Estudio teórico mediante modelos analíticos de fragmentación del comportamiento pseudo-dúctil de composites unidireccionales hibridados a escala microscópica

Abstract

Los modelos de fragmentación de Neumeister y Turon, basados en el enfoque Global Load Sharing (GLS, por sus siglas en inglés), fueron reformulados para predecir el esfuerzo a tracción de materiales compuestos unidireccionales en términos del número de grietas por unidad de longitud, Λ. Se propuso que la falla del composite tiene lugar cuando se alcanza un número crítico de grietas por unidad de longitud, densidad que, a su vez, depende de las propiedades constituyentes y de la fracción volumétrica de fibras. Para ello, se recopiló de la literatura un conjunto de propiedades constituyentes y resistencia última a tracción experimental de materiales poliméricos reforzados con fibras de carbono, CFRP, y fibras de vidrio, GFRP. Estos datos fueron utilizados para deducir una relación entre el número crítico de grietas, el esfuerzo límite de fragmentación global y la fracción volumétrica de fibra. De esta manera se obtuvo una ley empírica, el modelo CNB (Critical Number of Breaks). El enfoque CNB ofrece una mejora en los modelos de fragmentación basados en GLS, con la capacidad de calcular de forma empírica el esfuerzo último a tracción del material. No obstante el valor hallado no coincide con el punto máximo de la curva 𝜎 𝑣𝑠 𝜀 obtenida usando los modelos de fragmentación mencionados. Luego de analizar el efecto que cada una de las variables micro-mécanicas tiene en la respuesta global del material, fue posible entender el rol del esfuerzo interfacial, 𝜏, en el modelo de fragmentación. La variación de este parámetro permite “contraer” o “expandir” la curva respetando la pendiente inicial (módulo de elasticidad) y ofreciendo la posibilidad de reubicar el máximo de la curva. Entonces, se realizó un cálculo numérico iterativo mediante el cual fue posible hallar el valor del esfuerzo interfacial corregido, 𝜏∗, que daba como resultado una curva 𝜎 𝑣𝑠 𝜀 con su punto máximo coincidiendo con el valor de esfuerzo último obtenido con el modelo CNB. Además, el 𝜏∗ fue verificado calculando la curva 𝜎 𝑣𝑠 Λ, mostrando que el colapso del material se da como resultado de la saturación de grietas, siendo también el valor CNB el máximo de esta segunda curva. El enfoque CNB+𝜏∗ permitió desagregar la respuesta mecánica del material de acuerdo a las contribuciones energéticas predominantes de los fenómenos de fibras intactas, fragmentación y deslizamiento/separación.