Contexto de la investigación

Los materiales compuestos de polímero reforzado con fibra continua (FRP) se utilizan cada vez más en sectores de alta tecnología como la aeronáutica y el transporte, gracias a sus excelentes propiedades, como la resistencia específica y la rigidez específica. La respuesta a cizallamiento puro de las láminas en la dirección principal del material principal en el plano constituye un dato fundamental para el diseño estructural de compuestos, la predicción de daños y la simulación mediante elementos finitos, y afecta directamente la seguridad y fiabilidad de carga de la estructura.

Para comprender a fondo el comportamiento mecánico en cizallamiento de los materiales de fibra de resina (FRP), es fundamental captar con precisión su rigidez en cizallamiento, resistencia a la cizallamiento y la evolución completa de la tensión y la deformación, así como analizar el impacto de factores como la orientación de las fibras y el tipo de carga en los mecanismos de daño por cizallamiento, como la formación de bandas de cizallamiento o el enlace entre fibras. No obstante, la anisotropía y heterogeneidad de los materiales compuestos, sumadas a la sensibilidad de los métodos tradicionales de ensayo de cizallamiento a problemas como la concentración de tensiones y la acoplación de cargas, dificultan lograr condiciones de cizallamiento puros. La mayoría de los estudios actuales se basan en ensayos de carga uniaxial para inferir indirectamente el comportamiento en cizallamiento, pero estos métodos presentan limitaciones como la sobreestimación de la rigidez en cizallamiento y distorsiones en la representación de la respuesta en las fases de alta deformación, lo que impide reflejar de forma completa el comportamiento real del material bajo cargas complejas.

En 2023, el equipo de S. Horta Munoz de la Universidad de Castilla-La Mancha, España, publicó un estudio en *Composites Part B* en el que propuso un ensayo biaxial tracción-compresión con muestras en forma de cruz con capas simétricas ±45°, con el fin de explorar sistemáticamente la viabilidad de determinar la respuesta a cizallamiento puro en la dirección principal del material de las capas. El estudio desarrolló un marco experimental que integra la correlación digital de imágenes (DIC) y la simulación por elementos finitos, analizando en profundidad cómo la tasa de desplazamiento y la forma de carga influyen en el comportamiento a cizallamiento. Este avance cubre una laguna técnica clave en la caracterización del cizallamiento puro de materiales compuestos bajo cargas biaxiales, proporcionando un apoyo fundamental para el diseño de estructuras de materiales compuestos en condiciones de carga complejas.

Materiales y ensayos

1.Materiales de prueba

Materiales de prueba: se utilizó un prepregado epoxi reforzado con fibra de carbono UD, con un espesor nominal de 0,25 mm en una sola capa tras la curación y una fracción volumétrica de fibra del 58 %. Las propiedades elásticas de la laminación en la dirección principal del material en el plano se obtuvieron mediante ensayos uniaxiales previos. Los datos del módulo elástico y del coeficiente de Poisson en condiciones de tracción y compresión se presentan en la Tabla 1 y la Tabla 2, respectivamente. Los subíndices 1 y 2 indican la dirección paralela y perpendicular a la fibra, mientras que los subíndices T y C representan las condiciones de tracción y compresión.

Tabla 1: Propiedades elásticas medias en la dirección principal del material principal de la viga laminada bajo carga de tracción

Tabla 2: Propiedades elásticas medias en la dirección principal del material principal de la laminación bajo carga de compresión

2. Diseño y preparación de las muestras

El diseño geométrico de la muestra en cruz se basa en la norma UNE 0074:2023 y se ha optimizado mediante simulación por elementos finitos. En la unión entre los brazos de la muestra se emplea una transición con doble redondeo para reducir eficazmente la concentración de tensiones; la zona central presenta un adelgazamiento escalonado que garantiza que el daño comience en la región objetivo. Los parámetros clave del diseño son los siguientes: el brazo de la muestra tiene un ancho nominal de 30 mm y un grosor de 4 mm; la zona central de carga tiene dimensiones nominales de 22×20 mm² y un grosor de 1 mm; la relación de grosor entre el brazo y la zona central es de 4:1, con el fin de suprimir el doblamiento global de la muestra y garantizar la estabilidad de las condiciones de contención en los bordes de la zona central.

Para proteger la zona de sujeción y evitar daños por deslizamiento durante la carga, se aplicó una placa terminal de polímero reforzado con fibra de vidrio de 3 mm de espesor y 50 mm de longitud en el extremo del brazo de la muestra, unida con adhesivo epoxi Araldite©2000, con ángulos internos de la placa terminal con transición suave. Todas las muestras se fabricaron mediante el proceso de pastelado manual para obtener una preforma laminada de 300 mm × 300 mm, que se curó a 180 °C, a 7 bar y durante 120 minutos, y luego se mecanizado CNC hasta alcanzar el tamaño deseado. Tras la curación, se verificó mediante ultrasonidos que no presentaba defectos iniciales.

Figura 1: Forma geométrica y dimensiones de la muestra en cruz

3.Equipo de prueba y métodos de prueba

Se utiliza una máquina de ensayo electromecánica de múltiples ejes Microtest, equipada con cuatro actuadores eléctricos independientes con control en bucle cerrado. En modo de control de carga, la velocidad de carga se establece en 20 N/s, y los datos de carga se recopilan en tiempo real mediante cuatro sensores de fuerza de 50 kN. Un dispositivo de sujeción de doble eje con protección contra flexión limita el desplazamiento superficial del brazo de la muestra, y se reserva una ventana central de observación para garantizar que la medición de deformación no se vea afectada. El dispositivo, la muestra y la máquina de ensayo se calibran y alinean mediante una base de soporte en forma de L, con una desviación en la dirección de carga no superior a 0,1.

La medición de deformación se realiza simultáneamente mediante el sistema estereoscópico DIC LaVision Strain-Master y las flechas de deformación Kyowa. La cámara del sistema DIC tiene una resolución de 2456×2058 píxeles, con un factor de escala calibrado de 30,59 píxeles/mm. En la zona central de la muestra se aplica un fondo negro y una mancha blanca. El procesamiento posterior utiliza un tamaño de subconjunto de 51×51 píxeles² y un paso de 16 píxeles. En la cara posterior de la zona central se coloca una flecha de deformación 0/45/90, y la deformación local se mide simultáneamente mediante el adquisidor de datos Kyowa PCD-300B.

Tras la prueba, se realizó la detección de daños en el brazo de la muestra mediante un ultrasonógrafo de matriz de fase Olympus OmniScan SX. A continuación, se observó la morfología de la falla por cizallamiento en la zona central mediante microscopía óptica. Con la ayuda de Abaqus/Standard, se estableció un modelo de elementos finitos para simular la transmisión de cargas y la distribución de tensiones, con el fin de determinar el factor de conversión de carga.

Figura 2: Fijación antivuelco biaxial (a) Componente sin ensamblar (b) Configuración del ensayo TC con fijación antivuelco y sujeción de la muestra de prueba

3.Resultados y discusión

3.1 Análisis de deformación en todo el campo DIC

Durante la fase de carga lineal, la zona central presenta un campo de deformación puramente cortante distribuido uniformemente, con isocotas de deformación simétricas y sin concentración de esfuerzo evidente, lo que confirma la eficacia del protocolo experimental para lograr un estado de corte puro. Cuando la carga alcanza los 93,9 MPa, comienza a aparecer una concentración local del campo de deformación, formando una banda de corte inicial en una dirección perpendicular a la dirección de carga, lo que marca el inicio de la respuesta no lineal del material.

A medida que aumenta la carga, la zona de cizallamiento se extiende progresivamente y atraviesa toda la región central, formando finalmente una superficie de fallo por cizallamiento en la dirección 45°. Los resultados de la medición DIC muestran una deformación por cizallamiento ingenieril máxima de hasta el 40 %, mucho más alta que el rango de medición de los ensayos uniaxiales tradicionales. Además, tras el brote de la grieta, se observa una región claramente negativa de tasa de deformación detrás de la punta, lo que refleja el efecto de descarga local y liberación de tensión durante el proceso de daño por cizallamiento del material; este fenómeno está estrechamente relacionado con el mecanismo de disipación de energía en el daño por cizallamiento de los materiales compuestos.

Figura 3 (izquierda): campo de deformación en cizallamiento numérica γ12 en la fase intermedia de respuesta lineal del ensayo TC sin fijación; (derecha): campo de deformación en cizallamiento experimental γ12 en la fase no lineal del ensayo TC con fijación.

3.2 Respuesta a la tensión y deformación por cizallamiento

Todas las curvas esfuerzo-deformación de cizallamiento de las muestras presentan una clara característica de dos etapas: una fase elástica lineal y una fase de reforzamiento no lineal. En la fase lineal, la relación esfuerzo-deformación es aproximadamente lineal; mediante un ajuste lineal se obtiene un módulo de cizallamiento promedio de G12 = 5,35 ± 0,14 GPa, que muestra una buena concordancia con los resultados teóricos clásicos para placas laminadas.

Cuando la tensión de cizallamiento alcanza 93,9 ± 5,4 MPa, la pendiente de la curva comienza a disminuir, entrando en una fase no lineal. En este momento, se inician microfissuras internas y se produce un ajuste en la orientación de las fibras, lo que provoca una reducción progresiva de la rigidez. Al comparar los resultados de los ensayos con y sin sujeción, las muestras sin sujeción presentan una tensión inicial más baja en la fase no lineal debido a la flexión del brazo, y su deformación máxima por cizallamiento es solo del 28 %, muy por debajo del 40 % en las muestras con sujeción. Esto demuestra que la sujeción antiflexión logra inhibir eficazmente la pérdida de estabilidad general de la muestra y garantiza que la zona central aproveche plenamente su capacidad de cizallamiento.

Cuando la deformación por cizallamiento alcanza 0,2, la resistencia a la cizallamiento correspondiente es de 115±5 MPa; durante el ensayo se observó una tensión de cizallamiento límite de 130±5 MPa, lo que indica que el material posee una buena capacidad de carga por cizallamiento y un elevado potencial de absorción de energía. La curva también muestra que, en la fase no lineal, comienza a diferenciarse la deformación longitudinal en las direcciones x y y, con una diferencia máxima de hasta 0,047. Este fenómeno se debe a la asimetría entre el ajuste de la orientación de las fibras internas y la expansión de la banda de cizallamiento, aunque la respuesta global a la cizallamiento se mantiene estable, sin afectar la evaluación general de sus propiedades de cizallamiento.

Figura 4 (a): Comparación entre la curva de esfuerzo-deformación de cizallamiento de ingeniería y la curva real de esfuerzo-deformación de cizallamiento en un ensayo TC típico, con y sin uso de sujeción.

(b) Relación entre la tensión de cizallamiento y la deformación longitudinal en el ensayo típico TC (Tensile Compression).

3.3 Análisis de mecanismos de fallo

La Figura 5 muestra el patrón final de fallo del ensayo TC, donde en la zona de carga biaxial se observa claramente un plano de fallo por cizallamiento en diagonal. La superficie de fractura es plana y forma un ángulo de 45 grados con la dirección de la carga, lo que corresponde a las características típicas de un fallo por cizallamiento puro. En la zona de fallo no se aprecia desprendimiento ni rotura de fibras, sino que predomina la fractura por cizallamiento en la matriz y el deslizamiento de las fibras, lo que confirma que el ensayo logró un patrón de fallo dominado por el cizallamiento puro, evitando así la interferencia de otras formas de fallo.

La Figura 5 muestra el patrón final de fallo del ensayo TC.

Los resultados de la detección por ultrasonidos de matriz de fase en la zona del brazo de la muestra tras el ensayo indicaron que no se detectaron señales de daño, lo que confirma que la lesión se limitó exclusivamente a la zona de carga central. Durante todo el ensayo, el brazo mantuvo una respuesta elástica lineal, sin presentar deformación pseudo-duradera ni concentración de tensiones. Este resultado valida la racionalidad del diseño de la muestra, garantiza que la medición de la resistencia al cizallamiento no se vea afectada por la respuesta del brazo y mejora la fiabilidad de los datos obtenidos.

Figura 6: Resultados de la detección por ultrasonidos de matriz de fase en la región del brazo de la muestra tras el ensayo

Mediante el microscopio óptico y la tomografía computarizada de rayos X, se observó la morfología microscópica de las muestras de fallo y se determinó que el mecanismo de fallo por cizallamiento en los compuestos con capas simétricas ±45 se caracteriza principalmente por la formación de bandas de cizallamiento, la fractura de la matriz y el deslizamiento de las fibras. Bajo carga cuasiestática, la extensión de extracción de las fibras es considerable (alrededor de 0,8 mm en promedio), y el efecto de puentes entre fibras es notable, lo que provoca una superficie de fractura rugosa y una elevada disipación de energía. En cambio, bajo carga de alta velocidad, la extensión de extracción se reduce (alrededor de 0,3 mm en promedio), la anchura de la banda de cizallamiento disminuye y la superficie de fractura es más plana, mostrando características de fallo frágil. Esta diferencia en el mecanismo microscópico explica la relación entre la tasa de carga y el comportamiento macroscópico en cizallamiento.

Conclusión

1 Mediante pruebas biaxiales de tracción y compresión con muestras en forma de cruz con capas simétricas ±45, se logró con éxito un estado uniforme de cizallamiento puro en la zona central. El análisis de deformación total DIC en la fase lineal mostró una alta concordancia con los resultados de la simulación por elementos finitos, obteniéndose un módulo de cizallamiento medio de G12 = 5,35 ± 0,14 GPa y una resistencia a la cizallamiento límite de 130 ± 5 MPa, lo que proporciona un método fiable para caracterizar el comportamiento de cizallamiento de los materiales compuestos.

2. La aplicación del dispositivo de sujeción contra la flexión aumentó significativamente la estabilidad del ensayo, logrando suprimir eficazmente la flexión en el plano de la superficie del brazo de la muestra, lo que permitió elevar la deformación máxima de cizallamiento en la zona central del 28 % al 40 %, garantizando así una captura completa de la respuesta a la cizallamiento durante la fase de alta deformación.

3. La relación de carga y la velocidad de carga influyen significativamente en las propiedades de cizallamiento: un aumento en la relación de carga transversal reduce la concentración de tensiones y mejora la tenacidad al cizallamiento; bajo cargas rápidas, la resistencia al cizallamiento aumenta ligeramente, pero la deformación máxima disminuye, y el modo de fallo cambia de cizallamiento tenaz a cizallamiento frágil, lo que proporciona una base fundamental para el diseño estructural en condiciones de carga complejas.

4. Al comparar los resultados de ensayos uniaxiales y biaxiales, los ensayos uniaxiales tenden a sobreestimar la rigidez al cizallamiento (con una desviación aproximada del 2 %), mientras que los ensayos biaxiales de tracción y compresión permiten capturar de manera más fiel la evolución completa de la tensión y la deformación del material, así como sus mecanismos de fallo. Este enfoque resulta especialmente útil para caracterizar la respuesta al cizallamiento en fases de alta deformación, superando así las limitaciones de los métodos tradicionales.

5. El mecanismo de fallo por cizallamiento de este material compuesto se caracteriza principalmente por la formación de bandas de cizallamiento, la fractura de la matriz y el deslizamiento de las fibras. Bajo cargas cuasiestáticas, el efecto de enlace entre fibras es notable, mientras que bajo cargas de alta velocidad, el mecanismo de toughening dependiente del tiempo queda inhibido. Este hallazgo proporciona respaldo experimental para la optimización del modelo de daño de materiales compuestos.

Artículo de origen：

Horta Muñoz S, Serna Moreno M C. Tension–compression biaxial test with ±45◦symmetric angle-ply laminates for determining the pure shear response in principal material directions of a lamina [J]. Composites Part B, 2023, 261: 110792.

Enlace al texto original：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110792