0DEFECTOS DE MATERIALES COMPUESTOS
Índice
Falla en los materiales compuestos.............................................................................................................1
La resistencia a rotura será:..........................................................................................................................3
Roturas adhesiva y cohesiva.........................................................................................................................6
Arrugamiento...............................................................................................................................................6
Estrías...........................................................................................................................................................8
Afloramiento de las fibras............................................................................................................................8
Cuarteado.....................................................................................................................................................9
..................................................................................9
Agrietamiento en forma de estrella.............................................................................................................9
Porciones internas secas..............................................................................................................................9
Mala impregnación de la fibra......................................................................................................................9
Amarilleo....................................................................................................................................................10
Inspección en el proceso de fabricación.....................................................................................................10
Verificaciones de la fibra de vidrio..............................................................................................................11
RECOMENDACIONES:.................................................................................................................................13
BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................................................14
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Falla en los materiales compuestos
Problemas inherentes en definir y predecir la falla de un material compuesto. Es normalmente un
proceso de degradación gradual en el que pueden ocurrir muchos modos de falla. El diseñador
debería conocer muy bien cómo y cuándo ocurren estos mecanismos, con el fin de predecir
correctamente la falla y diseñar elementos seguros. Sin embargo, es difícil predecir, y aún definir,
con precisión la falla de un compuesto, para lo cual es necesario reconocer claramente con qué nivel
de degradación (cuándo) falla el compuesto, cómo se desarrolla el proceso y dónde se produce. Uno
de los problemas inherentes de los materiales compuestos es su diversidad de propiedades.
Primero: las fases (fibras y matriz) tienen diferentes propiedades.
Segundo: las láminas de un compuesto son anisotrópicas, ya que se generan diferentes propiedades
en diferentes direcciones, dependiendo de cómo se construya el compuesto. Por esto, el número de
parámetros de resistencia es bastante grande; como ejemplo se tienen la resistencia longitudinal y
transversal en tracción y compresión, y la resistencia al esfuerzo cortante en las diferentes
direcciones. Adicionalmente, reales no tienen una resistencia uniforme, es decir, las resistencias de
las fibras tienen diferencias significativas entre sí. Esto hace que el proceso de falla sea complejo ya
que las fibras no fallan simultáneamente. Como se acaba de mencionar, es necesario saber cuándo
falla el material compuesto, es decir, cuál es el nivel de degradación inaceptable. Para esto hay que
tener en cuenta si la estructura está cumpliendo la función requerida. Es claro que la estructura ha
fallado cuando se ha fracturado “totalmente”, pero puede ocurrir que aunque ésta no haya fallado
catastróficamente, los daños sean tan severos que ya no puede soportar las cargas de trabajo. Por
otro lado, en algunos casos la estructura puede operar aceptablemente aún después de que hayan
ocurrido fallas en algunas partes de los constituyentes del compuesto. Por ejemplo, cuando una
lámina falla, no todo el laminado falla, y éste puede soportar todas las cargas de trabajo.
Finalmente, cuando la estructura tiene una función decorativa, la falla podría definirse como una
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degradación de su apariencia, cuando se presentan grietas superficiales, una excesiva deflexión o
una pérdida o fractura de una parte del elemento. Entonces, el nivel de degradación que debe
asociarse con la falla depende de la aplicación y definirlo no es tarea fácil. Además que definir la
falla de un compuesto no es fácil, describir o predecir la falla es una tarea más compleja aún.
El proceso de falla de un material compuesto consiste en una combinación de micro fallas, cuya
ocurrencia depende de muchos factores, tales como las propiedades de las fibras, de la matriz, de la
interfase (fibra-matriz) y de la interfaz (entre láminas). El proceso de fractura ocurre en una amplia
variedad de modos de falla, como la pérdida de adherencia entre fases (debonding), agrietamiento
de la matriz, pandeo local de las fibras, rotura de fibras y extracción de las fibras (fiber pullout).
Dependiendo de la longitud de las fibras, éstas podrían ser despegadas y extraídas de la matriz o
primero fracturadas (para ser extraídas posteriormente). La deslaminación es la separación entre
láminas y podría ser producida, por ejemplo, por esfuerzos cortantes o por el efecto de una grieta.
La ocurrencia de estos modos de falla depende de muchos factores. Algunos modos son provocados
por la aparición de otros, y cada uno de éstos puede afectar el desarrollo de los demás. Los modos
de falla se presentan también dependiendo del tipo de carga. Por ejemplo, la falla del laminado no
es igual en tracción y en compresión. En tracción, las fibras fallan al ser quebradas, lo que puede
conllevar a la fractura del laminado, mientras que en compresión la falla puede ocurrir por
micropandeo. Debido a esto, la resistencia a la compresión es menor que la de tracción. También,
fibras individuales pueden flectarse y producir falla en la matriz (de baja resistencia). La dirección
En este grafico encontraremos defectos, fallas y microfallas en un material compuestos por diferentes factores.
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de las cargas con respecto a la de las fibras también afecta el modo de falla. Cuando la carga se
aplica en una dirección transversal a las fibras, aparecen esfuerzos cortantes que tienden a generar
grietas, separación de las láminas y que hacen que las fibras se desgarren de la matriz conduciendo
a la falla. La resistencia de la lámina está muy influenciada por la orientación de las cargas con
respecto a las fibras. Otros problemas que aparecen cuando se trata de predecir la falla de un
laminado es que en ésta intervienen aspectos como esfuerzos residuales térmicos (producidos
durante el curado de matrices poliméricas), comportamiento no lineal y diferencias entre las
propiedades de la lámina antes y después de ser embebida en el laminado. Hay que agregar que no
es claro si en el cálculo de la falla es mejor utilizar las propiedades de los constituyentes o las
propiedades de la lámina. Si, además, existen concentradores de esfuerzos como grietas y espacios
en los constituyentes, la predicción y el proceso de falla se tornan más complejos, porque éstos
pueden ser los que inicien la falla. El problema principal en la determinación de la falla final de un
laminado es tal vez que ésta no depende sólo de un modo de falla, ni de un número de modos de
falla que interactúan, sino que también depende del modo que predomina en el proceso. Éste podría
estar dominado por la fibra,
La resistencia a rotura será:
En el contexto de la resistencia de la unión de la interfase fibra-matriz, se deduce que los valores
determinados experimentalmente dependerán de las condiciones de esfuerzos en la interfase y de las
propiedades de la matriz, los cuales a su vez dependen de la distribución de las fibras y de otros
parámetros micro estructurales.
1. Bajo cargas compresivas: es la matriz la que soporta el esfuerzo, ya que se trata de la fase
continúa.
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2. En tracción: la matriz transfiere la carga aplicada sobre la pieza a cada una de las fibras o
partículas, de manera que éstas sean las que soporten el esfuerzo. Para ello es necesaria una
excelente adhesión entre la matriz y el refuerzo.
MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ORGÁNICA: CONSTITUYENTES
Matrices.
La matriz cumple varias funciones en el material compuesto:
Su función principal es soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través de la
interfase. Para ello la matriz debe ser deformable
Proteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas. Esta función requiere una buena
compatibilidad entre matriz y refuerzo.
Las matrices poliméricas pueden ser termoestables o termoplásticas en función de si presentan o no
reticulaciones:
a.- Las matrices termoestables presentan uniones covalentes formadas en la reacción de reticulación
o curado. Estas matrices presentan las siguientes características.
Son fáciles de procesar antes del curado debido al bajo peso molecular de las resinas
precursoras o prepolímeros.
Debido a la formación de reticulación son más tenaces.
Son más frágiles que las termoplásticas.
b.- Las matrices termoplásticas no tienen uniones permanentes entre cadenas porque no reticulan.
Estas matrices presentan las siguientes características.
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Son más difíciles de procesar ya que deben tener un alto peso molecular para presentar
buenas propiedades mecánicas.
Se pueden reciclar ya que se reblandecen al calentar y vuelven a la forma sólida al
enfriarlos.
REFUERZOS
El segundo componente de un material compuesto es el refuerzo. Este componente tiene como
función transmitir las cargas a la matriz, por lo tanto define la mayor parte de las características
mecánicas del material como la resistencia y la rigidez. Puede suponer un 20-80% en volumen del
material compuesto. Las fibras son el refuerzo más utilizado en los materiales compuestos de matriz
polimérica.
Fibra de vidrio
Es la más utilizada debido las siguientes características:
Su resistencia mecánica específica (resistencia tracción/densidad) superior a la del acero. La
resistencia específica se define: resistencia tracción/densidad
Buena relación propiedades/coste
Estabilidad dimensional
Facilidad de fabricación
Fibra de carbono
La estructura de la fibra de carbono está formada por planos de anillos hexagonales de átomos de
carbono unidos covalentemente. La unión entre planos es por medio de débiles fuerzas de Van der
Waals. Las capas de grafito se orientan paralelas al eje de la fibra lo que da lugar a un material de
alto módulo y resistencia.
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Roturas adhesiva y cohesiva.
Una posterior complicación al evaluar los resultados experimentales es la dificultad para establecer
si la rotura se ha producido en la interfase o no. Hay tres posibilidades que se ilustran
esquemáticamente. La rotura adhesiva verdadera se produce por separación en la interfase mientras
que la rotura cohesiva implica la rotura de la fibra o de la matriz. Está claro que el que se produzca
rotura adhesiva o cohesiva dependerá de las resistencias relativas de la interfase y de la fibra o
matriz.
Diferentes modalidades de rotura de una fibra embebida en una matriz de resina.
(a) Rotura adhesiva en la interfase.
(b) Rotura cohesiva de la resina cercana a la interfase.
(c) Rotura cohesiva de la fibra cercana a la interface
Arrugamiento
Este defecto es causado por el ataque disolvente sobre la piel de moldeo por el monómero de la
resina de laminación, debido a que el gelcoat no esta curado. Puede evitarse el arrugamiento
asegurándose de que la formulación de la resina es la correcta, que la piel de moldeo no es
demasiada delgada, y regulando la temperatura y la humedad y manteniendo el trabajo alejado de
sitios donde haya corrientes de aire especialmente aire caliente.
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Picadura
La formación de pequeñas cavidades en la superficie es ocasionada por pequeñas burbujas de aire
que son atrapadas en la piel de moldeo antes de la gelificación. Ocurre esto cuando la resina es
demasiada viscosa, o tiene gran contenido de carga, o cuando la resina del gelcoat moja
imperfectamente al agente de desmoldeo, o cuando la línea de aire comprimido arrastra agua a la
aplicación.
Manchas
Este defecto se manifiesta en forma de pequeñas manchas por toda la superficie del laminado.
Generalmente se debe a que uno de los ingredientes de la resina no está debidamente disperso.
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Estrías
Este defecto se debe a la flotación de pigmento, y es muy probable que se produzca cuando el color
empleado es una mezcla de más de un pigmento siendo algunos de ellos de alto peso específico. El
remedio consiste en mezclar bien la pasta de los pigmentos o usar una pasta distinta.
Afloramiento de las fibras
A veces queda visible el dibujo formado por el refuerzo de fibra de vidrio o aparecen
prominentemente en la superficie. Generalmente ocurre esto cuando el refuerzo se ha depositado y
se ha pasado el rodillo antes de que el gelcoat se haya endurecido suficientemente, o cuando se saca
el objeto del moldeo demasiado pronto. En un molde extremadamente pulido, y en particular
cuando se emplean ceras modificadas con siliconas, a veces el gelcoat "corre" de ciertas zonas,
dejando puntos en los que este es casi inexistente. Este defecto se manifiesta en forma de lunares o
manchas de color pálido, generalmente de hasta 6 mm. de diámetro. También puede ocurrir en
líneas rectas largas después de haber pasado el pincel durante la aplicación. Este defecto raramente
se experimenta cuando se aplica correctamente una película de alcohol polivínilico.
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Vejigas u ojo de pescado
La presencia de vejigas indica que existe exfoliacion dentro del objeto moldeado y que ha quedado
atrapado aire o disolvente. Las vejigas que se extienden sobre una superficie considerable también
puede ser indicio de que la resina este insuficientemente curado, y que este tipo de vejiga puede que
no se forme hasta algunos meses después del moldeo. También pueden producirse vejigas si el
objeto se somete a una cantidad excesiva de calor radiante durante el curado.
Cuarteado
La superficie puede cuartearse inmediatamente después de la fabricación o puede tardar algunos
meses en producirse este defecto. Aparece en forma de grietas finas en la superficie de la resina.
Frecuentemente la única evidencia inicial de este defecto es que la resina pierde brillantes
superficial.
Agrietamiento en forma de estrella
Esto es el resultado de producir un gelcoat demasiado grueso, y sucede al recibir el laminado un
impacto por el reverso. El gelcoat no debe hacerse jamás con un espesor mayor de 0.6 mm.
Porciones internas secas
Pueden ser causadas por haber intentado impregnar más de una capa de fibra de vidrio al mismo
tiempo. La presencia de porciones interiores secas puede confirmarse fácilmente dando unos
golpecitos sobre la superficie con una moneda.
Mala impregnación de la fibra
La causa de que se moje mal la fibra se debe o bien al uso de insuficiente resina durante la
laminación, o a una consolidación inadecuada del laminado. Este defecto normalmente aparece al
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reverso del laminado únicamente, es decir, el lado que no tiene gelcoat. Procurar pasar
correctamente el rodillo en todas las zonas de laminado.
Amarilleo
Los laminados de plástico reforzado amarillean después de haber estado algún tiempo expuestos a
la luz del sol. Generalmente solo se trata de un leve amarilleo, pero puede ser considerable en el
caso de las placas traslucidas para techos y en los laminados con pigmento blanco. Es un fenómeno
superficial que se debe a la absorción de radiación ultravioleta. El uso excesivo de estireno también
provoca un alto grado de amarillamiento.
Inspección en el proceso de fabricación
El éxito o fracaso en la producción de un objeto moldeado de plástico reforzado de alta calidad
depende en gran parte del conocimiento que tenga el fabricante de la naturaleza de las estructuras de
los plásticos reforzados y de la importancia de las diversas fases durante la fabricación.
Al inspeccionar visualmente los objetos moldeados es preciso escrutar especialmente los
siguientes puntos:
I. Imperfecciones de la superficie y aspecto general.
II. Carencia de burbujas de aire atrapadas en el laminado. El uso de resinas sin pigmento hace
mucho más fácil la inspección visual de los laminados.
III. Laminados.
Control de variable
Los laminados de plástico reforzado no son estructuras homogéneas, y a diferencia de la mayoría de
los metales existe un considerable grado de variabilidad de las propiedades físicas de los plásticos
reforzados. Puede mantenerse al mínimo si se controlan los siguientes factores:
I. Variación del contenido de resina, es esencial trabajar bien el laminado con el rodillo: esta
operación deberá consolidar el refuerzo sin perturbar su distribución ni romper hebras de la fibra
de vidrio hasta convertirlo en filamentos
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II. Corrientes de aire, causan excesiva pérdida de estireno, lo cual conduce a que los
plásticos no curren debidamente.
III. Tiempo de gelificación, si se prolongan demasiado, la pérdida de estireno por
evaporación puede ser excesiva.
IV. Temperatura ambiente, debe mantenerse constante. Pero si varía, conviene controlar el
tiempo de fragüe ajustando el contenido de acelerador, y no de catalizador.
V. Mezcla adecuada de los agentes de curado.
Verificaciones de la fibra de vidrio
Humedad; si el material presenta indicios de humedad séquelos perfectamente bien antes de usarlo.
Manchas; descarte las partes que estén sucias, manchadas de grasa o con materia extrañas.
Impregnación; si tiene alguna duda sobre como esta impregnando la fibra con la resina, prepare
una pequeña muestra entre dos pedazos de celofán o maylar. Observe si la fibra se impregna con la
rapidez normal o si quedan visibles manchas o fibras marcadas.
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Conclusiones
Con el presente trabajo nos ilustro un poco más para nuestro conocimiento en defectos de
materiales compuestos, la importancia de polímeros que hace reemplazo a los materiales metálicos.
Por otra parte nos dio a conocer la eficiencia y deficiencia de estos nuevos materiales en el mercado
industrial
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RECOMENDACIONES:
Sugerimos estudiar estos defectos de materiales compuestos con equipos de laboratorio como:
microscopios.
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BIBLIOGRAFÍA
http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema7_CM.pdf
https://prezi.com/kmvx8zcrpky-/ensayos-no-destructivos-end-en-materiales-compuestos/
http://www.toolingu.com/class-751240-inspeccion-de-materiales-compuestos-y-prevencion-
de-defectos-240.html
http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/AP.T11.1-MPyC.Tema11.Intercara.Fibra-Matriz.pdf
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