A3 Fatiga en Compuestos (Degradación Distribuida de Rigidez)

Tópico

Bajo carga cíclica de fatiga, este compuesto no desarrolla una única grieta dominante que crezca de forma aislada, sino que acumula microdaño distribuido a lo largo de todo su volumen: la matriz se agrieta en numerosos puntos dispersos, y al mismo tiempo se producen múltiples zonas de debonding —la separación local entre la fibra y la matriz que las rodea— también dispersas por todo el compuesto. Que este microdaño se distribuya por todo el volumen del compuesto, en lugar de concentrarse en un único punto, hace que se lo distinga de una grieta dominante aislada.

Ese microdaño distribuido, formado por la matriz agrietada y el debonding disperso, no se cuantifica punto por punto sino mediante una única variable de daño acumulado: esta variable agrega, en un solo valor creciente, el efecto conjunto de toda la fisuración de la matriz y todo el debonding disperso que se va acumulando ciclo tras ciclo. Que el ciclado bajo fatiga continúe hace que esta variable de daño acumulado crezca de forma monótona, sin volver nunca a un valor menor.

Que esta variable de daño acumulado crezca hace que la rigidez residual del compuesto se degrade: cada grieta de la matriz y cada zona de debonding que esa variable agrega reduce, un poco más, la capacidad del compuesto de transmitir carga de forma elástica entre sus fibras y su matriz. Que la variable de daño acumulado sea mayor hace que la rigidez residual sea menor; que esa variable se mantenga baja, hace que la rigidez residual se conserve más cercana a la del compuesto sin dañar.

Esa misma rigidez residual, a medida que el compuesto avanza a lo largo de su curva esfuerzo-vida, no cae de manera uniforme sino de forma logarítmica con el número de ciclos: cae rápido en los primeros ciclos, después se degrada de manera lenta y gradual durante la mayor parte de la vida a fatiga del compuesto, y vuelve a caer rápido en los últimos ciclos, justo antes de la falla final. Que la rigidez residual siga esta forma logarítmica, y no una caída uniforme, hace que la mayor parte de la vida a fatiga del compuesto transcurra con una rigidez residual que se degrada muy lentamente.

Por eso este modelo, con el microdaño distribuido con el que se abrió, se distingue explícitamente del modelo equivalente para la fatiga metálica, donde una única grieta dominante concentra todo el daño en un solo punto en lugar de distribuirlo por todo el volumen del material, mientras que en ese modelo metálico es el crecimiento de esa grieta única el que gobierna la vida a fatiga. Que en este compuesto el daño se distribuya en cambio por todo el volumen hace que sea la variable de daño acumulado —agregando la matriz agrietada y el debonding disperso— la que degrada la rigidez residual a lo largo de la curva esfuerzo-vida.

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