Contexto de la investigación

A medida que los materiales compuestos se utilizan cada vez más en aplicaciones estructurales, estudiar la fragilidad provocada por el fallo de las fibras se ha convertido en un pilar fundamental para comprender su comportamiento de daño. Esto no solo implica evaluar la capacidad general de absorción de energía, sino también comprender a fondo los mecanismos asociados, como la extracción de fibras, el desprendimiento de capas y la formación de puentes entre fibras. La anisotropía y heterogeneidad de los materiales compuestos, sumadas a cargas de impacto como granizo, fragmentos de pista y colisiones de aves, hacen que el proceso de fallo sea altamente complejo. Los estudios actuales sobre fragilidad se centran principalmente en cargas uniaxiales, y los factores analizados incluyen la configuración de la muestra, el efecto de tamaño, el orden de empalme en las placas laminadas y los métodos de procesamiento de datos. A pesar de la gran cantidad de investigaciones en este campo, aún existen limitaciones significativas para orientar el diseño de estructuras de ingeniería con tolerancia al daño que operan en entornos complejos y extremos.

En 2025, el equipo del profesor Cui Hao de la Universidad Politécnica del Noroeste publicó en el International Journal of Impact Engineering un artículo titulado "Caracterización de fracturas en laminados compuestos bajo carga biaxial dinámica". Por primera vez, los investigadores analizaron sistemáticamente el comportamiento de fractura de los GFRP bajo tensión biaxial dinámica. Para ello, desarrollaron un marco experimental que integra imagen de alta velocidad y un método de integración J basado en DIC, con el fin de determinar directamente la tenacidad de fractura durante los procesos de inicio y propagación de la grieta.Este estudio analiza el impacto de la tasa de desplazamiento y la relación de carga en la tenacidad a la fractura, la resistencia a la cohesión y los mecanismos de fallo. Mediante un análisis sistemático de estos factores, supera las limitaciones de investigaciones previas basadas en ensayos uniaxiales y cubre eficazmente un vacío clave en la caracterización de la fractura dinámica biaxial. Los resultados contribuyen a mejorar la precisión predictiva de los modelos de fallo dinámico de materiales compuestos.

Los experimentos realizados por los investigadores de este artículo se llevaron a cabo con el equipo de ensayo biaxial Hercuil NOIA-150 de la empresa y una barra electromagnética biaxial de Hopkinson.

Materiales y ensayos

En este estudio se fabricaron laminados con el preimpregnado unidireccional T700/LT03A, utilizando una configuración ortogonal de empalme simétrico [90/0]4s. En esta configuración, las fibras en 0° soportan tensiones de tracción. Los laminados se prepararon mediante el método de curado en autoclave, con un espesor nominal de 2 mm. Tras el curado, cada laminado fue inspeccionado mediante escaneo C para confirmar que no presentaba defectos principales en la muestra original. Este paso se realizó antes del mecanizado, con el fin de garantizar que la calidad interna pudiera evaluarse sin que se viera afectada por características geométricas como abrazados o bordes. La geometría de la muestra en cruz y las características de la prefractura se fabricaron con precisión mediante fresado CNC. Se introdujo una prefractura de 0,5 mm de ancho y 5 mm de largo, alineada con las fibras en 90°, para guiar la propagación de la fractura por el camino deseado.Se utiliza una sierra de hilo de diamante de 0,1 mm de diámetro para afilar la punta de la grieta, logrando un radio de la punta inferior a 250 μm.

El diseño de las muestras en este estudio se basa en una geometría en cruz previamente establecida para la prueba de resistencia a la tracción biaxial, y se refina mediante simulación por elementos finitos (FE) bajo cargas biaxiales representativas. Se optimizó la geometría de los ángulos para minimizar concentraciones de tensión no deseadas y mejorar la fiabilidad de las mediciones del integral J. Las dimensiones finalmente optimizadas de la geometría en cruz se muestran en la Figura 1.

Figura 1: Diseño geométrico de la muestra en cruz: (a) cuasiestático; (b) dinámico

El experimento estático cuasi estático se realizó con el dispositivo biaxial Hercules NOIA-150 a una relación de carga fija y una velocidad de desplazamiento de 3 × 10^−6 m/s, tal como se muestra en la Figura 2. La cámara se colocó perpendicularmente a la superficie del ensayo mediante un sistema óptico de gran constante, capturando imágenes a una frecuencia de 1 fps y con una resolución de 5210 × 5210 píxeles.

Figura 2: Dispositivo experimental cuasiestático

El ensayo dinámico utiliza un nuevo sistema de barras electromagnéticas de doble eje de tipo Hopkinson, como se muestra en la Figura 3. Este sistema emplea cuatro generadores de pulsos electromagnéticos para generar ondas de tensión bidireccionales y cuadruple, con consistencia y sincronización ajustables. Se utilizan cuatro barras incidentes idénticas (de material y geometría similares) para garantizar la uniformidad de las ondas de tensión.

Figura 3 (a) Esquema del sistema de carga electromagnética de barras Hopkinson biaxiales y cuadrítramos (b) Vista parcial del ensayo

Resultados y discusión

La Figura 4 muestra el análisis DIC en una fase representativa del proceso de fractura por tracción biaxial a alta velocidad (f = 1). A lo largo de todo el proceso de carga, tanto el campo de desplazamiento calculado mediante DIC como el campo de deformación en las puntas de las grietas, situadas a ambos lados de la grieta central, presentan una excelente simetría. Se observa una región de alta tasa de deformación en la punta de la grieta, lo que refleja claramente el intenso comportamiento de deformación local durante la formación y propagación de la grieta. Además, tras el brote de la grieta, aparece una región de tasa de deformación negativa tras la punta de la grieta, lo que indica que el material en esa zona experimentó una rápida descarga local y liberación de tensión.

Figura 4: Resultados del análisis DIC de desplazamiento, deformación y tasa de deformación durante la ruptura a alta velocidad en una fase crítica típica (f = 1)

La tenacidad transversal es un factor clave que influye en la tolerancia al daño y la sensibilidad a la hendidura de los materiales compuestos reforzados con fibras. Como se muestra en la Figura 9, en las primeras fases de la propagación de la grieta, cuando la onda de tensión se propaga a través del material, esta energía se redistribuye y se convierte parcialmente en energía cinética, lo que provoca un aumento significativo de la tasa de deformación en la zona cercana a la punta de la grieta. Este incremento en la tasa de deformación conlleva una deformación local rápida y una redistribución de la tensión. Asimismo, en la punta de la grieta se observa un efecto de retraso inercial local, que refleja la resistencia de aceleración instantánea generada por la inercia dinámica. A medida que la grieta se acelera y el material responde dinámicamente, la tensión local se redistribuye aún más, provocando una disminución temporal de la energía cinética.En las fases avanzadas del crecimiento de la grieta, el efecto inercial se intensifica, lo que afecta tanto a la estabilidad como al trayecto de propagación de la grieta.

Figura 5: Comparación de los términos de la integral J dinámica bajo distintas tasas de carga

Al diferenciar los datos de CTOD obtenidos bajo carga dinámica, se deriva la curva de la ley de cohesión a partir de la relación CTOD-J. Este método permite capturar con precisión el comportamiento local de daño en la punta de la grieta y, gracias a su alta precisión y eficiencia computacional, es especialmente adecuado para aplicaciones de alta velocidad. Como se muestra en la Figura 6, bajo carga de tracción biaxial, la presencia de tensión transversal reduce la concentración de tensión en la punta de la grieta, lo que disminuye la sensibilidad del material al brote de grietas y retrasa la ruptura. Como consecuencia, la condición crítica para el brote de grietas se eleva, lo que suprime eficazmente su desarrollo temprano. Asimismo, la tenacidad inicial a la fractura aumenta con el incremento de la relación de carga transversal.

Figura 6: Reproducción de CTOD-J y su curva de ajuste correspondiente para diferentes ratios de carga dinámica: (a) f = 0, (b) f = 0,25, (c) f = 0,5, (d) f = 1, (e) curva de ajuste de CTOD-J, (f) curva de la ley de la zona de cohesión para diferentes ratios de carga dinámica.

La Figura 7 muestra curvas R representativas para diferentes tasas de desplazamiento y relaciones de carga. En comparación con las condiciones cuasiestáticas, bajo cargas de alta velocidad, tanto la fragilidad de fractura como la de propagación de la grieta disminuyen significativamente. Esta reducción en la fragilidad se debe principalmente a que los mecanismos de toughening relacionados con el tiempo (como el puente de fibras) se activan de manera limitada, ya que requieren suficiente tiempo y deformación para que puedan actuar plenamente. En condiciones de propagación rápida de la grieta, estos mecanismos se ven notablemente inhibidos, lo que conduce a una disminución en la disipación de energía.

Figura 7: Comparación de las curvas R de la ruptura por tracción de las fibras bajo cargas estáticas y rápidas a diferentes tasas de carga: (a) f = 0, (b) f = 0,25, (c) f = 0,5, (d) f = 1.

Se examinaron muestras típicas de fallo bajo diferentes ratios de carga y tasas de desplazamiento mediante tomografía computarizada de rayos X, como se muestra en la Figura 8. Bajo carga de tracción biaxial, el patrón principal de fractura evoluciona de la rotura de fibras en las proximidades de la superficie hacia la extracción de fibras internas, lo que refleja un mecanismo progresivo de evolución de la fractura. Este proceso de extracción de fibras favorece la disipación adicional de energía mediante puentes de fibras, fortaleciendo así la resistencia al crecimiento de grietas. Este comportamiento de fractura concuerda con los resultados de la curva R, en los que el aumento de los puentes de fibras bajo carga cuasiestática conduce a un efecto de toughening más evidente.

Figura 8: Posición de la ventana de tomografía computarizada y secciones transversales representativas: A y B corresponden a la sección XY (capa 0°), y C muestra la sección YZ de la superficie de la grieta.

Conclusión

1. La tasa de desplazamiento influye significativamente en el comportamiento de fractura. Bajo cargas de alta tasa de deformación, la tenacidad a la fractura dinámica disminuye aproximadamente un 30 % en comparación con las condiciones cuasiestáticas. Esta reducción indica una menor capacidad de disipación de energía durante la rápida propagación de la grieta.

2. La relación de carga también desempeña un papel fundamental. A medida que aumenta la relación de carga transversal, tanto la tenacidad inicial como la resistencia en la fase blanda de la curva de la ley de cohesión muestran una clara tendencia al alza. Esto indica que la carga transversal atenúa la concentración de tensiones en la punta de la grieta y mejora la absorción de energía durante la fractura.

3. La tomografía computarizada con rayos X reveló un mecanismo de fractura claramente dependiente de la tasa. La carga a alta tasa de deformación inhibió la formación de puentes entre fibras, como demuestra una menor longitud de extracción. En contraste, la carga cuasiestática favoreció una extracción más extensa de las fibras y un mantenimiento sostenido de los puentes, lo que resultó en una mayor disipación de energía. Estas diferencias microestructurales explican la reducción de la energía de fractura en condiciones dinámicas.

Estos resultados aportan nuevas perspectivas sobre el comportamiento dinámico de la fractura en estados de tensión multiaxial, comunes en aplicaciones del mundo real, como la aeroespacial, la automotriz y la estructura de defensa. Aún más importante, el método experimental propuesto presenta una elevada reproducibilidad, alta resolución temporal y un equilibrio de tensiones robusto, sentando así una base sólida para el modelado futuro de la fractura multiaxial. Los trabajos futuros se centrarán en optimizar la geometría de las muestras y mejorar la precisión del control, con el fin de realizar pruebas multirrate en condiciones de carga más amplias.

Artículo de origen

Feng Y, Lei C, Shi J, Feng Y, Lei C, Shi J, et al. Fracture characterization of composite laminates under dynamic biaxial tensile loading[J]. International Journal of Impact Engineering, 2025: 105526.

Enlace al texto original

https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2025.105526