Dos modelos micromécanicos de deformación con daño en materiales compuestos

Abstract

La existencia del daño en los materiales compuestos y su evolución con el trasncurso de la deformación tiene una influencia capital en la resistencia mecáncia, la ductilidad y la tenacidad de fractura. Estas tesis desarrolla dos modelos micromecánicos de deformación con daño para este tipo de materiales. El primero de los modelos es capaz de analizar el comportamiento mecánico de un material fibásico cuando la fracción volumétrica de casa fase varía con la deformación. Las fases se comportan como sólidos elastoplásticos e isótropos con endurecimiento por deformación quer verifican las teoría incremental de la plasticidad y el criterio de plastificación de Von Mises, y el comportamiento efectivo del material compuesto se obtuvo a partir de las teorías de campo medio. Ests teorías suponen que el material es estadísticamente homogéneo y, por lo tanto, no tienen en cuenta los efectos de la localización espacial del daño. La formulación del modelo es general y permite obtener la respuesta mecánica bajo solicitaciones multiaxiales. El modelo se utiliza para simular la deformación en tracción uniaxial de dos aleaciones de Al reforzadas con partículas de SiC. El mecanismo de daño dominante en estos materiales es la rotura frágil del refuerzo y el material se analiza a partir de una mezcla homogénea de dos fases que representan el material sin daño y dañado. La fracción volumétrica de ambas faes cambia durante el transcurso de la deformación como consecuencia del incremento progresivo de las partículas cerámicas rotas. El segundo modelo predice la respuesta de un material compuesto reforzado con fibras cuando se deforma en tracción uniaxial en la dirección de éstas. El mecanismo de daño dominante es la rotura frágil de las fibras. La rotura de una fibra afecta a las vecinas y desencadena un proceso de localización prematura del daño en una sección concreta de la probeta. La ductilidad y la resistencia a tracción del material se calculan a partir de un modelo probabilístico basado en la rotura de dos y tres fibras adyacentes. La distribución de tensiones alrededor de una fibra rota se determinó de forma precisa mediante un modelo de elementos finitos que incluyó el efecto de la plasticidad de la matriz y del deslizamiento relativo entre la fibra rota y la matriz. El modelo se valida experimentalmente con los resultados obtenidos sobre una aleación de Ti-6Al-4V reforzada con fibras de Sic, donde se rotura se produce al localizarse el daño en una sección particular de la probeta como consecuencia de la rotura de las primeras fibras. Con este objeto se midieron los principales parámetros microestructurales que gobiernan el comportameinto en tracción del material compuesto desarrollando las técnicas experimentales necesarias al efecto. Entre ellos se incluyen el módulo elástico de las fibras y los parámetros de Weibull de su resistencia mecánica, las tensiones residuales que aprecen como consecuencia del proceso de consolidación en caliente y la tensión de rozamiento entre la matriz y las fibras en la intercara.