Delaminación

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

Delaminación de polímero reforzado con fibra de carbono bajo carga de compresión

La delaminación es un modo de falla en el que un material se fractura en capas. Una variedad de materiales, incluidos los compuestos laminados ^[1] y el hormigón , pueden fallar por delaminación. El procesamiento puede crear capas en materiales, como el acero formado por laminación ^{[2] [3]} y los plásticos y metales de la impresión 3D ^{[4] [5]} que pueden fallar por separación de capas. Además, los recubrimientos de superficie , como pinturas y películas, pueden deslaminarse del sustrato recubierto.

En los compuestos laminados , la adhesión entre capas a menudo falla primero, lo que hace que las capas se separen. ^[6] Por ejemplo, en plásticos reforzados con fibra , las láminas de refuerzo de alta resistencia (por ejemplo, fibra de carbono , fibra de vidrio ) están unidas entre sí por una matriz de polímero mucho más débil (por ejemplo, epoxi ). En particular, las cargas aplicadas perpendicularmente a las capas de alta resistencia y las cargas de corte pueden hacer que la matriz de polímero se fracture o que el refuerzo de fibra se desprenda del polímero.

La delaminación también ocurre en el hormigón armado cuando los refuerzos metálicos cerca de la superficie se corroen. ^[7] El metal oxidado tiene un mayor volumen que provoca tensiones cuando queda confinado por el hormigón. Cuando las tensiones superan la resistencia del hormigón, se pueden formar grietas que se propagan hasta unirse con grietas vecinas causadas por las barras de refuerzo corroídas, creando un plano de fractura que corre paralelo a la superficie. Una vez que se ha desarrollado el plano de fractura, el hormigón en la superficie puede separarse del sustrato.

El procesamiento puede crear capas en los materiales que pueden fallar por delaminación. En el hormigón , las superficies pueden descascararse debido a un acabado inadecuado. Si la superficie se termina y se densifica mediante llana mientras el hormigón subyacente está sangrando agua y aire, la capa superior densa puede separarse del agua y el aire empujando hacia arriba. ^[8] En los aceros , el laminado puede crear una microestructura cuando los granos microscópicos se orientan en láminas planas que pueden fracturarse en capas. ^[2] Además, ciertos métodos de impresión 3D (por ejemplo, deposición fundida ) construyen piezas en capas que pueden deslaminarse durante la impresión o el uso. Al imprimir termoplásticos con deposición fundida, enfriar una capa caliente de plástico aplicada a una capa de sustrato fría puede causar flexión debido a la contracción térmica diferencial y la separación de capas. ^[4]

Métodos de inspección

Existen múltiples métodos de pruebas no destructivas 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, es posible que una inspección visual no detecte delaminaciones dentro de un material sin cortarlo.

La prueba de golpeteo o sondeo implica golpear suavemente el material con un martillo u objeto duro para encontrar delaminación según el sonido resultante. En los compuestos laminados, un sonido de timbre claro indica un material bien adherido, mientras que un sonido más apagado indica la presencia de delaminación debido a que el defecto 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 auditiva del inspector, así como del juicio. Cualquier variación intencional en la pieza también puede cambiar el tono del sonido producido, lo que influye en la inspección. Algunas de estas variaciones incluyen superposiciones de capas, cambios en el recuento de capas, cambios en la densidad del núcleo (si se usa) y geometría.

En el hormigón armado, las zonas intactas sonarán sólidas, mientras que las zonas deslaminadas sonarán huecas. ^[11] Las pruebas de impacto en estructuras de hormigón de gran tamaño se realizan con un martillo o con un dispositivo de arrastre de cadena para superficies horizontales como los tableros de puentes. Los tableros de puentes en países de clima frío que utilizan sales y productos químicos para descongelar suelen estar sujetos a deslaminación y, como tal, suelen programarse para una inspección anual mediante arrastre de cadena, así como para reparaciones posteriores de la superficie. ^[12]

Métodos de prueba de resistencia a la delaminación

Pruebas de delaminación del recubrimiento

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

Prueba de tenacidad por 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 los compuestos laminados de polímero reforzados con fibra unidireccional , ASTM proporciona estándares para determinar la tenacidad a la fractura de modo I y la tenacidad a la fractura de modo II de la matriz interlaminar. ^{[16] [17]} Durante las pruebas, se registra la carga y el desplazamiento para su análisis para determinar la tasa de liberación de energía de deformación a partir del método de cumplimiento . en términos de cumplimiento se da 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 el cumplimiento (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 en modo I

Esquema de una probeta de viga voladiza doble deformada.

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

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

donde y son la carga máxima y el desplazamiento respectivamente, determinando cuándo la curva de deflexión de carga se ha vuelto no lineal con una línea trazada desde el origen con un aumento del 5 % en la flexibilidad. Por lo general, 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 dé ${\displaystyle P_{C}}$ ${\displaystyle \delta _{C}}$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle a+\Delta }$

${\displaystyle G_{Ic}={\frac {3P_{C}\delta _{C}}{2B(a+\Delta )}}}$(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 flexibilidad frente a la longitud de la grieta . La corrección es el valor absoluto de la intersección con el eje x. La tenacidad a la fractura también se puede corregir con el método de calibración de la flexibilidad, donde se da 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 en modo II

Esquema del ensayo de flexión de entalla de borde.

La tenacidad a la fractura interlaminar de modo II se puede determinar mediante una prueba de flexión de 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 de polímero. Si la prueba se realiza con la grieta inicial (método sin prefisuración), la tenacidad a la fractura candidata se da mediante ${\displaystyle a_{0}}$ ${\displaystyle G_{Q}}$

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

donde es el espesor de la muestra y es la carga máxima y es un parámetro de ajuste. se determina mediante resultados experimentales con un ajuste de mínimos cuadrados de cumplimiento frente a la longitud de la grieta 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 de fractura candidata es igual a la tenacidad de fractura de modo II si la tasa de liberación de energía de deformación cae dentro de cierto porcentaje en diferentes longitudes de grietas especificadas por ASTM. ${\displaystyle G_{Q}}$ ${\displaystyle G_{IIc}}$ ${\displaystyle G_{Q}}$

Prueba de resistencia al corte interlaminar

La resistencia al corte interlaminar se utiliza como una medida adicional de la fuerza de la unión fibra-matriz en compuestos reforzados con fibra. La delaminación inducida por corte se experimenta en varias condiciones de carga donde el momento de flexión a través del compuesto cambia rápidamente, como en tuberías con cambios de espesor o curvas. ^[18] Se han propuesto múltiples arquitecturas de prueba para su uso en la medición de la resistencia al corte interlaminar, incluyendo la prueba de corte de viga corta, la prueba de Iosipescu, la prueba de corte de riel y la prueba de flexión asimétrica de cuatro puntos. ^[19] El objetivo de cada una de estas pruebas es maximizar la relación entre el esfuerzo cortante y el esfuerzo de tracción exhibido en la muestra, promoviendo la falla a través de la delaminación de la interfaz fibra-matriz en lugar de a través de la tensión o pandeo de la fibra . ^[20] La simetría ortotrópica de los materiales compuestos de fibra hace que un estado de esfuerzo cortante puro sea difícil de obtener en las pruebas de muestra; se pueden utilizar muestras cilíndricas delgadas, pero son costosas de fabricar. ^[21] Por lo tanto, las geometrías de muestra se eligen para facilitar el mecanizado y optimizar el estado de tensión cuando se carga.

Además de los compuestos manufacturados, como los polímeros reforzados con fibra de vidrio , la resistencia al corte interlaminar es una propiedad importante en los materiales naturales, como la madera. La forma alargada y delgada de las tablas del suelo, por ejemplo, puede favorecer la deformación que provoca vibraciones. ^[22]

Flexión asimétrica de cuatro puntos

(arriba-abajo) Las fuerzas puntuales, las tensiones cortantes y los momentos que actúan sobre una muestra de prueba de flexión asimétrica de cuatro puntos

La flexión asimétrica en cuatro puntos (AFPB) puede elegirse para medir la resistencia al corte interlaminar en lugar de otros procedimientos por diversas razones, entre ellas, la maquinabilidad de la muestra, la reproducibilidad de la prueba y la disponibilidad de equipos. Por ejemplo, las muestras de corte de vigas cortas están limitadas a una relación longitud-espesor específica para evitar fallas por flexión, y la distribución de la tensión de corte a lo largo de la muestra no es uniforme, lo que contribuye a la falta de reproducibilidad. ^[19] La prueba de corte de rieles también produce un estado de tensión de corte no homogéneo, lo que la hace apropiada para determinar el módulo de corte, pero no la resistencia al corte. ^[19] La prueba de Iosipescu requiere un equipo especial además de la configuración de rodillos que ya se utiliza para otras pruebas de flexión de tres y cuatro puntos . ^[22]

ASTM C1469 describe un estándar para pruebas AFPB de uniones cerámicas avanzadas, y se ha propuesto adaptar el método para su uso con compuestos de matriz cerámica continua . ^{[23] [24]} Las muestras rectangulares se pueden utilizar con o sin muescas mecanizadas en el centro; la adición de muescas ayuda a controlar la posición de la falla a lo largo de la longitud de la muestra, pero el mecanizado inadecuado o no simétrico puede resultar en la adición de tensiones normales no deseadas que reducen la resistencia medida. ^[24] Luego, la muestra se carga en compresión en su dispositivo de prueba, con carga aplicada directamente a la muestra desde 4 pasadores de carga dispuestos en una configuración similar a un paralelogramo. La carga aplicada desde el dispositivo de prueba se transfiere de manera desigual a los dos pasadores superiores; la relación de la carga del pasador interno y la carga del pasador externo se define como el factor de carga , de modo que ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle {\frac {P}{Q}}={\frac {S_{2}}{S_{1}}}=\lambda }$,

donde y son las longitudes desde el pasador interior hasta la carga puntual aplicada y desde el pasador exterior hasta la carga puntual aplicada, respectivamente. La tensión normal en la muestra se maximiza en las ubicaciones de los pasadores interiores y es equivalente a ${\displaystyle S_{1}}$ ${\displaystyle S_{2}}$ ${\displaystyle \sigma _{xx}}$

${\displaystyle \sigma _{xx}={\frac {6(\lambda -1)FL}{(1+\lambda ^{2})bt}}}$,

donde es la carga total aplicada sobre la muestra, es la longitud de la muestra, es el ancho de la muestra (dentro de la página como se ve en un diagrama de cuerpo libre 2D) y es el espesor de la muestra. La tensión de corte en la muestra se maximiza entre el tramo interno de los pasadores y se da por ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle \sigma _{xz}}$

${\displaystyle \sigma _{xz}={\frac {3(1-\lambda )F}{2(1+\lambda )bt}}}$.

La relación entre la tensión normal y la tensión cortante en la muestra viene dada por ${\displaystyle C}$

${\displaystyle C={\frac {\sigma _{xx}}{\sigma _{xz}}}={\frac {4L}{(1+\lambda )t}}}$.

Esta relación depende tanto del factor de carga de la muestra como de su relación longitud-espesor; ambas cantidades son importantes para determinar el modo de falla de la muestra en la prueba. ^[18]

Referencias

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2. Bramfitt, BL; Marder, AR (1977). "Un estudio del comportamiento de delaminación de un acero con muy bajo contenido de carbono". Metallurgical Transactions A . 8 (8): 1263–1273. Bibcode :1977MTA.....8.1263B. doi :10.1007/bf02643841. ISSN  0360-2133. S2CID  136949441.
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6. Wisnom, MR (28 de abril de 2012). "El papel de la delaminación en el fallo de los compuestos reforzados con fibra". Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 370 (1965): 1850–1870. Bibcode :2012RSPTA.370.1850W. doi : 10.1098/rsta.2011.0441 . ISSN  1364-503X. PMID  22431760.
7. Li, CQ; Zheng, JJ; Lawanwisut, W.; Melchers, RE (2007). "Deslaminación del hormigón causada por la 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.
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14. ASTM D4541 - 17: Método de prueba estándar para la resistencia al desprendimiento de recubrimientos utilizando comprobadores de adhesión portátiles, West Conshohocken, PA: ASTM International, 2017
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