Procedimiento y dispositivo de determinación de la tenacidad a la fractura en un ensayo de introducción y avance forzado de una cuña a través de una unión adhesiva.

Procedimiento y dispositivo de determinación de la tenacidad a la fractura en un ensayo de introducción y avance forzado de una cuña a través de una unión adhesiva.

Procedimiento y dispositivo de determinación de la tenacidad a la fractura en un ensayo de introducción y avance forzado de una cuña (1) a través de una unión adhesiva, denominada probeta (2), que comprende al menos dos materiales (2a, 2b) adheridos entre sí, donde el procedimiento comprende las siguientes etapas:

a) calcular una curva de una función, denominada curva FPUSH(δ), cuya:

- variable independiente es el desplazamiento, δ, longitudinal y en dirección de la grieta (3), de la cuña (1),

- y la variable dependiente es la fuerza de empuje, FPUSH, necesaria para realizar dicho desplazamiento, δ; donde dicha curva se calcula a partir de la medición experimental del desplazamiento, δ, y la fuerza de empuje, FPUSH;

b) determinar analíticamente el coeficiente de fricción, (μ), entre la cuña (1) y la probeta (2) mediante un cálculo y ajuste iterativo de mínimos cuadrados de la curva FPUSH(δ) en la fase de introducción del ensayo de introducción y avance forzado; y

c) determinar analíticamente la tenacidad a la fractura, GIC, a partir del coeficiente de fricción, μ, y la curva FPUSH(δ) en la fase de propagación del ensayo de introducción y avance forzado.

Procedimiento y dispositivo de determinación de la tenacidad a la fractura en un ensayo de introducción y avance forzado de una cuña a través de una unión adhesiva 5

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento para la determinación de la tenacidad a la fractura en un ensayo de introducción y avance forzado de una cuña a través de una unión adhesiva, y al dispositivo asociado al mismo; donde dicho procedimiento tiene aplicación en el sector industrial de ensayos mecánicos entre uniones adhesivas.

Este procedimiento tiene como finalidad la determinación de la tenacidad a la fractura de un modo rápido y automatizable, sin necesidad de medir la distancia entre una grieta generada entre los materiales adherentes y la cuña que la genera; y donde adicionalmente se tiene en cuenta el coeficiente de fricción entre los materiales adherentes y la cuña dando lugar a resultados precisos y fieles en comparación con otros métodos de ensayos normalizados como el ensayo de doble viga en voladizo o DCB; y donde dicho procedimiento viene asociado con un dispositivo de realización del ensayo formado por una pluralidad de componentes sencillos, económicos y de elevada eficacia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

A modo de introducción, es conocido que en el ensayo de introducción y avance forzado de una cuña a través de una unión adhesiva, el objetivo que se pretende realizar es la propagación de una grieta mediante el avance de la cuña a velocidad constante por el plano del adhesivo entre los materiales adherentes, donde la combinación de dichos materiales viene definida como la probeta; prestando especial atención a la posibilidad de que dicho procedimiento permite adicionalmente calcular la tenacidad a la fractura no sólo en una unión adhesiva sino también en una delaminación u otra interfase. La probeta comprende tales materiales unidos por una o varias láminas de adhesivo y con una pregrieta inicial en uno de sus extremos.

Adicionalmente y de manera general, la cuña es una pieza metálica de sección rectangular con un ancho generalmente superior al de la probeta.

El movimiento de la cuña se controla a través de su desplazamiento, el cual se realiza a velocidad constante; de manera que dicha cuña avanza entre los materiales adherentes hasta llegar a un punto donde la energía disponible para la fractura aumenta hasta tal punto que la pregrieta rompe y se genera una grieta mayor por donde la cuña puede seguir avanzando separando dichos materiales adherentes.

Existen actualmente distintos procedimientos enfocados al estudio de cómo se comporta la unión de dos o varios materiales en determinadas probetas, el primero a describir se denomina ensayo de cuña estático (“wedge test”) normalizado según norma internacional ASTM D3762-03. Dicho ensayo experimental consiste en introducir la cuña en el plano del adhesivo de la probeta para crear una tensión en la zona del frente de grieta. El conjunto de cuña y probeta se almacena en un ambiente de elevada temperatura y humedad, donde se realizan mediciones del crecimiento de grieta en función del tiempo. De forma que dicho ensayo de cuña estático se utiliza para predecir la durabilidad de las preparaciones superficiales. Sin embargo, este ensayo no permite determinar la tenacidad a la fractura al ser un ensayo estático; además de estar pensado para ser utilizado en uniones adhesivas con materiales adherentes metálicos en exclusividad y que precisa de unas condiciones atmosféricas concretas y un tiempo elevado hasta conseguir que la grieta se propague.

Para reducir el tiempo de ensayo y tener un mayor control de la propagación de la grieta, han surgido algunos trabajos que analizan el ensayo de propagación de la grieta por avance forzado de cuña (conocidos como “wedge driven test”) ; véase por ejemplo los estudios de Glessner et al., 1989; Sener et al., 2002; Pardoen et al.; 2005 o Adams et al., 2009. Donde la mayor parte de estos ensayos se han realizado con uniones adhesivas entre adherentes metálicos, con excepción del trabajo de Glessner et al. (1989) , en el cuál se utilizaron probetas de material compuesto.

Además de reducir el tiempo de ensayo, se busca que éste sea automatizable y reproducible, para ello se evita medir la longitud de grieta (distancia entre el punto de contacto entre la cuña y la probeta, y el frente de grieta) durante el avance de la cuña. Sin embargo, durante el ensayo experimental la cuña se desplaza por la superficie fracturada del adhesivo de la probeta, y cuando esto sucede, la cuña pasa por superficies de diferente rugosidad que pueden dar lugar a inestabilidades en los resultados por culpa del coeficiente de fricción (véase Adams et al., 2009) . Es por esta razón que en los trabajos de Glessner et al. (1989) , Sener et al. (2002) y Pardoen et al. (2005) se ha intentado evitar o minimizar el efecto de la fricción en los resultados del

ensayo.

La primera alternativa es la propuesta por Glessner et al. (1989) en colaboración con la empresa General Electric, y consiste en reducir al máximo el coeficiente de fricción entre la superficie de la cuña y la superficie fracturada del adhesivo de la probeta.

Glessner et al. (1989) diseñaron un utillaje de cuña con dos filas de rodamientos en la punta de forma que el coeficiente de fricción entre sendos elementos sea mínimo, consiguiendo una reducción del rozamiento entre sendas superficies, pero sin llegar a medir la tenacidad a la fractura entre dichas superficies.

Otra propuesta es la desarrollada por Sener et al. (2002) , según la cual se propone un método para medir de forma automática la longitud del frente de grieta. El método consiste en acoplar una pareja de sensores de desplazamiento, palpadores de posición, para medir la separación de los brazos de la probeta. Este método se utiliza tanto para el ensayo con avance forzado de cuña como para el ensayo estático definido en el estándar ASTM D3762-03; siendo un método que requiere dispositivos complejos y extremadamente precisos.

El tercer método que se conoce está ideado para probetas metálicas, y es un ensayo de avance forzado de cuña creando plasticidad en los brazos de la probeta, 25 denominado por sus autores como “plastic wedge test” (Thouless et al., 1998, Kafkalidis et al., 2000, Ferracin et al., 2003, Pardoen et al., 2005) . El ensayo consiste en separar los brazos de la probeta para que se deformen plásticamente y, a partir de las deformaciones permanentes, determinar la longitud de la grieta. Para realizar este ensayo experimental se debe disponer de materiales adherentes capaces de 30 deformarse plásticamente, y diseñar los brazos de la probeta para que se produzcan deformaciones permanentes sin encontrarse en la zona elástica del material. La longitud de grieta se determina en la zona de propagación, en la cual, la distancia entre la cuña y el frente de grieta se mantiene constante; y por tanto si esa distancia es constante también lo es el radio de curvatura de los adherentes deformados, y se 35 puede estimar la longitud de grieta de la probeta. Siendo nuevamente un procedimiento de medición complejo, con dispositivos muy especializados y que además requiere que los materiales adherentes de la probeta se deformen plásticamente ante pequeñas fuerzas de apertura de la grieta por parte de la cuña.

Es por ello que, a la vista de los antecedentes mencionados, y de los inconvenientes que presentan en cuanto a exactitud de la medición, dificultad de realización y complejidad del utillaje, se hace necesario la aparición de un nuevo procedimiento para la determinación de la tenacidad a la fractura en el ensayo de introducción y avance forzado de la cuña a través de la unión adhesiva; de manera que se permita simplificar

las etapas del ensayo, obtener un resultado que contemple el máximo número de variables que están implicadas en él, en especial el coeficiente de fricción entre cuña y probeta; y que adicionalmente precise de un dispositivo para realizar dicho ensayo, sencillo y económico, capaz de ser ejecutado en cualquier tipo de entornos y situaciones.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento de determinación de la tenacidad a la fractura en un ensayo de introducción y avance forzado de una cuña a través de una 20 unión adhesiva, denominada probeta, que comprende al menos dos materiales adheridos entre sí, donde dicho ensayo comprende las siguientes fases: -fase de preparación: fijar la probeta por uno de sus extremos; -fase de introducción: introducir la cuña en la probeta a través de una junta definida por la unión de dichos, al menos dos, materiales y...

1. Procedimiento de determinación de la tenacidad a la fractura en un ensayo de introducción y avance forzado de una cuña (1) a través de una unión adhesiva, 5 denominada probeta (2) , que comprende al menos dos materiales (2a, 2b) adheridos entre sí, donde dicho ensayo comprende las siguientes fases: -fase de preparación: fijar la probeta (2) por uno de sus extremos (2’) ; -fase de introducción: introducir la cuña (1) en la probeta (2) a través de una junta definida por la unión de dichos, al menos dos, materiales (2a, 2b) y situada 10 en el extremo no fijado (2’’) de la probeta (2) ;

-fase de propagación: aplicar una fuerza, FPUSH, de avance de la cuña (1) hacia el extremo (2’) de la probeta (2) fijado, generándose una grieta (3) en la probeta (2) ; y

-fase de retroceso: aplicar una fuerza de retroceso, FPULL, de la cuña (1) 15 hacia el extremo no fijado (2’’) de la probeta (2) ; estando el procedimiento caracterizado por que comprende las siguientes

etapas: a) calcular una curva de una función, denominada curva FPUSH (!) , cuya: -variable independiente es el desplazamiento, !, longitudinal y en dirección de la grieta (3) , de la cuña (1) ,

-y la variable dependiente es la fuerza de empuje, FPUSH, necesaria para realizar dicho desplazamiento, !; donde dicha curva se calcula a partir de la medición experimental del desplazamiento, !, y la fuerza de empuje, FPUSH;

b) determinar analíticamente el coeficiente de fricción, ∀, entre la cuña (1) y 25 la probeta (2) mediante un cálculo y ajuste iterativo de mínimos cuadrados de la curva FPUSH (!) en la fase de introducción del ensayo de introducción y avance forzado; y

c) determinar analíticamente la tenacidad a la fractura, GIC, a partir del coeficiente de fricción, ∀, y la curva FPUSH (!) en la fase de propagación del ensayo de introducción y avance forzado.

3.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que en la etapa b) , el cálculo del coeficiente de fricción, ∀, entre:

-la cuña (1) que comprende un extremo (1’) de geometría cilíndrica en la zona a introducir a través de la probeta (2) , .

35. la probeta (2) se realiza mediante un ajuste iterativo de mínimos

cuadrados de la curva FPUSH (!) en la etapa de introducción del ensayo de introducción y avance forzado, siendo:

-B el ancho de probeta (2) ;

-Ex el módulo de Young de los materiales (2a, 2b) adherentes en la

dirección longitudinal de la probeta (2) ;

-h el espesor de los materiales (2a, 2b) adherentes de la probeta (2) ;

-rw el radio de curvatura del extremo (1’) de geometría cilíndrica de la cuña

(1) ; -! el desplazamiento de la cuña (1) .

10. a la distancia entre: el punto de contacto entre cuña (1) y grieta (3) , y el frente de grieta (3) ; -a0 es la distancia entre la cuña (1) y el frente de grieta (3) en el instante de tiempo inicial del ensayo; -ā la distancia entre el centro del radio de curvatura del extremo (1’) 15 cilíndrico de la cuña (1) y el frente de grieta (3) , definida como:

-!y es la separación vertical en la dirección perpendicular al avance de la cuña (1) que produce la cuña (1) en uno de los brazos de la probeta (2) , definida como:

y estando definida la curva FPUSH (!) como:

siendo las incógnitas a resolver iterativamente por mínimos cuadrados tanto ∀ como a0.

2.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que en la etapa b) , el cálculo del coeficiente de fricción, ∀, entre:

-la cuña (1) que comprende un extremo (1’) de geometría cilíndrica en la zona a introducir a través de la probeta (2) , .

30. la probeta (2) , se realiza mediante un ajuste iterativo de mínimos cuadrados de la curva FPUSH (!) en la etapa de introducción del ensayo de introducción

y avance forzado, siendo:

-B el ancho de probeta (2) ;

-Ex el módulo de Young de los materiales (2a, 2b) adherentes en la dirección longitudinal de la probeta (2) ;

-h el espesor de los materiales (2a, 2b) adherentes de la probeta (2) ;

-rw el radio de curvatura del extremo (1’) de geometría cilíndrica de la cuña (1) , y se estima igual a la separación vertical en la dirección perpendicular al avance de la cuña (1) que produce la cuña en uno de los brazos de la probeta (2) denominada !y;

-a es la distancia entre: el punto de contacto entre cuña (1) y grieta (3) , y el frente de grieta (3) ; y se estima igual a la distancia, ā, entre el centro del radio de curvatura del extremo (1’) cilíndrico de la cuña (1) y el frente de grieta (3) ;

-a0 es la distancia entre la cuña (1) y el frente de grieta (3) en el instante de tiempo inicial del ensayo;

-! es el desplazamiento de la cuña (1) ;

y estando definida la curva FPUSH (!) como:

siendo las incógnitas a resolver iterativamente por mínimos cuadrados tanto ∀ como a0.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado por que para corregir la flexibilidad de dichos, al menos dos, materiales (2a, 2b) que comprenden la probeta (2) , y fijados por uno de sus extremos (2’) , se sustituye la distancia entre: el punto de contacto entre cuña (1) y grieta (3) , y el frente de grieta (3) , denominada a, por una distancia corregida , ac, entre el punto de contacto entre cuña (1) y grieta (3) , y el frente de grieta (3) , definida ac como:

siendo: -# el parámetro corrector de la longitud de grieta, definido como:

-Ex es el módulo de Young de los materiales (2a, 2b) adherentes en la dirección longitudinal de la probeta (2) ;

-Gxy es el módulo a cortante de los materiales (2a, 2b) adherentes; -Γ es un parámetro adimensional que tiene en cuenta las propiedades de los materiales (2a, 2b) adherentes:

-Ey es el módulo de Young de los materiales (2a, 2b) adherentes en la 5 dirección transversal de la probeta (2) .

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la fase de propagación se divide en tres sub fases: -realizar un primer avance de la cuña (1) hasta propagar la grieta (3) inicial;

- realizar una apertura de dichos, al menos dos, materiales (2a, 2b) adheridos que comprenden la probeta (2) , ampliando dicha grieta (3) creando una nueva superficie fracturada de la probeta (2) ; y

-realizar un segundo avance y retroceso de la cuña (1) hasta propagar la grieta (3) anteriormente creada.

1.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado por que el cálculo de la tenacidad a la fractura, GIC, se calcula como un balance energético definido como:

siendo.

20. !0y !f los valores de desplazamiento de la cuña (1) en el punto inicial y final de la fase de propagación; -FFx es una fuerza longitudinal definida como:

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que en la fase de propagación, el cálculo de la tenacidad a la fractura, GIC, se calcula como un balance energético definido como:

siendo: -FPULL la fuerza de retroceso de la cuña (1) a través de la probeta (2) ; y -B el ancho de probeta (2) .

8. Dispositivo de ensayo para la determinación de la tenacidad a la fractura en un ensayo de introducción y avance forzado de una cuña (1) a través de una unión adhesiva denominada probeta (2) , según el procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que comprende:

- una cuña (1) de sección en I que comprende un extremo (1’) de geometría cilíndrica situada en la zona a introducir a través de la probeta (2) ;

-un elemento actuador (4) acoplado a dicha cuña (1) que permite el libre giro de dicha cuña (1) con respecto a un eje paralelo al movimiento de la cuña (1) con respecto a la probeta (2) ; y que genera la fuerza de empuje, FPUSH, y de retroceso,

FPULL, de dicha cuña (1) .

9. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado por que la cuña (1) comprende al menos un clip (5a, 5b) acoplado en el extremo (1’) de geometría cilíndrica, y de longitud inferior a la longitud de dicha cuña (1) , y configurados para realizar una grieta (3) inicial a la probeta (2) .

10. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado por que dicho, al menos un, clip (5a, 5b) comprende una pareja de clips (5a, 5b) de cobre acoplados a presión en los laterales del extremo (1’) cilíndrico de la cuña.

2.

11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la probeta (2) comprende, en cada uno de los materiales (2a, 2b) adheridos de la probeta (2) , un elemento de sujeción (6) respectivamente, que comprende: -un primer bloque (6a) que comprende un primer resalte (7a) ; y

- un segundo bloque (6b) que comprende un segundo resalte (7b) ; donde ambos bloques (6a, 6b) están acoplados entre sí y pueden aproximarse y alejarse a través de un elemento de unión (11) ; donde sendos primer y segundo resalte (7a, 7b) se acoplan a los laterales de cada uno de los materiales (2a, 2b) adheridos de la probeta (2) .

1 2a

FIG. 1

2"

=0

FIG. 2

FN

PUSH []

0

δ [mm] δ [mm]

Curva (a) ( ) . (b) Curva G ( ) .

δδ

FPUSH

G [J/m2] amm]

[

a 0

δ [mm]

Curva (c) a ( ) .

δ

FIG. 3

2a 2 2'

FIG. 4

2a

2b

FIG. 5

FIG. 7

F

F

N

FIG. 8

Punto de contacto entre

Deformada de los

la cuña y la probeta

1

o 41

1'

FIG. 9

2a

Punto de contacto entre la cuña y la probeta

1'3

2b

FIG. 10

FIG. 11

2a

F

FIG. 12

FIG. 13

5b

FIG. 15

7a

6b 7b

FIG. 16

FIG. 17

a)

b)

c)

d)

e)

f)

5a, 5b

5a, 5b

5a, 5b

5a, 5b

FIG. 18