Antecedentes de la investigación

Mejorar la comprensión cuantitativa de la deformación y el fallo de los materiales bajo cargas complejas es un desafío clave en el desarrollo de la próxima generación de vehículos espaciales cercanos. En la actualidad, los materiales candidatos para las misiones aeroespaciales de próxima generación se someten a costosos ciclos de desarrollo y certificación, pero una evaluación inadecuada de las condiciones de carga en condiciones del mundo real conduce a una comprensión incompleta de los mecanismos de daño que, en última instancia, inducen fallas estructurales.   

En 2022, la revista Composite Science and Technology publicó el trabajo de investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Utah utilizando la tecnología de tomografía de rayos X para estudiar la deformación elástico-plástica y el comportamiento de daño progresivo de materiales compuestos bajo tensión biaxial.  

Como prueba de concepto de la tecnología μCT, se diseñó el ensayo de tracción biaxial de dos materiales compuestos avanzados. Se investigó el comportamiento de deformación y falla del tejido de nylon resistente al desgarro (Nylon 66) utilizado para el retardador de paracaídas y el comportamiento de evolución del daño de los laminados de cinta de carbono/epoxi rellenos de combustible para cohetes y oxidante. El incremento de la porosidad del tejido y el cambio en el enderezamiento de las fibras individuales se midieron después de aplicar cargas 1:1 y 1:2 al nylon 66. El inicio y la evolución del espesor de las grietas entre capas adyacentes se registraron mediante imágenes de rayos X μCT de muestras de laminación con tensión biaxial. Los resultados muestran que el nuevo método de ensayo biaxial puede observar la evolución de la deformación y el daño del material a escala microscópica.

Fig. 1 Marco de carga biaxial in situ (b) Brazo de sujeción (c) Columna vertical del marco de carbono/epoxi

Table 1 Especificaciones del sistema de carga biaxial in situ

Parámetros de escaneo de rayos X in situ y líneas de luz

Las imágenes de tomografía 3D de este estudio se generaron a partir de placas de rayos X recogidas cuando el instrumento de prueba se giró 180°. El tiempo de tomografía computarizada de la probeta fue de unos 5 minutos. Todas las exploraciones tomográficas se realizaron en modo de luz blanca, y la fuente de luz ALS liberó un espectro de energía de rayos X a través de la pieza de prueba. Se utiliza un centelleador para convertir los rayos X en luz visible, que es capturada por una cámara industrial. Los datos brutos para cada conjunto de exploraciones fueron 2.625 radiografías de rayos X con un tiempo de exposición de 100 ms.

Fig.2 Sistema de carga biaxial in situ utilizando la fuente de luz ALS 8.3.2

Material uno: Comportamiento de deformación y falla (Nylon 66)

Fig. 3 Dimensiones geométricas de la pieza de prueba de Nylon 66 (las coordenadas x-y corresponden a la dirección de carga global, y las coordenadas 1-2 corresponden a la dirección del material local en la región central)

La muestra se prueba a una razón de carga de tracción-tracción 1:1 (x: y). Los investigadores descubrieron que la relación de deformación en el centro de la zona de medición era de aproximadamente 1.2:1 antes de la carga de fallo de 450 N. Basándose en esto, se diseñó la imagenología de rayos X a intervalos de carga de 150 N y 300 N.

Fig. 4  Proceso de evolución de los interespacios entre tejidos adyacentes cuando se aplica una carga biaxial 1:1

Los investigadores descubrieron que, en términos de porosidad interfibrilar, las aperturas de los huecos variaron de 2.2% bajo una ligera precarga (escaneo de referencia) a 3.0% y 5.0% bajo cargas biaxiales de 150 N y 300 N.

Fig. 5 Resultados de la segmentación de una imagen de una sola fibra bidireccional bajo diferentes razones de carga

Los investigadores segmentaron la imagen de una sola fibra y compararon la curvatura local de la fibra, la flexión de la fibra en el plano (1-2 planos) y la flexión de la fibra fuera del plano (2-3 planos) bajo tres razones de carga. Se descubrió que la aplicación de una carga biaxial conduciría a la reducción de la curvatura de la fibra y la flexión de la fibra fuera del plano.

Material Dos: Formación de Grietas (Laminados de Cinta de Carbono/Epoxi)

Fig. 6 Dimensiones geométricas de la pieza de prueba de laminado de cinta de carbono/epoxi

Para hacer que la región de espesor del laminado de cinta de material compuesto se convierta gradualmente en un daño de espesor completo durante el proceso de carga del laminado cruzado biaxial de esta configuración, y para observar mejor el proceso de daño progresivo del puerto, los investigadores diseñaron la secuencia de emplazamiento y las grietas prefabricadas. La secuencia de emplazamiento en la zona central de la pieza de prueba es [45/60/90/60/0]s, y la grieta vertical se inicia en la capa de 45°.

Fig. 7 Proceso de evolución de la superficie de fractura bajo diferentes razones de carga

Fig. 8  Vista de daño 3D teniendo en cuenta la longitud de la fractura, el espaciado y el desplazamiento de la fractura

Mediante el análisis exhaustivo del proceso de evolución de la superficie de fractura, los investigadores obtuvieron los siguientes resultados experimentales y análisis:

1. La grieta de la superficie de pavimentación de 45° va acompañada del crecimiento de grietas de la superficie de pavimentación de 60°. Una vez que se desconecta el 45°, debido a que la resistencia a la fractura transversal del pavimento de 60° es mayor que la resistencia a la fractura de todo el laminado, conducirá a la formación de una gran cantidad de grietas en forma de pasador.

2. El daño de la capa de 90 ° es más estable, y la influencia de la muesca de mecanizado y la grieta vertical en la capa superficial se atenuará rápidamente, ralentizando la velocidad de expansión de la grieta en el laminado interno.     

3. Las 20 grietas de costura en la capa de 90 ° evolucionan a partir de 9 grietas diferentes en la capa de 60 °, y el engrosamiento de la grieta se puede ver visualmente.

4. Considerando el pavimento de 45°, 60° y 90° de manera integral, debido a la existencia de grietas prefabricadas, se formarán muchas grietas en la capa superficial del laminado, pero solo unas pocas grietas dominantes se expandirán a la capa intermedia del laminado.

Resumen

1. Cuando la carga se aumenta de una precarga de 20 N a una tensión biaxial uniforme de 300 N, el hueco del material Nylon 66 puede duplicarse más que una vez. Con el aumento de la carga biaxial, la curvatura y la flexión fuera del plano de la fibra se reducen significativamente. Debido a la fricción y el enredo de fibras, las fibras individuales no exhiben un movimiento significativo en el plano bajo carga biaxial.

2. Cuando el ángulo de interfaz entre las capas adyacentes es pequeño, las grietas entre las capas adyacentes pueden evolucionar al mismo tiempo, y no se produce una expansión en capas. El daño no evoluciona de manera independiente, ni se desprende del daño existente. Evoluciona debido a la concentración de esfuerzo causada por el daño de las capas adyacentes.

3. El nuevo método de prueba biaxial utilizando la tecnología de tomografía de rayos X puede observar el proceso de evolución de la deformación y el daño de los materiales a escala microscópica, lo que proporciona una referencia para la visualización sincrónica de las pruebas mecánicas bajo esfuerzo complejo multiaxial.

Referencias bibliográficas:

French J , Dahlkamp C , Befus E ,et al. Obtención de imágenes in situ de materiales avanzados sometidos a carga biaxial en el plano mediante microtomografía computarizada de rayos X[J]. Ciencia y tecnología de materiales compuestos, 2022.