Exposicion Fatiga Polimeros y CMP

7/26/2019 Exposicion Fatiga Polimeros y CMP

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Garzn Posada Andrs OrlandoComportamiento de los materiales

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ResumenEste artculo tiene como objetivo elaborar una

resea de los principios fsicos sobre el comportamiento a

la fatiga de polmeros y compuestos basados en polmeros.

Este documento hace nfasis en el comportamiento a la

fatiga de los materiales previamente mencionados mas no

se consideran necesariamente los aspectos en la

propagacin de microgrietas ya que este tema se abarca

de una manera ms apropiada en los temas

correspondientes en comportamiento a la fractura.

I. CONCEPTOS BSICOS

Las fallas en los materiales polimricos y materiales CMP(compuestos de matriz polimrica) suelen ocurrir cuando elesfuerzo aplicado supera el lmite a la fluencia, aunquetambin pueden atribuirse a deficiencias en las propiedadesdel material como resultado de prcticas inapropiadasdurante su procesamiento, generndose defectos como:

porosidades, inclusiones y lneas de flujo. Por su parte losdefectos superficiales como grietas, rayones u otro tipo demarcas que signifiquen la concentracin de esfuerzos pueden asu vez ser causantes de falla, al aumentar su tamao debido acargas repetidas en niveles de tensin por debajo del lmiteelstico del material, incluso cuando este se encuentrerelativamente libre de defectos. Cuando estos fallos en elmaterial se producen como consecuencia de cambioshigrotrmicos o son inducidos mecnicamente por condicionesde carga cclica, se conocen como fallos por fatiga.

El fallo de un material debido a la fatiga se produce en dosfases. La primera incluye la formacin de las microgrietas ola formacin de no homogeneidades, este dao se puedeiniciar por niveles muy por debajo del esfuerzo a la fluenciadel material. La segunda fase comprende el crecimiento delos daos a travs de la unin de las microgrietas previamente

generadas para formar grietas de mayor tamao para que enltima instancia ocurra el fallo del material. Para la mayora delos polmeros los tiempos de iniciacin de las microgrietas sonde un orden muy superior al tiempo de propagacin de lasmismas [1].

Paper presentado el 2 de abril de 2012

Andrs Orlando Garzn Posada (Cd: 822412).Estudiantes de maestra en materiales y procesos de manufactura, Universidad

Nacional de Colombia.

Aunque las condiciones de carga ms comunes para inducir ala fatiga mecnica implican cargas uniaxiales (tensin y / ocompresin) y condiciones de flexin de carga, paraLawrence Van Black en elements of materials scienceengineering(1989) [2] los clculos de fatiga sobre polmerosque no presentan limite de endurecimiento, deben ser basadosen la resistencia a la fatiga, el cual es el esfuerzo quecorresponde al nmero de ciclos de cargadurante la vida tilestimada del plstico. Ms adelante se har referencia a los

polmeros que presentan lmites de endurecimiento-. Elesfuerzo a la fatiga al que se haca previamente referencia,

oscila sobre una tensin media, siendo 0el mximo pico delesfuerzo y u el mnimo esfuerzo, la relacin entre tensionesR,se puede definir como:

Los ciclos de carga a los cuales son sometidos los materialespolimricos usualmente son de tipo sinusoidal, cuadrado otriangular, donde los parmetros de frecuencia amplitud yrelacin de esfuerzo son parmetros ajustables a tener enconsideracin (figura 1).

Figura 1. Parmetros considerados en ensayos de fatiga de materialespolimricos y CMP. Fuente:Propiedades Mecnicas de los materiales.

HAYNE, W

Numerosos estudios han demostrado que la vida cclica de unaprobeta polimrica de ensayo usada para el anlisis de fatigavara inversamente con las magnitudes de tensin, deflexin odeformacin aplicadas por ciclo. Como consecuencia, se handiseado diversos procedimientos de ensayo para obtenerinformacin til sobre propiedades mecnicas en el anlisisde diseo por fatiga para polmeros. Uno de los primeros en

Por: Andrs Orlando Garzn Posada

Estudiante Maestra en materiales y procesos de manufactura. Universidad Nacional de Colombia.

RESUMEN EXPOSICION

FATIGA DE PLASTICOS Y CMP


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desarrollar dichos experimentos fue el qumico alemnFriedrich Whler [3] quien someti diferentes polmerostermoplsticos como el estireno acrilonitrilo (SAN),terpolmero de acrilonitrilo-estireno-acrilato (ASA), poliamida(PA 6.6 = poliamida 6.6 = nylon 6.6), policarbonato (PC) y el

polixido de metileno/poliformaldehido (POM), desarrollandoun procedimiento en el cual que una muestra se somete a un

esfuerzo cclico (S) y a un nmero de ciclos de carga (N) paraposteriormente causar su fallo (figura 2) [4-5].

Figura 2. Curvas de los ensayos de Whler, generados mediante ensayos deflexin a 10Hz. Fuente:Propiedades Mecnicas de los materiales. HAYNE,

W

Figura 3. Curva esfuerzo-numero de ciclos del Poli (metacrilato de metiloPPMA) y el nylon 6. Fuente:Elements of Materials science and engineering,

LAWRENCE V.B.

De estas curvas se puede confirmar la teora que se refiere a ladisminucin en la vida cclica de un polmero conforme seaumenta el esfuerzo aplicado, al incrementarse laacumulacin de daos en su estructura. Por su parte algunas

curvas observables en la figura 2 y 3 muestran una mesetarelativamente bien definida (caso del PPMA), lo que sugiereun lmite de endurecimiento por debajo del cual el polmerono falla a causa de la fatiga.Las curvas de carga cclica se utilizan para definir el esfuerzode servicio admisible a fin de evitar el fallo por fatiga para unnmero anticipado de ciclos. Por ejemplo, si se desea que un

componente soporte al menos determinado nmero de ciclosde carga N en un tiempo de vida determinado, debe serdiseado de manera que el esfuerzo cclico aplicado sea menosque .

II. COMPORTAMIENTO A LA FATIGA DE MATERIALESPOLIMRICOS

A.

Clases de procesos:

La falla por fatiga en un material polimrico se puede darprincipalmente de dos maneras diferentes, en procesosmecnicamente dominados o en procesos trmicamentedominados.

Procesos mecnicamente dominados: Este proceso implicala nucleacin de daos que crecen en forma de microgrietasy que subsecuentemente tras su acumulacin forman grietas demayor tamao que finalmente son las responsables de lafalla en el polmero ya que el calentamiento histeretico

permanece estable. Este proceso se produce a tensiones yfrecuencias relativamente bajas dando como resultado unavida til mayor del material a la fatiga. Tambin se referenciaeste proceso como la verdadera respuesta de fatiga delmaterial.

En general, la vida total a la fatiga (N) de un espcimen es lacombinacin de una etapa iniciacin (Ni), que se asocia conlos ciclos necesarios para iniciar el dao y desarrollar lasmicrogrietas, adems se tiene la etapa de propagacin (Np) quese asocia con el nmero de ciclos necesarios para propagarlas microgrietas hasta un tamao critico donde el plstico sefractura. De tal manera que el nmero de ciclos en la vida tilde un polmero est determinado por:

(1)

Dependiendo de la geometra del defecto (dao) en laestructura del polmero Ni puede representar un espacio mssignificativo dentro de la vida total a la fatiga N. De acuerdo alas condiciones de procesamiento que tenga el polmero elcrecimiento del dao puede ser relativamente rpido y elresto de su vida til estar la dominada por la resistencia a lafractura del polmero.

Para el caso de algunos termoplsticos de ingeniera bajocondiciones de procesamiento controladas, la etapa deiniciacin (Ni) gobierna el total de la resistencia a la fatiga delmaterial. En la tabla 1 se muestra la comparacin entre elnumero de ciclos de iniciacin y el numero de ciclos de


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propagacin de daos en polmeros termoplsticos deingeniera: poliacetal y el nylon-6,6 expuestos a un ciclo decarga sinusoidal con un esfuerzo mximo aplicado de 30MPa a 2 Hz.

Tabla 1. Tiempo de iniciacin y propagacin de los daos enpolmeros termoplsticos de ingeniera: poliacetal y el nylon-

6,6. Fuente:Fatigue behavior of polymers.Encyclopedia of PolymerScience and Technology. Vol 6

Cuando se comparan los ciclos para la iniciacin (Ni) ypropagacin (Np) en la Tabla 1, es evidente que en lasprimeras etapas del desarrollo de los daos equivalen a casitodo el ciclo de vida (N) de los polmeros termoplsticosreferenciados.

Procesos trmicamente dominados: En procesos donde losesfuerzos y las frecuencias aplicadas son relativamente altosde tal manera que el calentamiento histertico afecta las

propiedades fsicas y mecnicas del polmero. Elcalentamiento histertico en un polmero se desarrolla cuandosu tiempo de carga y descarga es cercano al periodo de ciclode la prueba (Lawrence Van Black Elements of materialsscience and engineering 1989). Este efecto resulta de la altaamortiguacin interna y baja conductividad trmica de lamayora de los polmeros. En este proceso, el calor generado

por la fatiga mecnica no es disipado a los alrededores y eleva

la temperatura del polmero durante toda la prueba. Las fallasgeneralmente se presentan con bastante rapidez y es un modode fractura dctil. Este proceso no se considera unarespuesta intrnseca del material a condiciones de carga defatiga.

La viscoelasticidad de los polmeros complica sucomportamiento durante la fatiga ya que hay un incremento enla fluidez del material por cada ciclo de carga aplicado.

Por su parte la elevacin de temperatura del polmero duranteeste proceso conlleva a la disminucin de su modulo deelasticidad, se estima que el falla debido a la elevacin de la

temperatura interna del material se produce a un numero deciclos de carga que produce un decaimiento en el 70% delmodulo elstico original del material [6].

Estudios [7-8] han demostrado que la tasa de disipacin deenerga bajo carga cclica vara directamente con la frecuenciade prueba f, la prdida de cumplimiento del material J, y elcuadrado del esfuerzo aplicado

2. Despreciando las prdidasde calor hacia el ambiente que rodea la prueba, el aumento detemperatura en la muestra por unidad de tiempo, se calcula deacuerdo a la siguiente ecuacin:

(2)Donde T es el incremento de la temperatura/ unidad de

tiempo en la muestra, la densidad y Cp el calor especifico de

la muestra.

Tambin se ha determinado que para niveles de esfuerzo porencima del lmite de endurecimiento de algunos polmerosestos se calientan hasta la temperatura de falla o fractura. Latransicin de fractura trmica a fractura mecnica se hadescrito en trminos del cambio del nivel de esfuerzo, quedepende a su vez de la frecuencia de prueba, el esfuerzomedio aplicado, la forma de la onda del ciclo (sinusoidal,cuadrara, triangular) y la relacin superficie/volumen de lamuestra, Por lo que la relacin entre la transicin de esfuerzosy la frecuencia est dada por:

(3)

Donde c es la tensin de transicin, A es el rea de lasuperficie rea de la muestra, V el volumen de la muestra, f lafrecuencia del ciclo y tanto C1 como C2 son constantesempricas relacionados a la capacidad calorfica de los

polmeros y las propiedades del medio ambiente en que sehace la prueba. [9]

En la figura 4 se observa las curvas de cargas para elpoliacetal, tambin llamado Polioximetileno (POM), bajo losprocesos: mecnicamente dominados y trmicamente

dominados. El nmero localizado sobre cada lazo dehistresis indica el nmero del ciclo.

Figura 4. Ensayos de fatiga para el POM bajo los procesos: mecnicamentedominados y trmicamente dominados. Fuente:Fatigue behavior ofpolymers.Encyclopedia of Polymer Science and Technology. Vol 6


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B. Modelos clsicos de estudio:

A lo largo de la historia se han desarrollado diferentesmetodologas para predecir la fatiga de un polmero bajocargas arbitrarias, estas teoras consideran principalmente losdaos acumulativos en la estructura del material y puedenincorporar aspectos de la mecnica de la fractura o de lascaractersticas fsicas del material.

Dentro de las teoras ms antiguas de acumulacin de daosen un material, se encuentra la ley de Menor la cual proponeque si un material dura 100 ciclos en un nivel de estrs en

particular, entonces 1/100 de su vida til se consume en cadaciclo a un nivel de estrs en particular, de tal forma esta ley

permite calcular la fatiga total que puede soportar un materialantes de su fractura bajo una historia de carga arbitraria,considerando m numero de ciclos cada uno bajo condicionesconstantes de fatiga:

(4)Donde nj es el nmero de ciclos dentro de un bloqueaplicando un nivel de estrs jy Njes el nmero total de cicloshasta la fractura a ese nivel de estrs (obtenido a partir de lacurva -N). En esta ley, la historia de carga a la cual essometida el material no tiene ningn efecto sobre la vida tildel mismo, cuando es sometido a fatiga. Es decir, si unamuestra se carga parte de su vida til con una carga 1 y elresto del tiempo con una carga 2, entonces se lograra lamisma expectativa en la vida til a la fatiga si se cargara

primero con 2 y finalmente con 1.

Se ha intentado relacionar la deformacin plstica opermanente del material, como medida de los daosacumulativos dentro de la estructura del material, por lo que ladeformacin plstica se vuelve una medida de la fatiga:

(5)

Donde es la deformacin total, E el modulo de Young, uel esfuerzo ultimo a la tensin del material y D la ductilidad

del mismo expresado como:

Donde A0 es el rea inicial de la seccin transversal delespcimen sometido a prueba y A es el rea final.

Esta ltima ecuacin resulta til para el clculo de fatiga enmetales ya que para polmeros no tiene en cuenta la bajaconductividad trmica, una prediccin ms cercana al respectola da la ecuacin (3).Posteriormente Mackena & Penn [10] desarrollaron un mtodo

para la prediccin de la fatiga de polmeros. Ellosdeterminaron que el tiempo de falla a determinada razn de

esfuerzo puede ser descrito usando una funcin de fracturaobtenida por experimentos de carga constante.

En este modelo, el tiempo de falla, tb, est relacionado con lahistoria de tensin a la fatiga ():

(6)

Donde b () es el tiempo medio hasta el fallo en losexperimentos de carga constante. As, que cada incremento

de tiempo d con carga (), se pondera de manerainversamente proporcional al tiempo de vida b (), que elespcimen habra tenido bajo un estrs constante .

Una vez que b () se determina a partir de los experimentosde carga constante (creep), la ecuacin 6 se puede utilizar para

predecir la fractura bajo cualquier historia de tensin (cargasaplicadas a lo largo de un ensayo de fatiga).

C.

Iniciacin de daos por fatiga

Cambios fsicos y morfolgicos en la iniciacin de daos:

Los daos y defectos suceden a lo largo de la estructura de unpolmero pueden deberse a las cargas por fatiga, estos suelensuceder de manera previa a la formacin notable de huecos ode microcintas; estos cambios son entonces determinantes paraentender la formacin y el crecimiento de los defectoscausantes de falla en el material. Algunos polmeros vtreoscomo el Poli (metacrilato de metilo), manifiestan los efectosde la fatiga a travs de un endurecimiento por deformacin o

por el contrario un ablandamiento. Una vez aparecen losdefectos en el material polimrico como huecos ymicrogrietas, estos continan unindose y creciendo junto conel proceso de fatiga hasta alcanzar un valor subcritico de 10-3mestimado para polmeros, sin embargo, los tamaos de estos

defectos que nuclean y crecen durante una gran parte de lavida de fatiga son muy a menudo por debajo del tamao deldefecto umbral.

Cambios viscoelsticos:

Los cambios en la viscoelasticidad dinmica de los polmerospueden indicar tambin, cambios en la cristalinidad as comolos cambios en las propiedades del material durante la fatiga,de hecho otras medidas como la energa de deformacin,energa potencial y trabajo realizado pueden indicar cambios


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en la estructura del polmero aunque son usualmente msusadas para calcular la energa de crecimiento de grietas.

Importancia de la rotura de los enlaces moleculares:

Zhurkov [11] introdujo la idea de que la rotura de primaria delos enlaces qumicos juega un papel importante en la fractura

de los polmeros. El encontr que el tiempo tb, hasta la fallapor fatiga bajo resistencia de carga unixial, para materialespolimricos como el PMMA y poliestireno por debajo sutemperatura de transicin vtrea puede expresarse en trminosde un proceso trmicamente activado, en funcin de U0(energa de activacin por ruptura de cadenas moleculares), t0(inversa de la frecuencia de oscilacin molecular) y (parmetro sensitivo de la estructura).

(7)

Con esta formulacin Zhurkov logro determinar que en el

material polimrico se forman ciertas densidades demicrogrietas localizadas que se unen finalmente para causar lafractura del material.

Cambios Volumtricos:

La dilatometria a la traccin (tensile dilatometry), se usa enlos ensayos de fatiga para controlar los cambios de volumenque se producen durante las condiciones de carga de fatiga, detal manera que un par de galgas se adhieren longitudinal ytransversalmente al espcimen durante un ensayo de fatigauniaxial, los datos recogidos de deformacin se puedenrelacionar de la siguiente manera para obtener el clculo en la

variacin de volumen:

(8)

Donde t y a son las deformaciones axiales y transversalesrespectivamente. Puesto que las deformaciones se puedenagrupar como plsticas (i) y elsticas (e) la ecuacin se puedevolver a reescribir como:

(9)

Se puede concluir segn, la figura 5, que para algunospolmeros como el poliacetal (POM) hay un aumento en su

volumen irreversible (dado por las deformacionesplsticas), a medida que se aumenta el nmero de ciclos.

Figura 5. Aumento del volumen irreversible para el poliacetal. Fuente:

Fatigue behavior of polymers.Encyclopedia of Polymer Science andTechnology. Vol 6

Inicio de las grietas Vs. Tiempo total de fatiga.

Estudios recientes han mostrado que algunos plasticos comoel PPMA presentan formacion de grietas durante sus ciclosde fatiga tempranos. Para este caso en particular la vida util

primaria del material durante la fatiga estara gobernada por elcrecimiento de grietas hasta su valor critico (10 -3m). Figura6.

Figura 6. Comparacin entre la duracin total del ensayo de fatiga vs laduracin en la aparicin de grietas Fuente:Fatigue behavior of polymers.

Encyclopedia of Polymer Science and Technology. Vol 6

En la figura 7 se muestra la secuencia en el crecimiento de lasgrietas para el polipropileno isostactico (iPP). Donse seobserva como tras la formacion de los defectos y elsurgimiento de las microgrietas estas se agrupan muchas vecesalrededor de una grieta principal, que aumenta hasta alcanzarel valor critico de grieta para polimeros.


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Figura 7. Secuencia en la formacin de grietas para elpolmero iPP Fuente:Propiedades Mecnicas de los materiales.

HAYNE, W

Si seconsidera una microgrieta en una placa infinita, el factorde intensidad de esfuerzo Ktotpara la grieta se puede describircomo:

(10)

Donde oo es el esfuerzo remoto aplicado y c es el esfuerzo de

cierre de las fibras y l es el radio de la grieta. El cambio deenergia potencial en el cuerpo(placa) que contiene la fibra estadado por:

(11)

es el cambio en la energia potencial del material, b el

espesor, E0el modulo de elasticidad del polimero sin deformary G es la tasa de liberacion de energia.

De acuerdo al criterio de Griffith la condicion necesaria para

el crecimiento de una grieta es G-2=0, donde es la energiaespecifica para formar la grieta, se podria obtener la siguienterelacion:

(12)

Para evaluar la energia liberada potencial liberada por lainteraccion de un grupo de grietas, como sucede realmente en

la propagacion de una falla en un materila plastico, mas nocomo una solo grieta como se ha venido modelandopreviamente, se utiliza la siguiente ecuacion para calcular ladensidad del dano en el material:

(13)

Donde A es el area representativa, n el numero de densidad delas grietas con radiol.

En la figura 8 se muestra el cambio en el numero de densidadde las grietas y el promedio de radio de las mismas, conrespecto al numero de ciclos de la fatiga y en la figura 9 semuestra como evoluciona a su vez la densidad del dano en elmaterial tambien con respecto al numero de ciclos por fatiga.

De la figura 8 se puede concluir que a medida que aumneta elnumero de ciclos de fatiga, disminuye el numero de densidadde las grietas pero aumenta el radio de las mismas, razon porla cual en la figura 9 aumenta la densidad del dano ocasionado

por las grietas en una muestra polimerica.

Bristow [12] demostro que una distribucion de grietas afecta

el modulo elastico del material, mediante la siguiente relacion:

(14)

donde l es el radio de las grietas y nel numero de densdiad delas mismas.


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Fi gura 8-9.Relaciones entre el radio de las grietas, el nmero de densidad degrietas y la densidad de dao de las grietas respecto al incremento de ciclos

durante la fatiga Fuente:Fatigue behavior of polymers.Encyclopedia ofPolymer Science and Technology. Vol 6

La expresin que relaciona el cambio en la densidad deenerga potencial (cambio energa potencial/ el volumenrepresentativo dado por: b*A) est asociada el crecimiento delas grietas en el material polimrico:

(15)

III. COMPORTAMIENTOALAFATIGADECOMPUESTOSBASADOSENPOLIMEROS

El efecto resultante por las cargas cclicas durante la fatigacausa deformaciones y defectos no homogneos a lo largo dela estructura de los materiales polimricos que generan ladisminucin en su resistencia mecnica y finalmente lafractura, estos danos dentro de la estructura del materialsiguen un parmetro aleatorio en la vida real ya que las cargas

son variables; aunque los diagramas de S-N tienen la intencinde mostrar la relacin que existe entre la vida a la fatiga conun nmero de ciclos N y la amplitud de los esfuerzosaplicados , como se mostro en el anterior numeral. Muchosdocumentos e investigaciones han tratado de modelar estossucesos, danos o deformaciones de manera estadstica paramateriales polimricos y materiales de matriz polimrica

reforzadas con fibras [13-14-15].

Para los materiales polimricos compuestos tiles enaplicaciones para la ingeniera los distintos daos producidosdentro de su estructura que contribuyen al proceso dedegradacin del material durante la fractura son: Formacin demicrogrietas, degradacin qumica, deformacin plstica;teniendo en cuenta que durante el proceso de fabricacin deestos compuestos tambin existen factores que causandeterioro como las variaciones en el contenido del refuerzo,desalineaciones de fibra, etc.

Los compuestos de matriz polimrica (CMP) son materiales

heterogneos y anisotrpicos, debido a las diferencias fsicasy mecnicas entre la matriz y el refuerzo que lo conforman,estas influyen totalmente en el comportamiento a la fatiga delmaterial con sus respectivas ventajas y desventajas. Porejemplo, las diferentes fases existentes y su interaccin dentrodel material compuesto generan elementos de degradacinlocal (formacin de microgrietas en la matriz, rotura de fibras,

perdida de adherencia, etc.), pero a su vez estas fases distintasgeneran resistencia a la propagacin de defectos como lasmicrogrietas, debido a la presencia de discontinuidades yestados tensoriales de interaccin complejos.

A. Influencia del refuerzo:

Fi gura 10.Curvas comparativas S-N para compuestos polimricos

reforzados con Vidrio (GFRP) y compuestos polimricos reforzados con

carbono CFRP Fuente:Fatiga en materiales compuestos: comportamiento ymecanismos de degradacin. Tesis en red.net


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Fi gura 11.Curvas comparativas normalizadas S-N para compuestospolimricos (resina epoxi) reforzados con diferentes tipos de de refuerzo

Fuente:Materiales compuestos vol 1. Antonio Miravete

Las curvas normalizadas resultan de la relacin entre elmximo esfuerzo a la fatiga/ltimo esfuerzo a la traccin.

De las figuras 10 y 11 se puede inferir que los compuestospolimricos reforzados con fibras de carbono presentan unamenor disminucin en su resistencia a la vez que seincrementan los ciclos de fatiga (N) , mientras que los CMPreforzados con fibra de vidrio presentan una mayor cada en su

resistencia debido a que esta clase de fibra presenta un altondice de deformacin antes de su fractura (ver figura 10), loque indica a la vez que su deformacin es superior a la de lamatriz mientras que las fibras de carbono presentan unadeformacin inferior a la de su matriz por ende loscompuestos reforzados con este tipo de fibra resiste duranteuna menor cantidad de ciclos. Figura 10.

B. Influencia de la direccin del refuerzo

En la figura 12 se observa las graficas de S-N para diferentescompuestos de matriz polister reforzados con fibra de vidrio

con diferentes orientaciones 0, 90 y +-45 grados y en la figura13 se observa una misma matriz polimrica reforzada confibras de vidrio, carbono y kevlar a +-45 grados.

De la figura 12 se puede concluir que los compuestos cuyadireccin de refuerzos est en la misma direccin del refuerzoson ms sensibles a la fatiga, presentando una mayor perdidaen su resistencia mecnica relacionada con una mayor

pendiente en la curva S-N.

En la figura 13 los refuerzos de diferentes materiales al noestar orientados hacia la direccin de la carga provoca unestado complejo de esfuerzos internamente en el materialcompuesto, con la aparicin de tensiones en la direccin de lafibra de refuerzo y esfuerzos cortantes entre el refuerzo y lamatriz. Se puede evidenciar a su vez el deterioro que tienen las

poliamidas como el kevlar a esfuerzos cortantes, a travs de la

prdida de resistencia conforme aumenta el nmero de ciclos.

Fi gura 12.Curvas comparativas S-N para compuestos polimricos (fibra de

vidrio polister) con las fibras orientadas en diferentes direcciones Fuente:Materiales compuestos vol 1. Antonio Miravete

Fi gura 13.Curvas comparativas S-N para compuestos polimricos con la

misma matriz y diferente refuerzo orientados todos a +-45oFuente:Fatiga enmateriales compuestos: comportamiento y mecanismos de degradacin. Tesis

en red.net

C. Influencia de la matriz y su adhesin con la fibra.

En compuestos polimricos reforzados con fibra de vidrio lamatriz juega un papel fundamental ya que comparativamentecon los esfuerzos estticos de tensin, la variacin delcontenido de esta afecta significativamente el comportamiento


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del material a la resistencia de fatiga el contenido de esta debevariar de un 20-30% del peso total del compuesto.

D. Mecanismos de dao en materiales compuestos.

Fi gura 14.Diferentes mecanismos de dao en los materiales CMP Fuente:Propiedades Mecnicas de los materiales. HAYNE, W

En la figura 14 se puede ver los diferentes mecanismos dedano en los materiales CMP, entre los cuales se encuentran: a)rotura de fibras, b) Pandeo de fibra, c) deslizamiento fibramatriz, d) agrietamiento de matriz y e) deslizamiento.

A diferencia de los materiales homogneos, en los materialescompuestos no se puede hablar de una solo grieta que surge

por algn defecto estructural y que luego se propaga hastacausar la fractura del material, para este caso se habla dediferentes danos, figura 14, que se propagan e interaccionanentre ellos hasta causar la fractura. La importancia de cadauno de estos mecanismos depende entre otros factores de lageometra de la pieza, del tipo de refuerzo y de la cargaaplicada. Adems dentro de estos sucesos suele tenerrelevancia los factores ambientales como la temperatura, lahumedad, la radiacin, etc.

E.

Diagrama de esperanza de vida a la fatiga a -N

Este tipo de diagrama pretende ilustrar de una manera msconveniente la formacin e interaccin de los mecanismos dedao de los materiales compuestos, asociando la deformacinmxima en el primer ciclo ( , debido a que el material vadisminuyendo su resistencia al aumentar N, y depende de lafalla inicial), con respecto al nmero de ciclos, teniendo encuenta a su vez que la sumatoria de la deformacin causada

por una carga uniaxial para cada una de las fases es igual a ladeformacin del compuesto.

Fi gura 15.Diagrama de esperanza de vida a la fatiga de una resina epoxi

reforzada con fibras de vidrio Fuente:Fatiga en materiales compuestos:

comportamiento y mecanismos de degradacin. Tesis en red.net

De la figura 15 se pueden reconocer tres etapas en el digramade esperanza de vida a la fatiga de una resina epoxi reforzadacon fibra de vidrio.

En la etapa I se muestra la formacin del dao, lo que recibe elnombre de deformacin mxima durante el primer ciclo. En laetapa 2, se observa la propagacin del dao a travs delcompuesto y finalmente se observa una etapa III donde segeneran una serie de daos bajo esfuerzos muy pequeosincapaces de producir la propagacin de los defectos para la

posterior falla del material.

F. Efecto de las propiedades constituyentes

El efecto de las propiedades constituyentes de cada una de lasfases sobre el material compuesto se puede esquematizar en

diagramas de vs N (diagrama de esperanza de vida).

Fi gura 16.Tendencias del efecto de la ductilidad de la matriz y la rigidez delos refuerzos Fuente:Fatiga en materiales compuestos: comportamiento y

mecanismos de degradacin. Tesis en red.net

Los refuerzos con una elevada resistencia mecnica como lasfibras de carbono, combinadas con una matriz dctil tienen unefecto adverso sobre la resistencia a la fatiga del compuesto yaque presentaran una menor deformacin plstica antes de lafractura.

Pero como se haba mencionado anteriormente matricespolimricas combinadas con fibras de vidrio, aunquepresentan una mayor cada de la rigidez con el aumento de losciclos permite prolongar la falla debido a las propiedades

plsticas de la fibra reforzarte.


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IV. CONCLUSIONES

En la fatiga de materiales polimricos los procesos

mecnicamente dominados o de ciclos elevados, sonlos que indican las verdaderas propiedades delmaterial durante la fatiga.

Durante los procesos de fatiga de materialespolimricos es necesario tener en cuenta factorescomo la viscoelasticidad del material y el calorhistrico del mismo asociados a la baja conductividadtrmica.

En los materiales polimricos y CMP a diferencia demuchos materiales homogneos durante los procesosde fatiga los daos o defectos en el material pueden

aparecer durante los ciclos tempranos en partesaleatorias del material, con diferente nmero dedensidades hasta finalmente sumarse entre ellos paraocasionar la posterior falla del material.

La densidad de formacin de grietas en los materialesPolimricos y CMP disminuyen con el aumento deciclos de fatiga, pero aumenta la densidad de losdaos.

La orientacin de las fibras dentro de un material

CMP juega un papel fundamental en la resistencia ala fatiga, presentando una menor resistencia paramateriales cuyos refuerzos estn en la mismadireccin que la carga.

V.EJERCICIO

Calcular los siguientes parmetros para realizar un ensayo defatiga a un material polimrico:

max, Amplitud (a), tensin media y el periodo del ensayo.Teniendo como datos una relacin entre tensione R de 0.2, unafrecuencia = 10Hz y un min de 800MPa .

Solucin:

= (-0.8*= )=100MPa

b) =10 MPa

c) = 90MPa

d) T== 0,1 seg

VI. BIBLIOGRAFIA

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Exposicion Fatiga Polimeros y CMP

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