Delaminación

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Mode of failure for which a material fractures into layers

Delamación de polímero reforzado con fibra de carbono bajo carga de compresión

La delaminación es un modo de falla en el que un material se fractura en capas. Una variedad de materiales, incluidos los compuestos laminados y el hormigón, pueden fallar por delaminación. El procesamiento puede crear capas en materiales, como el acero formado por laminación y los plásticos y metales de la impresión 3D, que pueden fallar debido a la separación de las capas. Además, los revestimientos superficiales, como pinturas y películas, pueden deslaminarse del sustrato revestido.

En los composites laminados, la adhesión entre capas a menudo falla primero, lo que provoca que las capas se separen. Por ejemplo, en los plásticos reforzados con fibra, las láminas de refuerzo de alta resistencia (p. ej., fibra de carbono, fibra de vidrio) están unidas por una matriz polimérica mucho más débil (p. ej., epoxi). En particular, las cargas aplicadas perpendicularmente a las capas de alta resistencia y las cargas de corte pueden provocar que la matriz polimérica se fracture o que el refuerzo de fibra se desprenda del polímero.

La delaminación también ocurre en el hormigón armado cuando los refuerzos metálicos cerca de la superficie se corroen. El metal oxidado tiene un mayor volumen provocando tensiones cuando está confinado por el hormigón. Cuando las tensiones exceden la resistencia del concreto, se pueden formar grietas que se extienden para unirse con las grietas vecinas causadas por las barras de refuerzo corroídas, creando un plano de fractura que corre paralelo a la superficie. Una vez que se ha desarrollado el plano de fractura, el hormigón en la superficie puede separarse del sustrato.

El procesamiento puede crear capas en materiales que pueden fallar por delaminación. En el hormigón, las superficies pueden desprenderse debido a un acabado inadecuado. Si la superficie se termina y se densifica con llana mientras el concreto subyacente está sangrando agua y aire, la capa superior densa puede separarse del agua y el aire empujando hacia arriba. En los aceros, la laminación puede crear una microestructura cuando los granos microscópicos se orientan en láminas planas que pueden fracturarse en capas. Además, ciertos métodos de impresión 3D (por ejemplo, deposición fundida) construyen piezas en capas que pueden deslaminarse durante la impresión o el uso. Al imprimir termoplásticos con deposición fundida, enfriar una capa caliente de plástico aplicada a una capa de sustrato fría puede causar flexión debido a la contracción térmica diferencial y la separación de capas.

Métodos de inspección

Existen múltiples métodos de prueba no destructivos para detectar la delaminación en estructuras, incluida la inspección visual, la prueba de golpeteo (es decir, el sondeo), el ultrasonido, la radiografía y las imágenes infrarrojas.

La inspección visual es útil para detectar delaminaciones en la superficie y los bordes de los materiales. Sin embargo, una inspección visual puede no detectar la delaminación dentro de un material sin cortar el material.

La prueba de golpe o el sonido implica golpear suavemente el material con un martillo o objeto duro para encontrar la delamación basada en el sonido resultante. En los compuestos laminados, un sonido de anillo claro indica un material bien unido, mientras que un sonido dóller indica la presencia de delamination debido al defecto de amortiguación del impacto. Las pruebas de grifo son muy adecuadas para encontrar grandes defectos en los compuestos de panel plano con un núcleo de panal, mientras que los laminados delgados pueden tener pequeños defectos que no son discernibles por el sonido. El uso del sonido también es subjetivo y depende de la calidad de la audiencia del inspector, así como del juicio. Cualquier variación intencional en la parte también puede cambiar el tono del sonido producido, influenciando la inspección. Algunas de estas variaciones incluyen superposiciones de ply, gores de ply count, cambio de densidad central (si se utiliza), y geometría.

En el hormigón armado, las regiones intactas sonarán sólidas, mientras que las áreas delaminadas sonarán huecas. La prueba de golpeteo en grandes estructuras de hormigón se realiza con un martillo o con un dispositivo de arrastre de cadena para superficies horizontales como plataformas de puentes. Las plataformas de puentes en países de clima frío que utilizan sales y productos químicos descongelantes suelen estar sujetas a delaminación y, como tales, normalmente se programa una inspección anual mediante arrastre de cadena, así como posteriores reparaciones de parches de la superficie.

Métodos de prueba de resistencia a la delaminación

Pruebas de delaminación del revestimiento

ASTM proporciona estándares para pruebas de adhesión de pinturas que proporcionan medidas cualitativas para la resistencia de pinturas y revestimientos a la delaminación de los sustratos. Las pruebas incluyen prueba de corte transversal, adhesión por raspado y prueba de extracción.

Ensayos de tenacidad a la fractura interlaminar

La dureza de fractura es una propiedad material que describe la resistencia a la fractura y la delamación. Se denota por factor de intensidad de estrés crítica ${displaystyle K_{c}}$ o tasa de liberación de energía de cepa crítica ${displaystyle G_{c}}$ . Para compuestos laminados de polímero reforzados de fibra unidireccional, ASTM proporciona estándares para determinar el modo de fractura ${displaystyle G_{IC}}$ y la dureza de fractura del modo II ${displaystyle G_{IIC}}$ de la matriz interlaminar. Durante las pruebas de carga ${displaystyle P}$ y desplazamiento ${displaystyle delta }$ se registra para el análisis para determinar la tasa de liberación de energía de la tensión del método de cumplimiento. ${displaystyle G}$ en términos de cumplimiento

${displaystyle G={frac {P^{2}}{2B}}{frac {dC}{da}}}$ 1)

Donde ${displaystyle dC}$ es el cambio en el cumplimiento ${displaystyle C}$ (porcentaje) ${displaystyle delta /P}$ ), ${displaystyle B}$ es el espesor del espécimen, y ${displaystyle da}$ es el cambio de longitud de grieta.

Resistencia a la fractura interlaminar Modo I

ASTM D5528 especifica el uso de la geometría de especímenes de doble volátil (DCB) para determinar el modo I resistente a la fractura interlaminar. Se crea un espécimen doble de haz basculante colocando una película no-adherente entre capas de refuerzo en el centro de la viga antes de curar la matriz polímero para crear una grieta inicial de longitud ${displaystyle a_{0}}$ . Durante la prueba el espécimen se carga en tensión desde el final del lado inicial de la grieta del haz abriendo la grieta. Utilizando el método de cumplimiento, la tasa de liberación de energía de cepa crítica es dada por

${displaystyle G_{Ic}={frac {3P_{C}delta _{C}}{2Ba}}}$ 2)

Donde ${displaystyle P_{C}}$ y ${displaystyle delta _{C}}$ son la carga máxima y desplazamiento respectivamente determinando cuando la curva de deflexión de carga se ha vuelto no lineal con una línea extraída del origen con un aumento del 5% en el cumplimiento. Típicamente, la ecuación 2 sobreestima la dureza de la fractura porque las dos vigas de cañón del espécimen DCB tendrán una rotación finita en la grieta. La rotación finita se puede corregir calculando ${displaystyle G}$ con una grieta ligeramente más larga con longitud ${displaystyle a+Delta }$ dar

${displaystyle G_{Ic}={frac {3P_{C}delta _{C}}{2B(a+Delta)}}}$ 3)

Corrección de longitud de grieta ${displaystyle Delta }$ se puede calcular experimentalmente trazando los mínimos cuadrados de la raíz del cubo del cumplimiento ${displaystyle C^{1/3}}$ vs. longitud de grieta ${displaystyle a}$ . Corrección ${displaystyle Delta }$ es el valor absoluto de la x intercept. La dureza de la fractura también se puede corregir con el método de calibración de cumplimiento donde ${displaystyle G_{Ic}}$ dado por

${displaystyle G_{Ic}={frac {nP_{C}delta _{C}}{2Ba}}}$ 4)

Donde ${displaystyle n}$ es la pendiente de los mínimos cuadrados de ${displaystyle log(C)}$ vs. ${displaystyle log(a)}$ .

Modo II resistente a las fracturas interlaminares

La dureza de fractura interlaminar del modo II se puede determinar mediante un test de flexión de filo especificado por ASTM D7905. El espécimen se prepara de manera similar al espécimen DCB introduciendo una grieta inicial con longitud ${displaystyle a_{0}}$ antes de curar la matriz del polímero. Si la prueba se realiza con la grieta inicial (método no precratado) el candidato fractura la dureza ${displaystyle G_{Q}}$ es dado por

{displaystyle G_{Q}={frac {3mP_{max }^{2}a_{0}^{2}}{2B}}}

Donde ${displaystyle B}$ es el espesor del espécimen y ${displaystyle P_{max }}$ es la carga máxima y ${displaystyle m}$ es un parámetro apropiado. ${displaystyle m}$ se determina por resultados experimentales con un mínimo de cuadrados en forma de cumplimiento ${displaystyle C}$ vs. la longitud del crack cubed ${displaystyle a^{3}}$ con la forma de

{displaystyle C=A+ma^{3}}

El candidato fractura la dureza ${displaystyle G_{Q}}$ iguala la dureza de fractura del modo II ${displaystyle G_{IIc}}$ si la tasa de liberación de la tensión cae dentro de un porcentaje determinado ${displaystyle G_{Q}}$ a diferentes longitudes de crack especificadas por ASTM.

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