión como variable de entrada y la velocidad como

resultado.

𝑉 (𝑚

𝑠) = −42,65 𝑃4 + 297,63 𝑃3 − 736,02 𝑃2 + 771,58 𝑃 + 11,56

Ecuación 4. Velocidad del fragmento en términos de presión.

Donde:

𝑃: 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑎𝑟𝑜 𝑒𝑛 𝑀𝑒𝑔𝑎 𝑃𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒𝑠 (𝑀𝑃𝑎)

17

Descripción del montaje

Para poder llevar a cabo las pruebas de impacto se realizó el montaje observado en la Figura 12.

Cada elemento de este montaje se encuentra descrito a continuación.

Figura 12. Montaje utilizado para la prueba de impacto.

Marco de soporte

El marco de soporte sirve para sostener los paneles de vidrio que serán impactados, este marco de

soporte está elaborado con barras cuadradas de acero 1020 de 1 pulgada; su parte superior se ensambla

mediante tornillos, mientras que su parte inferior esta soldada para tener mayor firmeza en el marco

de soporte, además este cuenta con empaques de caucho con el fin de ajustar los paneles de vidrio y

que durante el impacto estos no disipen energía debido a una mala sujeción. En su estética y

funcionalidad el marco fue pintado de color negro con el fin de que este no genere brillo o distorsión

durante la grabación, además se adicionaron unas cintas métricas en una de sus caras ya que esta cara

fue grabada con la cámara de alta velocidad, estas cintas cumplen con la función de barras de

calibración para la cámara y como cuadricula para la descripción del modo de falla.

18

Figura 13. Marco de soporte.

Probeta de vidrio

Como se mencionó anteriormente, las probetas de vidrio que se usaron en este proyecto son paneles

de vidrio multilaminado de 3 láminas de 4mm de espesor cada una y dos capas de PVB de 0,38 de

espesor, para un total de 12,22±0,24 mm de espesor. La medida de estas probetas es de 110x110 mm.

Estas probetas se obtuvieron a partir de un vidrio multilaminado de 550x550 mm, el cual fue cortado

por medio de un chorro de agua a presión, en las medidas de probeta especificadas anteriormente. El

resultado final de las probetas se observa en la Figura 14.

Figura 14. Probeta de vidrio utilizada en las pruebas.

Fondo de grabación

Con base en el proyecto “Caracterización de la respuesta de dos diferentes espesores de vidrio

Soda Lime ante el impacto” de Nicolás Ulloa2 se observó que por las condiciones de grabación no

se podía distinguir fácilmente el fragmento en el software computacional Tracker, por lo que se tenía

una incertidumbre considerable sobre los datos reportados en esta prueba, por esta razón se realizó

un fondo de grabación de color negro para eliminar las sombras y para tener un fondo de un solo tono

que permitiera distinguir fácilmente el fragmento.

2 Egresado de ingeniería mecánica de la Universidad de los Andes. 2018-2.

19

Figura 15. Fondo de grabación.

Barrera de protección

La barrera de protección se encarga de detener completamente el fragmento si este logro atravesar

todo el blanco y también se encarga de proteger la cámara de alta velocidad ubicada detrás de esta.

Esta barrera está elaborada con una lámina de acero HR de 6 mm de espesor y una medida de 180x280

mm, además posee ángulos que permiten asegurarla al cañón y un panel de vidrio de 12 mm, el cual

sirve como mirilla para el lente de la cámara de alta velocidad.

Figura 16. Barrera de protección para la cámara de alta velocidad.

Protecciones en acrílico

En estas pruebas de impacto es de vital importancia la protección al usuario, en especial durante el

impacto, ya que por su dinámica de prueba se obtienen diferentes elementos fragmentándose a gran

velocidad. En este caso, el vidrio se comporta como un elemento cortopunzante que podía ocasionar

20

lesiones en el experimentador, por lo que se realizaron estas protecciones en acrílico cuya función es

de contener todos los fragmentos de vidrio que se ocasionan durante el impacto y retener el fragmento

disparado en su interior como se observa en la Figura 12. Estos acrílicos no permiten la salida de

elementos por ninguna de sus caras; cabe resaltar que estos se realizaron en un material acrílico

transparente para poder grabar los disparos con la cámara de alta velocidad. A continuación, en la

Figura 17 se observan las protecciones en acrílico delantera y trasera respectivamente, su diferencia

radica en una lámina de acrílico en la cara frontal delantera para cerrar toda la zona de disparo.

Figura 17. Protecciones en acrílico.

Adquisición de datos y Software

La adquisición de datos del presente proyecto se realizó utilizando una cámara de alta velocidad

Olympus de 5000 cuadros por segundo (fps) de capacidad, con una resolución de 300x320 pixeles.

Debido a la alta cantidad de cuadros por segundo utilizados en la grabación fue necesario incluir dos

lámparas de 1KW de potencia cada una, para iluminar el montaje (Figura 18). Finalmente, los videos

realizados en las pruebas fueron analizados y tratados en la herramienta computacional Tracker, el

cual permitió conocer las velocidades de impacto.

Figura 18. Lámparas y cámara de alta velocidad utilizados.

21

IV. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Prueba de composición química

A continuación, en la Tabla iii se pueden apreciar los resultados de composición química obtenidos

para las 3 muestras analizadas.

Tabla iii. Resultados de composición química prueba (XRF)

Porcentaje en masa

Componente Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

SiO2 74,79% 75,19% 75,04%

Na2O 11,76% 11,32% 11,32%

CaO 10,86% 10,92% 11,00%

Al2O3 1,52% 1,49% 1,53%

K2O 0,56% 0,56% 0,58%

MgO 0,16% 0,17% 0,20%

SO3 0,13% 0,15% 0,15%

Fe2O3 0,13% 0,13% 0,11%

TiO2 0,06% 0,07% 0,06%

SrO 0,01% 0,01% 0,01%

ZrO2 0,01% 0,01% 0,01%

Se observa que los componentes químicos con mayor presencia en las muestras son: dióxido de Silicio

(SiO2), monóxido de disodio (Na2O) y oxido de Calcio (CaO). Estos son los componentes comunes

para la fabricación de vidrio, sin embargo, se evidencia la presencia de otros elementos químicos en

menor porcentaje. Con el fin de reconocer comercialmente los vidrios utilizados para las pruebas se

realizó una comparación de la composición química de estos con la composición química teórica para

el vidrio Sódico cálcico observada en la Tabla iv. En esta se observan las composiciones químicas de

diferentes vidrios Sódico cálcico y su respectiva aplicación.

Tabla iv. Composición química para el vidrio Sódico cálcico.[4]

22

Con base en la Tabla iv se observa que el vidrio utilizado en el presente proyecto tiene una

composición química similar, por lo que se puede afirmar que es un vidrio Sódico cálcico a pesar de

tener algunos componentes químicos adicionales en porcentajes menores al 1% que no afectan sus

propiedades mecánicas como: trióxido de Azufre (SO3), dióxido de Titanio (TiO2), monóxido de

Estroncio (SrO) y monóxido de circonio (ZrO2). Estos componentes son agregados para mejorar la

calidad de fabricación del vidrio, como lo es el trióxido de Azufre el cual es agregado para eliminar

impurezas durante la solidificación del vidrio [16]. El dióxido de Titanio es agregado en forma de

película polvorienta y este actúa como una capa de protección para que el vidrio no se degrade

rápidamente por la radiación solar o de tipo ultravioleta[17]. El monóxido de Estroncio es agregado

como un control de calidad para el control de fases vítreas durante la fabricación del vidrio [18].

Finalmente, el monóxido de Circonio es agregado para mejorar la resistencia del vidrio a álcalis, que

son elementos utilizados típicamente en la industria para limpieza o ácidos.

Pruebas de dureza

Identificación de las caras

A continuación, se observan los resultados de las pruebas de dureza para identificar la cara más dura

y la más blanda de las probetas obteniendo como resultado una dureza de 5.60± 0,05 y 5,27±0,08

GPa respectivamente.

Tabla v. Dureza de las caras A y B

#Probeta Cara A(GPa) Cara B(GPa)

1 5,22±0,18 5,65±0,07

2 5,24±0,11 5,63±0,08

3 5,35±0,12 5,66±0,11

4 5,31±0,10 5,57±0,04

5 5,21±0,12 5,59±0,05

Con los resultados obtenidos anteriormente, se seleccionaron las caras más duras y se realizaron 10

indentaciones en cada probeta, obteniendo como resultado final una dureza de 5.56± 0,23 GPa.

Tabla vi. Dureza de los vidrios en la cara más dura.

Promedio de medición

# de Probeta l1 (µm) l2 (µm) Dureza (GPa)

1 59,94±2,16 61,29±1,61 5,56±0,44

2 59,81±1,31 60,33±1,08 5,50±0,25

3 59,84±0,63 60,32±1,12 5,49±0,12

4 59,33±1,05 60,23±0,66 5,75±0,33

5 59,88±0,98 59,92±0,72 5,59±0,29

6 59,77±0,74 60,38±0,64 5,50±0,14

7 60,32±0,85 60,58±0,67 5,42±0,16

8 60,35±0,82 60,83±1,30 5,40±0,14

9 59,85±1,18 60,46±0,60 5,49±0,22

10 58,11±1,84 60,29±0,45 5,88±0,23

23

En la Tabla vii se observa que el vidrio soda-lime I tiene una dureza de 5,5 GPa. Mediante la ecuación

del error se obtiene un valor de 1,09% como error, por lo que el valor obtenido experimentalmente es

correcto y puede ser tenido en cuenta como un valor a reportar sobre la dureza del vidrio de prueba

del presente proyecto.

𝒆𝒓𝒓𝒐𝒓 = |𝒕𝒆𝒐𝒓𝒊𝒄𝒐 − 𝒆𝒙𝒑𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒍

𝒕𝒆𝒐𝒓𝒊𝒄𝒐| ∗ 𝟏𝟎𝟎

Tabla vii. Valores de referencia documento de G.R. Antis [11]

Pruebas de Tenacidad a la fractura

A continuación, se observan los resultados obtenidos en la prueba de tenacidad a la fractura donde el

comportamiento observado en las probetas de vidrio fue el esperado, puesto que las marcas generadas

se aproximan a los casos de aceptación descritos en la sección de método para las pruebas de tenacidad

a la fractura en el presente documento. Todos los comportamientos fueron similares a los observados

en la Figura 19.

Figura 19. Marcas obtenidas en la prueba de tenacidad.

Para determinar la tenacidad a la fractura fue necesario encontrar el coeficiente beta de la Ecuación

2, con base en la composición química de los vidrios de este proyecto y la dureza que se acerca de

forma significativa a la dureza presentada en la Tabla vii. Se asume que la tenacidad a la fractura

corresponde al valor allí presentado para el vidrio “Soda-lime glass I”, de este modo ya se conocen

todas las variables de la Ecuación 2 para determinar el coeficiente beta, El resultado obtenido para la

24

tenacidad a la fractura y beta son: 0,73±0,03 𝑀𝑃𝑎 ∗ √𝑚 y 17,61±0,73 respectivamente. Los

resultados obtenidos se observan en la siguiente tabla.

Tabla viii. Resultados de la tenacidad a la fractura y beta.

Promedio de medición

# de Probeta l1 (µm) l2 (µm) K1C (𝑀𝑃𝑎 ∗ √𝑚) Beta

1 170,81±5,92 169,70±10,68 0,741±0,037 16,813±0,797

2 171,80±6,07 173,94±6,31 0,742±0,039 16,668±0,826

3 163,8±5,98 168,69±5,72 0,742±0,039 17,904±0,946

4 170,84±5,71 174,83±5,22 0,741±0,038 16,809±0,856

5 163,61±3,66 165,97±3,28 0,743±0,022 17,935±0,594

6 161,32±1,84 161,1±4,77 0,74±0,013 18,31±0,311

7 162,65±3,10 163,72±3,69 0,740±0,021 18,094±0,502

8 164,38±6,57 168,44±7,62 0,742±0,041 17,811±0,997

9 162,90±4,80 165,84±4,41 0,741±0,033 18,054±0,795

10 165,06±4,31 167,32±7,48 0,741±0,028 17,702±0,682

Prueba de flexión y determinación de la tenacidad

Debido a que para este caso la tenacidad es la cantidad de energía absorbida por la probeta durante

una prueba de compresión hasta su punto de falla, es posible determinar cuál muestra absorbió más

energía con un método experimental simple. Este método se realiza mediante inspección visual una

vez terminada la prueba y consiste en clasificar el tipo de falla en baja, media y alta energía absorbida.

En la Figura 20 se pueden observar estos tres métodos de falla donde A corresponde a baja energía,

B a energía media y C corresponde a alta energía. Como se puede observar la probeta A se fracturó

en pedazos más grandes de material, es decir, tiene una menor cantidad de grietas por lo que su falla

ocurrió a un esfuerzo de flexión bajo, de este modo la cantidad de energía absorbida es menor a las

demás. Como es de esperarse la probeta C presenta una mayor cantidad de grietas en comparación a

las demás, por lo que se designa como alta energía absorbida, ya que esta es la que resistió el mayor

esfuerzo de flexión de las 3. Este método solo sirve para obtener una ilustración del comportamiento

de la tenacidad en cada prueba, ya que esta no puede ser cuantificada.

Figura 20. Tipos de falla durante la prueba de flexión. (A) Probeta de baja energía, (B) Probeta de

energía media, (C) Probeta de alta energía.

25

El comportamiento del vidrio ante la prueba de compresión se puede observar en la Figura 21, como

se mencionó anteriormente la tenacidad es la energía absorbida por la probeta durante el ensayo de

compresión, esta cantidad de energía se puede determinar como el área bajo la curva de la gráfica de

esfuerzo vs deformación.

Debido a que la cantidad de probetas utilizadas para esta prueba es 30, sería necesario realizar una

gráfica de esfuerzo vs deformación para cada una de estas, por lo que el presente documento sería

muy extenso. También, se podría realizar una sola gráfica para todas las 30 probetas donde se tendría

un error alto ya que las gráficas de muchas probetas se traslaparían con las demás, de modo que la

tenacidad se calculará de forma manual para cada una de las probetas. Esto se realiza calculando el

área de un triángulo donde la base es la deformación en metros y la altura es la carga máxima en

Newtons, estos resultados se observan en la Tabla ix .

Figura 21. Curva de esfuerzo vs deformación.

Tabla ix. Valores de tenacidad para la prueba.

Probeta Carga max.(N) Deformación (mm) Tenacidad (J) Probeta Carga max. (N) Deformación (mm) Tenacidad (J)

1 968,98 0,76 0,37 16 1217,46 1,04 0,63

2 1059,08 0,82 0,43 17 771,01 0,79 0,30

3 1010,58 0,94 0,47 18 621,88 0,71 0,22

4 1125,96 0,96 0,54 19 925,15 0,81 0,37

5 885,62 0,79 0,35 20 1135,97 0,92 0,52

6 626,74 0,67 0,21 21 962,66 0,80 0,39

7 917,81 0,88 0,40 22 711,81 0,54 0,19

8 1064,80 0,92 0,49 23 981,56 0,91 0,44

9 707,82 0,70 0,25 24 973,58 0,85 0,41

10 1206,63 0,94 0,57 25 818,02 0,65 0,27

11 936,78 0,87 0,41 26 575,23 0,77 0,22

12 896,95 0,86 0,39 27 999,28 0,95 0,48

13 1183,49 0,83 0,49 28 1063,48 0,70 0,37

14 745,39 0,77 0,29 29 566,52 0,56 0,16

15 668,05 0,70 0,23 30 740,73 0,87 0,32

26

Debido a que la carga máxima soportada en flexión es una caracterización de la calidad de fabricación

del vidrio, es necesario realizar la prueba con el número mínimo de una muestra (30 probetas) para

poder realizar un análisis por medio de una distribución estadística. Debido a que no se conoce la

fábrica del vidrio no se puede afirmar que este tenga una distribución normal, por lo que la

distribución estadística adecuada para realizar esta evaluación es la de Weibull ya que esta se

relaciona con la falla de los materiales. Para esta distribución de Weibull se toman los valores de

carga y esfuerzo máximos que se observan en la Tabla x debido a que estas serán las variables de

entrada para la definir los parámetros de la distribución.

Tabla x. Variables de entrada para la distribución de Weibull.

# Probeta Carga max.(N) max.(Mpa) # Probeta Carga max.(N) max.(Mpa)

1 968,98 65,41 16 1217,46 82,18

2 1059,08 71,49 17 771,01 52,04

3 1010,58 68,21 18 621,88 41,98

4 1125,96 76 19 925,15 62,45

5 885,62 59,78 20 1135,97 76,68

6 626,74 42,3 21 962,66 64,98

7 917,81 61,95 22 711,81 48,05

8 1064,8 71,87 23 981,56 66,26

9 707,82 47,78 24 973,58 65,72

10 1206,63 81,45 25 818,02 55,22

11 936,78 63,23 26 575,23 38,83

12 896,95 60,54 27 999,28 67,45

13 1183,49 79,89 28 1063,48 71,79

14 745,39 50,31 29 566,52 38,24

15 668,05 45,09 30 740,73 50

Para definir los parámetros de forma y escala para la distribución de Weibull se utiliza el Software

computacional Minitab con un parámetro de confiabilidad del 95%. Los resultados obtenidos se

observan en la siguiente figura.

Figura 22. Parámetros para la distribución de Weibull.

27

Con los parámetros obtenidos anteriormente se realiza el histograma de frecuencias para la

distribución de Weibull con el Software Minitab como se observa en la Figura 23. En esta se

encuentran las características de la distribución para el esfuerzo de flexión máximo de cada probeta

durante la prueba. De este histograma se puede observar que el menor esfuerzo máximo soportado

está alrededor de los 40 MPa con una repetición en 4 probetas, su valor máximo se encuentra

alrededor de los 80 MPa con una frecuencia de 3 probetas; de igual manera, se observa que el valor

con mayor frecuencia se encuentra alrededor de los 65 MPa con una frecuencia de 6 probetas.

Finalmente, se obtiene un valor de esfuerzo de flexión máximo de 61,02±12,70 para la muestra.

Figura 23. Histograma de frecuencias de Weibull.

Pruebas de impacto

En esta sección se observa la respuesta de los paneles de vidrio a diferentes presiones de impacto.

Para describir de una manera más detallada los daños generados en los paneles de vidrio por el

impacto de fragmentos, se decidió realizar dos tipos de análisis: planta y lateral. Mediante el análisis

de planta se describen las diferentes zonas de fractura y sus principales características, para este

análisis se emplearon como presiones de disparo 0,21-0,55-0,83 y 2,06 MPa para observar la

evolución de la fractura sobre estos paneles. El análisis lateral se utiliza para evaluar la penetración y

deformación generada en los paneles de vidrio, en esta evaluación se utilizan las presiones extremas

de disparo, es decir, 0,21 y 2,06 MPa donde se realizó una comparación de los daños laterales

causados por estas dos presiones.

Análisis de planta

A continuación, desde la Figura 24 hasta la Figura 31 se observan las vistas de planta generales con

sus respectivos detalles de zona que se encuentran organizadas de A hasta E. La zona A corresponde

a la zona de impacto denominada como cráter, en esta se puede observar la pulverización del vidrio

asociado a la energía cinética de impacto de cada disparo, el daño generado en esta zona se extiende

a las demás capas de vidrio; se encuentra delimitada por la zona B denominada Grietas radiales, estas

grietas se distribuyen alrededor del cráter de forma recta y paralelas entre sí, con una fragmentación

de tipo lineal. En la zona C denominada como grietas radiales gruesas se observa que las grietas

radiales se encuentran más distanciadas entre ellas, de igual forma se observan grietas perpendiculares

a las grietas radiales generando fragmentos de vidrio más grandes y con forma semejante a la de un

rectángulo. La zona C da origen a la zona D, la cual rompe completamente con el comportamiento

radial de las zonas anteriores generando una nueva fragmentación más grande al generar diferentes

grietas con un ángulo de 90° entre sí, a esta zona se le conoce como nudo de lazo. Finalmente, en la

zona E se observa una asimetría total en el patrón de falla con una fragmentación más grande en

comparación con las demás zonas. [19]

28

0,21 MPa

Figura 24. Vista de planta general a una presión de 0,21 MPa.

Figura 25. Detalles de la zona de impacto correspondiente a una presión de 0,21 MPa.

29

0,55 MPa

Figura 26. Vista de planta general a una presión de 0,55 MPa.

Figura 27.Detalles de la zona de impacto correspondiente a una presión de 0,55 MPa.

30

0,83 MPa

Figura 28.Vista de planta general a una presión de 0,83 MPa.

Figura 29.Detalles de la zona de impacto correspondiente a una presión de 0,83 MPa.

31

2,06 MPa

Figura 30.Vista de planta general a una presión de 2,06 MPa.

Figura 31.Detalles de la zona de impacto correspondiente a una presión de 2,06 MPa.

32

En las anteriores figuras se puede observar la variación de cada una de las zonas a medida que se

incrementa la presión de disparo, se evidencia que la medida del cráter es directamente proporcional

a la presión de disparo, es decir, que a mayor presión se obtiene un cráter más grande. De igual

manera, se observa que las demás zonas se amplían o desplazan al incrementar la presión de disparo.

A continuación, en la Tabla xi se observan las distancias de origen de cada una de estas zonas en cada

probeta teniendo como referencia el punto A que corresponde al punto de impacto.

Tabla xi. Distancia de cada una de las zonas al punto de impacto

Presión (MPa) Velocidad(m/s) Zona B (mm) Zona C (mm) Zona D (mm) Zona E (mm)

0,2 156,4 2,58±0,15 6,34±0,18 15,70±0,36 23,41±0,91

0,55 256,4 5,56±0,31 17,32±0,16 30,14±0,21 55,46±0,18

0,83 292 15,40±0,28 23,40±0,40 44,11±0,11 60,41±0,28

2,06 320 22,30±0,20 37,97±0,10 62,47±0,10 80,43±0,35

La fractura trasera de los paneles describe 3 fases principalmente, la primera de ellas se origina en la

zona de impacto demostrando una conicidad por el desplazamiento del material causado por el

fragmento, esta conicidad se puede observar a partir de la presión de 0,55MPa hasta 2,06MPa. Esta

conicidad se extiende y da origen a la segunda fase que describe grietas radiales de características

similares a las observadas en la cara de impacto. En la tercera fase se describen grietas radiales de

fragmentación grande que se extienden hasta el borde de los paneles [19]. El resultado obtenido para

todos los paneles se observa a continuación.

Figura 32. Vista de planta trasera para todos los paneles.

33

Análisis lateral

Es importante aclarar que los daños evidenciados en la sección anterior se presentan en todas las

capas de vidrio. Sin embargo, realizar la medición del daño en cada una de las capas es complejo

debido a la construcción del vidrio. Por esta razón, se realizó un análisis lateral con el fin de observar

los daños realizados a lo largo del impacto a través de la descripción de la deformación y penetración

generada por el impacto. Como se mencionó anteriormente, para este punto se evaluaron los

resultados obtenidos por el impacto a 0,21 MPa y 2,06 MPa por ser las condiciones extremas. Para

realizar estas micrografías se aplicó resina epóxica a los paneles de vidrio ya impactados para no

perder material durante el proceso de corte, el cual se realizó mediante chorro de agua a presión. A

continuación, se observan los resultados obtenidos, donde las zonas más oscuras corresponden a la

resina. La zona A de la figura corresponde al lugar de impacto en el primer vidrio, la zona B

corresponde al vidrio 2 y por último la zona C corresponde al punto con mayor deformación.

Figura 33. Micrografías panorámicas y de detalle laterales para el panel de 0,21 y 2,06 MPa.

En la Figura 33 se pueden observar las diferencias de deformación y penetración en cada impacto. La

diferencia principal se evidencia en la vista panorámica de cada una de estas, ya que para la presión

de 0,21 MPa no existe deformación en las capas de vidrio 1 (cara de impacto), 2 y 3 como tampoco

existe deformación en las capas de PVB; mientras que, en el disparo de 2,06 MPa se observa una

deformación en todas las capas de vidrio y de PVB. En cuanto a la remoción de material, se observa

que el disparo de 0,21 MPa tiene mayor remoción en el primer vidrio en comparación con el otro

disparo; sin embargo, se observa que en el disparo de 2.06 MPa existe una remoción de material en

la capa de vidrio numero 2 como se puede observar en su micrografía de detalle B, mientras que en

el disparo de 0,21 MPa no existe remoción de material en esta zona. Por último, en la vista panorámica

se observa la ubicación de algunas fases descritas en el análisis de planta anteriormente realizado.

Para el disparo de 2,06 MPa las grietas radiales descritas en esa sección se encuentran ubicadas a

mayor profundidad ya que en este se logró una deformación en todas las capas, mientras que para el

disparo de 0,21 MPa se observa esta fase en el vidrio 1 porque en este no se deformó ninguna capa

de PVB.

34

V. CONCLUSIONES

- En conclusión, en los vidrios en los cuales se generó la deformación por el impacto, los daños

generados en la capa de vidrio numero 1 corresponden a esfuerzos asociados a la expansión

radial, mientras que en la capa de vidrio 2 y 3 se encuentran asociados a esfuerzos de flexión

- Se concluye que la formación de todas las fases de propagación de son independientes a la

presión de disparo y velocidad de impacto, ya que todos los vidrios describen las mismas

fases.

- Se puede concluir que existe una relación entre la distancia de las fases al origen de impacto

y la velocidad del disparo

- Se observa que los valores obtenidos para la dureza, tenacidad, la tenacidad a la fractura y

flexión se acercan en gran medida a los valores teóricos, por lo que estos pueden ser tenidos

en cuenta para futuros análisis que se relacionen con estas propiedades.

- En cuanto al sabot, se puede concluir que su implementación mejora la confiabilidad de

disparo, ya que todos los disparos realizados fueron exitosos impactando en el blanco de

forma efectiva.

- Debido a que la capacidad de los equipos utilizados no respondió a las necesidades del

proyecto en cuanto a la grabación de las pruebas de impacto, no existe evidencia sobre el

mejoramiento causado por el sabot a la dinámica de disparo.

- Se puede afirmar que el montaje diseñado para este proyecto fue el adecuado, ya que permitió

la grabación lateral y posterior sin poner en riesgo la integridad del experimentador y de los

equipos utilizados.

VI. RECOMENDACIONES

- Se recomienda utilizar una cámara de mayor capacidad para la grabación lateral y posterior,

ya que la cámara utilizada no tenía la capacidad suficiente para grabar el impacto, para esto

se requiere una cámara con capacidad superior a los 10.000 fps.

- Se recomienda utilizar otro tipo de resina que sea más traslucida ya que la resina no permitió

realizar micrografías en algunas de las probetas resinadas. De igual manera, se recomienda

usar un vaso mezclador con escala de medición para evitar que se generen burbujas durante

el proceso de secado de la resina, ya que estas no permiten realizar micrografías con una

buena calidad. - Con el fin de proteger al usuario y los equipos es recomendable agregar una película de

seguridad en la cara delantera y posterior del vidrio, ya que en las pruebas de impacto el

vidrio tiene una fragmentación bastante alta.

35

VII. REFERENCIAS

[1] Vitralba, << Vidrio plano>>,(S.F) ). [En linea].Available: http://www.vitralba.com/vidrio-

plano.php

[2] Segtec,<< Vidrio templado: aprende como se hace>>(S.F). [En linea].Available:

http://www.segtecvidrio.com/vidrio-templado-conoce-se-fabrica/

[3]Metalglass, <<Metalglass>>, (S.F). [En linea].Available: https://metalglassrd.com/esquema-

mostrando-capas-del-vidrio-laminado/

[4] Neuville, D. <<FROM GLASS TO CRYSTAL. Nucleation, growth and phase separation, from

research to applications.>> EDP Sciences. 2017

[5] Full Mecánica,<< Definiciones escala Mohs>>,(S.F). [En linea].Available:

http://www.fullmecanica.com/definiciones/e/423-escala-mohs

[6] Ingemecanica, << Tutorial 218>>,(S.F). [En linea].Available:

https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn218.html

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