Delamination

Modo de falla por el cual un material se fractura en capas.

Delamination of carbon fiber–reinforced polymer under compression load

Delamination is a mode of failure where a material fractures into layers. A variety of materials, including laminate composites^[1] and concrete, can fail by delamination. Processing can create layers in materials, such as steel formed by rolling^[2][3] and plastics and metals from 3D printing^[4][5] which can fail from layer separation. Also, surface coatings, such as paints and films, can delaminate from the coated substrate.

In laminated composites, the adhesion between layers often fails first, causing the layers to separate.^[6] For example, in fiber-reinforced plastics, sheets of high strength reinforcement (e.g., carbon fiber, fiberglass) are bound together by a much weaker polymer matrix (e.g., epoxy). In particular, loads applied perpendicular to the high strength layers, and shear loads can cause the polymer matrix to fracture or the fiber reinforcement to debond from the polymer.

Delamination also occurs in reinforced concrete when metal reinforcements near the surface corrode.^[7] The oxidized metal has a larger volume causing stresses when confined by the concrete. When the stresses exceed the strength of the concrete, cracks can form and spread to join with neighboring cracks caused by corroded rebar creating a fracture plane that runs parallel to the surface. Once the fracture plane has developed, the concrete at the surface can separate from the substrate.

Processing can create layers in materials which can fail by delamination. In concrete, surfaces can flake off from improper finishing. If the surface is finished and densified by troweling while the underlying concrete is bleeding water and air, the dense top layer may separate from the water and air pushing upwards.^[8] In steels, rolling can create a microstructure when the microscopic grains are oriented in flat sheets which can fracture into layers.^[2] Also, certain 3D printing methods (e.g., Fused Deposition) builds parts in layers that can delaminate during printing or use. When printing thermoplastics with fused deposition, cooling a hot layer of plastic applied to a cold substrate layer can cause bending due to differential thermal contraction and layer separation.^[4]

Inspection methods

Existen múltiples métodos de prueba no destructivos para detectar la delaminación en estructuras, incluida la inspección visual , la prueba de golpeteo (es decir, el sondeo), el ultrasonido , la radiografía y las imágenes infrarrojas .

La inspección visual es útil para detectar delaminaciones en la superficie y los bordes de los materiales. Sin embargo, una inspección visual puede no detectar la delaminación dentro de un material sin cortar el material.

La prueba de golpeteo o sondeo implica golpear suavemente el material con un martillo u objeto duro para encontrar la delaminación según el sonido resultante. En los compuestos laminados, un sonido claro indica un material bien adherido, mientras que un sonido más apagado indica la presencia de delaminación debido al defecto que amortigua el impacto. ^[9] La prueba de golpeteo es muy adecuada para encontrar grandes defectos en compuestos de paneles planos con un núcleo de panal, mientras que los laminados delgados pueden tener pequeños defectos que no son discernibles por el sonido. ^[10] El uso del sonido también es subjetivo y depende de la calidad de la audición y del juicio del inspector. Cualquier variación intencionada en la pieza también puede cambiar el tono del sonido producido, influyendo en la inspección. Algunas de estas variaciones incluyen superposiciones de capas, cambios de número de capas, cambio de densidad del núcleo (si se usa) y geometría.

En el hormigón armado, las regiones intactas sonarán sólidas, mientras que las áreas delaminadas sonarán huecas. ^[11] La prueba de golpeteo en grandes estructuras de hormigón se realiza con un martillo o con un dispositivo de arrastre de cadena para superficies horizontales como plataformas de puentes. Las plataformas de puentes en países de clima frío que utilizan sales y productos químicos descongelantes suelen estar sujetas a delaminación y, como tales, normalmente se programa una inspección anual mediante arrastre de cadena, así como posteriores reparaciones de parches de la superficie. ^[12]

Métodos de prueba de resistencia a la delaminación.

Pruebas de delaminación del revestimiento.

ASTM proporciona estándares para pruebas de adhesión de pinturas que proporcionan medidas cualitativas para la resistencia de pinturas y revestimientos a la delaminación de los sustratos. Las pruebas incluyen prueba de corte transversal, adhesión por raspado ^[13] y prueba de extracción . ^[14]

Ensayo de tenacidad a la fractura interlaminar.

La tenacidad a la fractura es una propiedad del material que describe la resistencia a la fractura y la delaminación. Se denota por el factor de intensidad de tensión crítica o la tasa de liberación de energía de deformación crítica . ^[15] Para compuestos laminados de polímero reforzado con fibra unidireccional , ASTM proporciona estándares para determinar la tenacidad a la fractura modo I y la tenacidad a la fractura modo II de la matriz interlaminar. ^{[16] [17]} Durante las pruebas, la carga y el desplazamiento se registran para su análisis y determinar la tasa de liberación de energía de deformación a partir del método de cumplimiento . en términos de cumplimiento está dado por ${\displaystyle K_{c}}$ ${\displaystyle G_{c}}$ ${\displaystyle G_{IC}}$ ${\displaystyle G_{IIC}}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle \delta }$ ${\displaystyle G}$

${\displaystyle G={\frac {P^{2}}{2B}}{\frac {dC}{da}}}$(1)

donde es el cambio en la distensibilidad (relación de ), es el espesor de la muestra y es el cambio en la longitud de la grieta. ${\displaystyle dC}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \delta /P}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle da}$

Tenacidad a la fractura interlaminar modo I

Esquema de una muestra de viga en voladizo doble deformada.

ASTM D5528 especifica el uso de la geometría de la muestra de doble viga voladiza (DCB) para determinar la tenacidad a la fractura interlaminar modo I. ^[17] Se crea una muestra de viga en voladizo doble colocando una película antiadherente entre las capas de refuerzo en el centro de la viga antes de curar la matriz polimérica para crear una grieta inicial de longitud . Durante la prueba, la muestra se carga en tensión desde el extremo del lado inicial de la grieta de la viga que abre la grieta. Utilizando el método de cumplimiento, la tasa de liberación de energía de deformación crítica viene dada por ${\displaystyle a_{0}}$

${\displaystyle G_{Ic}={\frac {3P_{C}\delta _{C}}{2Ba}}}$(2)

donde y son la carga y el desplazamiento máximos, respectivamente, al determinar cuándo la curva de deflexión de la carga se ha vuelto no lineal con una línea trazada desde el origen con un aumento del 5% en el cumplimiento. Normalmente, la ecuación 2 sobreestima la tenacidad a la fractura porque las dos vigas en voladizo de la muestra DCB tendrán una rotación finita en la grieta. La rotación finita se puede corregir calculando con una grieta ligeramente más larga con una longitud que proporcione ${\displaystyle P_{C}}$ ${\displaystyle \delta _{C}}$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle a+\Delta }$

${\displaystyle G_{Ic}={\frac {3P_{C}\delta _{C}}{2B(a+\Delta )}}}$(3)

La corrección de la longitud de la grieta se puede calcular experimentalmente trazando el ajuste de mínimos cuadrados de la raíz cúbica de la distensibilidad frente a la longitud de la grieta . La corrección es el valor absoluto de la intersección x. La tenacidad a la fractura también se puede corregir con el método de calibración de cumplimiento cuando está dado por ${\displaystyle \Delta }$ ${\displaystyle C^{1/3}}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \Delta }$ ${\displaystyle G_{Ic}}$

${\displaystyle G_{Ic}={\frac {nP_{C}\delta _{C}}{2Ba}}}$(4)

¿ Dónde está la pendiente del ajuste de mínimos cuadrados de vs. ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \log(C)}$ ${\displaystyle \log(a)}$

Tenacidad a la fractura interlaminar modo II

Esquema de la prueba de flexión de la muesca del borde.

La tenacidad a la fractura interlaminar Modo II se puede determinar mediante una prueba de flexión con muesca en el borde especificada por ASTM D7905. ^[16] La muestra se prepara de manera similar a la muestra DCB introduciendo una grieta inicial con longitud antes de curar la matriz polimérica. Si el ensayo se realiza con la fisura inicial (método no prefisurado), la tenacidad a la fractura candidata viene dada por ${\displaystyle a_{0}}$ ${\displaystyle G_{Q}}$

${\displaystyle G_{Q}={\frac {3mP_{\max }^{2}a_{0}^{2}}{2B}}}$

donde es el espesor de la muestra, la carga máxima y un parámetro de ajuste. se determina mediante resultados experimentales con un ajuste de cumplimiento de mínimos cuadrados frente a la longitud de la grieta elevada al cubo con la forma de ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle P_{\max }}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle a^{3}}$

${\displaystyle C=A+ma^{3}}$.

La tenacidad a la fractura candidata es igual a la tenacidad a la fractura en modo II si la tasa de liberación de energía de deformación cae dentro de cierto porcentaje en diferentes longitudes de grieta especificadas por ASTM. ${\displaystyle G_{Q}}$ ${\displaystyle G_{IIc}}$ ${\displaystyle G_{Q}}$

Referencias

1. Cantwell, WJ; Morton, J. (1991). "La resistencia al impacto de los materiales compuestos: una revisión". Composicion . 22 (5): 347–362. doi :10.1016/0010-4361(91)90549-V.
2. Bramfitt, BL; Marder, AR (1977). "Un estudio del comportamiento de delaminación de un acero con muy bajo contenido de carbono". Transacciones Metalúrgicas A . 8 (8): 1263–1273. Código bibliográfico : 1977MTA......8.1263B. doi :10.1007/bf02643841. ISSN  0360-2133. S2CID  136949441.
3. Dogan, Mizam (2011). "Fallo por delaminación de secciones de acero de un solo ángulo". Análisis de fallas de ingeniería . 18 (7): 1800–1807. doi :10.1016/j.engfailanal.2011.04.009.
4. "Separación y división de capas". Prusa3D: impresoras 3D de Josef Průša . 2019-01-04 . Consultado el 3 de mayo de 2019 .
5. Barile, Claudia; Casavola, Caterina; Cazzato, Alberto (18 de septiembre de 2018). "Emisiones acústicas en piezas impresas en 3D bajo prueba de delaminación Modo I". Materiales . 11 (9): 1760. Bibcode : 2018Mate...11.1760B. doi : 10.3390/ma11091760 . ISSN  1996-1944. PMC 6165299 . PMID  30231488. 
6. Wisnom, señor (28 de abril de 2012). "El papel de la delaminación en la falla de compuestos reforzados con fibras". Transacciones filosóficas de la Royal Society A: Ciencias matemáticas, físicas y de ingeniería . 370 (1965): 1850–1870. Código Bib : 2012RSPTA.370.1850W. doi : 10.1098/rsta.2011.0441 . ISSN  1364-503X. PMID  22431760.
7. Li, CQ; Zheng, JJ; Lawanwisut, W.; Melchers, RE (2007). "Delaminación del hormigón causada por corrosión del refuerzo de acero". Revista de Materiales en Ingeniería Civil . 19 (7): 591–600. doi :10.1061/(ASCE)0899-1561(2007)19:7(591). ISSN  0899-1561.
8. "CIP 20 - Delaminación de superficies de hormigón alisadas" (PDF) . Asociación Nacional de Concreto Premezclado NRMCA . 4 de mayo de 2019. Archivado desde el original (PDF) el 28 de julio de 2019 . Consultado el 15 de mayo de 2019 .
9. "DOT/FAA/AR-02/121: Directrices para análisis, pruebas e inspección no destructiva de estructuras tipo sándwich compuestas dañadas por impactos" (PDF) . Marzo de 2003.
10. "Las limitaciones de las pruebas de grifo". carbonbikerepair.com.au . Consultado el 16 de mayo de 2019 .
11. ASTM ASTM D4580/D4580M - 12: Práctica estándar para medir las delaminaciones en plataformas de puentes de hormigón mediante sondeo, West Conshohocken, PA: ASTM International, 2018
12. Ahmadi, Hossein (diciembre de 2017). Envejecimiento, inspección y mantenimiento de plataformas de puentes de hormigón (tesis de maestría en ciencias). Universidad de Toledo. Archivado desde el original el 16 de mayo de 2019 . Consultado el 16 de mayo de 2019 .
13. ASTM D2197 - 98: Método de prueba estándar para la adhesión de recubrimientos orgánicos mediante adhesión por raspado, West Conshohocken, PA: ASTM International, 1998
14. ASTM D4541 - 17: Método de prueba estándar para la resistencia al desprendimiento de recubrimientos utilizando probadores de adherencia portátiles, West Conshohocken, PA: ASTM International, 2017
15. Zehnder, Alan (2012). Mecánica de fracturas . Saltador. ISBN 9789400725959. OCLC  905283457.
16. ASTM D7905/D7905M - 14: Método de prueba estándar para la determinación de la tenacidad a la fractura interlaminar Modo II de compuestos de matriz polimérica unidireccional reforzados con fibra, West Conshohocken, PA: ASTM International, 2014
17. ASTM D5528 - 13: Método de prueba estándar para la tenacidad a la fractura interlaminar Modo I de compuestos de matriz polimérica unidireccional reforzados con fibra, West Conshohocken, PA: ASTM International, 2014