Caracterización y análisis de falla en juntas adhesivas bajo condiciones de fatiga por impacto

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(1)PROYECTO DE GRADO. CARACTERIZACION Y ANALISIS DE FALLA EN JUNTAS ADHESIVAS BAJO CONDICIONES DE FATIGA POR IMPACTO. Autor: Ivan Nicolas Saavedra Castañeda. Asesor de Proyecto: Alejandro Marañón L. Profesor Asociado. Universidad De Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Julio de 2008 Bogotá, Colombia.

(2) Agradecimientos. Hoy entregando mi Proyecto de Grado veo que se viene un gran cambio en mi vida el cual no hubiera sido posible sin el apoyo y ayuda de muchas personas que estuvieron a mi lado en todo momento, a mis papas por su apoyo y respaldo, a Javier mi hermano y Angelita mi prima por sus consejos y ejemplo, quienes siempre me motivaron a seguir adelante en momentos difíciles y de estrés. A Alejandro Marañón mi profesor, mi guía y mi consejero durante este tiempo. A los muchachos de los laboratorios, Fabián, Diana y Omar por su constante ayuda. A todos ellos les doy los más sinceros agradecimientos por creer en mí y ayudarme a que este Proyecto de Grado se llevara acabo..

(3) TABLA DE CONTENIDO. 1.. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 5 1.1 Contexto.............................................................................................................. 5 1.2 Marco Teórico..................................................................................................... 6 1.3 Objetivo general.................................................................................................. 8 1.3.1 Objetivos específicos. ................................................................................. 8 1.4 Motivación. ......................................................................................................... 9 2. Materiales y Métodos.............................................................................................. 10 2.1 Selección de la configuración a utilizar. ........................................................... 10 2.2 Materiales.......................................................................................................... 10 2.3 Proceso de Manufactura.................................................................................... 11 2.4 Diseño del experimento. ................................................................................... 12 2.5 Ensayos Mecánicos........................................................................................... 15 2.5.1 Ensayos a Tensión..................................................................................... 15 2.5.2 Ensayos a Fatiga ....................................................................................... 16 3. Resultados y discusión ............................................................................................ 17 3.1 Lecciones aprendidas ........................................................................................ 17 3.2 Resultados del ensayo a tensión........................................................................ 18 3.3 Resultados del ensayo a Fatiga ......................................................................... 22 3.3.1 Fatiga Común............................................................................................ 23 3.3.2 Fatiga por Impacto. ................................................................................... 25 3.4 Forma de evolución y estado final de la Falla. ................................................. 27 3.5 Fractografia. ...................................................................................................... 33 3.5.1 Microscopia Óptica................................................................................... 33 3.5.2 Microscopia de Barrido de Electrones SEM............................................. 34 4. Conclusiones. ........................................................................................................... 39 5. Bibliografía .............................................................................................................. 40 Anexos. ............................................................................................................................. 41. 1.

(4) INDICE DE FIGURAS. Figura 1 Muestra los diferentes tipos de configuraciones mas usadas para adhesivos. [1]............. 6 Figura 2: Configuración “single lap joint” usada para evaluar propiedades en adhesivos estructurales. [1] ............................................................................................................................ 10 Figura 3: Planos de la probeta. ...................................................................................................... 11 Figura 4: Nuevas variables controladas. a) mezcla y b) masa de la capa adhesiva. ...................... 15 Figura 5: Prueba de tensión ........................................................................................................... 16 Figura 6: Esquema de montaje de la galga de micro-deformaciones. ........................................... 17 Figura 7: Ensayo de fatiga. a) Mínima; b) máxima deflexión en acrílico ..................................... 17 Figura 8: Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Aluminio “lote 2”................. 18 Figura 9: Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Acrílico “lote 2” ................... 18 Figura 10: Proceso de Curado de las resinas. Usado en las probetas de aluminio y acrílico ........ 20 Figura 11: Grafica del ensayo a fatiga........................................................................................... 23 Figura 12: Onda resultante del ensayo a Fatiga............................................................................. 23 Figura 13: Grafica del ensayo a Fatiga por Impacto. .................................................................... 25 Figura 14: Onda resultante del ensayo a Fatiga por Impacto. ....................................................... 25 Figura 15: Región Adherida. ........................................................................................................ 28 Figura 16: Inicio de Falla. ............................................................................................................. 28 Figura 17: Propagación de la falla. a) inicio de la falla y b) propagación de la falla desde los dos extremos. ....................................................................................................................................... 29 Figura 18: Últimos momentos de la junta antes de romperse........................................................ 29 Figura 19: Ruptura total................................................................................................................. 30 Figura 20: a y b. Muestran la evolución de la fractura desde solo un extremo hasta casi su fractura total. ................................................................................................................................. 30 Figura 21: Resina sin curar............................................................................................................ 31 Figura 22: a, b y c. Evolución de la falla en resina sin curar......................................................... 32 Figura 23: Desprendimiento total de la capa adhesiva mal curada. .............................................. 32 Figura 24: Fractografía de la falla por tensión en aluminio. A 1000 aumentos. a) cerca al extremo de la unión; b) en el centro de la unión. ........................................................................................ 33 Figura 25: Fractografia de la falla por fatiga. 1000 aumentos. a) borde y b) centro de la capa adhesiva ......................................................................................................................................... 34 Figura 26: Imagen de dos probetas falladas por fatiga. 1000 aumentos. a) Fatiga Común. b) Fatiga por impacto.................................................................................................................................... 35 Figura 27: Composición química de la capa adhesiva de una misma probeta. ............................. 35 Figura 28: Imagen de dos probetas falladas por fatiga. 2000 aumentos. a) Fatiga Común. b) Fatiga por impacto.................................................................................................................................... 36. 2.

(5) Figura 29: Imagen de dos probetas falladas por Fatiga por Impacto. 2000 aumentos. a) Experimento 8 y b) Experimento 4 .............................................................................................. 37 Figura 30: Imagen de dos probetas falladas por Fatiga Común. 2000 y 4000 aumentos respectivamente. a) Experimento 1 y b) Experimento 5. ............................................................. 37 Figura 31: anexo - Vista superior de la Junta. ............................................................................... 41 Figura 32. anexo - Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Aluminio “lote 1” .. 42 Figura 33. anexo - Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Acrílico “lote 1” .... 42 Figura 34. anexo - Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Aluminio “lote 2” .. 44 Figura 35. anexo - Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Acrílico “lote 2” .... 45. 3.

(6) INDICE DE TABLAS. Tabla 1: Factores influyentes. a) No controlables; b) Controlables y/o medibles......................... 12 Tabla 2: Distribución de las propiedades y sus tres niveles a evaluar........................................... 13 Tabla 3: Se muestran las tres propiedades a evaluar y sus tres niveles. ........................................ 13 Tabla 4: Arreglo L9 con la distribución del experimento. Valores en gris son omitidos.............. 14 Tabla 5: Arreglo L9 con los factores y niveles establecidos. ........................................................ 14 Tabla 6: Resultado de las pruebas de tensión para las uniones en Aluminio y Acrílico “Lote 3”. ....................................................................................................................................................... 19. Tabla 7: Valores de las medias y desviaciones de la masa y espesor de la capa adhesiva .......................................................................................................................................... .20 Tabla 8: Valores máximos y mínimos de esfuerzos y módulos de elasticidad dependiendo del espesor de la capa adhesiva para el aluminio. ............................................................................... 20 Tabla 9: Valores máximos y mínimos de esfuerzos y módulos de elasticidad dependiendo del espesor de la capa adhesiva para el acrílico. ................................................................................. 21 Tabla 10: Valor de la masa y del espesor en las probetas que tuvieron el mejor y peor rendimiento de cada sub-lote. a) Aluminio; b) Acrílico. ................................................................................... 21 Tabla 11: Resultados prueba de fatiga común bajo el diseño de experimentos del....................... 24 Tabla 12: Promedios del Número de Ciclos antes de falla para cada nivel y factor evaluado. ..... 24 Tabla 13: Resultados bajo el experimento de Dr. Taguchi. Bajo Fatiga ....................................... 25 Tabla 14: Resultados prueba de Fatiga por Impacto bajo el diseño de experimentos del Dr. Taguchi.......................................................................................................................................... 26 Tabla 15: Promedios del Número de Ciclos antes de falla para cada nivel y factor evaluado en el ensayo de Fatiga por Impacto........................................................................................................ 26 Tabla 16: Resultados bajo el experimento de Dr. Taguchi. Bajo Fatiga por Impacto.... 27 Tabla 17: Promedio del número de ciclos para los dos ensayos de fatiga..................................... 27 Tabla 18. anexo - Resultado de las pruebas de tensión para uniones en Aluminio y Acrílico “Lote 1” ................................................................................................................................................... 43 Tabla 19. anexo - Resultado de las pruebas de tensión para uniones en Aluminio y Acrílico “Lote 2” ................................................................................................................................................... 45. 4.

(7) 1. INTRODUCCIÓN. 1.1 Contexto.. En décadas pasadas el uso de uniones estructurales mecánicas era muy común, tales como tornillos, remaches, prisioneros y demás. Estas uniones tenían un buen desempeño mecánico y a precios moderados, pero en la actualidad debido al gran avance tecnológico que ha sufrido el mundo de los materiales, han surgido nuevas alternativas, a su vez estas nuevas alternativas de materiales requerían un avance en los materiales que las unían. Razón por la cual se han venido usando los adhesivos estructurales.. Las Juntas Adhesivas tienen una gran aplicación en la industria automotriz y aeronáutica en situaciones donde no se es permitido el uso de uniones normales y en las cuales se necesita una reducción de peso a cambio de una ganancia en resistencia.. Dichas juntas tienen excelentes propiedades cuando están bajo condiciones normales de carga pero al ser sometidas a cargas a fatiga y fatiga por impacto, fallan mucho antes de lo esperado. Razón por la cual el estudio de este fenómeno se ha venido incrementado durante los últimos años.. Por medio de este estudio se pretende analizar el comportamiento de Juntas Adhesivas en materiales compuestos bajo dos tipos de carga, fatiga y fatiga por impacto, a su vez se estudiara su comportamiento a tensión. Para el desarrollo de este se planea construir probetas bajo la norma ASTM que se rige en este caso y hacerle pruebas bajo las condiciones de carga previamente mencionadas, analizando su comportamiento. Una vez realizado este procedimiento se tratara de buscar una relación común en cada una de las muestras con el fin de buscar un patrón de fractura y así manera estar en la capacidad de caracterizar este tipo de falla.. 5.

(8) 1.2 Marco Teórico.. En las ultimas décadas el uso de adhesivos estructurales se ha venido incrementando en industrias donde se requiere un buen desempeño y un bajo peso, razón por la cual las uniones comunes no cumplen este requisito.. Los adhesivos se definen como un material polimérico el cual, cuando es aplicado en superficies, las une y puede resistir que estas se separen. Un adhesivo estructural se puede definir como aquel que es usado para unir superficies pero la carga requerida para causar su separación es sustancial, tal que el adhesivo provee la mayor resistencia y rigidez de la estructura. Los elementos estructurales que son unidos por el adhesivo se llaman adherentes [1].. El diseño de las uniones depende de la naturaleza de los materiales a unir como del método de unión.. Figura 1 Muestra los diferentes tipos de configuraciones mas usadas para adhesivos. [1]. 6.

(9) En la Figura 1, se muestran los tipos de uniones mas comúnmente usados por la industria, dependiendo de la unión varia el método de fabricación como su desempeño. La primera configuración “Traslape sencillo” ó “single lap joint por sus siglas en ingles SLJ” es la mas usada para ensayar adhesivos. [1]. Fatiga.. En muchos de los ensayos que se utilizan para determinar las propiedades de los materiales, los cuales son relacionados con el diagrama esfuerzo-deformación, las cargas son aplicadas de forma gradual, proporcionando tiempo suficiente con el fin de lograr su deformación en totalidad, a su vez la muestra es ensayada hasta su destrucción, por lo cual los esfuerzos son aplicados una sola vez, este tipo de ensayos se conocen como ensayos bajo condiciones estáticas, asemejando así muchas situaciones de la vida real. No obstante hay muchas situaciones en las cuales los esfuerzos están variando o fluctuando entre ciertos niveles. A este tipo de esfuerzos que frecuentemente ocurren en maquinas, puentes, entre otros se les denominan esfuerzos variables, repetidos, alternantes o fluctuantes. A menudo se determina que muchos elementos de maquinas han fallado bajo la acción de dichos esfuerzos, sin embargo los estudios mas cuidadosos de estas fallas determinan que los esfuerzos máximos a los cuales fueron sometidos los materiales están por debajo de la resistencia última del material incluso en muchos casos se esta por debajo del límite elástico del material. Dicha falla ocurre por la repetición de esfuerzos un gran numero de veces, a este tipo de falla se le denomina falla por fatiga. La falla por fatiga comienza por la generación de pequeñas grietas, no visibles a simple vista y en algunos casos difíciles de detectar con instrumentos especializados, las cuales se propagan gracias a la continua repetición de la carga hasta que ocurre una fractura frágil ó el área de la sección transversal remanente es muy pequeña para soportar las cargas. [2]. 7.

(10) 1.3 Objetivo general. Estudiar y caracterizar el comportamiento mecánico (Cargas estáticas y cíclicas) de juntas adhesivas.. 1.3.1. Objetivos específicos.. Estudio del proceso de manufactura con el fin de obtener el mejor rendimiento del material.. Caracterizar el modo de falla de Juntas adhesivas sometidas a cargas estáticas y cíclicas.. 8.

(11) 1.4 Motivación.. Actualmente el mundo de los materiales compuestos ha tenido gran acogida en el campo ingenieril, ya que estos materiales nos brindan excelentes propiedades mecánicas con respecto a una reducción de peso notable, sin embargo es un tema que no ha sido explorado en la misma magnitud que otros en el mundo de los materiales, razón por la cual nos da un incentivo en estudiar y analizarlo mas afondo con el fin de ganar experiencia y lograr así ampliar el conocimiento y bibliografía sobre los mismos.. 9.

(12) 2. Materiales y Métodos.. 2.1 Selección de la configuración a utilizar.. En este caso se escogió la junta de traslape sencillo ó “single lap joint” mostrada en la Figura 2, dicha configuración fue seleccionada ya que esta es la mas usada para evaluar propiedades mecánicas en adhesivos y por su no tan complejo proceso de manufactura.. Figura 2: Configuración “single lap joint” usada para evaluar propiedades en adhesivos estructurales. [1]. 2.2 Materiales.. Para llevar a cabo el procedimiento experimental, se dispuso de la compra de los siguientes materiales: •. Platinas de Aluminio de (10cm x 2.54cm x 1/8pulg). •. Platinas de Acrílico de (10cm x 2.54cm x 1/8pulg). •. Adhesivo Epóxico DP-100 Manufacturado por 3M (Ver anexos).. •. Percoloroetileno.. •. Alcohol Isoporpílico.. •. Lijas.. A continuación veremos los planos utilizados para la manufactura de nuestras probetas cumpliendo con las dimensiones de las platinas adquiridas.. 10.

(13) Figura 3: Planos de la probeta.. En la Figura 3 vemos los planos de la probeta a utilizar claramente vemos el traslape (región de color amarillo) el cual tiene una dimensión de 12.5mm. 2.3 Proceso de Manufactura.. Inicialmente era necesario hacer una limpieza a las platinas para poder usar el adhesivo, el procedimiento a realizar se baso en la ficha técnica del adhesivo donde aconsejaba para materiales como el aluminio un desengrase al vapor el cual consistía en una condenación de vapores de percoloroetileno durante 5 – 10 minutos, en nuestro caso aplicamos este mismo método pero durante 5 – 6 horas con el fin de tener la seguridad de la remoción de grasas en el material. Previa y posteriormente a esto se lavo la superficie de las platinas con jabón y una esponja. Para el acrílico la ficha técnica del adhesivo (Ver anexos) recomendaba otro procedimiento el cual era hacer una limpieza inicial de la superficie con alcohol Isoporpílico seguida de un tratado de la superficie con un abrasivo muy suave (Se uso una lija de 1200 grs.) y finalmente se limpio nuevamente con el mismo alcohol. Posteriormente a esto se comenzó con el proceso de manufactura de las juntas adhesivas, el cual fue realizado en un laboratorio con condiciones ambientales controladas.. 11.

(14) 2.4 Diseño del experimento.. El proceso de manufactura es de vital importancia en la fabricación de las juntas adhesivas ya que a partir de este los resultados varían en gran magnitud, por lo cual es necesario el diseño de un experimento en el cual se tenga en cuenta el mayor numero de variables a controlar con el fin de obtener los mejores resultados. La descripción del siguiente experimento fue la utilizada en el ensayo de tensión. Se establecieron las variables que se podían controlar y las no controlables. No controlables. Cantidad aplicada de adhesivo por probeta. Relación de mezcla del adhesivo. a) Controlables y/ó medibles. Temperatura de preparación. 23°C Tiempo de secado. 24 Horas Tiempo y temperatura de curado. 2 Horas @ 71°C Peso de la capa adhesiva. Se miden después Espesor de la capa adhesiva. de la fabricación b) Tabla 1: Factores influyentes. a) No controlables; b) Controlables y/o medibles. Aunque en la Tabla 1a se establece la masa como una variable no controlable, si se logra medir la cantidad de masa aplicada en cada probeta como el espesor de la capa adhesiva también. Aunque la relación de mezcla del adhesivo no se podía controlar es decir, la cantidad de resina y de acelerador por probeta, se opta por hacer sub-lotes de 5 probetas cada uno, cada uno con una misma mezcla de adhesivo, esperando así que los resultados de cada uno de esos fuesen muy parecidos.. 12.

(15) Posteriormente se descubrió que la masa se podía controlar por lo tanto se decide un diseño de experimento mejor utilizado en los ensayos de Fatiga.. Para este caso se tomo la información adquirida en el momento de fabricación de los lotes pasados, se recopilo y se establecieron la mayor cantidad de variables a controlar y se hallaron nuevos parámetros a evaluar.. Este diseño se baso en el diseño robusto propuesto por el Dr. Genichi Taguchi, en el cual se busca una implementación en la productividad ingenieríl. [3]. Se usaron los algoritmos propuestos por Taguchi en el cual se reduce el numero de experimentos, evaluando la mayor cantidad de factores influyentes, en este caso se utilizo el arreglo ortogonal L9 que evalúa 4 propiedades en 9 experimentos, a tres diferentes niveles de dichas propiedades.. Las propiedades a evaluar no fueron 4 sino 3 ya que este arreglo permite que se evalúen menos, las propiedades a evaluar fueron: 1. Tiempo de curado; 2. Temperatura de curado y 3. Masa de adhesivo (pues se encontró una forma de controlar esta variable).. Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3. 1 1 2 3. Propiedad 2 1 2 3. 3 1 2 3. Tabla 2: Distribución de las propiedades y sus tres niveles a evaluar.. Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3. Tiempo Curado 1h 1.5h 2h. Temperatura Curado 51ºC 61ºC 71ºC. Masa 0,1g 0,2g 0,3g. Tabla 3: Se muestran las tres propiedades a evaluar y sus tres niveles.. 13.

(16) Habiendo establecido las propiedades como se muestran en la Tabla 3 y sus tres niveles, se dispone a armar el arreglo ortogonal L9.. Factor Experimento. 1. 2. 3. 4. 1. 1. 1. 1. 1. 2. 1. 2. 2. 2. 3. 1. 3. 3. 3. 4. 2. 1. 2. 3. 5. 2. 2. 3. 1. 6. 2. 3. 1. 2. 7. 3. 1. 3. 2. 8. 3. 2. 1. 3. 9. 3. 3. 2. 1. Tabla 4: Arreglo L9 con la distribución del experimento. Valores en gris son omitidos. 1. Experimento 1 2 3 4 5 6 7 8 9. Tiempo Curado 1h 1h 1h 1.5h 1.5h 1.5h 2h 2h 2h. Temperatura Curado 51ºC 61ºC 71ºC 51ºC 61ºC 71ºC 51ºC 61ºC 71ºC. Masa 0,1g 0,2g 0,3g 0,2g 0,3g 0,1g 0,3g 0,1g 0,2g. Tabla 5: Arreglo L9 con los factores y niveles establecidos.. En la Tabla 5, se muestra el diseño final del experimento, en el cual se realizan 9 probetas con diferentes propiedades cada una evaluando así las 3 propiedades en sus tres niveles, con esto aparte de los resultados de los ensayos a realizar se espera obtener las condiciones optimas de trabajo del adhesivo, es decir a que tiempo y temperatura de curado y masa se obtiene el mejor rendimiento de este. Anteriormente se habían planteado mas condiciones a tener en cuenta, como lo es el ambiente de trabajo, tiempo 1. Tomada del URL: http://www.micquality.com/reference_tables/taguchi.htm. 14.

(17) de secado de la resina, los cuales terminaron constantes durante todos los experimentos, razón por la cual se prefiere en evaluar otros factores de mayor incidencia en los resultados.. a). b). Figura 4: Nuevas variables controladas. a) mezcla y b) masa de la capa adhesiva.. 2.5 Ensayos Mecánicos.. 2.5.1. Ensayos a Tensión.. Las pruebas de Tensión fueron realizadas en el laboratorio de Propiedades Mecánicas, el cual tienes condiciones de temperatura y humedad controladas, (Temperatura de 23°C y humedad relativa del 50%) de la Universidad de los Andes con la maquina para Ensayos Universales INSTRON 5586 regido por la norma ASTM D1002-05 para juntas adhesivas bajo cargas a Tensión.. 15.

(18) Distancia entre mordazas: 140mm Velocidad: 5mm/min.. Figura 5: Prueba de tensión. 2.5.2. Ensayos a Fatiga. Los ensayos a fatiga y fatiga por impacto serán realizados en una maquina para pruebas de fatiga a flexión por 3 puntos, manufacturada por Andrés Galvis, estudiante de pregrado de la Universidad de los Andes.. En este tipo de ensayo se medirá el número de ciclos de aplicación de una carga variable a los cuales se presenta la falla del adhesivo. Para llevar a cabo esto, se establece una frecuencia a la cual la maquina va a trabajar, dicha frecuencia nos dice el numero de revoluciones por minuto y de esta forma se puede establecer el numero de ciclos soportados por la probeta, el tiempo de falla se establece por medio de una galga de micro-deformaciones y una tarjeta de adquisición de datos, es decir que con cada ciclo el sensor mide las deformaciones que sufre el material, esperando tener un rango de deformaciones estable antes de la falla, a medida que se va produciendo la falla este rango va a aumentar mostrando de esta manera que el material esta fallando o ha fallado, por medio de la tarjeta de adquisición de datos de establece el tiempo al cual este cambio de rango se produce haciendo posible saber el tiempo de falla y así el numero de ciclos. Para este ensayo se utilizo una velocidad de 240 RPM y una deflexión de 0.5mm para ambos casos.. 16.

(19) Zona de máximas deformaciones. Ubicación de la Galga Figura 6: Esquema de montaje de la galga de micro-deformaciones.. a) b) Figura 7: Ensayo de fatiga. a) Mínima; b) máxima deflexión en acrílico. 3. Resultados y discusión. 3.1 Lecciones aprendidas. Durante el proceso de manufactura de las juntas adhesivas, encontramos un gran número de inconvenientes y de factores que hacían que nuestros resultados variaran en gran magnitud como lo es el ambiente y tiempo de trabajo utilizado en la mezcla de la resina y el acelerador, temperatura y tiempo de curado, masa y espesor de la capa adhesiva, entre otros, por lo cual se recomienda para este tipo de procesos diseñar el experimento teniendo en cuenta todas las variables externas que influyan en el proceso y en los resultados con el fin de tener una optimización de los mismos.. 17.

(20) 3.2 Resultados del ensayo a tensión.. Aluminio:. Probeta # 1. Esfuerzo Vs. Deformación. Probeta # 2 Probeta # 3. 14. Probeta # 4. Esfuerzo (MPa). 12. Probeta # 5. 10. Probeta # 6 Probeta # 7. 8. Probeta # 8 6. Probeta # 9 Probeta # 10. 4. Probeta # 11. 2. Probeta # 12 0. Probeta # 13 0. 0.002. 0.004. 0.006. 0.008. 0.01. 0.012. Deformación (mm/mm). Probeta # 14 Probeta # 15. Figura 8: Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Aluminio “lote 2”. Acrílico.. Esfuerzo Vs. Deformación. Probeta # 1 Probeta # 2. 3.5. Probeta # 3 Probeta # 4. 3. Probeta # 5. Esfuerzo (MPa). 2.5. Probeta # 6 2. Probeta # 7. 1.5. Probeta # 8. 1. Probeta # 9 Probeta # 10. 0.5. Probeta # 11. 0 -0.5. Probeta # 12 0. 0.002. 0.004. 0.006. 0.008. Deform ación (m m /m m ). 0.01. 0.012. Probeta # 13 Probeta # 14 Probeta # 15. Figura 9: Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Acrílico “lote 2”. 18.

(21) Prueba de Tensión Fuerza Deformación Esfuerzo Modulo de (kN) (mm/mm) (MPa) Elasticidad (GPa) ALUMINIO Media 1.1195 2.6730 0.0059 8.4190 1.4133 Desviación 0.1891 0.6503 0.0010 2.0482 0.1664 ACRILICO Media 1.3317 0.7579 0.0070 2.3871 0.3399 Desviación 0.0952 0.0895 0.0005 0.2819 0.0222 Tabla 6: Resultado de las pruebas de tensión para las uniones en Aluminio y Acrílico “Lote 3” Desplazamiento (mm). La Figura 8 muestra los resultados de la prueba de tensión en las probetas de aluminio, en este caso se evaluaron 15 probetas las cuales estaban divididas en 3 sub-lotes, donde cada sub-lote tenía 5 probetas fabricadas al mismo tiempo y con la misma relación de la resina. En la Tabla 6 se muestran los valores promedio del desplazamiento, la fuerza, deformación, esfuerzo y el modulo de elasticidad de material de todas las probetas.. Como se puede ver los resultados se muestran mas homogéneos a los mostrados en los anexos (pues fueron los primeros experimentos antes de llegar al diseño del experimento final), razón por la cual se puede decir que los factores influyentes mencionados y controlados anteriormente si estaban influyendo en los resultados obtenidos; en este caso se ve un aumento en el valor del esfuerzo del 7.1% y una disminución en la desviación del 101% con respecto a los valores del segundo lote (Ver anexos) ; a su vez también se ve un aumento en el Módulo de elasticidad y una disminución en su desviación. La Figura 9 muestra los resultados de la misma prueba pero en el acrílico, al igual que en el aluminio se realizaron 15 probetas divididas en 3 sub-lotes de 5 probetas cada uno, con la misma mezcla de resina entre estos. Podemos ver que los resultados son mas homogéneos que los anteriormente mostrados, se presenta un incremento en el esfuerzo máximo del 42% con una disminución de la desviación estándar de este mismo del 82%, en el caso de el Módulo de elasticidad se ven los mismos cambios con respecto a los del segundo lote (Ver anexos).. Los valores obtenidos de la masa y espesor de la capa adhesiva son mostrados en la siguiente tabla.. 19.

(22) Masa Adhesivo (gr.). Espesor (mm). Acrílico Aluminio Acrílico Aluminio Media 0.2262 0.2748 0.4313 0.5824 Desviación 0.0408 0.0633 0.1648 0.1880 Tabla 7: Valores de las medias y desviaciones de la masa y espesor de la capa adhesiva. Figura 10: Proceso de Curado de las resinas. Usado en las probetas de aluminio y acrílico. Por otra parte, al tener en este lote un mayor control sobre las variables se ha podido llegar a identificar otro factor que influye en los resultados, este es el espesor de la capa adhesiva.. ALUMINIO Esfuerzo (MPa) Modulo E (GPa) Espesor (mm) LOTE 7.5694 1.4854 0.5026 1 11.9209 1.6374 0.4346 LOTE 6.0539 1.1879 0.4528 2 10.2498 1.4078 0.6538 LOTE 4.0460 0.9924 1.0884 3 11.3597 1.4720 0.4582 Tabla 8: Valores máximos y mínimos de esfuerzos y módulos de elasticidad dependiendo del espesor de la capa adhesiva para el aluminio.. 20.

(23) LOTE 1 LOTE 2 LOTE 3. Esfuerzo (MPa) 2.0843 2.6081 1.8658 3.0057 2.3042 2.6786. ACRILICO Modulo E (GPa) 0.3112 0.3582 0.2912 0.3753 0.3367 0.3471. Espesor (mm) 0.4926 0.3206 0.4000 0.2454 0.4724 0.3426. Tabla 9: Valores máximos y mínimos de esfuerzos y módulos de elasticidad dependiendo del espesor de la capa adhesiva para el acrílico.. En las Tablas 8 y 9 se ven los valores máximos y mínimos tanto de esfuerzo máximo como del modulo de elasticidad de cada uno de los sub-lotes fabricados, como se puede observar en el caso que estos son máximos se tiene el menor espesor y cuando son mínimos se tiene el mayor. Mostrando así una relación directa entre el espesor y el esfuerzo cortante que sufre la capa, ya que τ = Gt donde τ es el esfuerzo cortante, G es el modulo a cortante del material y t es el espesor de la capa adhesiva, como se puede ver de la ecuación anterior a mayor espesor mayor es el esfuerzo cortante que sufre el material, lo cual hace relación con los resultados mostrados en las tablas mencionadas anteriormente.. LOTE 1 LOTE 2 LOTE 3. ALUMINIO Espesor Masa Adhesivo (mm) (gr.) 0.5026 1.4854 0.4346 1.6374 0.4528 1.1879 0.6538 1.4078 1.0884 0.9924 0.4582 1.4720. a). LOTE 1 LOTE 2 LOTE 3. ACRILICO Espesor Masa Adhesivo (mm) (gr.) 0.4926 0.3112 0.3206 0.3582 0.4000 0.2912 0.2454 0.3753 0.4724 0.3367 0.3426 0.3471. b). Tabla 10: Valor de la masa y del espesor en las probetas que tuvieron el mejor y peor rendimiento de cada sub-lote. a) Aluminio; b) Acrílico.. De la Tabla 10 a y b se ven los valores de las masas y espesor de la capa adhesiva de las probetas del tercer lote, en este caso se muestran estos valores para aquellas que tuvieron 21.

(24) el mas alto y mas bajo esfuerzo y módulo de elasticidad de cada sub-lote, para cada lote mostrado el valor mas alto en el espesor indica el menor esfuerzo y viceversa, también podemos ver que el espesor en muchos casos no depende de la masa por lo cual se puede decir este puede estar ligado con la relación de mezcla de resina+acelerador haciéndolo mas o menos viscoso. Otro factor influyente en este resultado puede ser el tiempo de trabajo del adhesivo pues este oscila entre los 3 y 4 min. y a mayor tiempo pasado es más difícil trabajarlo.. 3.3 Resultados del ensayo a Fatiga. Los siguientes ensayos fueron evaluados en Aluminio, cabe resaltar que el ensayo fue diseñado bajo los arreglos del Dr. Taguchi por lo cual los resultados difieren unos de otros pero se están evaluando mas propiedades es decir no solo evaluamos el Numero de Ciclos a la falla sino las mejores condiciones de manufactura de las probetas.. Para este caso se esperaba hacer este mismo ensayo en Acrílico el cual se intento, pero como se menciono anteriormente la deflexión dada por la maquina de fatiga era de solo 0.5mm haciendo que toda la energía y esfuerzo sean recibidos por el acrílico y no por la unión, por lo cual se recomendaría para este tipo de materiales tan flexibles una deflexión dada por la maquina mucho mayor aunque los resultados no se podrían comparar con los obtenidos en el aluminio. Por esta misma razón se pensaba aumentar el numero de ciclos por minuto pero una vez mas se cambiarían los parámetros del experimento por lo cual se decide en hacer este tipo de ensayos solamente en Aluminio.. 22.

(25) 3.3.1. Fatiga Común. Ensayo de Fatiga Común. 0.0022. Voltaje (V). 0.002 0.0018 0.0016 0.0014 0.0012 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. Numero de Ciclos. Figura 11: Grafica del ensayo a fatiga.. Ensayo de Fatiga -0.0015 1500. 1502. 1504. 1506. 1508. 1510. 1512. 1514. 1516. 1518. 1520. -0.0017. Voltaje (V). -0.0019 -0.0021 -0.0023 -0.0025 -0.0027 Numero de Ciclos. Figura 12: Onda resultante del ensayo a Fatiga.. En la Figura 11, vemos la grafica del ensayo a fatiga común en el cual se muestra el numero de ciclos a la falla del material, como se puede ver la grafica hasta cerca de los 3000 ciclos tiene un rango estable y después de este número el rango sigue pero tenemos un escalón, es decir este escalón quiere decir que la probeta no vuelve a su estado inicial sino a cambio conserva una deformación permanente, señal que dice que la probeta ha fallado.. 23.

(26) Experimento 1 2 3 4 5 6 7 8 9. Tiempo Curado 1h 1h 1h 1.5h 1.5h 1.5h 2h 2h 2h. FATIGA COMÚN Temperatura Curado 51ºC 61ºC 71ºC 51ºC 61ºC 71ºC 51ºC 61ºC 71ºC. Masa (grs.) 0,1g 0,2g 0,3g 0,2g 0,3g 0,1g 0,3g 0,1g 0,2g. No de Ciclos 13300 29300 15180 7700 4150 20100 2050 5030 3050. Tabla 11: Resultados prueba de fatiga común bajo el diseño de experimentos del Dr. Taguchi. Como ser puede ver en la Tabla 11, están los resultados del ensayo de fatiga común con base a los parámetros planteados en el diseño del experimento, también se ven los diferentes valores del numero de ciclos a los cuales fallaron las 9 probetas, cada valor es diferente pues cada probeta se fabrico de una manera diferente a las otras, por lo cual vemos un valor mínimo de 3050 ciclos y uno máximo de 29300 ciclos. A partir de estos resultados y siguiendo con el diseño del experimento se evaluaron los tres niveles mostrados en la Tabla 4, en los cuales se mostrara cuales son las mejores condiciones de preparación de la resina y fabricación del material.. Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3. Tiempo Curado 19260 10650 3376.67. Temperatura Curado 7683.33 12826.67 12776.67. Masa (grs.) 12810 13350 7126.67. Tabla 12: Promedios del Número de Ciclos antes de falla para cada nivel y factor evaluado.. En la Tabla 12, están evaluados los tres niveles y factores mencionados en la Tabla 4, los valores en negrilla muestran los valores mas altos para cada factor de cada nivel, mostrando así las mejores condiciones de fabricación de las probetas, en la siguiente tabla están los resultados para obtener la optimización de los resultados.. 24.

(27) Tiempo Curado 1h. Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3. Temperatura Curado. Masa (grs.). 61ºC. 0,2g. Tabla 13: Resultados bajo el experimento de Dr. Taguchi. Bajo Fatiga. 3.3.2. Fatiga por Impacto.. Ensayo de Fatiga por Impacto 0.00205. Voltaje (V). 0.002 0.00195 0.0019 0.00185 0.0018 0.00175 0.0017 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. 1400. 1600. Numero de Ciclos Figura 13: Grafica del ensayo a Fatiga por Impacto.. Ensayo a Fatiga por Impacto 0.0025 0.0024 0.0023. Voltaje (V). 0.0022 0.0021 0.002 0.0019 0.0018 0.0017 0.0016 0.0015 500. 502. 504. 506. 508. 510. 512. 514. 516. 518. 520. Numero de Ciclos. Figura 14: Onda resultante del ensayo a Fatiga por Impacto.. 25.

(28) En la Figura 13, se muestra la grafica del ensayo de Fatiga por Impacto al igual que en la de fatiga común se tiene un rango de datos estable hasta casi los 1400 ciclos donde se empiezan a ver unos picos que muestran el rompimiento de la probeta.. Experimento 1 2 3 4 5 6 7 8 9. FATIGA POR IMPACTO Tiempo Curado Temperatura Curado 1h 51ºC 1h 61ºC 1h 71ºC 1.5h 51ºC 1.5h 61ºC 1.5h 71ºC 2h 51ºC 2h 61ºC 2h 71ºC. Masa (grs.) 0,1g 0,2g 0,3g 0,2g 0,3g 0,1g 0,3g 0,1g 0,2g. No de Ciclos 2050 8100 1450 4720 7850 23900 750 5720 4520. Tabla 14: Resultados prueba de Fatiga por Impacto bajo el diseño de experimentos del Dr. Taguchi. En la Tabla 14 se muestran los resultados obtenidos de los ensayos a fatiga por impacto, bajo el experimento diseñado por los arreglos del Dr. Taguchi, al igual que en el ensayo de fatiga, vemos que el numero de ciclos a la falla en los 9 experimentos varían los resultados pues cada probeta fue diseñada bajo diferentes condiciones. En este caso tenemos un mínimo de 750 y un máximo de 23900 Ciclos antes de la falla.. En la Tabla 15, se ven lo valores promedio del numero de ciclos para cada nivel y factor, los números en negrilla son los valores máximos para cada factor mostrando así la combinación con el fin de optimizar los resultados bajo estos ensayos. Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3. Tiempo Curado 3866.67 12156.67 3663.33. Temperatura Curado 2506.67 7223.33 9956.67. Masa (grs.) 10556.67 5780 3350. Tabla 15: Promedios del Número de Ciclos antes de falla para cada nivel y factor evaluado en el ensayo de Fatiga por Impacto.. 26.

(29) Tiempo Curado Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3. Temperatura Curado. Masa (grs.) 0,1g. 1.5h 71ºC. Tabla 16: Resultados bajo el experimento de Dr. Taguchi. Bajo Fatiga por Impacto. En la Tabla 16 se muestran los valores de cada nivel y factor que dieron el mejor rendimiento en los ensayos de fatiga por impacto dando como resultado esos como la mejor combinación para este tipo de pruebas.. FATIGA COMÚN FATIGA POR IMPACTO. Numero de Ciclos 11095.6 6562.2. Tabla 17: Promedio del número de ciclos para los dos ensayos de fatiga.. En la Tabla anterior se muestran los valores promedio del número de ciclos a la falla para los dos ensayos a fatiga, aunque los dos experimentos fueron diseñados bajo el diseño robusto propuesto por el Dr. Taguchi, y los resultados de cada experimento fueron totalmente diferentes, sus valores promedio muestran que las probetas ensayadas bajo fatiga por impacto se rompen mucho antes que las otras, queriendo esto decir que la fatiga por impacto causa un daño mucho mayor en la región adhesiva haciendo que esta se deteriore y se fracture a un menor tiempo, posiblemente este daño sea causado por acumulación de esfuerzos en cada ciclo, por la aplicación de energía de una manera discontinua ó la suma de estas dos mucho mayor que la ocurrida en la fatiga común.. 3.4 Forma de evolución y estado final de la Falla.. La principal razón de usar el acrílico es que al ser este traslucido nos permite ver de manera clara la región en la cual se encuentra la unión adhesiva y así permitiéndonos ver el modo de avance de la falla. La Figura 15, nos muestra que efectivamente el acrílico cumple con su función y nos deja ver a través de este siéndonos útil para saber donde se inicia la fractura de la unión.. 27.

(30) Figura 15: Región Adherida.. A continuación se muestran las imágenes de un ensayo de tensión donde claramente se ve el avance de la ruptura de la junta.. Figura 16: Inicio de Falla.. Esta imagen fue adquirida en el momento de inicio de la prueba, claramente vemos que la superficie esta totalmente clara, señal que nos indica que la resina esta totalmente adherida al adherente.. 28.

(31) a) b) Figura 17: Propagación de la falla. a) inicio de la falla y b) propagación de la falla desde los dos extremos.. En la Figura 17, en la región encerrada por un círculo rojo, vemos que la falla se inicia en el borde de la unión, región donde se encuentran los mayores esfuerzos cortantes, en la Figura 17b vemos que la grieta se inicia en el otro borde de la unión si se empieza a propagar hacia el centro.. Figura 18: Últimos momentos de la junta antes de romperse.. La Figura18, muestra momentos previos a la ruptura total de la unión, podemos ver que la falla se propaga desde los extremos hasta el centro, las regiones mas oscuras es donde el material ha perdido su adhesión.. 29.

(32) Figura 19: Ruptura total.. En la Figura 19, se muestra el estado final de la probeta después de su ruptura. De las Figuras 16 a 19 se puede ver claramente la forma de evolución del daño iniciando en uno de los extremos y propagándose hacia el centro hasta que se despega totalmente el material.. a) b) Figura 20: a y b. Muestran la evolución de la fractura desde solo un extremo hasta casi su fractura total.. En este caso la grieta se propago desde los dos extremos, pero esto no sucede en todos los casos en algunos casos solo se propaga desde un extremo como se puede ver en la Figura 20 a y b.. Como se menciono anteriormente los valores finales de los esfuerzos en cada probeta dependían de factores influyentes en su momento de fabricación, dichas variaciones no. 30.

(33) solo se veían representadas en dichos valores, también se ven en el modo o propagación de la falla.. El factor que deja una huella más incidente en modo de propagación de la falla es el curado ya sea por que este no se logro en su totalidad o parcialmente.. Figura 21: Resina sin curar.. En la Figura 21, se puede ver claramente que la visibilidad que se quería obtener con el acrílico se ha perdido parcialmente si se ve de una manera mas clara la presencia de poros en el material. Esta imagen corresponde a instantes previos al ensayo de tensión.. a). b). 31.

(34) c) Figura 22: a, b y c. Evolución de la falla en resina sin curar.. Claramente se ve que la falla no inicia de manera común sino que esta se inicia y se propaga desde muchas partes del adhesivo. Estas imágenes muestran totalmente la propagación de la grieta instantes previos a la ruptura total.. Figura 23: Desprendimiento total de la capa adhesiva mal curada.. En la Figura 23, se muestra de manera clara vemos que se ha desprendido totalmente el adhesivo del adherente, a diferencia de la Figura 19, donde se ve una superficie lisa y suave en este caso vemos una superficie rugosa y un poco viscosa muestra clara que la resina no curo totalmente haciendo que esta unión resistiera mucho menos que una unión curada totalmente.. 32.

(35) 3.5 Fractografia.. 3.5.1. Microscopia Óptica.. La Figura 24 a y b. muestra la fractografía de la falla posterior a los ensayos a Tensión, en ambas imágenes vemos una superficie suave y lisa al parecer característica de la falla bajo estas condiciones. A su vez podemos ver la presencia de poros o mejor mencionadas de burbujas muy posiblemente producidas en el momento de la mezcla del adhesivo, a partir de esto se puede decir que otra razón por la cual varían los resultados es la cantidad de burbujas que estén en la unión, a mayor numero de estas menor será la resistencia de la misma.. a). b). Figura 24: Fractografía de la falla por tensión en aluminio. A 1000 aumentos. a) cerca al extremo de la unión; b) en el centro de la unión.. La Figura 25 a y b, muestran el borde y centro de la falla respectivamente de una probeta que fue ensayada bajo fatiga común, en la imagen se ve una vez mas la presencia de burbujas, y la superficie no se ve tan lisa, se observa la presencia de un rayado que posiblemente sea una marca que deja este tipo de cargas en la resina.. 33.

(36) a). b). Figura 25: Fractografia de la falla por fatiga. 1000 aumentos. a) borde y b) centro de la capa adhesiva. 3.5.2. Microscopia de Barrido de Electrones SEM.. Con el fin de tener una mayor claridad de la micro-estructura de la resina después de ser fracturada bajo las condiciones de fatiga común y por impacto se hace un análisis en el Microscopio de Barrido de Electrones FEI QUANTA 200 de la Universidad Nacional de Colombia.. En la Figura 26 a y b, podemos ver una clase de rayado sobre la superficie de la resina, dicho rayado es la consecuencia de un mezclado no uniforme de la misma, como se puede apreciar esta estructura esta presente en la fractura bajo los dos diferentes tipos de ensayos.. 34.

(37) a). b). Figura 26: Imagen de dos probetas falladas por fatiga. 1000 aumentos. a) Fatiga Común. b) Fatiga por impacto. a). b). Figura 27: Composición química de la capa adhesiva de una misma probeta.. En la Figura 27 a y b, vemos la composición química de la capa adhesiva de una misma probeta, como se puede apreciar la composición no es la misma aunque sea tomada de la misma probeta, corroborando la imagen mostrada en la Figura 26, es decir no se tiene un mezclado uniforme de la capa adhesiva haciendo que la composición química de la misma varié a lo largo de su superficie.. 35.

(38) a) b) Figura 28: Imagen de dos probetas falladas por fatiga. 2000 aumentos. a) Fatiga Común. b) Fatiga por impacto. En la Figura 28 a y b, vemos las imágenes de dos probetas falladas bajo diferentes condiciones a fatiga, las cuales muestran la presencia de poros, dichos poros como lo fue el rayado mencionado anteriormente son secuelas del proceso de fabricación pues están presentes en las estructuras resultantes de los dos tipos de ensayos realizados y no son secuelas o marcas del tipo de carga aplicada al material. Sin embargo vemos que la Figura 29 a y b solo son similares en la presencia de poros pues su alrededores difieren mucho el uno del otro posiblemente siendo una característica o huella dejada por el tipo de falla.. En la Figura 29 a y b, vemos la micro-estructura de dos probetas falladas bajo fatiga por impacto cada una bajo un diferente número de ciclos (ver tabla 14), en ambas imágenes vemos la misma estructura como si fuesen granos unidos los unos a los otros, dado que ambas imágenes son prácticamente iguales y buscando un patrón de falla se puede decir que esta imagen es típica en este tipo de falla (Fatiga por Impacto).. 36.

(39) a). b). Figura 29: Imagen de dos probetas falladas por Fatiga por Impacto. 2000 aumentos. a) Experimento 8 y b) Experimento 4. a). b). Figura 30: Imagen de dos probetas falladas por Fatiga Común. 2000 y 4000 aumentos respectivamente. a) Experimento 1 y b) Experimento 5.. En la Figura 30 a y b vemos la imagen de dos probetas falladas bajo condiciones de Fatiga Común las cuales fallaron a diferente número de ciclos (ver tabla 11), en las dos imágenes vemos una estructura muy parecida aunque estas estén a diferentes aumentos, se conserva un patrón en las imágenes dándonos como resultado un mecanismo de fractura similar siendo estas imágenes características en la falla por Fatiga Común.. 37.

(40) Como se pudo ver en las Figuras 29 y 30 se logro establecer un patrón en la microestructura que nos pueda ayudar en el análisis de resultados en el cual se pueda diferenciar a partir de dicha micro-estructura las causas de la falla para este tipo de resinas. Cabe tener en cuenta lo mencionado anteriormente, hay marcas que se ven bajo ambos tipos de falla (Fatiga Común e Impacto) como lo son los poros y esa clase de rayado.. 38.

(41) 4. Conclusiones.. De manera clara se ve que los resultados varían mucho dependiendo de la manera en como se fabrican las probetas es decir, el ambiente de trabajo, relación de mezcla de los componentes, tiempos y temperatura de curado y masa del mismo hacen que estos varíen en su totalidad, a su vez el material usado como adherente es un factor que también juega un papel importante en estos. De esta manera podemos decir que el trabajo con estas resinas no es tan artesanal, sino que se necesita de la plantación del experimento, condiciones óptimas de trabajo y de experiencia en el tema que se va adquiriendo a prueba de ensayo y error.. Por otro lado en el momento de trabajar con estas resinas y de planear el experimento es bueno hacer diseños como el propuesto por el Dr. Taguchi en su diseño robusto, ya que en estos diseños se evalúan muchas propiedades buscando una optimización de los resultados.. Vemos que el adhesivo tiene mayor resistencia cuando este es aplicado en superficies metálicas ferrosas ó no ferrosas como se evaluó en este caso con Aluminio, haciendo que su rendimiento aumente con respecto a otros materiales como se experimento en el Acrílico el cual es un material no metálico.. Como era de esperarse el comportamiento bajo fatiga por impacto es mucho más perjudicial para las uniones adhesivas que la fatiga común, esta variación puede ser causada pero la aplicación discontinua de energía y esfuerzos haciendo que la propagación de grietas y deterioro del material surjan de una manera mucho más rápida.. 39.

(42) 5. Bibliografía. [1] R.D Adams, J. Comyn y W.C. Wake “Structural adhesive joints in engineering” Chapman & hall. Segunda edición. [2] Shigley, Joseph Edward. “Mechanical Engineering Desing” Mc.Graw Hill Séptima edición. [3] Información tomada del URL: http://www.isixsigma.com/library/content/c020311a.asp •. Norma ASTM D1002-05 “Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading”. •. Juan Pablo Casas-Rodriguez, Ian A. Ashcroft and Vadim V. Silberschmidt. “Effect of Impact-fatigue on damage in adhesive joints”.. •. J.P. Casas-Rodríguez, I.A. Ashcroft, V. V. Silberschmidt. “Damage Evolution in adhesive joints subected to impact fatigue”. 40.

(43) Anexos.. A continuación veremos los resultados de los dos primeros lotes donde se podrá ver con mas detalle como fue el progreso en el proceso de manufactura de las Juntas adhesivas hasta llegar al diseño final del experimento, a su vez veremos los primeros resultados obtenidos y la variación de estos con respecto este mismo. La información se separa por lotes y cada lote con sus resultados. Estos primeros lotes fueron evaluados en los ensayos de tensión.. Primer lote.. Inicialmente se fabricaron 10 probetas de aluminio y 10 de acrílico. Estas probetas se realizaron en un laboratorio en el cual no había condiciones ambientales controladas.. Figura 31: anexo - Vista superior de la Junta.. En la Figura 31. vemos la vista superior de la junta adhesiva (Aluminio), claramente se observa la formación de una rebaba posiblemente causada por el exceso de adhesivo en la misma o también por que el peso del aluminio hizo que el adhesivo en su estado liquido fluyera mas de lo deseado.. 41.

(44) Resultados Pruebas de tensión.. Aluminio.. Esfuerzo Vs Deformación 10 Probeta # 1. 8. Probeta # 2. Esfuerzo (MPa). Probeta # 3. 6. Probeta # 4 Probeta # 5 Probeta # 6. 4. Probeta # 7 Probeta # 8. 2. Probeta # 9 Probeta # 10. 0 0. 0.001. 0.002. 0.003. 0.004. 0.005. 0.006. 0.007. 0.008. 0.009. Probeta # 11. -2 Deformacion unitaria (mm/mm). Figura 32. anexo - Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Aluminio “lote 1”. Acrílico.. Esfuerzo Vs. Deformación 3. Esfuerzo (MPa). Probeta # 1. 2.5. Probeta # 2. 2. Probeta # 3 Probeta # 4. 1.5. Probeta # 5. 1. Probeta # 6 Probeta # 7. 0.5. Probeta # 8. 0. Probeta # 9. -0.5. 0. 0.001. 0.002. 0.003. 0.004. 0.005. 0.006. 0.007. 0.008. 0.009. Probeta # 10. Deformación (mm/mm). Figura 33. anexo - Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Acrílico “lote 1”. 42.

(45) Primera Prueba de Tensión Fuerza Deformación Esfuerzo Modulo de (kN) (mm/mm) (MPa) Elasticidad (GPa) ALUMINO Media 0.938 1.386 0.00494 4.366 0.888 Desviación 0.271 0.767 0.00142 2.415 0.390 ACRILICO Media 1.1288 0.5060 0.0059 1.5937 0.2668 Desviación 0.1303 0.1168 0.0007 0.3679 0.0364 Tabla 18. anexo - Resultado de las pruebas de tensión para uniones en Aluminio y Acrílico “Lote 1” Desplazamiento (mm). La Figura 32, muestra los resultados de la primera prueba de Tensión de las juntas adhesivas, usando como adherente Aluminio, a simple vista se ve una gran variación en sus resultados, una de las razones de esto es que dichas probetas no fueron fabricadas al mismo tiempo, es decir la hora de fabricación y la razón de mezcla variaban mucho entre una probeta y otra. En la Tabla 18 vemos que la variación que sufre el esfuerzo es del 55% de su valor medio y en el caso de su módulo de elasticidad es del 44% cifras demasiado significativas para este tipo de estudio. En el caso del acrílico su variación no es tan grande como se puede ver en la Figura 33, aunque el valor del esfuerzo final de cada una de las probetas difiere un poco se puede ver que el modulo de elasticidad de las mismas es muy parecido, sufriendo estas en principio un acomodamiento donde se tiene una deformación sin ocurrir esfuerzo alguno para después a medida que se sufre la deformación el esfuerzo aumenta hasta su ruptura, en este caso para el Esfuerzo tenemos una variación del 23% de su valor medio y en el Módulo de elasticidad del 13% valores mucho menores que los del aluminio, posiblemente esta diferencia radica en el proceso de manufactura de las probetas ya que estas fueron fabricadas al mismo tiempo es decir su tiempo de secado previo a los ensayos es prácticamente el mismo y bajo las mismas condiciones. A demás de esta diferencia en la homogeneidad de los resultados vemos que en ambos materiales la deformación que sufre la capa adhesiva es muy parecida pues el valor medio en el Acrílico es mayor al Aluminio en un 20% aunque es posible que esta valor pueda variar debido a la no homogeneidad de resultados obtenidos en el aluminio, por otro lado se ve que el esfuerzo si tiene una variación entre los materiales pues el valor medio del aluminio es 173% mayor que el del acrílico, esto puede ser por que las fuerzas adhesivas de la resina sean mayores en el Aluminio que en el Acrílico.. 43.

(46) Segundo lote.. Fabricación.. Al ver los resultados tan variables del primer lote se decidió trabajar en un laboratorio donde se tuvieran condiciones ambientales controladas evitando de esta manera que los resultados se vean afectados por cambios en las condiciones climáticas. A su vez se curaron las probetas a 90°C durante una hora. Con el fin de obtener un secado homogéneo de la resina.. Resultados.. Aluminio.. Esfuerzo Vs. Deformación 14 Probeta # 1. Esfuerzo (MPa). 12. Probeta # 2. 10. Probeta # 3. 8. Probeta # 4 Probeta # 5. 6. Probeta # 6. 4. Probeta # 7. 2. Probeta # 8 Probeta # 9. 0 -2. 0. 0.002. 0.004. 0.006. 0.008. 0.01. 0.012. Probeta # 10 Probeta # 11. Deform ación unitaria (m m /m m ). Figura 34. anexo - Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Aluminio “lote 2”. 44.

(47) Acrílico.. Esfuerzo Vs. Deformación 3 Probeta # 1. 2.5 Esfuerzo (MPa). Probeta # 2 2. Probeta # 3 Probeta # 4. 1.5. Probeta # 5. 1. Probeta # 6 Probeta # 7. 0.5. Probeta # 8 Probeta # 9. 0 0. 0.002. 0.004. 0.006. 0.008. 0.01. 0.012. Probeta # 10. Deform ación (m m /m m ). Figura 35. anexo - Graficas Esfuerzo vs. Deformación para las probetas de Acrílico “lote 2”. Segunda Prueba de Tensión Desplazamiento Fuerza Deformación Esfuerzo Modulo de (mm) (kN) (mm/mm) (MPa) Elasticidad (GPa) ALUMINIO Media 1.2198 2.4958 0.0064 7.8608 1.2070 Desviación 0.3156 1.3069 0.0017 4.1163 0.4790 ACRILICO Media 1.3640 0.5365 0.0072 1.6897 0.2354 Desviación 0.1776 0.1634 0.0009 0.5145 0.0633 Tabla 19. anexo - Resultado de las pruebas de tensión para uniones en Aluminio y Acrílico “Lote 2”. En la Figura 34, vemos los resultados de las probetas de aluminio, en este caso se sigue viendo una gran variación en los resultados, pues hay probetas que presentan un comportamiento similar hay otras que su resistencia fue muy inferior a las otras dando una variación en el esfuerzo máximo del 52.3%, parecida a la ya obtenida en el primer ensayo, aunque cabe tener en cuenta que su valor medio aumento en cerca de un 80% al obtenido inicialmente, en este caso también se ve esa región de acomodamiento de la resina en la cual solo se ve un aumento en la deformación y mínimo en el esfuerzo posterior a esta región, tanto como el esfuerzo como la deformación aumentan hasta que se llega a su ruptura. La Figura 35, muestra los resultados de las probetas de acrílico en este caso se presenta una gran variación en los resultados, situación no vista en los. 45.

(48) primeros en este caso su comportamiento es parecido al anterior aunque con una gran variación, a su vez se ve que el comportamiento de la resina es muy parecido al del aluminio aunque su resistencia es mucho menor teniendo una disminución del 79%. En cuanto los resultados del acrílico el esfuerzo máximo tiene una variación del 30% aproximadamente, un aumento del 7% respecto al resultado anterior, a su vez el módulo de elasticidad tiene una variación del 27% aumentando en un 14% con respecto al anterior. De los resultados obtenidos se sigue viendo una no homogeneidad entre cada probeta y entre el primer y segundo lote, tanto para aluminio y acrílico. Respecto al curado de la resina si se ve que influye en los resultados, como ocurrió en el aumento en la resistencia de la resina del aluminio.. 46.

(49) División Adhesivos Adhesivo Epoxico Estructural Scotch Weld DP-100 Plus. Hoja Técnica Descripción. Disponible en presentación grande como Scotch – Weld Epoxy Adhesives 100 Plus B/A clear (Transparente) y 100 Plus B/A Gray (Gris). El adhesivo Epóxico DP – 100 plus Gray, es la versión pigmentada del DP-100 Plus Clear. 14/08/2006 ò4. minutos de Tiempo Abierto. ò Poca. Flexibilidad. ò Transparente. y Gris ò Alto Sostenimiento y Levantamiento ò Flujo Controlado (Gris) ò Relación de Mezcla 1:1 Composición. El Adhesivo Epóxico DP – 100 Clear es un producto de dos componentes en relación de mezcla 1:1 mercaptano – adhesivo epóxico de curado, de rápida reticulación. Es el único de los Epóxicos de cura con Mercaptano con reticulación rápida, que combina alta resistencia al deslizamiento y buen levantamiento para unas excelentes propiedades de desempeño. Especificaciones (Características Técnicas) NOTA:La información técnica y los datos reportados en ésta hoja técnica se deben considerar representativos o típicos pero no deben ser utilizados con propósitos de especificación,. 47.

(50) DP – 100 Plus Clear. DP – 100 Plus Gray. Base Resínica. Epoxy/Mercaptano. Viscosidad (1) Aproximada @80°F (26.7°C). Base (B) Acelerador (A). Epoxy/Mercaptano 7000 cps 10000 cps7000 cps 12000 cps 9.7 9.910.0 9.6. Peso neto (Lbs/Gal). Color. Base (B) Acelerador (A). Base (B) Acelerador (A). Transparente TransparenteGris Blanco 1:1 1:11:1 1:1. Relación de Mezcla (B.A). Por Volumen. Vida de Trabajo (2) @73°F (23°C). 2 gramos 20 gramos. 4 minutos 3 minutos4 minutos 3 minutos. Físicas Color Dureza Shore D (ASTM 2240) Tiempo Abierto (2) Tack-Free Time (3). Transparente 83 3 – 4 Minutos 9 – 10 Minutos. Gris 81 3 – 4 Minutos 10 – 11 Minutos. Tiempo para Manipulación (4). 20 Min. @ 23°C (73°F). 20 Min. @23°C (73°F). Tiempo de Cura (5). 48 Hrs. Q 23°c (73°F). 48Hrs @ 23°C (73°F). Elongación (6) Resistencia a la Tensión (6) Térmicas Pérdida de Peso por Análisis Gravimétrico Térmico – TGA (7). 0.75 1850 PSI. 1.1 2400 PSI. 1% @ 116° C 5% @ 318° C. 1% @ 116° C 5% @ 312° C. 93 (Intervalo 5-20°C) 182 (Intervalo 40-140°C). 208 (Intervalo 40140°C). Coeficiente Térmico de Expansión (TCE) por TMA (8) -6 (X 10 Unidades/ Unidad/°C) Por Debajo del Promedio Por Encima del Promedio. 48.

(51) 23°C 29°C. 14°C 22°C. 0.07 0.00032 0.133. 0.095 0.00039 0.135. Pasa 5 ciclos sin agrietamientos. Pasa 5 ciclos sin agrietamientos. 6.6. 7. 0.06. 0.07. 710 Volt/mil. 665 Volt/mil. 6.7 X 10 ohm – cm. 2.1 X 10 ohm – cm. Temperatura de Transición del Vidrio TCE Por DSC (9) Ajuste Punto medio Conductividad Térmica (10) (@ 110°F en Muestras de 0.25”) 2 BTU-Pie/Pie – Hr -°F Cal/seg – cm -°C Watt/m -°C. Resistencia al Choque térmico (11) Potted Washer Olyphant Test (Método de Prueba 3M/ITSD C – 3174) +100°C (aire) a -50°C (líquido) Eléctricas Constante Dieléctrica @ 1 KHz q 23°C (ASTM D 150). Factor de Disipación @ 1KHz @23°C (ASTM D 150) Resistencia Dieléctrica (ASTM D 149) Muestra Calibre Aprox. 30 mil. Resistividad Volumétrica (ASTM D 257). Nota: Ver notas sobre las pruebas y descripción de ensayos en la sección identificada como Procedimientos de Prueba. Usos y Aplicaciones. Uniones donde se pretenda reemplazar una soldadura y la unión sea estructural en metales Instrucciones de Uso INFORMACION SOBRE. MANEJO Y CURADO INSTRUCCIONES 1. Para obtener uniones de alta resistencia estructural, debe ser removida de la superficie cualquier tipo de contaminación como pinturas, películas de óxidos, aceites, polvos, agentes desmoldantes, etc. La intensidad de la preparación de superficie depende de la fuerza de unión que se desee y de la resistencia al envejecimiento que requiera el usuario final. Refiérase a la siguiente sección sobre preparación de superficies en caso de que se desee información sobre algunas superficies típicas. 2. Utilice guantes para minimizar el contacto con la piel. NO EMPLEE SOLVENTES para lavarse las manos.. 49.

(52) 3.. Mezcle.. Para Cartuchos Duo Pack Los adhesivos Scotch – Weld DP-100 Plus Clear y Plus Gray se ofrecen en cartuchos dobles plásticos, como parte del Sistema Aplicador Scotch – Weld EPXTM. Para usuario, simplemente inserte el cartucho Duo Pack en el aplicador EPX e introduzca los émbolos en los cilindros mediante la aplicación de un poco de presión sobre el gatillo. Luego, retire la tapa y expulse una pequeña cantidad de adhesivo para asegurarse que ambos lados del cartucho están fluyendo continua y simultáneamente. Si se desea la mezcla “automática” de las partes A y B, una la boquilla de mezclado EPX al cartucho Duo Pack y dispense. Para mezclado manual, expulse la cantidad deseada de adhesivo y mezcle totalmente hasta 15 segundos después de haber obtenido uniformidad de color. Para Presentación Bulk Mezcle totalmente en proporción de peso o volumen según se específica en la tabla sobre Propiedades Típicas del Producto sin Curar; hasta aproximadamente 15 segundos después de que se ha obtenido uniformidad de color. 4.. Para máxima fuerza de unión, aplique adhesivo uniformemente a ambas superficies.. 5. La aplicación a los sustratos se debe hacer en 3 minutos. Mayores cantidades y/o mayores temperaturas reducirán éste tiempo de trabajo. 6. Una de las superficies cubiertas con adhesivo y permita su curado a mínimo 60°F (15.5°C) hasta que esté completamente firme. Si se calienta a 200°F (93°C), se aumentará la velocidad de curado. Estos productos curarán en 48 horas @ 75°F (24°C). 7. Mantenga la unión quieta durante el proceso de cura. Se necesita el contacto por presión, la máxima fuerza de sostenimiento se obtiene con 3 a 5 mil (0.08 a 0.13mm) de línea de unión. 8.. El exceso del adhesivo sin curar se puede limpiar con solventes tipo cetonas.. Cubrimiento del Adhesivo: Una línea de unión de 0.13mm puede tener un rendimiento de 320 pies cuadrados/galón.. PREPARACION DE SUPERFICIES Siempre que se requieran uniones estructurales de alta eficiencia, se deben tratar todas las superficies para remover cualquier contaminante. A continuación se sugieren algunos tratamientos de limpieza a superficies típicas de unión Acero 1.. Limpie la superficie con un trapo limpio y empapado con acetona o alcohol isopropílico. *. 2.. Trate las superficies con abrasivos tipo Sandblasting o lijas y discos abrasivos. 50.

(53) 3.. Limpie nuevamente con solvente para remover partículas.. 4. Si se va a emplear primer, debe aplicarse con 4 horas de anticipación a la realización del trabajo. Si se va a utilizar el primer de dos partes Scotch – Weld 1945 B/A, aplique un recubrimiento delgado (0.5 mils o 0.013mm aprox.) sobre la superficie metálica a ser unida, aire seco durante 10 minutos y dejar curar durante 30 minutos a 180°F (82°C), antes de unir. Nota: Cuando utilice solventes, elimine todas las fuentes de ignición en el área y siga los procedimientos de seguridad sugeridos por los proveedores de solventes. Aluminio 1.. Desengrase al Vapor: Condensación de vapores de Percloroetileno durante 5 – 10 min.. 2. Desengrase Alcalino: Solución de Oakite 164 (9-11 Onz/Galón Agua) a 190°F + 10°F (88°C + 5°C) durante 10 – 20 min. Enjuague inmediatamente con abundante agua fría. 3. Baño Decapado Acido: Coloque los paneles en la siguiente solución durante 10 min. A 150°F + 5°F (66°C +5°C): Dicromato de Sodio Acido Sulfúrico 66°Be 2024 – T3 Aluminum (disuelto) Agua. 4.1 – 4.9 Onz/ Gal 38.5 – 41.5 Onz/Gal 0.2 Onz/Gal mínimo Balance de Volumen. 1.. Enjuague: Enjuagar con agua Limpia.. 2. min.. Secado: Emplear aire seco duante 15 min. O aire forzado a 190°F + 10°F (88°C + 5°C) durante 10. 3. Si se va a emplear primer, debe ser aplicado dentro de las 4 horas posteriores al tratamiento superficial Plásticos / Cauchos 1.. Limpie la superficie con alcohol isoporpilico. 2.. Trate la superficie con abrasivo muy fino. 3.. Limpie nuevamente con alcohol isopropílico*. Vidrio 1.. Limpie la superficie empleando acetona o MEK*. 2. Aplique un recubrimiento de 0.1 mil o menos de un primer como el Scotch – Weld EC – 3901, a las superficies del vidrio y permita que el primer seque antes de hacer la unión.. 51.

(54) *Nota: Cuando se utilicen solventes siga todas las normas de seguridad sugeridas por su proveedor y elimine cualquier fuente de ignición.. SUGERENCIAS DE APLICACION Cuando se trate de pequeñas aplicaciones o de aplicaciones intermitentes de adhesivo, se sugiere el empleo de los dispensadores aplicadores 3M EPX. Para aplicaciones industriales grandes se deben emplear equipos especiales de flujo. Se sugiere la utilización del equipo dispensador para los adhesivos de dos partes, tanto en aplicaciones pequeñas como industriales porque representa mayor seguridad y eficiencia en la dosificación de los adhesivos. Precauciones y Primeros Auxilios. N.A. Vida Util del Producto. 12 meses a partir del despacho mientras se encuentre en su empaque original y no haya sido empleado intermitentemente. Notas EspecialesCARACTERISTICAS TIPICAS DE DESEMPEÑO. DEL ADHESIVO. Los siguientes datos de desempeño del producto fueron obtenidos mediante pruebas en los laboratorios de 3M, bajo las condiciones especificadas. Estos datos muestran los resultados obtenidos cuando se aplican los adhesivos Scotch – Weld a los sutratos adecuadamente preparados y curados; las pruebas se efectuaron de acuerdo a las especificaciones. Estos datos se generaron empleando el sistema aplicador Scotch – Weld EPX con el mezclador estático EPX, de acuerdo a las indicaciones del fabricante. Empleando un mezclado manual se pueden conseguir resultados similares.. 52.

(55) DP – 100 Plus Clear. DP – 100 Plus Gray. 3500 psi 1800 psi 1700 psi. 3500 psi 1900 psi 1800 psi. 700 psi. 700 psi. Madera Firme Vidrio, Borosilicato Vidrio, + Primer 3M 3901 Policarbonato Acrílico Fibra de Vidrio ABS PVC Polipropileno Incremento de Fuerza de Unión (OLS sobre aluminio Decapado) (12) Unión probada después de:. 250 psi 300 psi 600 psi 300 psi 1500 psi 280 psi 450 psi 80 psi 0.75. 500 psi 250 psi 650 psi 320 psi 1600 psi 420 psi 520 psi 90 psi. 1 hr @RT 6 hr @RT 24 hr @RT 7 días @RT 1 mes @RT. 600 psi 900 psi 1100 psi 2800 psi 3400 psi. 600 psi 900 psi 1600 psi 3400 psi 3800 psi. 24 hrs RT + 2hrs @ 160°F (71°C) 24 hrs RT + 2hrs @240°F (116°C). 3500 psi 4500 psi. 3500 psi 4900 psi. 1 Semana RT +1 Semana @32°C/90%HR. 3900 psi. 3900 psi. 1 Semana RT + 1 Semana 248°F (120°C). 4500 psi. 4600 psi. 1 Semana RT + 1 Semana Inmers. Agua Fuerza de Sostenimiento vs. Temperatura (12) Uniones curadas 24 hrs @ RT + 2 hrs @ 160°F (71°C) Uniones probadas a:. 3500 psi. 3500 psi. -67°F (-55°C) 70° F (21°C) 120°F (49°C) 150°F (66°C) 180°F (82°C). 3000 psi 3500 psi 750 psi 400 psi 200 psi. 3200 psi 3500 psi 760 psi 450 psi 250 psi. Fuerza de Sostenimiento (OLS) a (12) (Uniones curadas 24 hrs @RT + 2 hrs @ 160° F o 71°C) Aluminio Decapado Aluminio Sandblasting (grano 60) Acero Cold Rolled Vida de Trabajo (2) @73°F (23°C). Envejecimiento (OLS sobre Aluminio Decapado) (12) Unión probada después de:. Levantamiento a 180° vs Temperatura Uniones curadas 24 hrs @ RT + 2 hrs @ 160°F (71°C) (13) Uniones probadas a:. 53.