Antecedentes de la investigación

Los materiales compuestos reforzados con fibras son cada vez más destacados en aplicaciones aeroespaciales y se utilizan ampliamente en la fabricación de estructuras principales como fuselajes y alas. En estas aplicaciones, los materiales compuestos suelen soportar una combinación de múltiples tensiones o cargas para lograr el rendimiento estructural requerido. Entre los diversos modos de fallo observados en los materiales compuestos laminados, el fallo de la fibra bajo carga de tracción es un problema principal, que a menudo conduce a un fallo catastrófico y a la pérdida total de la capacidad de carga. La determinación experimental de la tenacidad a la fractura bajo fallo por tracción dominado por fibras es un parámetro clave para caracterizar el rendimiento del material compuesto y garantizar el diseño de seguridad estructural. Sin embargo, la mayoría de los estudios existentes se basan en condiciones de tracción uniaxial, lo que puede no predecir con precisión el comportamiento de fractura bajo estados de tensión multiaxial del mundo real. Para comprender completamente el comportamiento mecánico de los materiales compuestos bajo condiciones de tensión complejas, es crucial realizar pruebas biaxiales y multiaxiales.

En 2025, el equipo del profesor Cui Hao de la Universidad Politécnica del Noroeste (Northwestern Polytechnical University) publicó un artículo titulado Translaminar fracture toughness of carbon fibre reinforced polymer composite laminates with cross-ply configuration under biaxial tensile loading en la revista 《Engineering Fracture Mechanics》. Los investigadores propusieron un nuevo método de prueba para estudiar la tenacidad a la fractura por tracción de fibras de laminados compuestos bajo carga biaxial. Se prepararon probetas cruciformes con una grieta central preexistente y se cargaron simultáneamente en direcciones longitudinal y transversal con diferentes relaciones de carga. Basándose en los datos de deformación de campo completo obtenidos mediante correlación de imágenes digitales (DIC), se utilizó el método de la integral J para calcular la tenacidad a la fractura durante el proceso de inicio y propagación de la grieta. El estudio encontró que el inicio y la propagación de la grieta dependen de la relación de carga, y la tenacidad a la fractura por tracción de la fibra longitudinal aumenta con el aumento de la tensión transversal. El análisis del mecanismo de fractura indica que el aumento de la tenacidad a la fractura puede atribuirse a que la tensión transversal reduce la concentración de tensión en la punta de la grieta, lo que promueve el crecimiento estable de la zona de proceso de fractura (FPZ) y conduce a un aumento en la longitud de extracción de la fibra.

La investigación experimental llevada a cabo en este estudio se realizó utilizando la máquina de ensayos biaxiales Hercuil NOIA-150 de nuestra empresa.

Preparación de muestras y configuración de la prueba

El diseño de la probeta propuesto en este estudio es una mejora de las probetas cruciformes desarrolladas anteriormente para pruebas de resistencia al fallo biaxial. Se introdujo una grieta central pasante a través del espesor en el centro para iniciar la fractura intralaminar, la cual puede expandirse en dos direcciones. Se adoptó una configuración de capas cruzadas, permitiendo que la grieta se propague a través de las fibras longitudinales a lo largo del eje Y, mientras que las fibras a lo largo del eje X ayudan a guiar la grieta a lo largo de la trayectoria deseada. Para mejorar la transferencia de carga y minimizar la concentración de tensiones, se adhirieron pestañas de refuerzo de GFRP (polímero reforzado con fibra de vidrio) cuasi-isotrópico de 2 mm de espesor a la probeta cruciforme utilizando adhesivo epoxi 3M DP420. Se utilizaron preimpregnados unidireccionales T700/LT03A para fabricar placas de material compuesto de 330 × 330 mm², con una secuencia de apilamiento de [90/0]4s y un espesor nominal de 2 mm.

Figura 1. Dimensiones geométricas de la probeta cruciforme.

Todas las pruebas de tracción biaxial se realizaron utilizando la máquina de ensayos biaxiales Hercuil NOIA-150, que tiene una capacidad de carga de 150 kN. Las pruebas se llevaron a cabo a una velocidad de carga constante de 0.18 mm/min, y los valores de carga y desplazamiento se registraron a una frecuencia de 10 Hz. Los experimentos se realizaron bajo cuatro relaciones de carga biaxial diferentes, denotadas como f = F1 : F2, donde F1 y F2 representan las cargas aplicadas en la dirección transversal (TD) y axial (AD), respectivamente. El rango del parámetro f fue 0, 0.25, 0.5 y 1.

Figura 2. (a) Dispositivo de prueba de carga biaxial; (b) Esquema del dominio de integración y las líneas de contorno a ambos lados de la punta de la grieta7.

Discusión de resultados

En la fase de carga inicial, la probeta mostró una deformación estable con un comportamiento elástico lineal y una rigidez consistente bajo diferentes relaciones de carga. A medida que aumentaba la carga, antes del inicio de la grieta, apareció una ligera no linealidad en la curva, lo que indica el comienzo de daños leves en la matriz o la interfaz. Tras el inicio de la grieta, se observó una caída de carga repentina pero leve, generalmente acompañada de signos audibles de formación de grietas. Sin embargo, la carga total soportada por la probeta continuó aumentando hasta que la posterior propagación de la grieta provocó otra caída de carga. El aumento de la relación de carga provocó un ligero aumento en la carga de inicio de la grieta y la carga máxima, lo que indica que la tensión transversal mejoró parcialmente la capacidad de carga.

Durante el proceso de propagación de la grieta, se pudo observar claramente el puenteo de fibras, que juega un papel crucial en el retraso del crecimiento de la grieta. En el momento del inicio de la grieta, la punta de la grieta se extiende hacia la región del haz de fibras, donde las fibras intactas puentean eficazmente la grieta. Estas fibras puente redistribuyen la tensión, ralentizan el crecimiento de la grieta y permiten que se expanda en pequeños incrementos. Sin embargo, cuando la punta de la grieta se propaga más allá de la región del haz de fibras, el efecto de puenteo se debilita gradualmente. Posteriormente, las fibras puente se rompen, lo que lleva a una rápida propagación de la grieta a través de toda la sección de calibración y, finalmente, al fallo.

Figura 3. (a) Curvas representativas de carga-desplazamiento bajo diferentes relaciones de carga (f=0, 0.25, 0.5, 1); (b) Muestra representativa de fallo bajo carga de tracción biaxial (f=1)10.

El estudio indica que la tenacidad a la fractura inicial media bajo diferentes relaciones de carga muestra una clara dependencia del modo de carga. Específicamente, la tenacidad a la fractura bajo carga biaxial es superior a la observada bajo carga uniaxial, lo que sugiere que la presencia de tensión transversal ayuda a mejorar la resistencia a la propagación de grietas. Además, los valores de tenacidad a la fractura presentan una correlación positiva con la relación de carga. Sin embargo, aunque esta tendencia persiste bajo diferentes condiciones de tensión biaxial, la tasa de aumento de la tenacidad a la fractura disminuye gradualmente a medida que aumenta la relación de carga. Esto sugiere que, si bien la tensión transversal ayuda a inhibir el inicio de la grieta, su efecto marginal se debilita bajo condiciones de carga biaxial más altas.

Figura 4. Valores de tenacidad a la fractura obtenidos bajo diferentes relaciones de carga.

Los valores de $l_{fpz}$ derivados del análisis de la curva R aumentan gradualmente con el aumento de la relación de carga, lo cual es consistente con la tendencia observada en los valores de $l_{fpz}$ estimados utilizando el método iterativo de la integral J. Sin embargo, bajo condiciones de carga uniaxial, la inestabilidad de la propagación de la grieta y el crecimiento limitado de la grieta dentro de la probeta pueden resultar en puntos de datos insuficientes, dificultando el establecimiento de una curva R clara. En condiciones de carga biaxial, el efecto de endurecimiento de la curva R mejorado proviene principalmente de la influencia combinada del agrietamiento de la matriz en la punta de la grieta y el puenteo de fibras detrás de la grieta. Esta interacción estabiliza la propagación de la grieta y extiende la FPZ, resultando en un valor de $l_{fpz}$ mayor que el obtenido por el método de la integral J.

Figura 5. Curvas R bajo diferentes relaciones de carga (① Zona de inicio, ② Zona de propagación inestable).

Cerca de la punta de la grieta, se observó la extracción de bloques o pilares de fibra evidentes, indicando una etapa de propagación de grieta estable. Por el contrario, las áreas más alejadas de la punta de la grieta mostraron una superficie de fractura relativamente lisa, simbolizando una etapa de propagación de grieta inestable, lo que generalmente corresponde a un comportamiento de fractura frágil. Bajo carga uniaxial, la diferencia en la longitud de extracción de fibra entre las etapas de propagación estable e inestable fue mínima. Sin embargo, con el aumento de la relación de carga, la altura de extracción de fibra en la punta de la grieta aumentó gradualmente, oscilando entre 0.68 mm y 1.48 mm.

Figura 6. Morfología de la fractura bajo microscopio óptico.

La morfología de la superficie de fractura muestra consistentemente dos regiones distintas: la zona de propagación estable y la zona de propagación inestable. En la zona de propagación estable, se observan características evidentes de extracción de haces de fibras, acompañadas de surcos dejados tras el desprendimiento de los haces de fibras. Este proceso de fractura gradual es impulsado por la extracción de fibras y el despegue interfacial (debonding), contribuyendo al crecimiento estable de la grieta. Por el contrario, la superficie de fractura en la zona de propagación inestable parece relativamente lisa, indicando un comportamiento de fractura frágil. Aunque el diámetro de los haces de fibras extraídos se mantiene constante bajo diferentes relaciones de carga, la altura de extracción aumenta con el incremento de la relación de carga. Este comportamiento sugiere que el deslizamiento por fricción en la interfaz fibra-matriz se vuelve más pronunciado con el aumento de la tensión transversal, promoviendo la disipación de energía y mejorando la resistencia a la fractura.

Figura 7. Imágenes SEM representativas de las superficies de fractura: (a) Zona de inicio de grieta y zona de propagación inestable con bajo aumento bajo (f = 1); (b) Zona de inicio de grieta bajo diferentes relaciones de carga18.

Bajo diferentes relaciones de carga, se observaron bandas de sombra distintas perpendiculares a la dirección de la grieta cerca de la punta de la misma. Estas bandas de sombra aparecen antes del inicio de la grieta, marcando el comienzo de la concentración de deformación local causada por el daño en la interfaz fibra-matriz. Esta concentración de deformación se origina en el alto módulo de las fibras de 0°, que restringen la expansión de la grieta mientras inducen una acumulación de tensión local en la interfaz fibra-matriz. El despegue resultante conduce a la localización de la deformación, manifestándose como bandas de sombra visibles. Estas bandas son indicadores visuales de la evolución de la FPZ, marcando las áreas de microgrietas, despegue interfacial y acumulación de daño local.

Figura 8. (a) Punta de la grieta con bandas de sombra; (b) Mecanismo de evolución del daño en el haz de fibras20.

Resumen completo

Este estudio utilizó la medición de deformación de campo completo y el método de la integral J para determinar la tenacidad a la fractura por tracción de fibras de probetas cruciformes bajo diferentes relaciones de carga. Además, se estimó la $l_{fpz}$ bajo condiciones de carga biaxial para mejorar la comprensión de la evolución del daño del material y los mecanismos de fallo bajo estados de tensión complejos.

Esta investigación arrojó hallazgos notables sobre el fallo dominado por fibras. Entre ellos, el método DIC-J demostró ser efectivo y confiable para calcular la tenacidad a la fractura bajo condiciones de carga de tracción biaxial. El modo de carga es un factor clave que influye en la tenacidad a la fractura. Específicamente, los valores obtenidos bajo carga biaxial superan significativamente a los observados bajo carga uniaxial. Además, aunque la tenacidad a la fractura bajo carga biaxial tiene una sensibilidad limitada al aumento incremental de la relación de carga, siempre se observa una tendencia general ascendente. Esta correlación positiva se corresponde bien con el crecimiento de $l_{fpz}$. La tendencia observada se relaciona principalmente con la amplificación de la longitud de extracción de los haces de fibras durante el proceso de daño y la mejora de los efectos de disipación por fricción.

En futuros estudios de carga biaxial, se considera ampliar el rango de la sección de calibración de las probetas cruciformes para ampliar el alcance de los datos de propagación de grietas recopilados, facilitando así la creación de curvas R completas. Además, investigar el impacto de la propagación de grietas en modo mixto con diferentes ángulos bajo condiciones de carga biaxial tiene un gran potencial. Se espera que estas direcciones de investigación proporcionen conocimientos más profundos para el diseño seguro y robusto de estructuras de materiales compuestos.

Fuente del artículo

Feng Y, Wang J, Zhao Y, et al. Translaminar fracture toughness of carbon fibre reinforced polymer composite laminates with cross-ply configuration under biaxial tensile loading[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2025: 111386. 

Enlace original

^{https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2025.111386}